Analisis Aliran Fluida Terhadap Fitting Serta Satuan Panjang Pipa Nisa Aina Fauziah, Novita Elvianti, dan Verananda Kusuma Ariyanto Jurusan teknik kimia fakultas teknik universitas Sultan Ageng Tirtayasa ABSTRAK Transfortasi fluida merupakan bagian penting dari teknik kimia. Umumnya transformasi fluisa dilakukan dalam suatu saluran yang tertutup dengan berbentuk silinder, yaitu pipa. Gaya gesek fluida dipelajari dalam penerapan mekanika fluida adalah persamaan kontinuitas dan persamaan Bernoulli. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk memberikan gambaran secara eksperimental tentang analisa aliran fluida pada suatu system perpipaan dan untuk menghitung friction loss. Aplikasi industry dari percobaan aliran fluida misalnya pada industry kilang minyak, pembangkit listrik dan industry kimia. Prosedur yang dilakuakn adalah dengan melakukan valve set dan megisi tangki hingga penuh,lalu menyalakan pompa dan mengkalibrasi flow meter. Kemudian mengulang percobaan untuk berbagai laju alir. Hasil dari percobaan ii adalah fricsi actual untuk bukaan valve 4,5 dan 6 pada panjang pipa 60 cm adalah 0,401;0,401;0,676. Kerja pompa pada bukaan valve 4,5 dan 6 pada D pipa 1 inch sebesar 1,637; 1,63; 1,540. Semakin besar panjang pipa dan kecepatan aliran akan memperbesar friksi. Sedangkan semakin besar diameter pipa akan memperkecil friksinya. Kata kunci: fluida, densitas, viskositas, beda tekan, friction PENDAHULUAN Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distrursi) secara permanen. Fluida dapat berua cairan atau gas pada suhu tertentu dan tekanan tertentu. Setiap fluida mempunyai densitas atau rapat massa tertentu. Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah fluida itu berada di bawah penngaruh bidang batas padat atau tidak. Dalam kehidupan sehari-hari kita sering menjumpai kasus untuk aliran fluida, misalnya keran air yang memiliki belokan. Fungsi keran yang memiliki pipa belokan bukan hanya mempermudah air mengalir ke bawah tetapi juga untuk memperkecil laju alir fluid ajika dibandingkan dengan pipa lurus. Dalam industry kimia, proses memerlukan pengaliran fluida melalui pipa saluran dan peralatan proses. Percabangan pipa bnayak digunakan dalam system perpipaan misalnya dalam pertambangan dan pengolahan air minum. Sifat-sifat aliran fluida merupakan suatu hal yang sangat menarik untuk diteliti. Fluida zat cair yang mengalir melalui sebuah pipa dengan panjang tertentu menyebabkan terjadinya kerugian energy berupa penurunan tekanan (preddure drop) disebabkan oleh mayor losses akibat gesekan sepanjang dinding pipa maupun minor losses akibat perubahan bentuk local saluran pipa dan juga tergantung besar koefisien gesek pipa tersebut [1] Oleh karena itu percobaan aliran fluida di harapkan dapat memberikan gambaran system aliran fluida dalam pipa dan dapat mempelajari factor apa saja yang dapat mempengaruhi alira fluida. LANDASAN TEORI 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 []. Sifat sifat dasar fluida yaitu: kerapatan (density) ρ, (specific gravity) (s.g), tekanan (pressure) P, kekentalan (viscosity) µ [3]. Bilangan Reynold Geankoplis [4] menyebutkan bilangan Reynolds merupakan bilangan yang tak berdimensi yang dapat membedakan suatu aliran dinamakan laminer, transisi dan turbulen. R= v D ρ μ 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 300 (Re < 300). Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminer ke aliran turbulen. Keadaan peralihan ini tergantung pada viskositas fluida, kecepatan dan lainlain yang menyangkut geometri aliran dimana nilai bilangan Reynoldsnya antara 300 sampai dengan 4000 (300<Re<4000). Gambar. Aliran Transisi c) Aliran turbulen didefinisikan sebagai aliran yang dimana pergerakan dari partikel-partikel 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 bil an ga n Re no ld sn ya lebih besar dari 4000 (Re>4000). Gambar 3. Aliran Turbulen. Persamaan Bernoulli Persamaan Bernouli ideal adalah alirannya konstan sepanjang lintasan dan mengabaikan segala kerugian yang terjadi dalam lintasan fluida. Gambar 4. Persamaan Bernoulli mbar 1. Aliran Laminar Ga
Persamaan untuk dua titik pada suatu garis aliran adalah: P 1 + 1 ρ v 1 +ρg h 1 =P + 1 ρ v +ρg h Namun kenyataannya pada siring atau lintasan fluida terjadi kerugian gesekan. hl adalah kerugian gesek didalam saluran [5]. Persamaan umum yang digunakan untuk menggambarkan hilang energi akibat gesekan, yaitu : a. Gesekan pada pipa lurus F f =4 f ' L D V b. Gesekan akibat valve dan fitting h f =k f V c. Gesekan akibat kontraksi h fc =k c V untuk aliran turbulen k c =0.55(1 A A 1 ) d. Gesekan akibat ekspansi h fe =k e V k e =0.55(1 A ) A 1 METODELOGI PERCOBAAN Praktikum ini dilakukan dengan menggunakan metode eksperimental yaitu melakukan pengukuran langsung dan tak langsung. Peralatan yang digunakan seperti ditunjukan pada gambar 5. Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan pada percobaan ini, yaitu sistem perpipaan dan kelengkapannya yang terdiri dari elbow, gate valve, globe valve, tee, flowmeter dan pompa. Bahan yang digunakan, yaitu air. Prosedur Percobaan Percobaan diawali dengan melakukan persiapan dan mengecek kondisi pompa dan sistem perpipaan. Setelah memastikan semua peralatan dalam kondisi yang baik, langkah pertama yang dilakukan yaitu mengisi tangki dengan air sampai penuh, kemudian melakukan valve set pada sistem perpipaan, lalu menghidupkan pompa dan mengalirkannya ke seluruh sistem perpipaan. Selanjutnya, yaitu mengkalibrasi flowmeter. Kalibrasi dilakukan dengan bukaan valve yang berbeda-beda, yaitu bukaan valve 1 sampai bukaan valve 7. Kalibrasi dilakukan untuk menentukan laju alir dan kecepatan fluida. Setelah itu, dilakukan percobaan untuk menentukan friction loss dengan melakukan pengukuran beda tekanan fluida menggunakan manometer raksa. Variasi yang digunakan yaitu variasi panjang pipa, diameter pipa, kelengkapan, dan gabungan pada sistem perpipaan pada bukaan valve 1, dan 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada percobaan ini dilakukan kalibrasi laju alir fluida menggunakan flowmeter. Fluida yang digunakan yaitu air. Air dialirkan dari tangki melalui sistem perpipaan seperti gambar 5. Jalur pipa yang digunakan pada kalibrasi ini adalah pipa dengan diameter 0.5 inch yang kemudian dialirkan melewati flowmeter pada pipa berukuran 1.5 inch. Kalibari dilakukan dengan cara menghitung lama waktu yang dibutuhkan untuk air mengalir melewati flowmeter sebanyak 0.005 m 3. Pengambilan data dilakukan sebanyak tujuh kali dengan variasi bukaan valve satu sampai bukaan valve tujuh. Kalibrasi dilakukan untuk menentukan jenis bukaan yang digunakan sebagai variasi dalam percobaan dan untuk menentukan laju alir fluida. Dari ketujuh kalibrasi tersebut akan dipilih tiga data. Pada percobaan ini, data kalibrasi yang digunakan adalah pada bukaan 4, 5 dan 6
sebab laju alir meningkat seiring dengan bertambahnya bukaan valve. Gambar 5. Skema instalasi aliran fluida Pengaruh Diameter Pipa terhadap Friction Loss Pada percobaan ini dilakukan perhitungan friction loss baik teori maupun actual berdasarkan diameter terhadap besar friction loss yang dihasilkan. Friction 4 3 1 0 0.5 0.75 1 Diameter (inch) Teori Aktual yang ada bahwa nilai Friction berbanding terbalik dengan diameter. Sehingga semakin besar diameter maka friction akan semakin kecil dan sebaliknya Persamaan tersebut dapat dituliskan: F f =4 f ' L D sehingga F f 1 D V Pengaruh Kelengkapan terhadap Friction Loss Gambar 6. Grafik pengaruh diameter terhadap friction loss Variasi diameter pipa yang digunakan pada percobaan ini, yaitu 0.5 in, 0.75 in dan 1 in dengan panjang pipa 0.6 m. Grafik 6 menunjukan bahwa baik teori maupun actual memiliki nilai friction loss yang semakin kecil seiring dengan bertambahnya diameter pipa. Data tersebut telah sesuai dengan teori yang
Friction 7 6 5 4 3 1 0 Teori Aktual Tee 1 Elbow 90 0 6 Source: geankoplis, Cristie J. 003. Transport Processes and Separation Process Principles. Pearson Education, Inc. KESIMPULAN Jenis Fitting Percobaan ketiga dilakukan pada kelengkapankelengkapan yang digunakan yang terdiri dari globe valve, gate valve, tee dan elbow 90 o dengan masing-masing diameter adalah ¾ in, ½ in, 1 in dan 1 in. Gambar 7. Grafik pengaruh kelengkapan terhadap friction loss Dari grafik tersebut menunjukan bahwa nilai friction terbesar didapatkan oleh globe valve kemudian elbow, gate valve dan tee. Secara teori, nilai friction pada kelengkapan dipengaruhi oleh nilai k f atau factor kehilangan. Sebagaimana persamaan berikut: h f =k f V Dimana h f k f Friction loss akan sebanding dengan nilai k f dimana semain besar nilai k f maka friction akan semakin besar pula. Jenis kelengkapan memiliki nilai kf yang berbeda-beda dan pemilihan jenis kelengkapan akan mempengaruhi nilai friction loss yang dihasilkan, dimana semakin besar nilai kf, akan semakin besar friction loss yang dihasilkan. Berikut adalah nilai k f berdasarkan lengkapan yang digunakan saat percobaan Table 1. Friction Loss for turbulen flow Type of fitting or Number of velocity valve heads, k f Globe valve (wide 0.75 open) Gate valve (wide 0.17 open) Dari hasil percobaan aliran fluida dapat disimpulkan bahwa sifat-sifat fluida adalah densitas, viskositas, laju alir serta friction loss. Semakin besarnya perubahan panjang pipa dan kecepatan aliran akan memperbesar nilai frictionnya. Sedangkan dengan semakin besar diameter pipa akan memperkecil nilai frictionnya. Untuk pengaruh fitting pada rangkaian akan menyebabkan nilai friction semakin besar seiring dengan semakin banyaknya kelengkapan pipa dan kerja pompa dipengaruhi oleh energy kinetic, energy potensial, beda tekan, dan kalor. DAFTAR PUSTAKA [1] Widayana, G. dan T. Yuwono. 010. Studi Eksperimental dan Numerik Aliran Dua Fase (Air-Udara) Melewati Elbow 30 0 dari Pipa Vertical menuju Pipa dengan Sudut Kemiringan 60 0. Jurnal teknik mesin. Institusi teknologi sepuluh November. surabaya [] Olson, R.M and Wright, S.J. 1990. Dasar-dasar Mekanika Fluida Teknik. Jakarta: PT Gramedia Pustaka [3] Fox, Robert W. dan Alan T. Mc Donald. 1995. Introduction to Fluid Mechanics 3 rd edition. John Willey & Sons. USA [4] Geankoplis, Christie J. 003. Transport Processes and Separation Process Principles. Pearson Education, Inc. [5] Soedrajat, S. 1983. Mekanika Fluida dan Hidroliks. Bandung: Nova. [6] Streeter, VL & Wylie, EB. 1985. Mekanika Fluida Jilid 1. Jakarta: Erlangga