STUDI PEFORMANSI ALIRAN FLUIDA PADA INSTALASI PIPA DENGA MATERIAL DAN DIMENSI BERVARIASI

Transkripsi

1 STUDI PEFORMANSI ALIRAN FLUIDA PADA INSTALASI PIPA DENGA MATERIAL DAN DIMENSI BERVARIASI Gusfito Riantama, Ir. Kaidir, M. Eng 1), Rizky Arman., S.T. M.T 2) Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta Kampus III Jl. Gajah mada Gunung Pangilun Telp. (0751) Padang, Sumatra Barat gusfyto@gmail.com ABSTRAK Alat uji rugi aliran didalam system pemipaan diuji dengan menggunakan 4 variasi pipa diameter,diantaranya : yaitu :19,0 mm, 12,7 mm, 9,5 mm, dan 6,4 mm. untuk mengetahui koefisien gesek pada pipa stainless steel serta menentukan jenis aliran yang terdapat pada material pipa yang digunakan dalam penelitian ini merupakan sebuah rangkaian pemipaan dengan mengunakan berbagai macam jenis komponen pemipaan.alat ini berupa Instalasi Alat Uji Rugi- Rugi Aliran yang terdapat di Laboratorium Fenomena Dasar Universitas Bung Hatta.dari hasil pengujian yang dilakukan, semakin besar diameter pipa maka semakin kecil koefisien gesek yang dihasilkan.dan dapat juga disimpulkan bahwa semakin sempit bukaan katup,makan semakin besar tekanan yang dihasilkan,misalnya pada diameter pipa 6,4 mm.pada bukaan katup 1/2 mengasilakan tekanan 14,5 mh2o, dan bukaan katup 1/3 menghasilkan tekanan 17,5 mh2o. Dengan semakin meningkatnya bilangan Reynolds maka koefisien dari debit air yang dikeluarkan akan menurun. Kata kunci : Instalsi pipa, Alat Uji Rugi Aliran, Diameter pipa ABSTRACT Test equipment flow losses in the piping system was tested using 4 variations in pipe diameter, among others: ie: 19.0 mm, 12.7 mm, 9.5 mm and 6.4 mm. for knowingi coefficient of friction on stainless steel pipe and determine the type of flow that is contained in the pipe material used in this study is a piping circuit by using various types of components in the form of piping.tool Installation Test Equipment Loss and Loss stream contained in the Basic Phenomena Laboratory Universitas Bung Hatta.from results of tests performed, the greater the diameter of the pipe then the smaller coefficient of friction be produced and can also be concluded that the narrower the valve opening, the greater the stress on meal produced, for example, the pipe diameter of 6.4 mm. openings valve 1/2 pressure mh2o 14.5, and the third valve opening pressure to produce 17.5 mh2o.by increasing the Reynolds number, the coefficient of discharge issued will decrease. Keywords: the installation of pipes, Loss Test Equipment Flow, Diameter pipe

2 PENDAHULUAN Setiap hari kita selalu berhubungan dengan fluida tanpa kita sadari. Kita dapat melihat instalasi perpipaan air pada rumah yang kita tempati. Fenomena pada fluida yang dapat kita lihat dalam kehidupan sehari-hari. Benturan air antara pipa ketika keran air ditutup secara tiba-tiba. Pusaran air yang kita lihat ketika air didalam bak mandi dikeluarkan melalui lubang pembuangannya. Radiator air atau uap panas untuk memanaskan rumah dan radiator pendingin dalam sebuah mobil yang bergantung pada aliran fluida agar dapat memindahkan panas dengan efektif.. Pada perkembangan dunia industri yang semakin pesat beriringan dengan memasuki era globalisasi, sangat banyak sekali dilakukan penemuan- penemuan yang dikembangkan lewat penelitian yang dilakukan oleh para ahli dan engineering dengan tujuan untuk mengetahui nilai bilangan Reynold (Re) suatu fluida dan koefisien gesek (λ) dari berbagai jenis pipa. Didunia industri banyak sekali menggunakan pipa dalam pendistribusian fluida cair dalam melakukan proses produksi. Misalnya saja pada Perusahaan Air Minum (PAM) dan Perusahaan Tambang Minyak Negara (PERTAMINA). Pipa memiliki berbagai bentuk penampangdan ukurannya. Yang sering banyak digunakan oleh umum adalah pipa yang berbentuk lingkaran. Dan material pipa yang digunakan bermacam-macam. Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh (Triatmojo 1996 : 25). Fluida yang di alirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas dan tekanan bisa lebih besar atau lebih kecil dari tekanan atmosfer. Apabila zat cair di dalam pipa tidak penuh maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka atau karena tekanan di dalam pipa sama dengan tekanan atmosfer (zat cair di dalam pipa tidak penuh), aliran temasuk dalam pengaliran terbuka. Karena mempunyai permukaan bebas, maka fluida yang dialirkan dalah zat cair. Tekanan dipermukaan zat cair disepanjang saluran terbuka adalah tekanan atmosfer. Perbedaan mendasar antara aliran pada saluran terbuka dan aliran pada pipa adalah adanya permukaan yang bebas yang (hampir selalu) berupa udara pada saluran terbuka. Jadi seandainya pada pipa alirannya tidak penuh sehingga masih ada rongga yang berisi udara maka sifat dan karakteristik alirannya sama dengan aliran pada saluran terbuka (Kodoatie, 2002: 215). Misalnya aliran air pada gorong-gorong. Pada kondisi saluran penuh air, desainnya harus mengikuti kaidah aliran pada pipa, namun bila mana aliran air pada goronggorong didesain tidak penuh maka sifat alirannya adalah sama dengan aliran pada saluran terbuka. Perbedaan yang lainnya adalah saluran terbuka mempunyai kedalaman air (y), sedangkan pada pipa kedalam air tersebut ditransformasikan berupa (P/y). Oleh karena itu konsep analisis aliran pada pipa harus dalam kondisi pipa terisi penuh dengan air. Zat cair riil didefinisikan sebagi zat yang mempunyai kekentalan, berbeda dengan zat air ideal yang tidak mempunyai kekentalan. Kekentalan disebabkan karena adanya sifat kohesi antara partikel zat cair. Karena adanya kekentalan zat cair maka

3 terjadi perbedaan kecepatan partikel dalam medan aliran. Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak. Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas. Aliran zat cair riil disebut juga aliran viskos. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Definisi Fluida Aliran fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari benda padat karena kemampuannya untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena ikatan molekul dalam fluida jauh lebih kecil dari ikatan molekul dalam zat padat, akibatnya fluida mempunyai hambatan yang relatif kecil pada perubahan bentuk karena gesekan. Zat padat mempertahankan suatu bentuk dan ukuran yang tetap, sekalipun suatu gaya yang besar diberikan pada zat padat tersebut, zat padat tidak mudah berubah bentuk maupun volumenya, sedangkan zat cair dan gas, zat cair tidak mempertahankan bentuk yang tetap, zat cair mengikuti bentuk wadahnya dan volumenya dapat diubah hanya jika diberikan padanya gaya yang sangat besar. Gas tidak mempunyai bentuk maupun volume yang tetap,gas akan berkembang mengisi seluruh wadah. Karena fase cair dan gas tidak mempertahankan suatu bentuk yang tetap, keduanya mempunyai kemampuan untuk mengalir. Dengan demikian kedua duanya sering secara kolektif disebut sebagai fluida (Olson, 1990) 2.2 Sifat-Sifat Fluida Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida. Adapun sifat sifat dasar fluida yaitu: kerapatan (density) ρ, (specific gravity) (s.g), tekanan (pressure) P, kekentalan (viscosity) μ. 1. Kerapatan (Density) Kerapatan (density) ρ suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut dan dinyatakan dalam massa per satuan volume. Sifat ini ditentukan dengan cara menghitung perbandingan massa zat yang terkandung dalam suatu bagian tertentu terhadap volume bagian tersebut. 2. Viskositas Viskositas adalah ukuran ketahanan sebuah fluida terhadap deformasi atau perubahan-perubahan bentuk. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur, hal ini disebabkan gaya-gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan dengan semakin bertambahnya temperatur pada zat cair yang menyebabkan berturunnya viskositas dari zat cair tersebut. Viskositas dibagi menjadi dua yaitu: a. Viskositas dinamik atau viskositas mutlak atau absolute viscosity. Viskositas dinamik adalah sifat fluida yang menghubungkan tegangan geser dengan gerakan fluida. Viskositas

4 dinamik tampaknya sama dengan ratio tegangan geser terhadap gradien kecepatan. du dy Dimana: u y μ = viskositas dinamik (kg/m.s) τ = tegangan geser (N/m²) = gradien kecepatan ((m/s)/m) 2.3 Aliran Fluida Dalam Pipa Fluida Dalam Pipa Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang digunakan untuk mengalirkan fluida.apabila zat cair di dalam pipa tidak penuh, maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka.menurut Hukum Reynolds Aliran terdiri dari: 1. Klasifikasi aliran Secara garis besar jenis aliran dapat dibedakan atau dikelompokkan sebagai berikut (Olson, 1990): a) Aliran Tunak (steady) Suatu aliran dimana terjadi perubahan kecepatan terhadap waktu. 2. Tipe-tipe aliran Bilangan Reynolds merupakan bilangan yang tak berdimensi yang dapat membedakan suatu aliran dinamakan laminer, transisi dan turbulen. VD Re Dimana: V = kecepatan fluida (m/s) D = diameter dalam pipa (m) ν = viskositas dinamik fluida (kg/ms) atau (N.s/m²) a) Aliran Laminar Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan lapisan atau lamina lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Aliran laminar ini mempunyai nilai bilangan Reynoldsnya kurang dari 2300 (Re < 2300). Suatu aliran dimana kecepatannya tidak terpengaruh oleh perubahan waktu sehingga kecepatan konstan pada setiap titik (tidak mempunyai percepatan). b) Aliran Tidak Tunak (unsteady) Gambar 1 Aliran Laminar.

5 b) Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminer ke aliran turbulen. Keadaan peralihan ini tergantung pada viskositas fluida, kecepatan dan lain-lain yang menyangkut geometri aliran dimana nilai bilangan Reynoldsnya antara 2300 sampai dengan 4000 (2300<Re<4000). 2.4 Koefisiensi Gesek ( f ) Parameter kekasaran pipa sering dipresentasikan sebagai faktor gesekan (friction factor). Koefisien gesek dipengaruhi oleh kecepatan, karena didistribusi kecepatan pada aliran laminar dan aliran turbulen berbeda. Untuk rumus koefisiensi geseknya ditinjau dengan persamaan: f p. D.2g air.l.v 2 Dimana : Gambar 2 Aliran Transisi c) Aliran Turbulen Aliran turbulen didefinisikan sebagai aliran yang dimana pergerakan dari partikelpartikel fluida sangat tidak menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain dalam skala yang besar. Dimana nilai bilangan Renoldsnya lebih besar dari 4000 (Re>4000). ƒ=koefisien gesek Δ = beda tekanan pada aliran masuk dan keluar (Pa) D = diameter pipa (m) g = percepatan gravitasi (m/s²) ƴair =berat jenis air (N/m³) L = panjang (m) V = kecepatan aliran fluida (m/s) Gambar 4 Diagram Moody (Fox dan Mc. Donald,1995) Gambar 3 Aliran Turbulen. Diagram Moody digunakan untuk menunjukkan ketergantungan fungsional faktor gesekan (f) pada bilangan Reynolds (Re) dan kekasaran relatif (ε/d). Perlu diperhatikan bahwa nilai ε/d tidak perlu

6 selalu bersesuaian dengan nilai aktual yang diperoleh melalui suatu penentuan mikroskopik dari ketinggian rata-rata kekasaran permukaan. METODOLOGI PENELITIAN a. Diagram Alir Tempat dan Waktu Penelitian Waktu : Bulan September - Desember 2016 Tempat : Penelitian dilaksanakan dilaboratorium Fenomena Dasar Mesin Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Kampus III Universitas Bung Hatta Dalam pengujian ini diperlukan alat-alat yang digunakan: Alat: 1.Stopwatch Stopwatch adalah alat ukur besaran waktu yang dapat diaktifkan dan dimatikan. Stopwatch diaktifkan ketika pengukuran waktu akan dimulai dan pada akhir pengukuran bisa dihentikan (dimatikan). Ketika dihentikan, jarum stopwatch menunjukkan waktu sesuai dengan selang waktu stopwatch diaktifkan, bukan kembali ke nol. Dengan demikian, lama pengukuran dapat dibaca dengan mudah. Ketika pengukuran kembali dilakukan, cukup dengan menekan tombol untuk mengembalikan jarum ke posisi nol. 2.Jangka Sorong yaitu sebagai alat pengukur ketebalan atau kedalaman suatu benda. Ukuran yang detail akan selalu ditunjukan oleh jangka sorong melalui garis skalanya. Selanjutnya jangka sorong juga merupakan alat untuk mengukur diameter dalam suatu benda. Tentunya benda- benda yang memiliki diametir adalah benda yang mberbentuk bulat atau bola serta elips. Dengan cara menjepitkan lengan capit yang dimiliki oleh jangka sorong pada benda tersebut. Disisi lain jangka sorong pun dapat disebut sebagai alat mengukur suatu benda dengan tingkat ketelitian mencapai satu per seratus millimeter 3.Pressure gauge Pressure gauge adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan fluida (gas atau liquid) dalam tabung tertutup. Satuan dari alat ukur tekanan ini berupa psi (pound per square inch), psf (pound per square foot), mmhg (millimeter of mercury), inhg (inch of mercury), bar, atm (atmosphere), N/m^2 (pascal). 4.Meteran Berfungsi untuk mengukur jarak atau panjang. Meteran juga berguna untuk mengukur sudut, membuat sudut siku-siku, dan juga dapat dipakai untuk membuat lingkaran. Pada ujung pita dilengkapi dengan pengait dan diberi magnet agar lebih mudah ketika sedang melakukan

7 pengukuran, dan pita tidak lepas ketika mengukur. Langkah- langkah Pengujian : 1. Siapkan peralatan yang akan dipergunakan pada pengujian kali ini. 2. Periksa alat uji rugi aliran layak atau tidak di operasikan. 3. Pastikan alat pengambil data sudah terpasang dengan benar pada titik-titik pengambilan data yang sudah ditentukan. 4. Ukur masing masing diameter pipa 5. Pasang pressure gauge pada pipa pertama yang akan di uji. 6. Hidupkan pompa dan biarkan bersirkulasi beberapa saat 7. Lakukan pengujian dalam membuka katup pada pipa pertama yang akan di uji kemudian tutup / kunci 8. Catat berapa tekanan yang terjadi pada pipa tersebut pada pressure gauge 9. Lakukan Pengujian dengan variasi bukaan katup bola pada setiap pipa 10. Setelah selesai pengujian dilakukan matikan pompa. ANALISA DAN PEMBAHASAN Table 2 hasil pengolahan data diameter 19 mm Bukaan mh2o Katup 1 7,5 1/2 19 1/ /4 22,5 Pada grafik pipa diameter 19 mm dapat dijelaskan bahwa nilai tekanan mh2o dengan lama waktu pengujian 15 menit, serta bukaan katup yang divariasikan antara bukaan 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Didapatkan hasil yang berbeda, nilai tertinggi pada bukaan katup yang divarisikan yaitu pada bukaa ¼ dengan nilai 22,5 mh2o Tabel 2 hasil pengolahan data pada pipa 9,5 mm Bukaan mh2o Katup 1 7 1/2 12,5 1/3 15,5 1/4 18

8 dengan lama waktu pengujian 15 menit, serta bukaan katup yang divariasikan antara bukaan 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Didapatkan hasil yang berbeda, nilai tertinggi pada bukaan katup yang divarisikan yaitu pada bukaa ¼ dengan nilai 21 mh2o. Pada grafik pipa diameter 9,5 mm dapat dijelaskan bahwa nilai tekanan mh2o dengan lama waktu pengujian 15 menit, serta bukaan katup yang divariasikan antara bukaan 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Didapatkan hasil yang berbeda, nilai tertinggi pada bukaan katup yang divarisikan yaitu pada bukaa ¼ dengan nilai 18 mh2o Table hasil pengolahan Data Diameter12,7 mm Bukaan mh2o Katup 1 6 1/2 13 1/3 16,5 1/4 19,5 Table 3 Hasil Pengolahan Data Diameter 6,4 mm. Bukaan mh2o Katup /2 14,5 1/3 17,5 1/4 21 Pada grafik pipa diameter 12,7 mm dapat dijelaskan bahwa nilai tekanan mh2o dengan lama waktu pengujian 15 menit, serta bukaan katup yang divariasikan antara bukaan 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Didapatkan hasil yang berbeda, nilai tertinggi pada bukaan katup yang divarisikan yaitu pada bukaa ¼ dengan nilai 19,5 mh2o Pada grafik pipa diameter 6,4 mm dapat dijelaskan bahwa nilai tekanan mh2o

9 Tabel 4 hasil pengolahan Data kerugian aliran D HF Pada grafik koefesien gesek dapat diketahui bahwa semkin besar diameter pada pipa paka semakin renda pula koefisien geseknya. PEMBAHASAN Pada grafik kerugian aliran dapat diketahui bahwa semakin besar diameter pipa maka nilai kerugi aliranya semakin besar pula. Table 5 koefisien gesek D F Berdasarkan data yang diperoleh dari pengujian rugi aliran dengan mengunakan pipa berdiameter yang berbeda, yaitu pipa berdiameter 6,4 mm, 9,5mm, 12,7mm, dan 19mm.Dalam pengujian yang dilakukan ini,untuk pengambilan data berdasarkan variasi bukaan katup yaitu dengan bukaan, 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Untuk setiap bukaan, pengambilan data dilakuan setiap 15 menit. Data yang dipeloleh dari pengujian, terlihat perbedaan data pada tekanan fluida. Perbeaan data tersebut diakibatkan diameter dan panjang pipa yang berbeda. Dari pengujian yangdilakukan bahwa didapatkan krugian aliran yang terjadi didalam pipa yang disebabkan oleh : 1. Gesekan yang terjadi disepanjang aliran fluida dalam pipa atau lebih yang dikenal dengan rugi mayor (mayor losses ). Hal ini disebabkan kekasaran pipa serta diameter dan panjang pipa. Factor gesekan yang terjadi sepanjang pipa dapat dilihat pada digram modi.

10 2. Gesekan yang terjadi seweaktu fluida melewati elemen-elemen pemipaan (sperti: katup, sambungan, elbow) dengan dengan rugi minor ( minor Losses ). Harga hambatan yang terjadi pada fluida dapat dilihat pada table koefisien hambatan. KESIMPULAN Berdasarkan hasil pengolahan data, semakin besar diameter pipa makan semakin kecil koefisien gesek yang dihasilkan. Berdasarkan hasil pengolahan data,dapat disimpulkan bahwa semakin sempit bukaan katup,makan semakin besar tekanan yang dihasilkan,misalnya pada diameter pipa 6,4 mm.pada bukaan katup 1/2 mengasilakan tekanan 14,5 mh2o, dan bukaan katup 1/3 menghasilkan tekanan 17,5 mh2o. Dengan semakin meningkatnya bilangan Reynolds maka koefisien dari debit air yang dikeluarkan akan menurun Fluid. Int. Comm. Heat Mass Transfer, 31, 763 Fox, Robert W, Mcdonald, Alan T, Introduction to Fluid Mechanics 4 th Edition (USA: Jhon Wiley & Sons, Inc, 1994) Frank M. White, Mekanika Fluida, terj. Ir. Mahana Harianja (Jakarta: 1994) Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T. H., Mekanika Fluida, terj. Dr.Ir. Harinaldi, Ir. Budiarso, M.Eng. (Jakarta: Erlangga, 2003) Kumar, k. l., Engineering Fluid Mechanics. Eurasia Publishing House Ltd., 2000 Lang, Rudi A. Basic Principles and Component of Fluid Technology. United States of America. Mannesmann Rexroth Victor L. Streeter, E. Benyamin Wylie, Mekanika Fluida, terj. Arko Prijono (Jakarta: Erlangga, 1988) DAFTAR PUSTAKA Daugherty.L.R., and J. B. Franzini, FLUID MECHANICS, 6th edition, Mc Graw Hill, Newyork, 1965 Etmad, S. Gh. (2004). Turbulent Flow Frction Loss Coefficients of fittings for Purely Viscous Nnon-Newtonian