POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 KAJIAN TEORITIK DAN EXPERIMENTAL FRICTION FACTOR PADA PIPA GALVANISH DENGAN ALIRAN FLUIDA AIR PANAS Sutrisno Teknik Mesin, Universitas Nahdlatul Ulama E-mail : Trisnowmech_79@yahoo.co.id ABSTRAK Dimasyarakat kita banyak beredar jenis-jenis pipa yan terdiri dari berbaai macam ukuran, dari ukuran yan terkecil sampai ukuran yan palin besar. Tetapi dari semua jenis pipa tersebut memiliki nilai friction factor (kekasaran permukaan ) yan berbeda-beda. Untuk itu kami mencoba menadakan penelitian tentan nilai friction factor pada pipa yan beredar dimasyarakat. Adapun pipa-pipa yan kami teliti adalah jenis pipa alvanish dimana ukurannya adalah ½ inci, ¾ inci, inci. Metode penelitian yan diunakan adalah denan penambilan data dari percobaan, kemudian data tersebut diolah denan menunakan rumus yan ada. Setelah data diolah kemudian data ditabindankan denan kenyaataan dilapanan dan ditampilkan dalam sebuah rafik. Dari hasil penelitian didapat bahwa Faktor Gesek untuk fluida denan suhu 60 o C-80 0 C, nilai kekasaran ( e ) untuk tiap-tiap titik pada permukaan pipa alvanish denan diameter yan sama berbeda-beda, sehina terjadinya perbedaan nilai koefisien friksi berdasarkan penukuran denan referensi.adanya beberapa faktor dari luar yan menyebabkan terjadinya perubahan diameter pipa, seperti : kesalahan pada waktu proses penerjaan dan akibat terjadinya benturan. Kata kunci : friction factor, pipa alvanish. PENDAHULUAN. Air merupakan salah satu jenis fluida yan serin kita unakan didalam kehidupan sehari hari. Selain air jenis fluida yan lain yan ada dibumi adalah as, minyak. Fluida adalah suatu zat yan mempunyai kemampuan berubah secara kontinyu apabila menalami eseran, atau mempunyai reaksi terhadap teanan eser sekecil apapun. Dalam keadaan diam atau dalam keadaan keseimbanan, fluida tidak mampu menahan aya eser yan bekerja padanya,dan oleh sebab itu fluida mudah berubah bentuk tanpa pemisahan massa. Gaya esekan atau friksi adalah aya yan ditimbulkan oleh dua benda yan beresekan dan arahnya berlawanan denan arah erak benda. Ketika sebuah benda bersentuhan denan fluida, seperti zat cair atau as, dan sebuah aya dikerjakan pada salah satu dari keduanya (benda atau fluida), maka muncul aya esek yan menhambat erakan. Contoh esekan fluida antara lain terjadi ketika air Kajian Teoritik... 3
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 menalir melalui pipa, sebuahpesawat terban yan sedan terban, dan pelumas yan melumasi baian mesin yan bererak. Dalam dunia industri khususnya dipabrik kita menemukan instalasi pipa-pipa yan bertujuan untuk mendistribusikan fluida cair kesuatu tampat. Misalnya sistem intstalasi pipa minyak pada PERTAMINA, instalasi pipa air PDAM. Fluida yan menalair pada instalasi pipa serin menalami banyak permasalahan diantaranya adalah: terjadinya esekan antara fluida denan dindin pipa sehina menyebabkan keruian/head losses pada fluida, selain itu terjadi turbulensi akibat erakan relatif molekul yan dipenaruhi oleh viskositas fluida, dan jua serin terjadi penurunan tekanan. Atas dasar beberapa pertimbanan hal tersebut diatas, maka penelitian ini bertujuan untuk menkaji nilai koefisien friksi yan mana berpenaruh pada esekan fluida pada pipa alvanis denan aliran air denan suhu 60-80 O C. analisa yan kami unakan menunakan kajian secara teoritik dan jua secara eksperimental kemudian dibandinkan hasilnya. DASAR TEORI Tinjauan Pustaka Helmizar (00) melakukan penelitian menenai penukuran head losses mayor dan head losses minor pada pipa PVC denan diameter ¾ inch, fluida yan diunakan adalah fluida air. Hasil dari peneltian tersebut adalah menunjukan nilai kekasaran relatif dari pipa PVC ¾ sebesar 0,00056, sedankan nilai koefisien keruian (K) pada belokan knee 90 berdiameter ¾ sebesar 0,97906. Kustanto dan Yunianto (00), melakukan penelitian menenai penaruh variasi diameter pipa hisap PVC pada sistem perpipaan tunal pipa sanyo. Fluida yan diunakan adalah air dan diameter pipa adalah 3/8, ½, ¾,, /3 inch. Hasil dari penelitian adalah semakin besar diameter pipa isap yan dipakai menjadikan debit aliran yan dihasilkan lebih banyak dan akan menurunkan faktor esekan, sedankan nilai kehilanan eneri/keruian head ankat dan keruian head tekan pada aliran pipa tersebut akan menalami penurunan, beitu sebaliknya. Pada diameter hisap terkecil 3/8 menhasilkan debit 0m3/mnt dan kehilanan eneri/keruian head ankat h 6.3m, head tekan hp 609.65N/m. Sedankan pada diameter hisap terbesar./ menhasilkan debit m3/mnt dan kehilanan eneri/keruian head ankat h 0.m, head tekan hp.8n/m. Untuk lebih efektif dan efisien dalam penerapan sistem rankaian pipa tunal tersebut kita pakai diameter pipa hisap 3/4, dikarenakan pada rankaian pipa hisap tersebut telah dimulai kestabilan debit yan dihasilkan. Teori Bilanan Reynolds Bilanan Reynolds merupakan perbandinan antara aya inersia denan aya viskos (Victor&Wyle,988). Bilanan Reynolds dapat diunakan untuk menentukan suatu aliran laminar atau turbulen. Aliran laminar adalah aliran dimana partikel-partikel fluida bererak sepanjan lintasan-lintasan yan halus serta lancar. Sedankan Kajian Teoritik... 4
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 aliran turbulen, partikel-partikel fluida bererak dalam lintasan-lintasan yan tidak teratur. Parameter yan diunakan adalah: ρvd Re µ dimana: ρ massa jenis (k/m 3 ) v kecepatan fluida dalam pipa (m/s) d diameter pipa (m) µ viskositas fluida (k/m.s) Berikut kriteria aliran fluida dalam pipa: ρvd Re <300, aliran itu µ biasanya laminar. ρvd Re > 300, aliran itu µ biasanya turbulen Faktor esek ( f ) Aliran laminar Pada aliran laminar pressure drop dapat dihitun secara analisa untuk aliran berkemban penuh pada pipa horizontal (Fox,934).Aliran berkemban penuh terjadi apabila lapisan batas suatu aliran fluida didalam pipa pipa menuju ke satu titik. 8µ LQ p 4 π. D 8µ LV ( πd / 4) 4 π. D L µ V 3 D D Untuk menhitun head loss menunakan rumus: 64 L V Re D fla min ar 64 Re Aliran turbulen Head loss pada aliran turbulen tidak dapat dipecahkan seperti tersebut di atas. Pada aliran turbulen, pressure drop, factor esek pada pipa horisontal berkemban penuh berantun pada diameter pipa, kekasaran pipa, kecepatan rata-rata, massa jenis, dan viskositas L V f D untuk menetahui head loss pada aliran berkemban penuh, bilanan Reynolds harus dihitun terlebih dahulu. Sedankan hara e/d dan faktor esek ditunjukkan pada diaram Moody. Untuk menetahui head loss pada aliran berkemban penuh, bilanan Reynolds harus dihitun terlebih dahulu. Sedankan hara e/d dan faktor esek ditunjukkan pada diaram Moody Maka akan didapat nilai f untuk aliran laminar sebaai berikut : L V 64 f D Re fla min ar 64 Re L V D d e pipa. Untuk menhitun faktor esek dapat diunakan rumus eksplisit sebaai berikut: Kajian Teoritik... 5
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 f,35 / 5,74 ln e D + 3,7 0,9 R Gambar Diaram Moddy III. METODE PENELITIAN Untuk memperoleh data data yan diininkan kami membuat sebuah rankaian alat uji. Dimana alat uji tersebut terdiri dari berbaai komponen yan terankai. Adapun komponennya adalah : 3. Komponen Penelitian.. Orificemeter Orifice (pelat luban ukur) bertepi siku di dalam pipa menyebabkan adanya kontraksi (penyempitan) jet di sebelah hilir luban orifice. Berikut ini adalah ambar dari orifice : Gambar orifice Funsi utama orifice disini adalah sebaai alat yan diunakan untuk menhitun besarnya kecepatan suatu fluida yan menalir didalam pipa. Berikut kontruksi orificemeter (pelat luban ukur) yan penulis unakan dalam penujian : Kajian Teoritik... 6
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 merupakan termokopel jenis T yan mempunyai spesifikasi sebaai berikut ini : -Material kawat terdiri dari tembaa dan konstantan. -Suhu yan dapat dicapai antara 84,4 o C sampai 37, o C Gambar 3 Kontruksi Orifice Hubunan rumus untuk h sebaai berikut: Dari hukum kontinuitas: Q A.V A.V Dari hukum Bernoulli di dapat: V V p + p + Jika A A, maka V V Sehina: p p h Maka didapat: A. A... h A A Q ideal. Manometer U Manometer U merupakan suatu alat yan diunakan untuk menetahui besar perbedaan tekanan air yan menalir didalam orifice melalui beda ketinian ( h ). 3.Termokopel Termokopel merupakan suatu metode listrik yan palin umum diunakan untuk penukuran suhu. Jenis termokopel ada 3 yaitu : termokopel jenis J, termokopel jenis K, dan termokopel jenis T. Termokopel yan diunakan disini 4.Pipa Galvanish Pipa alvanish merupakan pipa besi yan menunakan Aluminium sebaai lapisan luar untuk menceah terjadinya karat. Pipa alvanish tersebut mempunyai anka kekasaran 0,0005 ft atau 0,5 mm 5.Display Termokopel Display termokopel berfunsi sebaai sarana pembaca suhu yan terhubun denan termokopel. Display termokopel yan diunakan mempunyai kemampuan membaca anka diital sebanyak 3 anka. 6 Heater atau pemanas Heater yan penulis unakan disini mempunyai daya 500 watt. Funsi utama heater untuk memanaskan air di dalam penampun sesuai denan suhu yan diininkan. 7 Pompa air Funsi utama pompa disini untuk mensirkulasikan aliran air dari penampun dan akan kembali ke penampun lai melalui pipa. 8.Termokontrol Termokontrol merupakan suatu peralatan yan diunakan untuk menatur suhu air didalam bak penampun sesuai denan yan Kajian Teoritik... 7
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 kita ininkan. Termokontrol tersebut dihubunkan denan heater. Apabila suhu yan dininkan pada penampun air tercapai maka kerja heater di dalam penampun akan berhenti secara otomatis dan apabila suhu air yan diininkan mulai turun maka heater akan bekerja kembali secara otomatis. 9.Asbes Asbes merupakan salah satu jenis isolator yan berfunsi untuk menurani laju perpindahan panas fluida di dalam pipa ke udara luar. Asbes tersebut diletakkan sebelum dan sesudah pipa uji aar suhu dari penampun ke pipa uji tidak banyak berkuran. Gambar 4 rankaian alat uji HASIL DAN PEMBAHASAN Dari data yan didapat kemudian diolah denan menunakan rumus yan diunakan. Adapun data yan didapat dibuat tabel seperti dibawah ini : Tabel. data hasil penujian rata rata Bukaan Tdd ( 0 C) Tdl ( 0 C) Tdd ( 0 C) Tdl ( 0 C) dh orifis (m) dh friksi (m) TwB ( 0 C) 7.6 6.4 68.4 56.4 0.548 0.03 3 73.8 6.0 69.8 55.3.008 0.07 3 3 74.3 64.0 70.0 57..8 0.06 3 4 73.4 6.3 69. 56..80 0.0 3 5 73.3 6.9 68.9 57.0.08 0.09 3 6 73.9 6.5 69.7 5.5.0 0.00 3 Kajian Teoritik... 8
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 Analisa Perhitunan Faktor Gesek (friction factor). Pada pipa berdiameter 0,054 ( inch) untuk data bukaan suhu 70 o C 80 o C diperoleh data sebaai berikut : Tf (suhu fluida pada sesi ) :7,64 0 C Tdl (suhu dindin luar pipa pada sesi ) : 6,40 0 C Tf (suhu fluida pada sesi ) : 68,40 0 C. Tdl (suhu dindin luar pipa pada sesi ) : 56,40 0 C. h orifis (pada manometer orifis): 0,584 m. h friksi (pada manometer friksi) : 0,009m. TdB (suhu bola kerin) : 3 0 C. TwB (suhu bola basah) : 6,50 0 C Persamaan Bernoulli : p V + + z. V + + z + hl p. Berdasarkan hukum kontinuitas : ρ V A ρ V A Karena A A dan ρ ρ maka didapat : V V Denan mensubstitusikan persamaan diatas maka : p V + + z. p ρ p V + + z + hl.. + z p + z + hl Karena hara z z p + z p + z + hl p p. + h ρ l Persamaan tersebut dapat disederhanakan lai menjadi : p p p p p Untuk mendapatkan p : p p + ρ.( h ) ( ρ..( h ) ( ρ ( ) ( ) (..( )) H. O udara H h O 3 p [( + ρ h )) ( ( ρ.( h )) ( ρ.( ))] p H h O p.( udara H O 3 [( + ρ h h )) (( ρ.( ))] p H h O p p.( 3 udara [( + ρ.( h )) ( ( ρ.( h ))] H O friksi udara friksi Interpolasi ρudara pada suhu 3 o C adalah,595 k/m 3 Interpolasi pada Tf 7,64 o C didapat hara : ρ 976,353 k/m 3 µ 3,93. 0-4 k/ms Sedankan hara p p p 9,8 [ + ( 976,353.(0,0093 )) ( (,595.(0,0093 ))] p p 9,8[ 9.0985] p p 89.9 N/m Pada h 0,548 m, orifis didapat hara v 0,369 m/s Kajian Teoritik... 9
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 Sedankan diameter aktual pipa inch di lapanan : - dimameter dalam :,93 cm - diameter luar : 3,6 cm Bilanan Reynold untuk kasus di atas : ρvd Re µ 976,4.0,369.0,093 Re 4 3,93.0 Re 6388,9 Hara Bilanan Reynold di atas menunjukkan bahwa aliran fluida yan terjadi merupakan aliran turbulen. Karena aliran turbulen maka hara faktor esek : - penukuran L V f D. Denan mensubstitusikan persamaan diatas, maka didapat : p L V f D p D. f.. L V 89.9 0,093.9,8 f.. 976,353.9,8,5 0,369 f 0,07 Hara koefisien berdasarkan referensi Untuk menentukan hara dari koefisien friksi berdasarkan dari referensi dapat dicari denan rumus sebaai berikut : Dari referensi untuk hara e ( kekasaran relatif ) pipa alvanish adalah 0,5 mm.maka faktor eseknya adalah :,35 f / 5,74 ln e D + 3,7 0,9 R maka hara koefisien friksi berdasarkan referensi untuk pipa denan diameter 0,054 m ( inch) untuk panjan pipa uji 50 cm :,35 f 0,5/,93 ln + 3,7 f 0,034 5,74 6388,9 0,9 Kemudian denan perhitunan seperti fiatas maka dapat dibuat rafik untuk masin-masin diameter pipa uji. Kajian Teoritik... 0
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 DIAGRAM MOODY PADA PIPA DIAMETER 0.054 M ( INCH) 0.060 0.050 0.040 f penukuran 0.030 f ( ref 0 ) 0.00 0.00 000 0000 00000 000000 0000000 Re Gambar 5 rafik koefisien friksi pada pipa diameter 0,054 m DIAGRAM MOODY PADA PIPA DIAMETER 0.0905 M (0.75 INCH) 0.060 0.050 0.040 f penukuran 0.030 f ( ref 0 ) 0.00 0.00 000 0000 00000 000000 0000000 Re Gambar 6 rafik koefisien friksi pada pipa diameter 0,0905 m Kajian Teoritik...
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 DIAGRAM MOODY PADA PIPA DIAMETER 0.07 M (0.5 INCH) 0.060 0.050 0.040 f penukuran 0.030 f ( ref 0 ) 0.00 0.00 000 0000 00000 000000 0000000 Re Gambar 7 rafik koefisien friksi pada pipa diameter 0,07 m Pada hasil perhitunan koefisien friksi dan dari ambar rafik diaram Moody akan didapat, perbedaan nilai koefisien esek secara perhitunan dan berdasarkan referensi Dari diaram moody pada pipa inch dan pipa 0,5 inch nilai koefisien esek untuk perhitunan berbeda denan nilai koefisien esek berdasarkan referensi. Pada rafik untuk pipa inch dapat kita lihat bahwa : Dari pembacaan tabel Moody untuk pipa inch berdasarkan percobaan maka didapat hara ε 0,008. Maka hara untuk d ε berdasarkan perhitunan untuk pipa inch 0,008 x 9,3 0,34 mm. Pada pipa inch berdasarkan referensi hara ε (kekasaran permukaan) pipa alvanish sebesar 0,5 mm Demikian jua untuk pipa 0,5 inch berdasarkan pembacaan tabel Moody untuk pipa 0,5 inch, hara ε 0, 00. Maka d hera ε berdasarkan perhitunan sebesar 0,00 x 6,9 0,034 mm. Hal tersebut diatas berbeda denan hara ε berdasarkan referensi, karena : Pada waktu proses penerjaan untuk memperoleh diameter yan sama setiap panjan pipa membutuhkan ketelitian yan tini, yan tidak menutup kemunkinan terjadinya kesalahan pada waktu proses penerjaan tersebut. Adanya benturan yan terjadi pada pipa yan menakibatkan terjadinya lekukan pada titik yan terkena benturan tersebut. Hal tersebut menyebabkab diameter pipa setiap panjan yan sama berbeda-beda. Kekasaran dari permukaan pipa alvanish yan diunakan berbeda-beda untuk tiap permukaan pipa. Kajian Teoritik...
POLITEKNOSAINS VOL. XIII NO. September 04 KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yan telah penulis lakukan, melalui data perhitunan dan data rafik yan ada dapat diambil beberapa kesimpulan sebaai berikut : Untuk fluida denan suhu 70 0 C-80 0 C dapat kita simpulkan untuk koefisien friksi sebaai berikut:. Nilai kekasaran ( e ) untuk tiaptiap titik pada permukaan pipa alvanish denan diameter yan sama berbeda-beda, sehina terjadinya perbedaan nilai koefisien friksi berdasarkan penukuran denan referensi.. Adanya beberapa faktor dari luar yan menyebabkan terjadinya perubahan diameter pipa, seperti : kesalahan pada waktu proses penerjaan dan akibat terjadinya benturan. DAFTAR PUSTAKA Bamban Y, 998, Perpindahan Panas (Konduksi Stedi dan Tak Stedi Serta Radiasi Termal), Teknik Mesin fakultas Teknik Universitas Diponeoro, Semaran. Helmizer, 00, Studi Eksperimental Penukuran Head Losses Mayor (Pipa Pvc Diameter ¾ ) Dan Head Losses Minor (Belokan Knee 90 Diameter ¾ ) pada sistem instalasi pipa, Dinamika, Jurnal ilmiah Teknik Mesin Vol No. Holman J.P, 984, Perpindahan Kalor, Edisi Keenam, Diterjemahkan oleh Ir. E. Jasjfi MSc, Penerbit Erlana. Kustanto, H. Yunianto, J.P, 00, Kajian Penaruh Variasi Diameter Pipa Hisap Pvc Pada Sistem Perpipaan Tunal Pompa Sanyo, Jurnal Teknik edisi 8. Kern D. Q, 986, Process Heat Transfer, International Student Edition, McGraw-Hill Book Company, London. Reynolds C William, Perkins Henry C, 993, Termodinamika Teknik, Diterjemahkan oleh Ir. Kusnul Hadi, Penerbit Erlana, Jakarta. Robert l. Dauhterty, A. B, M. E. Joseph B. Franzini, Ph. D., E John Finnemore, Ph. D., 985, Fluid Mechanics With Enineerin Applications, Eiht Edition, McGraw-Hill Book Company, London. Robert W. Fox, AlanT. McDonald, 975, Introduction to Fluid Mechanics, Third Edition, John Wiley and, sons, New Tork Chichester Brisbane Toronto Sinapore. Warner F. Cecil, 985, Dasar-Dasar Thermodinamika untuk Insinyur, Alih Bahasa Ir. Moedjijarto Pratomo, Msc, Penerbit PN Balai Pustaka. William C. Reynold,. Henry C Perkine, 99, Termodinamika Teknik, Alih Bahasa: Dr Ir. Filino Harahap, M. Sc, Penerbit Erlana, Jakarta Kajian Teoritik... 3