View
126
Download
7
Category
Preview:
Citation preview
B A B I
P E N D A H U L U A N
A. Judul Percobaan :
KEHILANGAN TEKANAN AKIBAT GESEKAN (FRICTION LOSS)
B. Tujuan Percobaan :
1.Menpelajari dasar-dasar dinamika fluida.
2.Mempelajari sifat fluida inkompressible dalam jaringan pipa, khususnya
kehilangan tekanan akibat gesekan fluida.
3.Memberikan motif untuk penghematan energy dalam.
C. Maksud :
Fluida (zat alir ) adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk
(distorsi) secara permanen. Zat yang dimaksud adalah termasuk zat cair, gas dan
uap. Cabang ilmu yang mempe- lajarinya disebut mekanika fluida ( fluida
mechanics ). Fluida dapat dibagi atas 3 bagian , yaitu zat cairan, gas dan uap serta
wujud pasta. Namun berdasarkan perubahan densitas fluida tersebut oleh
pengaruh suhu dan tekanan, maka fluida dapat dibagi atas dua bagian yaitu fluida
tak mampu-mampat ( incompressible fluid ) dan fluida mampu-mampat
(compressible fluid ).
Fluida biasanya ditransportasi di dalam pipa atau tabung yang
penampangnya bundar dan terdapat di jual di pasaran dalam berbagai ukuran
fungsi dan suatu fitting ( perabot penyambung) antara lain :
1.Menyambung pipa, contoh : Couplings,Unions.
2.Merubah arah pipa, contoh : Elbow, Tees.
3.Merubah diameter pipa, contoh: Reducer, Blishing.
4.Mengakhiri jalur pipa, contoh : Plugs, Valves.
5.Menggabungkan dua arus menjadi suatu arus, contoh : Tees, Wyes.
78
B A B III
M A T E R I D A N M E T O D E
A. Alat dan Bahan
1. Alat
Adapun alat – alat yang digunakan dalam praktikum adalah sebagai
berikut :
Vent Valve
Drain Valve
Pompa Sirkulasi
Katub pengendali aliran
Manometer U terbalik
Rota meter
Pompa Air
2.Bahan
Adapun bahan yang dipakai adalah :
Air
B. Prosedur Kerja
Adapun cara kerja dalam praktikum adalah sebagai berikut :
1. Ditutup semua vent valve dan drain valve, kemudian di buka semua.
2. Dijalankan pompa sirkulasi.
3. Diatur laju arus dengan katub pengendali aliran.
4. Diukur beda tegangan tekanan dengan manometer U terbalik, dengan
laju arus actual diukur dengan rota meter
5. Tekanan keluar dan laju arus dapat diubah, diulangi pengukuran
sampai 3 kali, lalu diambil data yang stabil .
6. Udara dipurging melalui vent valve.
79
B A B II
T I N J A U A N P U S T A K A
Dalam dinamika fluida, rumus faktor gesekan Darcy adalah persamaan
yang berdasarkan pada data eksperimen dan teori untuk faktor gesekan Darcy.
Faktor gesekan Darcy adalah satuan tak berdimensi yang digunakan dalam
persamaan Darcy-Weisbach, untuk mendeskripsikan kehilangan tekanan akibat
gesekan dalam aliran pipa.
Jenis aliran
Rumus faktor gesekan Darcy dapat diaplikasikan pada berbagai jenis aliran
seperti:
Aliran laminer
Aliran transisi antara laminer dan turbulen
Aliran turbulen di saluran halus
Aliran turbulen di saluran kasar
Aliran permukaan bebas
Aliran laminer
Rumus faktor gesekan Darcy untuk aliran laminer (ketika bilangan Reynolds di
bawah 2300) adalah:
di mana
f adalah faktor gesekan Darcy
Re adalah bilangan Reynolds
80
Aliran transisi
Aliran transisi terjadi ketika aliran memiliki bilangan Reynolds sebesar antara
2300 hingga 4000; aliran ini tidak laminer dan juga tidak turbulen. Nilai dari
faktor gesekan Darcy bervariasi dan menimbulkan ketidakpastian yang cukup
besar dalam menentukannya.
Aliran turbulen
Persamaan Colebrook adalah persamaan implisit yang mengkombinasikan hasil
eksperimen terhadap aliran turbulen di pipa halus dan pipa kasar. Persamaan ini
dikembangkan oleh C. F. Colebrook dan C. M. White pada tahun 1939.
Persamaan ini juga disebut dengan persamaan Colebrook-White.
Untuk saluran pipa yang terisi penuh oleh air dengan nilai bilangan Reynolds
melebihi 4000, faktor gesekan Darcy didefinisikan sebagai:
atau
di mana:
f adalah faktor gesekan Darcy
ε adalah ketinggian kekasaran
Dh adalah diameter hidrolik; untuk pipa bulat dengan air terisi penuh,
nilainya sama dengan diameternya
Rh adalah jari-jari hidrolik; untuk pipa bulat dengan air terisi penuh,
nilainya sama dengan seperempat diameternya
Re adalah bilangan Reynolds
81
Aliran permukaan bebas
Bentuk persamaan Colebrook lainnya ada untuk bentuk aliran permukaan
bebas. Kondisi seperti ini terjadi pada pipa yang tidak terisi penuh.
Untuk aliran permukaan bebas:
Aliran dalam pipa
Pipa atau tabung adalah suatu saluran yang tertutup, umumnya mempunyai
penampang sirkular dan digunakan untuk mengalirkan fluida melalui tekanan
pompa atau kipas angin. Bila pipa mengalir dengan terisi penuh maka itu
disebabkan oleh adanya tekanan yang menyebabkan mengalir. Dalam bab ini akan
dibahas aliran dalam pipa yang terkena tekanan.
Kehilangan tekanan dalam pipa
Fluida yg mengalir dalam pipa akan mengalami hambatan berupa gesekan
dengan dinding pipa hal ini megakibatkan berkurangnya laju aliran dan penurunan
tekanan. Walaupun dapat terjadi berbagai jenis kehilangan energy gerak, umunnya
hambatan yang paling utama ada- lah akibat gesekan tadi.
Besarnya hambatan aliran karena gesekan sangat tergantung dari kekasaran
dinding pipa. Dari hasil berbagai percobaan diketahui bahwa makin kasar dinding
pipa makin besar terjadinya penurunan /kehilangan tekanan aliran. Jenis gesekan
ini dikenal dengan dengan gesekan aliran dan besarnya tahanan itu sendiri di ukur
dengan koefisien gesekan,f.
Pada awalnya percobaab mengenai gesekan aliran dilakukan oleh Froude yang
menyimpulkan bahwa :
1) Besarnya gesekan berbanding lurus dengan pangkat dua dari laju aliran
82
2) Hambatan karena gesekan bervariasi tergantung kepada kekasaran pipa
Hukum darcy tentang penurunan tekanan dalam pipa
Bila aliran mengalir secara merata dalam suatu pipa panjang dengan diameter
tertentu (sama di sepanjang pipa) maka besaranya penurunan tekanan karena
gesekan dapat dinyatakan dengan persamaam Darcy berikut.(Bird et
al,1970,khurmim).
Prinsip kehilangan energi akibat gesekan (friksi) dalam saluran pipa dapat
dijelaskan pada persamaan Darcy-Weisbach berikut.
dimana:
hf = kehilangan energi
f = faktor gesekan, yang tergantung dari angka Reynolds, diameter, dan
kekasaran pipa
L=panjangpipa
Q=debitaliran
D=diameterpipa
g = gaya gravitasi
Perhatikan bahwa kehilangan energi berbanding lurus dengan debit aliran (hf :
Q^2), dan kehilangan energi berbanding terbalik dengan diameter pipa (hf :
1/D^5). Semakin besar debit aliran dalam pipa, semakin besar juga kehilangan
energi. Semakin kecil diameter pipa, maka semakin besar kehilangan energi.
Artinya, dengan debit aliran yang sama, dengan diameter pipa yang semakin kecil,
83
kehilangan energi akan menjadi semakin besar. Pengaruh diameter tersebut sangat
signifikan dimana kehilangan energi fungsi lima kalinya diameter pipa.
Jika nilai kehilangan energi tersebut kita masukkan ke dalam persamaan Bernoulli
(lihat Prinsip Dasar Aliran Melalui Pipa) untuk sebuah pipa dengan dua
penampang pada ujung-ujung pipa tersebut, maka persamaan energi
(mengabaikan kehilangan energi sekunder) dapat ditulis sebagai berikut:
z1 + h1 + (V1^2/2g) = z2 + h2 + (V2^2/2g) + hf
Keterangan :
z1 = elevasi titik 1
h1 = tinggi tekanan hidraulik di titik 1
v1 = kecepatan aliran di titik 1
z1 = elevasi titik 2
h2 = tinggi tekanan hidraulik di titik 2
v2 = kecepatan aliran di titik 2
Untuk kasus meminum air kemasan di atas, kita anggap bahwa titik 1
(hulu) merupakan penampang pipa di dalam air (kemasan). Sedangkan titik 2
(hilir) merupakan penampang pipa di dalam mulut. Air mengalir dari dalam
kemasan ke mulut (hulu ke hilir).Semakin besar kehilangan energi (hf), membuat
84
tekanan hidraulik di titik 1 (h1) menjadi semakin besar pula. Tekanan tersebut
dihasilkan oleh daya hisap yang diberikan oleh mulut.
Semakin besar daya hidap, semakin besar pula tekanan hidraulik di titik 1.
Oleh karena itu, agar air dapat mengalir dari kemasan ke mulut dengan lancar,
maka dibutuhkan daya hisap yang cukup untuk memberikan tekanan dalam
kemasan. Dengan demikian, apabila diameter sedotan terlalu kecil, maka
dibutuhkan daya hidap yang lebih besar untuk menghasilkan tekanan yang lebih
besar pula dibandingkan dengan apabila menggunakan diameter yang lebih besar.
85
B A B IV
DATA PENGAMATAN
KEHILANGAN TEKANAN KARENA GESEKAN
P
E
R
C
O
B
A
A
N
LAJUARUS Q(m3/JAM
TE
M
PE
R
A
T
U
R oC
PERBEDAAN TEKANAN (mmHg)
ELB
OW
1-2
RED
UCE
R
3-4
RED
UCE
R 5-
6
GAT
E
7-9
GL
OB
E
9-10
V
COC
K V
11-12
NO
ZZ
LE
13-
14
VE
NT
UR
I
15-
16
O
RI
FI
C
E
17
-
18
PI
P
A
1
21
-
22
PI
P
A
¾
23
-
24
PI
P
A
½
25
-
26
E
L
B
O
W
27
-
28
TIBA2
29-30
TIBA2
31-32
1 1.1 31 20 25 30 85 40 25 57 33 43 20 25 15 29 39 38
2 1,3 31 80 100 90 150 105 75 80 65 51 30 20 15 9
5
69 65
3 1,5 31 70 91 80 195 135 96 10
5
75 70 44 12 20 70 45 65
d0 = 0,0147mdv = 0,0118mdn = 0,0131mdi = 0,0276md1/2 = 0,0161md3/4 = 0,0216md1 = 0,0296md1 ½ = 0,0416mL = 2m
86
B A B V
A N A L I S A D A T A
1.Mengubah laju arus aktual Q (m3 /dtk)
Q3 = 1,5 m3 x 1 Jam = 4,1 x 10-4 m3/dtk
Jam 3600dtk 2. Mencari kecepatan air ( m/ detik )
V1/2 = Q3 π/4(d1/2) 2
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 4,1 x 10-4 m3/dtk = 2,019 m/dtk 3,14/4 (0,0161m) 2 2,03 x 10-4 m2
V3/4 = Q3
π/4(d3/4) 2
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 4,1 x 10-4 m3/dtk = 1,138 m/dtk 3,14/4 (0,02616m) 2 3,6 x 10-4 m2
V1 = Q3 π/4(d1) 2
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 4,1 x 10-4 m3/dtk = 0,602 m/dtk 3,14/4 (0,0296m) 2 6,8 x 10-4 m2
3. Mencari factor Gesekan
h ½ = 20 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 0,272 mH20 1 mmHg 1mmH2O
h ¾ = 12 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 0,1632 mH20 1 mmHg 1mmH2O
h 1 = 44 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 0,5984 mH20 1 mmHg 1mmH2O
87
π ½ = 2.g.h½.d ½ = 2(9,8 m/dtk)( 0,272 mH20).( 0,0161m) ( V ½ )2 .L ( 2,019 m/dtk )2 .( 2m ) = 0,0105
π ¾ = 2.g.h½.d ½ = 2(9,8 m/dtk)( 0,1632 mH20).( 0,0216m)
( V ½ )2 .L ( 1,138 m/dtk )2 .( 2m ) = 0,0266
π 1 = 2.g.h½.d ½ = 2(9,8 m/dtk)( 0,5984 mH20).( 0,0296m)
( V ½ )2 .L ( 0,602 m/dtk )2 .( 2m ) = 0,04795
4. Mencari Bilangan Reynold.
X – X1 = Y - Y1
X2 – X1 Y2-Y1
31-30 = Y – 0,0079635-30 0,00724 – 0,00796
1 = Y - 0,00796 5 - 0,00072
5Y-0,0398 = - 0,000725Y = 0,03908 Y = 0,03908
5
Y = 0,007816
Maka U 31 oC = 0,007816x10-4 m2/dtk
Red ½ = d ½ . V ½ U
= 0,0161m . 2,019 m/dtk = 4,15x104
0,007816x10-4 m2/dtk
88
Red ¾ = d ¾ . V ¾ U
= 0,0216m . 1,138 m/dtk = 3,13 x104
0,007816x10-4 m2/dtk
Red 1 = d 1 . V 1 U
= 0,0296 m . 0,602 m/dtk = 2,27x104
0,007816x10-4 m2/dtk
TABEL II
Mencari kecepatan air V1 dan V 1½
V1 = Q3 π/4(d1) 2
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 4,1 x 10-4 m3/dtk = 0,602 m/dtk 3,14/4 (0,0296m) 2 6,8 x 10-4 m2
V1 ½ = Q3 π/4(d1) 2
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 4,1 x 10-4 m3/dtk = 3,1 m/dtk 3,14/4 (0,0416m) 2 1,3 x 10-4 m2
ELBOW h 1-2
h1-2 = 70 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 0,952 mH20 1 mmHg 1mmH2O
E1-2 = h1-2 = 0,952 mH20 (V1)22.g (0,602 m/dtk)2.2.(9,8 m/dtk)
= 0,1340
89
Reducer h 3-4
h3-4 = 91 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 1,2376 mH20 1 mmHg 1mmH2O
E3-4 = h3-4 = 1,2376 mH20 (V1.V½ )22.g (3,1x10-1.0,602 m/dtk)2.2.(9,8 m/dtk)
= 0,5625
Gate h 7-8
h7-8 = 195 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 2,652 mH20 1 mmHg 1mmH2O
E7-8 = h7-8 = 2,652 mH20 (V1)22.g (0,602 m/dtk)2.2.(9,8 m/dtk)
= 0,3735
Globe 9-10
h9-10 = 135 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 1,836 mH20 1 mmHg 1mmH2O
E 9-10 = h 9-10 = 1,836 mH20 (V1)22.g (0,602 m/dtk)2.2.(9,8 m/dtk)
= 0,2585 Vcock 11-12
h11-12 = 96 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 1,3056 mH20 1 mmHg 1mmH2O
E11-12 = h11-12 = 1,3056 mH20 (V1)22.g (0,602 m/dtk)2.2.(9,8 m/dtk)
= 0,1838
Elbow 27-28
h27-28 = 70 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 0,952 mH20 1 mmHg 1mmH2O
90
E27-28 = h27-28 = 0,952 mH20 (V1)22.g (0,602 m/dtk)2.2.(9,8 m/dtk)
= 0,1340
Tiba-tiba h29-30
h29-30 = 45 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 0,612 mH20 1 mmHg 1mmH2O
E29-30 = h29-30 = 0,612 mH20 (V1)22.g (0,602 m/dtk)2.2.(9,8 m/dtk)
= 0,0861
Tiba-tiba h31-32
H31-32 = 65 mmHg x 13,6 mmH2O x 0,001 mH20 = 0,884 mH20 1 mmHg 1mmH2O
E31-32 = h31-32 = 0,884 mH20 (V1)22.g (0,602 m/dtk)2.2.(9,8 m/dtk)
= 0,1245
TABEL III
Menghitung laju arus teoritis
Orifice (ho) = 12,55 x 70 = 0,8785 mH2O 1000
QO = π/4 x do2 2 x g x ho
= 3,14/4 x (0,0147m)2 x 2 x(9,8m/dtk) x 0,8785 mH2O
= 7,0358 x 10-4 m3/dtk
venturi (hv) = 12,55 x 75 = 0,94125 mH2O 1000
Qv = π/4 x dv2 2 x g x hv
91
= 3,14/4 x (0,0119m)2 x 2 x(9,8m/dtk) x 0,94125 mH2O
= 4,7540 x 10-4 m3/dtk
Nozzle (hn) = 12,55 x 105 = 1,31775mH2O 1000
Qn = π/4 x dn2 2 x g x hn
= 3,14/4 x (0,0131m)2 x 2 x(9,8m/dtk) x 1,31775 mH2O
= 6,8219 x 10-4 m3/dtk
Menghitung koefisien arus
Orifice = Co = Q Qo
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 0,5827 7,0358 x 10-4 m3/dtk
Venturi = Cv = Q Qv
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 0,8624 4,7540 x 10-4 m3/dtk
Nozzle = Cn = Q Qn
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 0,6010 6,8219 x 10-4 m3/dtk
Kecepatan dalam air
V1/2 = Q1 π/4(d1/2) 2
= 4,1 x 10-4 m3/dtk = 4,1 x 10-4 m3/dtk = 0,5962 m/dtk 3,14/4 (0,0296m) 2 6,8766 x 10-4 m2
Bilangan Reynold untuk aliran dalam pipa
Red 1 = d 1 . V 1 U
92
= 0,0296 m . 0,602 m/dtk = 2,2786x104
0,007816x10-4 m2/dtk
TABULASI DATATABEL I
KEHILANGAN TEKANAN KARENA GESEKAN
PE
R
C
O
B
A
A
N
LA
JU
AR
US
Q
(m3
/JA
M
Perbedaan tekanan
(mmHg)
TE
MP
ERA
TUR oC
Kecepatan air dalam
pipa(m/s)
Faktor gesekan Bilangan reynold
Pipa
½ (25-
26)
Pipa
¾ (23-
24
Pipa
1
(21-
22)
Pipa
½
Pip
a ¾
Pipa
1
π½ π¾ π1 Red
½
Red
¾
R
e
d
1
1 1.1 15 25 20 31 1,0
5
0,84 0,44 0,0
143
0,0
120
0,4
152
3,4x
104
2,36
x104
1,6
x1
04
2 1,3 15 20 30 31 1,7
7
1,00 0,53 0,0
143
0,0
685
0,2
689
3,7x
104
2,81
x104
2,0
4x
104
3 1,5 20 12 44 31 2,0
1
1,13
8
0,60 0,0
105
0,0
266
0,4
795
4,15
x104
3,13
x104
2,2
7x
104
d1/2 = 0,0161md3/4 = 0,0216md1 = 0,0296md1 ½ = 0,0416mA ½ = 2,6x10-4
A 3/4 = 3,66x10-4
A 1 = 5,93x10-4
93
TABULASI DATATABEL II
KEHILANGAN TEKANAN KARENA GESEKAN
P
E
R
C
O
B
A
A
N
LAJUARUS Q(m3/JAM
T
E
M
PE
R
A
T
U
R oC
PERBEDAAN TEKANAN (mmHg) Coefficient of head loss
E
L
B
O
W
1-
2
R
E
D
U
C
E’
R
3-
4
R
E
D
U
C
E
R
5-
6
G
A
T
E
7-
9
G
L
O
B
E
9-
10
V
C
O
C
K
V
11
-
12
E
L
B
O
W
27
-
28
TIBA2
29-30
TIBA2
31-32
E
L
B
O
W
R
E
D
U
C
E
R
G
A
T
E
glo
be
V
co
ck
elb
ow
tib
a2
tib
a2
Ke
ce
pa
ta
n
air
(
m3
/dt
k)
Bil
an
ga
n
re
yn
ol
d
1 1.1 31 20 25 30 85 40 25 29 39 38 0,0
71
0
,
3
4
0,3
4
0,1
43
0,0
89
0,1
03
0,1
39
0,1
36
0,4
4
1,6
9X
104
2 1,3 31 80 10
0
90 15
0
10
5
75 95 69 65 0,1
9
1
,
3
6
0,3
7
0,2
59
0,1
8
0,2
3
0,1
7
0,1
6
0,5
3
2,0
4X
104
3 1,5 31 70 91 80 19
5
13
5
96 70 45 65 0,1
340
0
,
5
6
2
5
0,3
73
5
1,2
58
5
0,1
83
8
0,1
34
0
0,0
86
1
0,1
24
5
0,5
96
2
2,2
78
6X
104
94
TABULASI DATA
TABEL III
KEHILANGAN TEKANAN KARENA GESEKAN
PE
RC
OB
AA
N
LAJUARUS Q(m3/JAM
TE
MP
ERA
TUR oC
PERBEDAAN
TEKANAN (mmHg)
Laju arus teoritis
(m3/dtk)
Koefisien arus (-) Kecep
atan
air
dalam
pipa
(m/dtk
)
Bilan
gan
reyno
ld
ORI
FIC
E
17-
18
VE
NT
URI
15-
16
NOZ
ZLE
13-
14
ORI
FIC
E
VENT
URI
NOZZ
LE
ORI
FIC
E
VEN
TUR
I
NOZ
ZLE
1 1,1 31 43 33 57 5,51
x10-4
3,15
x10-4
4,99x
10-4
0,55
35
0,96
82
0,61
22
0,44 1,69
x104
2 1,3 31 51 65 80 6x10-4
4,47x
10-4
5,91x
10-4
0,66
16
0,81
85
0,61
08
0,53 2,04
x104
3 1,5 31 70 75 105 7,0358x10-4
4,75x
10-4
6,821
9x104
0,58
27
0,86
24
0,60
10
0,596
2
2,278
6x 104
do = 0,0147m
dv = 0,0119m
dn = 0,0131m
di = 0,0276m
l = 2m
95
B A B VI
K E S I M P U L A N
Besarnya gesekan berbanding lurus dengan pangkat dua dari laju aliran
Aliran tak-termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidak berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Sedangkan Aliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut.
Faktor-faktor yang mempengaruhi komponen kerugian pada pipa adalah kerugian kecil yaitu disebabkan gesekan pipa,belokan, siku, sambungan dan katup sedangkan kerugian tinggi tekan disebabkan pembesaran mendadak pada jalur pipa.
96
D A F T A R P U S T A K A
Colebrook, C. F. and White, C. M. (1937). "Experiments with Fluid Friction in Roughened Pipes". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences
Moody, L.F. (1944). "Friction Factors for Pipe Flow". Transactions of
the ASME
Lienda,Handoyo.1998.Teknologi Kimia. Jilid 2. Surabaya.Pradnya
Param-mita.
Mc cabe L. Warren 1985. Operasi Teknik Kimia, Jilid 1 .Erlangga :
Ciracas Jakarta.
.
97
98
Recommended