ANALISA DISTRIBUSI TEKANAN UDARA YANG MELEWATI ELBOW 90 0 Yuspian Gunawan 1, Muhammad Hasbi 2, Muh. Sakti Jaya 3

Transkripsi

1 ANALISA DISTRIBUSI TEKANAN UDARA YANG MELEWATI ELBOW 90 0 Yuspian Gunawan 1, Muhammad Hasbi 2, Muh. Sakti Jaya 3 3 Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Halu Oleo 2 3 Dosen Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Halu Oleo Jln. H.E.A Mokodompit, Kampus Bumi Tridarma Andonohu, Kendari yuspian.gunawan@yahoo.com Abstrak Pesatnya perkembangan berbagai bidang ilmu mendorong majunya peradaban kehidupan manusia. Penggunaan elbow dalam perancangan sistem perpipan menyebabkan kerugian tekanan pada aliran. Hal ini dikarenaka oleh perubahan arah aliran fluida yang melalui saluran tersebut. Penurunan tekanan (pressure drop) pada aliran yang melewati elbow lebih besar di banding dengan pipa lurus dengan panjang yang sama. Besar kecilnya penurunan tekanan (pressure drop) pada aliran yang melalui elbow tersebut dipengaruhi oleh besarnya jari-jari kelengkungan dan sudut belokan dari elbow itu sendiri yang menyebabkan terjadinya separasi (separation loss) dan aliran sekunder (secondary flow) pada elbow Dari hasil penelitian ini disimpulkan bahwa distribusi tekanan pada Re 8,1737 x10 4 lebih kecil dibanding dengan Re 10, 1467 x10 4, Sedangkan kerugian tekanan pada Re 8,1737x10 4 lebih kecil dibandingkan dengan Re 10,1467x10 4. Kata Kunci : Analisa distribusi, tekanan udara, dan elbow Abstract The rapid development of a variety of disciplines to encourage the advance of civilization of human life. Use elbow in the system design perpipan causing a loss of pressure in the flow. It because by a change in direction of fluid flow through the channel. The pressure drop (pressure drop) to flow past the elbow is greater compared with a straight pipe of the same length. The size of the drop in pressure (pressure drop) to flow through the elbow is affected by the magnitude of the radius of curvature and angle of the bend of the elbow itself that caused the separation (separation loss) and secondary school (secondary flow) on the elbow From the results of this study concluded that the pressure distribution at Re x10 4 is smaller than Re 10, 1467 x10 4, while pressure on Losses Re x10 4 is smaller than Re x10 4. Keywords: Distribution analysis, air pressure, and elbow Latar Belakang Pada zaman moderen seperti saat ini kebutuhan manusia tidak bisa dipisahkan dengan teknologi dan ilmu pengetahuan. Pesatnya perkembangan berbagai bidang ilmu mendorong majunya peradaban kehidupan manusia. Ilmu teknik adalah sebagai salah satu bidang yang mengaplikasikan ilmu dan teknologi tentu memegang peranan penting bagi kehidupan manusia. Dalam dunia industri misalnya, kebutuhan akan instalasi pipa yang mempunyai head dan efisiensi tinggi sangat menunjang kemajuan dalam sistem perancangan perpipaan, ada berapa hal yang sangat berpengaruh terhadap efisiensinya, misalnya: diameter pipa, ketebalan, kekasaran, sambungansambungan (fitting) dan belokan (elbow). Penggunaan elbow dalam perancangan sistem perpipaan, menyebabkan terjadinya kerugian tekanan pada aliran. Hal tersebut dikarenakan oleh perubahan arah aliran fluida yang melalui saluran tersebut. Penurunan tekanan (pressure drop) pada aliran yang melewati elbow lebih besar dibandingkan dengan pipa lurus dengan panjang yang sama. Basar kecilnya penurunan tekanan (pressure drop) pada aliran yang melalui elbow tersebut dipengaruhi oleh besarnya jari-jari 1

2 kelengkungan dan sudut belokan dari elbow itu sendiri yang menyebabkan terjadinya separasi (separation loss) dan aliran sekunder (secondary flow) pada pipa elbow Separasi terjadi bila momentum yang digunakan untuk menggerakan fluida sudah tidak mampu mengatasi gaya gesek dan tekanan balik (adverse pressure gradient) yang mengakibatkan terjadinya vortex, getaran, dan kavitasi, dimana kerugian tersebut mengakibatkan penurunan head dan berpotensi merusak instalasi pipa. Untuk mengetahui besarnya kerugian tekanan pada elbow 90 0, maka penulis merencanakan suatu penelitian tentang Analisa Distribusi Tekanan Udara Yang Melewati Elbow Teori Dasar Aliran Fluida Istilah pipa didefenisikan sebagai saluran tertutup, biasanya berpenampang lingkaran atau persegi. Pipa dapat dibuat dari setiap bahan seperti baja atau plastik. Sebuah aliran multifasa mengandung dua fasa aliran yang berbeda, seperti cair dan padat, gas dan padat, cair dan gas atau dua cairan yang bercampur. Aliran dengan fasa tunggal mengandung cairan atau gas tanpa padatan didalamnya, atau tanpa bercampur cairan atau gas lainnya. Aliran air, minyak, gas, udara, dan lain-lain semuanya merupakan contoh dari aliran fasa tunggal. Air yang dipenuhi dengan partikel sedimen atau gelembung udara adalah aliran dua fasa. Jika aliran air mengandung gelembung udara dan sedimen, maka biasa disebut sebagai aliran tiga fasa. Fluida adalah zatzat yang mampu mengalir dan menyesuaikan diri dengan bentuk wadah atau tempatnya, atau zat yang akan berdeformasi terus menerus selama dipengaruhi oleh suatu tegangan geser. Bila berada dalam keseimbangan, fluida tidak dapat menahan gaya tangensial atau gaya geser. Semua fluida memiliki suatu derajat kompresibilitas dan memberikan tahanan kecil terhadap perubahan bentuk. Setiap fluida yang mengalir dalam sebuah pipa harus memasuki pipa pada suatu lokasi. Daerah aliran didekat lokasi fluida memasuki pipa tersebut sebagai daerah masuk (entrance region). Sebagaimana ditujukkan pada gambar 1 di bawah, fluida biasanya memasuki pipa dengan profil kecepatan yang hampir seragam pada bagian (1). Di saat fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkan tetap menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa slip). Hal ini berlaku jika fluidanya adalah udara yang relative (inviscid) ataupun minyak yang sangat viskos. Jadi, sebuah lapisan batas (boundary layer) dimana efek viskos menjadi penting yang muncul di sepanjang dinding pipa, hingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang pipa (x) sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk dimana setelah di luar profil kecepatannya tidak berubah lagi menurut x (2). Gambar 1. Daerah masuk aliran sedang berkembang dan aliran berkembang penuh di dalam pipa (Munson, 2005). Perhitungan profil kecepatan dan distribusi tekanan di dalam daerah masuk sangat rumit. Namun, apabila fluida telah mencapai ujung akhir dari daerah masuk, aliran lebih mudah digambarkan karena kecepatan hanyalah fungsi jarak dari sumbu pipa (r) dan tidak tergantung pada x. Hal ini 2

3 berlaku hingga sifat dari fluida berubah karena sesuatu hal, misalnya perubahan diameter, atau sampai fluida mengalir melalui sebuah belokkan, katup, atau komponen lainnya pada bagian (3). Aliran antara (2) dan (3) disebut aliran berkembang penuh (fully developed). Setelah gangguan atas aliran berkembang penuh, aliran secara bertahap melalui kembali ke sifat berkembang penuhnya dan terus dengan profil hingga komponen pipa berikutnya tercapai bagian (6). Dalam banyak kasus pipa cukup panjang sehingga terdapat panjang aliran berkembang penuh yang lebih besar dibandingkan dengan panjang aliran yang sedang berkembang. Bilangan Reynolds Bilangan Reynolds merupakan bilangan tak berdimensi yang membedakan suatu aliran seperti aliran laminar, transisi, dan turbunlen. Namanya di ambil dari Osborne Reynolds ( ) yang mengusulkan pada tahun Bilangan Reynolds dapat dirumuskan sebagai berikut: Re= = = (1) V = kecepatan rata-rata (m/s) d = diameter pipa (m) = viskositas kinematik fluida (m 2 /s) atau = µ/ = densitas Massa fluida (kg/m 3 ) µ = viskositas dinamik fluida (N.det/m 2 ) q = debit (m 3 /s) Reynolds menemukan bahwa aliran selalu laminar bila kecepatannya diturunkan sedemikian sehingga Re lebih kecil dari Untuk instalasi pipa biasa, dan aliran turbulen nilai Re lebih dari Sedangkan Re berada diantara 2300 sampai dengan 4000 adalah dinamakan bilangan Reynolds kritis. Bilangan Re yang besar menunjukkan aliran yang sangat turbulen dengan kerugian yang sebanding dengan kuadrat kecepatan. Dalam aliran laminar kerugian berbanding lurus dengan kecepatan rata-rata. Aliran laminar didefenisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan atau laminalamina dengan satu lapisan, meluncur secara lancar pada lapisan yang bersebelahan yang saling tukar-menukar momentum secara molecular. Viskositas Viskositas adalah yang menentukan besar daya tahan fluida terhadap gaya geser. Hal ini terutama diakibatkan oleh saling ketergantungan molekul-molekul fluida. Viskositas fluida ini menyebabkan terbentuknya gaya geser antara elemenelemenya. Bila suatu fluida mengalami geseran, ia mulai bergerak dengan laju renggangan yang berbanding terbalik dengan suatu besaran yang disebut koefisien viskositas, viskositas dinamis atau viskositas mutlak (White, 1986). Renggangan geser yang bekerja dalam fluida berbanding langsung dengan gradien kecepatan. Konstanta perbandingannya adalah koefisien viskositas. viskositas dinamis dapat diperhitungkan dengan persamaan : Dengan, = tegangan geser (N.m) µ = viskositas dinamis (N.det/m 2 ) = perubahan kec.aliran fluida (m/det) (2) Pada gambar dibawah ini menunjukan bagaimana viskositas mempengaruhi profil aliran dalam suatu saluran. 3

4 Gambar 2. Efek viskositas terhadap aliran fluida didalam suatu saluran (White,1986) Pada diatas terlihat bahwa pada dinding tidak terjadi percepatan dan semakin ditengah aliran terlihat sempurna karena aliran dikuasai oleh gaya kekentalannya (viskositasnya). Selain viskositas dinamis, kita juga mengenal adanya viskositas kinematis. viskositas kinematis adalah perbandingan antara viskositas dinamis dengan densitas. Dengan, = viskositas kinematis (m 2 /det) µ = viskositas dinamis (N.det/m 2 ) = densitas (kg/m 3 ) Tekanan (3) Tegangan normal pada setiap bidang yang melalui unsur fluida yang diam mempunyai nilai unik yang disebut tekanan fluida. Tekanan fluida dipancarkan dengan kekuatan yang sama kesemuah arah dan bekerja tegak lurus pada suatu bidang. Tekanan dinyatakan sebagai gaya yang dibagi dengan luas bidang kerjanya (Giles,1976). Untuk keadaan dimana gaya F terdistribusi di atas luasan, maka tekanan dapat diperhitungkan dengan persamaan Dengan, P = tekanan (N/m 2 ) (4) F = gaya (N) a = luas bidang kerja (m 2 ) Untuk tekanan fluida dalam sebuah saluran tekanan dapat dihitung dengan persamaan: P = tekanan (N/m 2 ) = massa jenis fluida (kg/m 2 ) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) h = perbedaan ketinggian (m) (5) Tekanan fluida dalam saluran tersebut dapat di klasifikasikan menjadi tekanan stagnasi P o dan tekanan statis Ps (White, 1986). Tekanan stagnasi merupakan tekanan fluida tepat ditengah-tengah sebuah saluran ditambah tekanan atmosfer setempat. Sehingga persamaan stagnasi menjadi : (6) Sedangkan tekanan statis merupakan tekanan fluida pada dinding sebuah saluran. Karena tekanan statis Ps terjadi pada permukaan dinding bebas sehingga a = P, maka persamaan tekanan statis menjadi : (7) Selisih antara tekanan stagnasi dengan tekanan statis merupakan tekanan dinamis atau tekanan aliran fluida. Sehingga dinamis atau tekanan aliran fluida dapat dirumuskan : Dimana : P O = tekanan stagnasi ( N/m 2 ) Ps = tekanan statis ( N/m 2 ) a = tekanan atmosfer setempat (N/m 2 ) P = tekanan aliran fluida ( N/m 2 ) = massa jenis fluida (kg/m 3 ) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) h = perbedaan ketinggian pada bacaan manometer (m) (8) 4

5 Tekanan dalam sebuah massa fluida dapat diartikan sebagai sebuah tekanan mutlak (absolute pressure) atau dapat juga diartikan sebagai tekanan pengukur (gage pressure). Tekanan mutlak diukur relatif terhadap suatu keadaan hampa sempurna (tekanan nol mutlak), sedangkan tekanan pengukuran diukur relatif terhadap tekanan atmosfer setempat. Tekanan mutlak selalu bernilai positif, sedangkan tekanan pengukuran dapat bernilai positif maupun negatif. Tekanan pengukuran positif maupun negatif. Tekanan pengukuran positif apabila nilainya diatas tekanan atmosfer,dan nilainya negatif apabila nilainya berada dibawah tekanan atmosfer. Salah satu alat ukur tekanan pada fluida adalah manometer. Alat ukur ini melibatkan penggunaan kolom cairan dalam tabungtabung tegak atau miring (Munson, 2003). Tipe manometer yang sering digunakan adalah manometer U, manometer miring, dan manometer V. fluida yang berada dalam manometer di sebut fluida pengukur. Hasil pengukuran tekanan pada manometer V dinyatakan dalam ketinggian kolom,tergantung dari jenis fluida pengukurannya dan sudut untuk manometer V. Pada manometer V perhitungan h didapat dengan persamaan: ) sin (9) Dimana: z o = bacaan awal manometer (m) Z 1 = bacaan akhir manometer (m) = sudut keringan manometer V Kecepatan Pada suatu fluida nyata yang melalui sebuah saluran dengan tekanan statis Ps dan tekanan stagnasi P o, maka kecepatan ratarata aliran biasa diperhitungkan (Giles,1976), persamaan untuk kecepatan terukur pada fluida mengalir adalah sebagai berikut: V = (10) Dengan, V = kecepatan rata-rata (m/det) P o = tekanan stagnasi (N/m 2 ) Ps = tekanan statis (N/m 2 ) = densitas (kg/m 3 ) Densitas Densitas adalah massa dari materi atau zat setiap satuan volumenya. Kerapatan atau densitas dari fluida akan mempengaruhi jenis aliran dari fluida, bila di tinjau dari bilangan Reynolds-nya. Densitas suatu zat atau materi dapat dilihat dari temperaturnya. Semakin tinggi temperatur zat atau materi maka densitas dari zat tersebut akan semakin rendah sehingga kecepatan akan semakin tinggi. Densitas dapat dinyatakan dengan persamaan : = (11) = densitas ( kg/m 3 ) m = massa ( kg) V = volume (m 3 ) Berat Jenis Berat jenis suatu zat adalah berat suatu zat persatuan volume atau merupakan perkalian dari densitas dengan percepatan gravitasi (White, 1986) =. g (12) Dengan, = berat jenis (N/m 3 ) = densitas ( kg/m 3 ) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) Spesifik Gravity Spesifik Gravity (SG) suatu fluida merupakan rasio perbandingan densitas atau massa jenis suatu fluida cair terhadap densitas fluida acuan air pada 4 C dan 5

6 tekanan atmosfer standar (Munson, 2003). Spesifik Gravity dapat dihitung dengan persamaan : SG= (13) Atau, SG = spesifik grafity fluida = densitas fluida tertentu (kg/m 3 ) air = densitas air pada 4 C (kg/m 3 ) Rugi Tekanan Minor (Minor Head Loosess) Untuk sebuah sistem perpipaan, disamping kerugian mayor yang dihitung untuk seluruh panjang pipa, ada pulayang disebut kerugian minor yang disebabkan oleh lubang masuk atau lubang keluar pipa, belokan,sambungan T, dan katup yang terbuka atau sebagian tertutup (White,1986). Kerugian head total dalam adalah penambahan antara kerugian mayor dan kerugian minor yang dirumuskan: (14) Dari hasil eksperimen para ahli dengan fluida pada bilangan Reynolds yang tinggi memperlihatkan bahwa kerugian minor dalah sama dengan kali energi kinetik persatuan berat dalam fluida dengan koefisien kerugian. h m = kerugian minor (m) g = percepatan grafitasi (m/s 2 ) k L = koefisien kerugian V = kecepatan aliran (m/s) 3. Metode Penelitian (15) Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Mei 2015 di Laboratorium Mekanika Fluida, Jurusan Teknik Mesin. Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu: Akrilik, udara, pipa kapiler diameter 0,7 mm, dan lem. Red oil pengisi manometer dengan spesifikasi merek, global brake fuid, dot 3 FMVSS 116, SAE J 17,03, SG 0,8614. Adapun alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah Instalasi pengujian distribusi tekanan udara yang melewati elbow Gambar 3. Instalasi penelitian Manometer spesifikasi jenis manometer V, sudut kemiringan 30 0, tingkat ketelitian mistar ukur 0,5 mm, mesin bor spesifikasi merek: induction motor, power 250 W, kecepatan 1400 rpm, blower spesifikasi electric blower, ukuran 3 inch, putaran 3000/3600 rpm. Sketsa Alat Uji Pada gambar dibawah ini tampak beberapa bagian dari sketsa alat uji. 6

7 Gambar 4. Sketsa alat uji tampak atas Gambar 6. Sketsa daerah titik pengukuran Pembahasan Grafik distribusi tekanan Re = 8,1737 x 10 4 Gambar 5. Sketsa alat uji isometric Hasil Pengujian Untuk memudahkan dalam proses analisa data distribusi tekanan yang terjadi pada elbow 90 0, maka dalam pengujian alat dapat dibagi menjadi 5 daerah titik pengukuran, (x 1, x 2, x 3, x 4, x 5 ). Pada daerah pengukuran x 1 terdiri dari titik pengukuran 1 sampai 20, daerah pengukuran x 2 terdiri dari titik pengukuran 21 sampai dengan titik pengukuran 40, daerah pengukuran x 3 terdiri dari titik pengukuran 41 sampai dengan titik pengukuran 56, daerah pengukuran x 4 terdiri dari titik pengukuran 57 sampai dengan titik pengukuran 70 dan daerah pengukuran x 5 terdiri dari pengukuran 71 sampai dengan pengukuran 82. Maka untuk lebih jelas dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Gambar 7. Grafik distribusi tekanan sepanjang titik pengukuran pada elbow 90 0 dengan variasi Re = 8,1737 x 104 Grafik head loss Re = 8,1737 x 10 4 Gambar 8. Grafik head loss sepanjang titik pengukuran pada elbow 90 0 dengan variasi Re = 8,1737 x

8 Grafik tekanan Re = 8,1737 x 10 4 Grafik tekanan Re = 10,1467 x 10 4 Gambar 9. Grafik tekanan sepanjang titik pengukuran pada elbow 90 0 dengan variasi Re = 8,1737 x 10 4 Grafik distribusi tekanan Re =10,1467 x 10 4 Gambar 10. Grafik distribusi tekanan sepanjang titik pengukuran pada elbow 90 0 dengan variasi Re = 10,1467 x 10 4 Grafik head loss Re = 10,1467 x 10 4 Gambar 11. Grafik head loss sepanjang titik pengukuran pada elbow 90 0 dengan variasi Re = 10,1467 x 10 4 Gambar 12. Grafik tekanan sepanjang titik pengukuran pada elbow 90 0 dengan variasi Re = 10,1467 x 10 4 Kesimpulan Dari hasil pembahasan diatas tentang distribusi tekanan udara yang melewati elbow 90 0 disimpulkan sebagai berikut: 1. Nilai distribusi tekanan (Cp) pada Re=8,1737x10 4 yang tertinggi terdapat pada daerah pengukuran x 3, dengan nilai distribusi tekanan =1, Sedangkan nilai kerugian tekanan (HL) yang tertinggi terdapat pada daerah pengukuran x 3, dengan nilai kerugian tekanan = 7, m 2. Nilai distribusi tekanan (Cp) pada Re =10,1467x10 4 yang tertinggi terdapat pada daerah pengukuran x 3, dengan nilai distribusi tekanan =6, Sedangkan nilai kerugian tekanan (HL) yang tertinggi terdapat pada daerah pengukuran x 2, dengan nilai kerugian tekanan = 10, m. Dari hasil penelitian ini disimpulkan bahwa Distribusi tekanan pada Re=8,1737x10 4 lebih kecil dibandingkan dengan Re=10,1467x10 4, sedangkan kerugian tekanan pada Re=8,1737x10 4 lebih kecil dibandingkan dengan Re=10,1467x10 4. Hubungan antara tekanan dan kecepatan dilihat dari hasil perhitungan maka dapat di jelaskan bahwa semakin kecil kecepatan maka nilai tekanan semakin 8

9 rendah, Begitu juga sebaliknya semakin besar tekanan maka nilai kecepatan semakin meningkat. Hubungan HL dengan kecepatan adalah apabila kecepatan tinggi maka HL juga meningkat, Begitu juga sebaliknya apabila kecepatan kecil maka HL juga rendah. Sedangkan hubungan HL dengan tekanan adalah apabila tekanan besar maka HL nya kecil, begitu juga sebaliknya semakin kecil HL maka tekanannya semakin meningkat. Saran Adapun saran saya dalam penelitian ini yaitu perlu diadakan penelitian elbow 90 0 yang sama dengan angka Re = 8,1737x10 4 dan Re = 10,1467 x 10 4, tetapi manometer V di buat 5 alat jadi pengambilan datanya bisa dilakukan secara bersamaan dari daerah pengukuran x 1 sampai dengan daerah pengukuran x 5. Daftar Pustaka Cheng, D. Y., 1994 Laminar Flow Elbow System and Methode, U.S. Patent Documents, No. 5,323,661 Dambon, F. & Solliec, C., 2000, Aerodynamic Torgue of Baterfly Valve Influeace of an Elbow on the Time-Mean and Instantaneous Aerodinamic Torque, J. Fluids Engineering. Vol. 122, Iswati, Studi Eksperimental dan Numerik Pengaruh Penambahan Dua Guide Vanes Terhadap Pressure Drop Aliran didalam Horizontal Rectangular Elbow 90 0, Studi kasus untuk angka Reynolds 2 1 x 10 5 Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya. Kim W.J & Patel, C., 1994, Influence of Streamwise Curvature on Longitudinal Vortices imbedded in Turbulent Boundary Layer, J. Computer Fluids, Vol. 23, Liou, T.M., Lee, H.L., & Liao, C.C., 2001, Effects of Guide-Vane Number in a three- Dimensional 60 Drag Curved Side-Dump Combustor Inlet, J. Fluids Engineering.Vol123, Marn, J. & Primoz, T., 2006, Laminar Flow of Sheard- Thichkening Fluid in 90 0 Pipe Bend, Fluids Dynamyc Research, White, Frank., 1986, Mekanika Fluida Jilid I, Erlangga. Jakarta. White, Frank., 1986, Mekanika Fluida Jilid II. Erlangga. Jakarta. 9