PENERAAN ALAT UKUR LAJU ALIR FLUIDA I. TUJUAN PERCOBAAN Tujuan percobaan ini adalah membuat kurva baku hubungan antara tinggi pelampung dalam rotameter cairan dengan laju alir air dan kurva baku hubungan antara tinggi pelampung dalam rotameter gas dengan laju alir udara. II. DASAR TEORI Dalam perancangan alat dan pemipaan dalam industri terdapat beberapa besaran yang perlu diperhatikan. Selain sifat fluida itu sendiri seperti densitas dan viskositas, debit dan laju alir juga memegang peranan penting. Terdapat beberapa pilihan alat yang dapat digunakan untuk mengukur laju alir fluida, salah satunya adalah rotameter. Rotameter berbentuk tabung yang terbuat dari gelas, kaca atau plastik yang transparan. Tabung ini memiliki diameter atas yang sedikit lebih besar dibandingkan diameter bawahnya. Pada dinding rotameter terdapat garis-garis skala ukuran panjang untuk mengukur ketinggian float atau pelampung yang terdapat di dalam tabung. Bentuk float bermacam-macam, yaitu bisa berbentuk bola, kerucut, dan lain sebagainya. Hal tersebut tergantung dari jenis fluida yang akan diukur laju alirnya. Rotameter cairan memiliki float yang berbentuk bola sedangkan rotameter gas memiliki float berbentuk kerucut. Bahan pelampung dapat diganti-ganti sesuai dengan rapat massa dan laju maksimum zat cair yang diukur. Pelampung dapat bergerak naik turun secara bebas karena didorong oleh zat alir yang mengalir dari bagian bawah rotameter ke atas. Pada keadaan stabil yaitu ketika tinggi pelampung tidak lagi berubah-ubah, terbentuk keseimbangan gaya dimana gaya ke atas (gaya Archimedes) sama dengan gaya gesek ditambah gaya berat pelampung. Rotameter bekerja dengan prinsip beda tekanan tetap. Semakin besar perbedaan tekanan, laju alir fluida menjadi semakin besar yang menyebabkan
ketinggian pelampung juga semakin besar karena gaya dorong fluida yang bertambah kuat. Pada pengukuran laju alir cairan, pengukuran dapat dilakukan langsung dengan mengukur debit cairan yang tertampung selama jangka waktu tertentu. Berbeda dengan pengukuran laju alir gas yang dilakukan secara tidak langsung, yaitu dengan mengukur debit air yang terdesak oleh aliran gas. Dalam hal ini diasumsikan volume air yang terdesak sama dengan volume gas yang mengalir. Rotameter digunakan dalam percobaan ini karena memiliki beberapa kelebihan, yaitu: 1. Rotameter dianggap bebas dari pengaruh densitas, sejauh perubahan itu tidak lebih dari 15%. 2. Rotameter telah terbukti cocok untuk pengukuran laju alir fluida gas dan cairan. 3. Rotameter modern tidak dipengaruhi viskositas (kekentalan) sehingga tidak mengubah peneraan. 4. Pressure drop rendah. 5. Biaya pengadaan awal rendah. 6. Rangebility rendah. (McCabe, Smith, and Harriot,1987) A. Peneraan Alat Ukur Laju Alir Gas 1. Prinsip Kerja Float pada Rotameter Gas Float pada rotameter gas bekerja dengan prinsip beda tekanan tetap. Semakin besar perbedaan tekanan, laju alir fluida menjadi semakin besar yang menyebabkan ketinggian pelampung juga semakin besar karena gaya dorong dari fluida yang bertambah kuat. Pengukuran laju alir gas dilakukan secara tidak langsung, dengan mengukur debit air yang terdesak oleh aliran gas. Dalam hal ini diasumsikan volume air yang terdesak sama dengan volume gas yang mengalir. 2. Gaya yang Bekerja pada Float Rotameter Gas
Pada keadaan stabil yaitu ketika tinggi pelampung tidak lagi berubah-ubah, terbentuk keseimbangan gaya di mana gaya ke atas (gaya Archimedes) sama dengan gaya gesek ditambah gaya berat pelampung. Pada rotameter gas (kerucut) W = F A -F g (1) Gaya gesek diabaikan sehingga F g = 0 sehingga, W = F A (2) F A = gv (3) F A = g r 2 l (4) dengan, F A = gaya Archimedes (g cm/s 2 ) massa jenis float (g/cm 3 ) r = jari-jari float (cm) l = tinggi float (cm) g = gaya gravitasi (cm/s 2 ) Berikut adalah gambar gaya-gaya yang bekerja pada float rotameter gas : Gas Gambar 1. Gaya-Gaya yang Bekerja pada Float Rotameter 3. Bentuk Float pada Rotameter Gas
Bentuk float pada rotameter gas adalah kerucut. Hal ini karena kerucut memiliki ujung yang runcing, luas penampang, volume dan massa yang kecil, sehingga mudah diangkat oleh gas yang mempunyai daya desak relatif kecil dibandingkan cairan. 4. Persamaan Bernoulli serta Pengaruh Perbedaan Ketinggian Pipa Discharge Pada saat pengukuran debit, tinggi permukaan ujung discharge harus sejajar dengan permukaan air di dalam penampung. Hal ini untuk menghilangkan pengaruh tekanan akibat perbedaaan ketinggian atau tekanan hidrostatis, sehingga aliran yang terjadi hanya dipengaruhi oleh beda tekanan di dalam dan di luar tabung. Jika tinggi discharge lebih rendah daripada tinggi permukaan air di dalam botol penampung maka debit menjadi lebih besar dari yang seharusnya karena adanya gaya hidrostatis yang timbul akibat perbedaan ketinggian permukaan air. Sedangkan jika tinggi discharge lebih tinggi daripada permukaan air di dalam botol penampung maka debit menjadi lebih kecil dari yang seharusnya karena ada gaya gravitasi yang harus dilawan. Penjelasan matematisnya adalah sebagai berikut : Hukum Bernoulli (dengan F=W=0) (5) ( ) ( ) ( ) (6) karena diameter botol sangat besar, v 1 diasumsikan nol ( ) ( ) (7) karena h 2 =h 1, maka persamaan menjadi: ( ) (8) ( ) (9) sehingga kecepatan aliran fluida hanya dipengaruhi oleh beda tekanan gas dan udara luar (P 2 -P 1 ).
Gambar 2. Posisi Titik 1 dan 2 pada Alat Percobaan Laju Alir Gas Jika gas dalam tabung pengaman habis sebelum percobaan selesai, maka pengambilan data harus diulangi dari awal, karena tujuan percobaan ini adalah membuat kurva baku hubungan antara ketinggian float dengan laju alir fluida. Jika kita mengisi tabung gas lagi, maka tekanan akan bertambah dan menyebabkan laju alir gas yang berbeda dengan pengambilan data sebelumnya. B. Peneraan Alat Ukur Laju Alir Cair 1. Kondisi Overflow Fluida cair rapat massanya cenderung tetap, sehingga volumenya juga tetap untuk massa yang tetap. Oleh karena itu pengukuran debit fluida cair dapat dilakukan secara langsung dengan mengukur volume air yang tertampung dalam gelas ukur per satuan waktu. Kondisi overflow pada percobaan adalah cara untuk mengontrol debit air. Pada kondisi overflow, ketinggian air pada bak penampung konstan. Akibat itu, kecepatan aliran air juga konstan, sehingga diharapkan float stabil pada levelnya. Overflow membuat ketinggian permukaan air di dalam bak penampung tetap, sehingga tekanan hidrostatisnya juga konstan, karena tekanan hidrostatis berbanding lurus dengan ketinggian fluidanya.kondisi overflow dapat dijelaskan secara matematis sebagai berikut: persamaan Bernoulli (dengan F=W=0)
(5) Pada aliran overflow, maka kecepatan penurunan ketinggian air pada penampung bernilai nol (V 1 =0) dan h1 tetap. Diasumsikan letak pipa keluar berada pada dasar penampung sehingga h2=0. Penampung terbuka dan pipa aliran keluar juga terbuka maka tekanan udara adalah sama (P 1 =P 2 ). Maka kecepatan aliran pada pipa keluar dapat diketahui dengan persamaan : (10) Nilai sehingga dengan menjaga nilai ketinggian (h 1 ) tetap, maka kecepatan aliran pada pipa keluar (v 2 ) adalah konstan. Gambar 3. Posisi Titik 1 dan 2 pada Alat Percobaan Laju Alir Cairan 2. Gaya yang Bekerja pada Float Rotameter Cairan Pada keadaan stabil yaitu ketika tinggi pelampung tidak lagi berubah-ubah, terbentuk keseimbangan gaya di mana gaya ke atas (gaya Archimedes) sama dengan gaya gesek ditambah gaya berat pelampung. Pada rotameter cairan (bola): W = F A -F g (1) gaya gesek diabaikan sehingga F g = 0
sehingga, W = F A (2) F A = gv (3) (11) dengan, W = gaya berat (g cm/s 2 ) F A = gaya Archimedes (g cm/s 2 ) F g = gaya gesek (gcm/s 2 ) massa jenis float 9g/cm 3 ) r = jari-jari float (cm) g = gaya gravitasi (cm/s 2 ) Berikut ini adalah gambar gaya-gaya yang bekerja pada float rotameter cairan: Gambar 4. Gaya-gaya yang Bekerja pada Float Rotameter Cairan 3. Bentuk Float pada Rotameter Cairan Bentuk float pada rotameter cairan adalah bola. Alasan dipilih bentuk bola adalah bola memiliki luas penampang, volume dan massa yang besar (dibanding dengan float bentuk kerucut yang digunakan pada rotameter gas). Hal ini sesuai dengan sifat cairan yang memiliki daya desak lebih kuat dari pada gas, sehingga ketika cairan dialirkan float tidak langsung terlempar ke atas. 4. Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds adalah suatu bilangan yang dipakai untuk menentukan jenis aliran fluida. Bilangan ini tidak berdimensi namun identik dengan aliran suatu fluida. Bilangan Reynolds diperoleh dari perkalian antara diameter dalam pipa dengan kecepatan fluida dan densitas fluida kemudian dibagi dengan viskositas fluida. Persamaannya adalah sebagai berikut : (12) dengan, densitas fluida (gram/cm 3 ) V = kecepatan aliran fluida (cm/s) D = diameter pipa (cm) viskositas fluida (cms/gr) Ada tiga macam aliran fluida berdasarkan nilai bilangan Reynolds-nya: 1. Aliran laminer, nilai bilangan Reynolds lebih kecil dari 2100. 2. Aliran transisi, nilai bilangan Reynolds = 2100-4000. 3. Aliran turbulen, nilai bilangan Reynolds lebih besar dari 4000 (Brown, 1950). Manfaat mengetahui bilangan Reynolds untuk aliran fluida di industri adalah: 1. Penentuan bilangan Reynolds berfungsi dalam penentuan jenis aliran fluida. Dengan mengetahui pola aliran fluida, maka kita dapat mengetahui ukuran dan jenis pipa yang akan digunakan. 2. Bilangan Reynolds juga dapat mempengaruhi gaya-gaya yang bekerja pada pipa, misalnya gaya gesek (friksi) antara aliran air dan pipa. C. Alat Ukur Fluida Gas selain Rotameter 1. Tabung Pitot Prinsip kerja tabung pitot adalah kecepatan aliran diukur berdasarkan beda tekanan pada manometer.
Laju alir fluida pada percobaan ini hanya dipengaruhi oleh ketinggian float (gaya gesek antara fluida dengan selang dan float diabaikan). Di mana semakin tinggi posisi float semakin besar debit aliran fluida (debit aliran fluida adalah volume alir fluida dibagi waktu alir fluida terukur). Gambar 5. Prinsip Kerja Tabung Pitot Dengan memakai persamaan Bernoulli dititik a dan b : (13) sehingga dari kedua persamaan diperoleh : (14) (15) dengan, P a = tekanan statik di dalam arus gas (atm) P b = tekanan di titik b (atm) h = beda tinggi cairan (m) v = laju gas (m/s) rapat massa gas (kg/m 3 ) = rapat massa cairan dalam manometer (kg/m 3 ) D. Alat Ukur Fluida Cair selain Rotameter 1. Orificemeter Prinsip kerja orificemeter adalah perubahan penampung aliran fluida dari pipa menuju orifice yang menyebabkan kecepatan linier fluida semakin membesar sedangkan tinggi tekanannya semakin
menurun. Perbedaan tinggi ini dimanfaatkan untuk mengukur kecepatan debit aliran fluida. 1 2 Gambar 6. Sensor Aliran Orificemeter Dari gambar sensor aliran fluida dengan orificemeter di atas maka jumlah fluida yang mengalir persatuan waktu (m 3 /detik) dapat dirumuskan sebagai berikut: (16) dengan, = massa jenis fluida (kg/m 3 ) P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2 (atm) Q = jumlah fluida yang mengalir (cm 3 /s) k = konstanta pipa A 2 = luas penampang pipa sempit (m 2 ) G = gravitasi bumi (m/s 2 ) 2. Venturimeter Sscara sederhana venturimeter adalah pipa yang mempunyai nozzle. Prinsip kerjanya adalah kecepatan linier fluida yang mengalir pada venturimeter akan bertambah di sepanjang bagian mulut venturimeter ini, sedangkan tekanannya semakin berkurang. Kecepatan fluida akan berkurang pula ketika fluida memasuki bagian dalam nozzle. Penurunan tekanan aliran fluida dimanfaatkan untuk pengukuran debit aliran fluida.
http://www1.uts.com/physics/flowmetering/flowmeter.htm Gambar 7. Venturimeter Cairan mengalir pada arah mendatar maka h 1 =h 2, sehingga : ( )( ) (17) Tekanan hidrostatis pada manometer adalah : P 1 = gh (18) P 2 = gh (19) sehingga ( ) (20) substitusi persamaan (17) ke (20) : ( ) ( ) (21) dengan, P = tekanan fluida pada pipa 1 dan 2 (atm) = massa jenis fluida (kg/m 3 ) = massa jenis fluida dalam venturimeter (kg/m 3 ) h = selisih tinggi fluida (m) A 1 = luas penampang pipa besar (m 2 ) A 2 = luas penampang pipa sempit (m 2 ) v = laju fluida (m/s)
g = gravitasi bumi (m/s 2 ) D = diameter pipa (m)
III. METODOLOGI PENELITIAN A. Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Air Ledeng 2. Udara B. Rangkaian Alat Percobaan Alat yang digunakan dalam percobaan ini ditunjukkan oleh gambar rangkaian alat berikut: 9 10 Gambar 8. Rangkaian Alat Percobaan Pengukuran Laju Alir Zat Alir Cairan Keterangan: 1. Pipa pengeluaran air 2. Statif 3. Rotameter 4. Float 5. Bak penampung air 6. Pipa pengatur aliran ke 7. Pipa overflow 8. Pipa pengatur aliran ke rotameter 9. Stopwatch 10. Gelas ukur PYREX 50 ml
14 13 Gambar 9. Rangkaian Alat Percobaan Laju Alir Zat Alir Gas Keterangan: 1. Meteran tekanan 2. Kran overflow 3. Kompresor 4. Kran pengatur aliran 5. Rotameter 6. Float (penampung) 7. Pipa pengeluaran 8. Botol penampung air 9. Statif 10. Kran overflow 11. Kran pengatur aliran gas 12. Tabung pengaman 13. Gelas ukur PYREX 50 ml 14. Stopwatch
Cara Kerja 1. Peneraan Laju Alir Zat Cair Langkah pertama, kran pemasukan dibuka untuk mengisi bak penampungan air hingga penuh dan terjadi aliran overflow. Langkah kedua, aliran air dialirkan ke rotameter. Ketinggian float diatur pada ketinggian 6 cm. Debit cairan yang mengalir dalam rotameter diukur pada selang waktu 3 detik menggunakan stopwatch dan gelas ukur 50 ml. Volume air tertampung dan waktu di stopwatch dicatat. Dilakukan pengambilan data 5 kali berturutan untuk ketinggian float yang sama. Suhu air ledeng di gelas ukur diukur dengan termometer alkohol 110 o C pada pengambilan data kelima untuk ketinggian float yang sama. Gelas ukur dikeringkan sebelum digunakan untuk setiap ketinggian float yang berbeda. Debit diukur untuk ketinggian float yang lain 5,5 cm; 5 cm; 4,5 cm; 4 cm; 3,5 cm; 3 cm; 2,5 cm; 2 cm; 1,5 cm. 2. Peneraan Laju Alir Gas Suhu udara diukur dengan termometer ruangan atau dinding dan dicatat hasilnya setelah suhu yang ditunjukkan konstan. Rangkaian alat disiapkan. Semua kran pada rangkaian alat ditutup. Kran pengarah aliran gas dibuka. Selang pengeluaran akhir dipasang pada kran sumber dan botol penampung air diisi hingga tanda batas. Kran pengarah aliran gas dibuka. Selang pengeluaran akhir dipasang pada kran sumber dan botol penampung air diisi hingga tanda batas. Kran pengaruh aliran gas ditutup kemabali. Ketinggian cairan pada selang pengeluaran akhir denngan tinggi cairan pada botol penampung diatur agar sejajar. Kompresor dinyalakan dan diisi dengan udara hingga tekanan 5 kg/cm 2. Kran penghubung tabung gas pengaman dan rotameter dibuka. Ketinggian float rotameter diatur 15 cm menggunakan kran pengatur aliran gas. Debit aliran yang keluar diukur pada selang waktu kurang lebih 3 detik dengan bantuan
stopwatch dan gelas ukur 100 ml. Volume air tertampung dan waktu di stopwatch dicatat. Pengambilan data dilakukan 5 kali untuk ketinggian float yang sama. Debit diukur untuk ketinggian float yang lain yaitu 13 cm; 11cm; 9 cm; 7 cm, dan 5 cm. Tekanan akhir udara tersisa di kompresor dicatat. Udara yang tersisa di dalam kompresor dan tabung pengaman dikeluarkan secara perlahan. C. Analisis Data Pengukuran laju alir zat cair dan gas 1. Menghitung debit rata-rata untuk tiap ketinggian float h dengan rumus: (22) Dengan, Qi = debit fluida (cm 3 /s) V i = volume fluida (cm 3 ) t 1 = waktu (s) (23) Dengan,Q avg = debit rata-rata fluida (cm 3 /s) 2. Menentukan hubungan debit fluida cair dan gas Q dengan ketinggian float (h) a. Dengan pendekatan logaritmik (24) melakukan linierisasi hingga diperoleh persamaan: (25) (26) dengan pemisalan diperoleh: (27)
Penyelesaian, dilakukan dengan regresi linier : ( ) (28) (29) keterangan: Q = debit fluida (cm 3 /s) h = ketinggian float (cm) a,b = konstanta n = jumlah data Penyelesaian dilakukan dengan regresi linier hingga didapatkan nilai konstanta a dan b untuk persamaan (24). b. Pendekatan Eksponensial (30) dengan, Q = debit fluida (cm 3 /s) a,b = konstanta h = ketinggian float (cm) melakukan linierisasi hingga diperoleh persamaan: (31) dengan pemisalan diperoleh : (27) Penyelesaian dilakukan dengan regresi linier hingga didapatkan nilai konstanta a dan b untuk persamaan (29). 3. Menghitung kesalahan relatif dengan persamaan: (32) dengan, Er = kesalahan relatif (%) Kesalahan relatif rata-rata : (33) (34) dengan, Er avg = kesalahan relatif rata-rata (%)
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan ini akan diukur laju alir gas dan cairan. Pengukuran laju alir zat cair menggunakan air ledeng, sedangkan pengukuran laju alir gas menggunakan udara. Laju alir fluida dapat diukur dengan suatu alat yang disebut rotameter. Data percobaan ditampilkan dengan persamaan yang didapat melalui pendekatan logaritmik dan eksponensial. A. Peneraan alat ukur laju fluida cair Bak penampungan air diisi air terlebih dahulu hingga overflow, jika sudah overflow, percobaan dan pengambilan data dapat dilakukan. Setelah data yang diperlukan berupa hubungan volume, waktu, dan ketinggian diperoleh, selanjutnya dilakukan perhitungan untuk membuat kurva baku hubungan debit aliran dengan ketinggian. Hal-hal yang perlu diperhatikan serta sangat mempengaruhi laju alir fluida (Q) dalam percobaan peneraan alat ukur laju lair fluida adalah volume fluida yang terukur, waktu yang digunakan dalam menampung air dalam gelas ukur atau waktu percobaan dan ketinggian float. Dari hasil perhitungan didapat hubungan debit dengan ketinggian float untuk pendekatan logaritmik adalah Q logaritmik = 3,7432h 0,7950,dengan kesalahan relatif rata-rata sebesar 4,3101 %. Untuk pendekatan eksponensial diperoleh Q eksponensial = 4,1087e 0,2366h, dengan kesalahan relatif rata-rata sebesar 2,4266 %. Dari hasil perhitungan tersebut, dapat disimpulkan bahwa metode yang lebih sesuai untuk perhitungan pada fluida cair adalah metode pendekatan eksponensial karena kesalahan relatif rata-rata lebih kecil. Grafik yang diperoleh:
Debit (cm3/s) 18.0000 16.0000 14.0000 12.0000 10.0000 8.0000 6.0000 4.0000 2.0000 0.0000 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 Tinggi Float (cm) Q Percobaan Q Logaritmik Q Eksponensial Gambar 10. Grafik Hubungan Tinggi Float Dengan Debit Rata-Rata Untuk Fluida Cair Grafik menunjukkan kurva data percobaan sedikit berbeda dengan kurva logaritmik maupun eksponensial. Hal ini disebabkan aliran air yang mengalir tidak konstan akibat ketinggian air pada bak overflow yang tidak konstan, sehingga debit yang tertampung menunjukkan penyimpangan. Dari kurva terlihat bahwa, semakin tinggi float, semakin besar debit aliran. Jadi, debit aliran berbanding lurus dengan ketinggian float, hal ini telah sesuai teori. Asumsi-asumsi yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Kecepatan aliran fluida cair konstan pada saat ketinggian float mencapai titik tertentu. 2. Tekanan udara konstan 1 atm. 3. Tidak ada kebocoran air saat percobaan. 4. Gaya gesek antara fluida dengan selang dan float diabaikan. B. Peneraan alat ukur laju fluida gas Percobaan ini dilakukan dengan mengisi udara bertekanan ke dalam tabung dengan kompresor terlebih dahulu. Setelah udara siap, percobaan dan pengambilan data mulai dilakukan.
Debit ()cm3/s Setelah data berupa hubungan volume, waktu, dan ketinggian float didapat, data mulai diolah menjadi hubungan debit dan ketinggian float (h). Pendekatan logaritmik : Q logaritmik = 2,0247h 0,3187, sedangkan pendekatan eksponensial diperoleh hubungan Qeksponensial = 2,7492e 0,0407h. Hasil kesalahan relatif rata-rata untuk pendekatan logaritmik diperoleh 14,3778% dan pendekatan eksponensial sebesar 13,0812%, sehingga pendekatan yang paling cocok adalah pendekatan eksponensial. Grafik yang diperoleh: 6.0000 5.0000 4.0000 3.0000 2.0000 Q Percobaan Q Logaritmik Q Eksponensial 1.0000 0.0000 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Tinggi Float (cm) Gambar 11. Grafik Hubungan Float Dengan Debit Rata-Rata Untuk Fluida Gas Grafik di atas menunjukkan kurva data percobaan sedikit berbeda dengan kurva logaritmik dan eksponensial. Hal ini disebabkan adanya penurunan tekanan (pressure drop) yang menyebabkan ketinggian float pada rotameter menjadi tidak konstan, sehingga debit alir yang keluar dari selang discharge tidak konstan, karena tinggi float tidak konstan. Dengan adanya kurva tersebut, terlihat bahwa semakin tinggi float maka semakin besar debit udara (debit air yang terdorong udara). Jadi debit fluida berbanding lurus dengan ketinggian float, sesuai dengan teori.
Ketinggian selang discharge dan air keluar sama dengan tekanan air dalam botol, sehingga air hanya dipengaruhi oleh tekanan gas saja. Grafik hubungan tinggi float dengan debit rata-rata untuk fluida gas menunjukkan kurva data percobaan sedikit berbeda dengan kurva logaritmik dan eksponensial. Hal ini dapat disebabakn oleh beberapa faktor. Faktor-faktor tersebut di antaranya, botol penampung air tidak terisolasi sempurna (sumbat di bagian atas mungkin tidak tertutup rapat) karena akan mempengaruhi tekanan yang ada dalam botol penampung air. Mungkin tekanan tersebut bisa bertambah besar atau malah kecil sehingga dapat mempengaruhi hasil percobaan. Ketinggian float pada rotameter berubah-ubah naik dan turun karena perubahan tekanan dalam kompresor. Dampaknya akan mempengaruhi hasil percobaan karena kedudukan float tidak stabil. Bila kedudukan float stabil, maka air yang keluar dapt diukur volumenya dalam waktu tertentu. Ketinggian selang pengeluaran akhir tidak sama dan tidak sejajar dengan tinggi permukaan cairan di dalam botol penampung air. Jika ketinggian selang pengeluaran akhir lebih tinggi daripada tinggi air di dalam botol penampung, maka debit menjadi lebih kecil karena gaya tekan udara harus melawan gaya gravitasi. Jika ketinggian selang pengeluaran lebih rendah daripada tinggi air yang ada di dalam botol penampung, maka debit air yang keluar akan menjadi lebih besar karena pengaruh tekanan hidrostatik cairan tersebut. Perlu diperhatikan bahwa ketinggian selang pengeluaran akhir harus sama dengan tinggi permukaan cairan dalam botol penampung air agar tekanan keluar air sama dengan tekanan air dalam botol penampung air. Grafik yang terbentuk dari hubungan antara debit dan tinggi float merupakan grafik yang linier walaupun tidak sepenuhnya berupa garis lurus, karena ada kesalahan relatif yang mengikuti. Kurva tersebut melenceng pada data percobaan nomor 3 dan nomor 4 dimana kesalahan relatifnya jumlahnya paling besar di antara keenam data lainnya, yaitu sebesar 19,8154% untuk data nomor 3 dan 16,4120 % untuk data nomor 4, kesalahan relatif ini untuk kesalahan relatif eksponensial, sedangkan
kesalahan relatif logaritmik sebesar 20,6620 % untuk data nomor 3 dan 18,7259% untuk data nomor 4. Dengan adanya kesalahan relatif yang cukup besar ini, grafik yang didapatkan menjadi melenceng dari yang seharusnya. Tekanan udara dalam tabung setelah percobaan ini selesai adalah 2 kg/cm 2. Apabila gas dalam penampung habis sebelum selesai percobaan, maka percobaan harus diulang dari awal. Saat air dalam botol penampung habis sebelum percobaan selesai, maka kran yang menghubungkan kompresor gas dan rotameter harus ditutup dahulu, kemudian mengisi botol penampung dan membuka kran pengarah aliran atas. Botol penampung air diisi kembali hingga tanda batas tanpa perlu membunag gas dalam kompresor dahulu. Asumsi-asumsi yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Tekanan udara konstan 1 atm 2. Gaya gesek fluida dan float diabaikan 3. Kecepatan aliran gas tetap, saat ketinggian float tertentu.
V. KESIMPULAN Kesimpulan yang didapat dari percobaan ini : 1. Hasil percobaan : a. Peneraan Laju Alir Zat Cair Persamaan Logaritmik : Q = 3,7431h 0,7950 Kesalahan relatif rata-rata : Er = 4,3101% Persamaan eksponensial : Q = 4,1087e 0,2366h Kesalahan relatif rata-rata : Er = 2,4266% b. Peneraan Laju Alir Fluida Gas Persamaan Logaritmik : Q = 2,0247h 0,3187 Kesalahan relatif rata-rata : Er = 14,3778% Persamaan eksponensial : Q = 2,7492e 0,0407h Kesalahan relatif rata-rata : Er = 13,0812% 2. Penggunaan perhitungan dengan pendekatan eksponensial lebih sesuai diterapkan pada percobaan ini karena berdasarkan perhitungan, kesalahan relatifnya lebih kecil dibandingakan perhitungan dengan pendekatan logaritmik. 3. Ketinggian float pada rotameter baik untuk fluida cair maupun gas berbanding lurus dengan debit alir fluidanya.
VI. DAFTAR PUSTAKA Brown, G.G.,1950, Unit Operation,John Wiley and Sons, Inc., New York. McCabe, W.L., Smith, C.J.,and Harriot,P.,alih bahasa Jisyi,E.,1987, Operasi Teknik Kimia Jilid I, edisi ke 4, Penerbit Erlangga, Jakarta. http://www1.uts.com/physics/flowmetering/flowmeter.htm
VII. LAMPIRAN A. Identifikasi Hazard Proses dan Bahan Kimia 1. Hazard Proses a. Pengisian bak penampung dan galon dengan air Hazard/bahaya yang dapat terjadi adalah melubernya air dan terjadi banjir akibat luberan air. Hal ini disebabkan kondisi sambungan pipa pada kran dan pipa menuju bak penampung dan galon yang kurang rapat. b. Pengisian kompresor dan tabung pengaman dengan udara Bahaya yang dapat terjadi adalah meledaknya tabung pengaman akibat tekanan terlalu besar dari udara yang disimpan. Oleh sebab itu, praktikan harus selalu mengawasi tekanan udara yang disedot oleh kompresor sebelum diteruskan ke tabung pengaman. 2. Hazard Bahan Kimia a. Air ledeng Sifat fisis dan kimia dari bahan kimia ini adalah : Bentuk : cairan Warna : bening Bau : Tidak berbau Massa molekul relatif : 18,02 gram/mol Titik didih : 100 o C Bahan kimia ini tidak termasuk kategori berbahaya. B. Penggunaan Alat Pelindung Diri 1. Jas Laboratorium
Jas laboratorium yang digunakan adalah jas dengan lengan panjang dan menutup hingga lutut. Penggunaan jas harus dengan seluruh kancing dikancingkan. Hal ini bertujuan untuk melindungi tubuh dari bahan-bahan kimia yang digunakan selama praktikum. Dalam praktikum ini, jas laboratorium berguna untuk melindungi diri dari tumpahan dan atau cipratan air. 2. Google Google digunakan untuk mencegah air masuk ke mata. Walau pun air tidak berbahaya, tetapi jika terkena mata, maka dapat menyebabkan rasa pedih. 3. Sarung Tangan Sarung tangan digunakan untuk mencegah kontak langsung antara tangan dengan bahan kimia. Walau pun dalam praktikum ini bahan kimia yang digunakan hanya air ledeng, tidak menutup kemungkinan praktikan dapat terkontak dengan bahan kimia dari praktikum lain. Oleh sebab itu penggunaan sarung tangan tetap dianjurkan. 4. Masker Masker digunakan untuk mencegah kemungkinan terhirupnya bahan kimia yang berbentuk uap agar tidak terjadi keracunan. Sama halnya seperti penggunaan sarung tangan, masker tetap dianjurkan untuk digunakan, sebab di dalam laboratorium, terjadi praktikum lain yang menggunakan bahan kimia yang lebih berbahaya. 5. Sepatu Tertutup
Tujuan penggunaan sepatu tertutup adalah untuk menghindari praktikan dari kemungkinan kontak langsung dengan bahan kimia yang tumpah ke lantai. C. Manajemen Limbah Oleh karena yang digunakan dalam praktikum ini adalah air ledeng, maka tidak ada penanganan atau pun aturan pembuangan secara khusus. Air ledeng yang telah digunakan dibuang ke wastafel. Udara bertekanan dibuang ke atmosfer dengan membuka katup tabung pengaman secara perlahan, demikian juga dengan udara sisa pada kompresor. D. Data Percobaan 1. Peneraan Laju Alir Zat Cair Daftar I. Hubungan antara Tinggi float dengan Debit (Q) untuk Zat Alir Cairan h,cm 6 5,5 5 T, C 30 29 C V, ml 49 44 50 54 51 47 46 45 42 45 42 44 44 44 42 t, s 3 2,96 2,9 3,22 3,25 3,13 3,22 3,12 2,97 3,19 3,22 3,22 3,22 3,22 3,18 h,cm 4,5 4 3,5 T, C 29 29 29 V, ml 37 38 41 39 38 36 36 37 30 32 31 29 27 32 31 t, s 3,18 3,19 3,25 3,22 3,16 3,1 3,25 3,25 2,94 3,03 2,97 3,22 3 3,1 3,28 h,cm 3 2,5 2 T, C 29 29 29 V, ml 27 26 29 29 28 25 25 23 22 20 21 21 21 20 20 t, s 3,13 3 3,25 3,19 3,25 3,06 3,19 3,06 2,91 3,25 3,25 3,21 3,22 3 3,09 h,cm 1,5 T, C 28 V, ml 16 16 17 17 15 t, s 3,15 3,1 3,18 3,06 2,97
2. Peneraan Laju Alir Gas P awal P akhir T udara 3,5 kg/cm 2 2 kg/cm 2 29 o C Daftar II.Hubungan antaratinggi float dengan Debit (Q) untuk Zat Alir Cairan h, cm 15 13 V, cm3 17 18 20 17 18 10 17 21 17 15 t, s 3,1 3,19 3,22 3,09 3,15 3,09 3,25 3,21 2,,97 3,16 h, cm 11 9 V, cm3 10 10 10 11 11 10 10 14 9 9 t, s 2,93 3,12 2,97 3,06 3 3,06 3,19 3,28 3,06 3,04 h, cm 7 5 V, cm3 12 11 11 12 15 12 12 13 12 13 t, s 3,07 3,15 3,25 3,09 3,09 3,28 3,19 3,25 3,22 3,28 E. Perhitungan Pengukuran Laju Alir Zat Cair dan Fluida Gas Untuk menghitung debit rata-rata tiap ketinggian float (h), digunakan persamaan (1) dan persamaan (2). Contoh perhitungan dari data peneraan laju alir zat cair untuk ketinggian float 6,00 cm :
( ) Dengan cara yang sama diperoleh data pada daftar III dan daftar IV. Daftar III.Hasil Perhitungan Debit (Q) dan Debit Rata-rata (Q avg ) untuk Data dari Pengukuran Laju Alir Zat Cair. No. V, cm3 t, s Q, cm3/s Qavg, cm3/s h, cm No. V, cm3 t, s Q, cm3/s Qavg, cm3/s h, cm 49 3 16,3333 31 2,97 10,4377 1. 44 2,96 14,8648 29 3,22 9,0062 50 2,9 17,2414 16,1804 6 6. 27 3 9 54 3,22 16,7702 32 3,1 10,3226 51 3,25 15,6923 31 3,28 9,4512 9,6435 3,5 47 3,13 15,016 27 3,13 11,8211 2. 46 3,22 14,2857 26 3 8,6667 45 3,12 14,4231 14,3946 5,5 7. 29 3,25 8,9231 42 2,97 14,1414 29 3,19 9,091 45 3,19 14,1066 28 3,25 8,6154 9,4295 3 42 3,22 13,0435 25 3,06 8,1699 3. 44 3,22 13,6646 25 3,19 7,837 44 3,22 13,6646 13,449 5 8. 23 3,06 7,5163 44 3,22 13,6646 22 2,91 7,5601 42 3,18 13,2075 20 3,25 6,1538 7,4474 2,5 37 3,18 11,6352 21 3,25 6,4615 4. 38 3,19 11,9122 21 3,21 6,5421 41 3,25 12,6154 12,06 4,5 9. 21 3,22 6,5217 39 3,22 12,1118 20 3 6,6667 38 3,16 12,0253 20 3,09 6,4725 6,5329 2 36 3,1 11,6129 16 3,15 5,0794 5. 36 3,25 11,0769 16 3,1 5,1613 37 3,25 11,3846 11,1679 4 10. 17 3,18 5,3459 30 2,94 10,2041 17 3,06 5,5556 32 3,03 10,5611 15 2,97 5,051 5,2386 1,5
Daftar IV. Hasil Perhitungan Debit (Q) dan Debit Rata-rata (Qavg) untuk Data dari Pengukuran Laju Alir Zat Gas. No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. V, cm 3 t, s Q, cm 3 /s 17,00 3,10 5,4839 18,00 3,19 5,6426 20,00 3,22 6,2112 17,00 3,07 5,5016 18,00 3,15 5,7143 10,00 3,09 3,2362 17,00 3,25 5,2310 21,00 3,21 6,5421 17,00 2,97 5,7239 15,00 3,16 4,7468 10,00 2,93 3,4130 10,00 3,12 3,2051 10,00 2,97 3,3670 11,00 3,06 3,5948 11,00 3,00 3,6667 10,00 3,06 3,2680 10,00 3,19 3,1348 14,00 3,28 4,2683 9,00 3,06 2,9412 9,00 3,04 2,9605 12,00 3,07 3,9088 11,00 3,15 3,4921 11,00 3,25 3,3846 12,00 3,09 3,8835 15,00 3,09 4,8544 12,00 3,28 3,6585 12,00 3,19 3,7618 13,00 3,25 4,0000 12,00 3,22 3,7267 13,00 3,28 3,9634 Qavg, cm3/s h, cm 5,7107 15,00 5,0960 13,00 3,4493 11,00 3,3146 9,00 3,9047 7,00 3,8221 5,00
Hubungan debit fluida cair dan gas (Q) dengan ketinggian float (h), melalui pendekatan : a. Logaritmik Hubungan debit fluida cair dan gas (Q) dengan ketinggian float melalui pendekatan logaritmik diselesaikan dengan persamaan (3), persamaan (6), dan persamaan (27). Sebelumnya, dilakukan pemisalan : ln Q = y ; ln a = A ; ln B ; dan ln h = x. Berdasarkan data percobaan untuk laju alir fluida cair, maka nilai konstanta a dan konstanta b dapat dihitung dengan terlebih dahulu menghitung variabel-variabel terkait dan disajikan pada daftar III. Nilai A dan B dihitung dengan menggunakan persamaan (28) dan persamaan (29), sebagai berikut : ( ) ( ) Daftar V.Data Perhitungan Regresi Linier h dan Q untuk Fluida Cair No. Q, cm 3 /s h, cm ln Q (y) ln h (x) (x) 2 x*y 1. 16,1804 6,00 2,7838 1,7918 3,2105 4,9880 2. 14,3946 5,50 2,6669 1,7047 2,9060 4,5463 3. 13,4490 5,00 2,5989 1,6094 2,5902 4,1827 4. 12,0600 4,50 2,4899 1,5041 2,2623 3,7451 5. 11,1679 4,00 2,4130 1,3863 1,9218 3,3451 6. 9,6435 3,50 2,2663 1,2528 1,5695 2,8392 7. 9,4295 3,00 2,2438 1,0986 1,2069 2,4650 8. 7,4474 2,50 2,0079 0,9163 0,8396 1,8398 9. 6,5329 2,00 1,8769 0,6931 0,4805 1,3009 10. 5,2385 1,50 1,6561 0,4055 0,1644 0,6715 23,0035 12,3628 17,1516 29,9236
Sehingga untuk zat cair, konstanta A dan B diperoleh : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) B = Dengan demikian, persamaan untuk fluida cair menjadi: ( ) (35) Daftar VI.Data Perhitungan Regresi Linier h dan Q untuk Fluida Gas No. Q, cm 3 /s h, cm ln Q (y) ln h (x) (x) 2 x*y 1. 5,7107 15,00 1,7423 2,7081 7,3338 4,7183 2. 5,0960 13,00 1,6285 2,5649 6,5787 4,1769 3. 3,4493 11,00 1,2382 2,3979 5,7499 2,9691 4. 3,3146 9,00 1,1983 2,1972 4,8277 2,6329 5. 3,9047 7,00 1,3622 1,9459 3,7865 2,6507 6. 3,8221 5,00 1,3408 1,6094 2,5902 2,1579 8,5103 13,4234 30,8668 19,3058 Sehingga untuk fluida gas adalah : ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) B = 0,3194 Dengan demikian, persamaan untuk fluida gas menjadi: ( ) (36) b. Eksponensial Hubungan debit fluida cair dan gas (Q) dengan ketinggan float melalui pendekatan eksponensial diselesaikan dengan persamaan (30), ( 31), dan (27). Data perhitungan variabel-variabel terkait untuk persamaan eksponensial pada peneraan laju alir fluida cair dan gas adalah sebagai berikut : Daftar VII. Data Perhitungan Regresi Linier h dan Q untuk Fluida Cair untuk Perhitungan dengan Metode Pendekatan Eksponensial No. Q, cm 3 /s h, cm (x) ln Q (y) (x) 2 x*y 1. 16,1804 6,00 2,7838 36,0000 16,7028 2. 14,3946 5,50 2,6669 30,2500 14,6680 3. 13,4490 5,00 2,5989 25,0000 12,9945 4. 12,0600 4,50 2,4899 20,2500 11,2046 5. 11,1679 4,00 2,4130 16,0000 9,6520 6. 9,6435 3,50 2,2663 12,2500 7,9321 7. 9,4295 3,00 2,2438 9,0000 6,7314 8. 7,4474 2,50 2,0079 6,2500 5,0198 9. 6,5329 2,00 1,8769 4,0000 3,7538 10. 5,2385 1,50 1,6561 2,2500 2,4842 37,5000 22,0035 161,2500 91,1432
Sehingga konstanta A dan B dapat dihitung sebagai berikut : ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Dengan demikian, persamaan untuk fluida cair menjadi: ( ) (37) Daftar VII. Data Perhitungan Regresi Linier h dan Q untuk Fluida Gas untuk Perhitungan dengan Metode Pendekatan Eksponensial No. Q, cm 3 /s h, cm (x) ln Q (y) (x) 2 x*y 1. 5,7107 15,00 1,7423 225,0000 26,1345 2. 5,0960 13,00 1,6285 169,0000 21,1705 3. 3,4493 11,00 1,2382 121,0000 13,6202 4. 3,3146 9,00 1,1983 81,0000 10,7847 5. 3,9047 7,00 1,3622 49,0000 9,5354 6. 3,8221 5,00 1,3408 25,0000 6,7040 60,0000 8,5103 670,0000 87,9493 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) Dengan demikian, persamaan untuk fluida gas menjadi: ( ) (38) c. Kesalahan relatif Untuk fluida cair ( ) ( ) Contoh perhitungan diambil dari data nomor 1 daftar III: Ketinggian float 6,00 cm Q percobaan = 16,1804 cm 3 /s Q logaritmik = ( ) Q logaritmik = 15,5173 cm 3 /s Q eksponensial = ( ) Q eksponensial = 16,9914 cm 3 /s
Dengan cara yang sama diperoleh data berikut: Daftar IX.Data Perhitungan Kesalahan Relatif (Er) untuk Fluida Cair No. Q, cm 3 /s Qlogaritmik, cm 3 /s Qeksponensial, cm 3 /s Er logaritmik, % Er eksponensial, % 1. 16,1804 15,5173 16,9914 4,2733 4,7730 2. 14,3946 14,4802 15,0957 0,5912 4,0773 3. 13,4490 13,4235 13,4114 0,1900 0,2804 4. 12,0600 12,3450 11,9151 2,3086 1,2161 5. 11,1679 11,2415 10,5857 0,6547 5,4999 6. 9,6435 10,1093 9,4047 4,6076 2,5392 7. 9,4295 8,9433 8,3554 5,4365 12,8552 8. 7,4474 7,7366 7,4232 3,7381 0,3260 9. 6,5329 6,4790 6,5950 0,8319 0,9416 10. 5,2385 5,1544 5,8592 1,6336 10,5919 24,2655 43,1006 Kesalahan relatif rata-rata: ( ) ( ) Untuk fluida gas : ( ) ( ) Contoh perhitungan diambil dari data nomor 1 daftar IV: Ketinggian float 15,00 cm:
Q percobaan = 5,7107 cm 3 /s Q logaritmik = (2,0247).(15,00) 0,3187 Q logaritmik = 4,7993 cm 3 /s Q eksponensial = (2,7492).e 0,0407.15,00 Q eksponensial = 5,0622 cm 3 /s Dengan cara yang sama diperoleh data berikut: Daftar X. Data Perhitungan Kesalahan Relatif (Er) untuk Fluida Gas No. Q, cm 3 /s Qlogaritmik, cm 3 /s Qeksponensial, cm 3 /s Er logaritmik, % Er eksponensial, % 1. 5,7107 4,7993 5,0622 18,9903 12,8106 2. 5,0960 4,5854 4,6665 11,1353 9,2039 3. 3,4493 4,3476 4,3017 20,6620 19,8154 4. 3,3146 4,0783 3,9654 18,7259 16,4120 5. 3,9047 3,7644 3,6554 3,7270 6,8200 6. 3,8221 3,3816 3,3697 13,0264 13,4255 86,2669 78,4874
Kesalahan relatif rata-rata: ( ) ( )