1735
ANALISIS DISTRIBUSI TEKANAN FLUIDA CAIR YANG MELALUI ELBOW 90
ODENGAN VARIASI JARI-JARI
KELENGKUNGAN
Darmulia
Program Studi Teknik Mesin Universitas Islam Makassar
Jl.Perintis Kemerdekaan KM 9 NO 29 Kampus UIM, Tlpn 0411-588-167 Email : [email protected]
ABSTRAK
Penggunaan pipa dalam suatu sistem saluran fluida banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari. Efisiensi dari suatu sistem saluran akan tercapai maksimal apabila desain atau perancangan sistem saluranya dilakukan dengan cermat dan tepat. Perancangan ini meliputi penentuan diameter pipa, posisi pipa, penggunaan sambungan-sambungan dan belokan (elbow).
Dalam perencanaan suatu sistem aliran, sulit dihindari adanya suatu belokan (elbow). Adanya elbow dalam suatu saluran akan menyebabkan terjadinya kerugian tekanan pada aliran. Hal tersebut dikarenakan oleh perubahan arah aliran fluida yang melalui saluran tersebut. Besar kecilnya kerugian tekanan yang terjadi pada aliran yang melalui elbow tersebut dipengaruhi oleh besarnya jari-jari kelengkungan dan sudut belok dari elbow itu sendiri. Seksi uji dalam penelitian ini adalah elbow yang terbuat dari bahan resin yang di cor dengan jari-jari kelengkungan 80 mm dan 120 mm.
Variabel bebas dalam penelitian ini adalah jari-jari kelengkungan yang diberikan, sedangkan variabel terikatnya adalah tekanan fluida, kecepatan aliran dan losses yang terjadi. Untuk memudahkan dalam analisa, maka peneliti membagi elbow tersebut dalam tiga daerah pengukuran yaiu daerah jari-jari elbow yang besar, jari-jari tengah, dan daerah jari-jari elbow kecil. Untuk mendapatkan data-data penelitian dilaksanakan dengan metode eksperimen, selanjutnya hasil eksperimen tersebut diolah dengan rumus-rumus yang relevan, kemudian dianalisis dengan memberikan penjelasan secara diskriptif. Hasil penelitian diperoleh dari penjelasan secara diskriptif pada distribusi tekanan dan losses yang terjadi pada kedua seksi uji. Tekanan yang terbesar terjadi pada daerah jari-jari elbow yang besar. Besarnya tekanan yang terjadi pada elbow dengan jari-jari kelengkungan 80 mm lebih kecil dari pada tekanan yang terjadi pada elbow dengan jari-jari kelengkungan 120 mm. Kerugian tekanan (losses) yang terjadi pada aliran yang melalui elbow dengan jari-jari kelengkungan 80 mm lebih besar daripada kerugian tekanan (losses) yang terjadi pada aliran yang melalui elbow dengan jari-jari kelengkungan 120 mm.
Kata Kunci: Distribusi tekanan, kelengkungan Elbow
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Setiap zat atau materi yang mengalami gerakan atau berpindah tempat dari tempat yang satu ketempat yang lain akan mempunyai energi dan energi ini sangat dipengaruhi oleh sifat-sifat fisik dari fluida yang merupakan sumber dari energi tersebut.
Fluida adalah zat yang mampu mengalir dan
menyesuaikan diri dengan wadahnya (Giles, 1984). Fluida dapat digolongkan menjadi dua kelompok, yaitu cairan dan gas. Zat cair yang mengalir baik melalui saluran atau pada ruang bebas akan mengandung energi pula. Energi tersebut merupakan energi kinetik dan energi potensial. Akibat adanya energi tersebut maka fluida akan memiliki suatu gaya.
Untuk mengkonversikan fluida menjadi
1736 energi kinetik diperlukan adanya media dalam hal ini adalah saluran-saluran untuk memusatkan molekul-molekul dari fluida tersebut. Bila fluida mengalir dalam suatu sistem saluran, maka fluida tersebut akan mengalami perubahan sifat-sifat fisiknya seperti adanya perubahan tekanan, kecepatan dan viskositas fluida. Perubahan tekanan dari suatu aliran terjadi karena perubahan elevasi, perbedaan ketinggian dan karena gesekan.
Kerugian tekanan ini dibagi menjadi dua macam, yaitu kerugian mayor (mayor losses) dan kerugian minor (minor losses). Mayor losses adalah kerugian tekanan yang diakibatkan oleh adanya gesekan aliran dengan pipa, sedangkan kerugian kerugian tekanan yang terjadi dalam sistem pipa dikarenakan oleh bends (tekukan-tekukan), elbows (siku-siku), joints (sambungan- sambungan), valves (klep-klep) dan sistem lainya dimana luas penampang saluran tidak konstan disebut minor losses (Orianto, 1989).
Efisiensi dari suatu sistem aliran akan tercapai maksimal apabila desain atau perancangan sistem saluranya dilakukan dengan cermat dan tepat. Perancangan ini meliputi penentuan diameter pipa, posisi pipa, penggunaan sambungan-sambungan dan penggunaan belokan (elbow). Dalam perencanaan suatu sistem aliran, sulit dihindari adanya suatu belokan (elbow).
Adanya elbow dalam suatu saluran akan menyebabkan terjadinya kerugian tekanan pada aliran. Hal tersebut dikarenakan oleh perubahan arah aliran fluida yang melalui saluran tersebut. Besar kecilnya kerugian tekanan yang terjadi pada aliran yang melalui elbow tersebut dipengaruhi oleh besarnya jari- jari kelengkungan dan sudut belok dari elbow itu sendiri.
1.2. Rumusan Masalah
Zat cair merupakan salah satu jenis fluida.
Setiap fluida yang mengalami aliran akan terdapat didalamnya unsur kecepatan dan energy karena perpindahannya itu. Aliran fluida biasanya dilewatkan pada sebuah pipa dimana dalam prakteknya tidak bisa dihindari adanya sebuah belokan (elbow). Berdasarkan uraian tesebut dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut:
1. Bagaimanakah pengaruh variasi jari-jari kelengkungan terhadap distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 90o.
2. Bagaimanakah pengaruh variasi jari-jari kelengkungan terhadap kerugian tekanan yang dialami fluida cair yang melalui elbow 90o.
1.3. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Untuk mengetahui pengaruh variasi jari- jari kelengkungan terhadap distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 90o.
2. Untuk mengetahui pengaruh variasi jari- jari kelengkungan terhadap tekanan yang dialami fluida cair yang melalui elbow 90o. 1.4. Batasan Masalah
Fluida cair yang melewati saluran-saluran mempunyai cakupan masalah yang luas, maka permasalahan dalam penelitian ini terbatas pada asumsi-asumsi sebagai berikut:
1. Aliran bersifat inkompresibel
2. Pipa yang digunakan dianggap sebagai smooth pipe
3. Viskositas fluida dianggap konstan 4. Fluida kerja adalah air
1.5. Manfaat Penelitiaan
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Bagi ilmu pengetahuan
a. Memberikan tambahan wawasan tentang bagaimana pengaruh desain elbow dalam suatu system aliran.
b. Memberikan motivasi bagi para peneliti untuk mengadakan penelitian lebih lanjut mengenai aliran dalam elbow.
2. Bagi dunia industry
a. Dapat digunakan sebagai dasar pertimbangan untuk merancang suatu peralatan atau instalasi industri/pabrik yang banyak menggunakan belokan.
b. Dapat digumakan sebagai bahan pertimbangan untuk penentuan dan peletakan elbow dalam suatu sistem perpipaan.
1737 METODOLOGI PENELITIAN
2.1 Tempat dan Waktu
Penelitian ini akan dilaksanakan pada bulan juli sampai agustus 2016 di Lab. Mesin Jurusan Teknik Mesin Universitas Muslim Indonesia.
2.2 Alat dan Bahan 1. Alat
Berikut ini adalah alat - alat yang di perlukan :
1. Manometer 2. Rotameter 3. Penggaris
2. Bahan
Sedangkan bahan-bahan yang di perlukan adalah sebagai berikut :
1. Elbow 90odengan jari-jari kelengkungan 8 cm
2. Elbow 90odengan jari-jari kelengkungan 12 cm
3. Pipa air 3/4 inch
4. Pompa air merek Shimizu Tipe PN -125 BIT
2.3 Variabel Penelitia
Adapun variabel-variabel dalam penelitian ini adalah:
1. Variabel bebas
Adalah variabel yang menjadi sebab berubahnya variabel dependen. Dalam penelitian ini yang merupakan variabel bebas adalah kapasitas aliran dan jari-jari kelengkungan elbow.
2. Variabel terikat
Adalah variabel yang dipengaruhi oleh adanya variabel bebas, variabel terikat dalam penelitian ini adalah tekanan fluida, kecepatan dan losses yang terjadi.
3. Variabel kontrol
Adalah variabel yang tidak ikut diteliti tetapi mempengaruhi hasil penelitian.
Variabel kontrol dalam penelitian ini adalah suhu ruangan dan densitas fluida cair.
2.4 Desain Penelitian
Desain penelitian yang digunakan adalah pendekatan penelitian eksperimen, yaitu suatu
metode yang mengusahakan timbulnya variabel-variabel dan selanjutnya dikontrol untuk dilihat pengaruhnya (Arikunto,1997).
Eksperimen dilakukan terhadap fluida cair yang dialirkan melalui elbow 90o dengan jari- jari kelemgkungan yang berbeda.. kondisi demikian kemudian diuji pengaruhnya terhadap distribusi tekanan dan kerugian tekanan (losses) yang terjadi pada aliran tersebut dengan empat variasi kapasitas (debit) aliran. Skema desain eksperimen yang dilakukan dalam penelitian adalah sebagai berikut.
2.5 Pengumpulan Data 1. Metode pengumpulan data
a. Studi literatur
Adalah suatu metode yang dilakukan untuk mendapatkan bahan-bahan acuan guna mendukung penyelesaian penelitian dengan cara mempelajari buku-buku yang relevan dengan bidang penelitian.
b. Studi eksperimen
Adalah suatu metode yang dilakukan dengan cara melakukan suatu eksperimen guna mendapatkan suatu data kongkrit yang dibutuhkan.
c. Metode analisis
Adalah suatu metode yang dilakukan dengan cara menganalisa data-data dari hasil eksperimen dengan menggunakan rumus-rumus dari buku referensi yang relevan.
2. Proses pengumpulan data a. Tahap awal
Pada tahap awal ini, dilakukan persiapan-persiapan sebelum penelitian dimulai. Pada tanap ini dilakukan uji coba dan kalibrasi terhadap alat ukur.
Setelah selesai, kemudian dilakukan pemasangan seksi uji (elbow) pada instalasi alat penelitian dan dihubungkan dengan manometer.
b. Pelaksanaan penelitian
1) Setelah seksi uji terpasang dan semua sambungan dipastikan rapat dan bebas dari kebocoran, maka pompa dihidupkan.
1738 2) Pada waktu aliran melalui pipa
buang dan flowmeter terlihat stabil, maka diatur debit aliranya dengan mengatur katub pada posisi pembukaan 100%.
3) Setelah aliran terlihat stabil, kemudian dilakukan pencatatan data-data penelitian. Data yang diambil yaitu h manometer dan variasi debit aliran yang diberikanpada Flowmeter.
4) Langkah selanjutnya adalah melakukan variasi debit aliran, hal ini dilakukan dengan jalan mengatur posisi pembukaan katub.
5) Pada masing-masing variasi debit, kita lakukan lagi pencatatan data- data penelitian seperti halnya langkah nomor tiga.
6) Setelah selesai pengambilan data untuk satu seksi uji, kemudian pompa dimatikan, dan dilakukan pengesetan alat untuk seksi uji yang kedua.
7) Apabila pemasangan seksi uji yang kedua telah selesai, maka langkah nomor dua sampai lima diulangi untuk mendapatkan data-data h dan debit.
3. Tahap akhir
Pada tahap ini dilakukan pembersihan tempat penelitian dan mengembalikan alat- alat penelitian seperti semula.
2.6 Teknik Analisa Data
Analisa data dalam penelitian ini adalah dengan teknik statistik deskriptif yaitu teknik yang digunakan untuk mendeskripsikan atau menyampaikan hasil penelitian dalam bentuk grafik.
Data yang diambil dalam penelitian ini adalah distribusi tekanan dengan empat variasi kapasitas aliran fluida pada dua jari- jari kelengkungan elbow yang berbeda. Hasil penelitian disajikan dalam bentuk grafik hubungan antara distribusi tekanan dengan posisi pengukuran tekanan pada dua variasi jari-jari kelengkungan elbow dan empat variasi kapasitas aliran fluida. Serta grafik hubungan antara posisi pengukuran dengan koefisien losses yang terjadi.
Grafik yang didapat kemudian dibandingkan, sehingga akan terlihat pengaruh variasi jari-jari kelengkungan terhadap distribusi tekanan dan losses yang terjadi pada aliran yang melalui elbow.
ANALISA DAN PEMBAHASAN 3.1. Perhitungan
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan elbow dengan dua variasi jari - jari kelengkungan yaitu 80 mm dan 120 mm.
Elbow ini terbuat dari bahan resin yang di cor.
Dibawah ini adalah gambar elbow yang digunakan dalam penelitian analisis distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 900
dengan variasi jarijari kelengkungan.
Untuk memudahkan dalam proses analisa distribusi tekanan yang terjadi, masing- masing elbow dalam penelitian ini dibagi menjadi tiga daerah pengukuran.
Adapun daerah tersebut adalah :
a. Daerah 1, yaitu daerah jari-jari kelengkungan elbow yang besar.
Daerah 1 adalah daerah jari-jari elbow yang besar
b. Daerah 2, yaitu daerah jari-jari tengah kelengkungan elbow
Daerah 2 adalah daerah jari-jari tengah kelengkungan elbow
c. Daerah 3, yaitu daerah jari-jari kelengkungan elbow yang kecil.
Daerah 3 adalah daerah jari-jari kelengkungan elbow yang kecil
3.2 Distribusi Tekanan
Berdasarkan penelitian yang dilakukan terhadap distribusi tekanan yang terjadi pada aliran fluida cair yang melalui elbow 90°
dengan variasi jari-jari kelengkungan dan kapasitas aliran fluida, akan lebih terlihat jelas apabila kita memperhatikan pola grafik distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 90° dengan jari-jari kelengkungan 80 mm dan 120 mm yang terjadi pada empat variasi kapasitas aliran
Secara umum hal ini dapat disebabkab oleh desain saluran yang digunakan untuk mengalirkan fluida. Desain elbow yang merupakan sebuah belokan mengakibatkan tidak seluruh bagian elbow dilalui fluida,
1739 sehingga tekanan dinding elbow yang terjadi juga berlainan.
Dari masing-masing variasi debit untuk daerah 1, kita lihat bahwa tekanan yang terjadi dari titik pengukuran 1 ke 2 dan 3 mengalami kenaikan. Tekanan yang terjadi paling tinggi adalah tekanan pada posisi pengukuran 3, hal ini terjadi karena pada titik posisi 3 tersebut terjadi kejadian stagnasi aliran, dimana dengan adanya kejadian tesebut hampir seluruh head kecepatan yang ada diubah menjadi head tekanan, pada daerah ini aliran yang tejadi dapat diasumsikan sebagaimana aliran yang terjadi pada aliran yang melalui penampang yang membesar sacara tiba-tiba.
Aliran yang semula melewati luasan normal, setelah melewati daerah ini seolah- olah mendapat luasan yang lebih besar.
Konsekuensinya adalah aliran fluida mengalami ekspansi dan kecepatan aliran menurun, seiring dengan itu pula tekanan naik secara signifikan hingga puncaknya tercapai pada titik 3. Setelah melewati titik pengukuran 3, tekanan berangsur-angsur turun. Head kecepatan yang ada sudah mulai diubah menjadi head tekanan.
Pada daerah pengukuran 2, distribusi tekanan yang terjadi juga menunjukkkan kondisi yang tidak merata. Tekanan yang terjadi pada daerah ini dipengaruhi oleh perubahan momentum yang terjadi pada aliran fluida sehingga menyebabkan adanya sebagian dinding elbow yang hanya sedikit sekali terkenan aliran.
Pada daerah pengukuran 3, tekanan aliran turun yaitu pada titik 12 dan 13. Pada daerah ini aliran yang tejadi dapat diasumsikan sebagaimana aliran yang terjadi pada aliran yang melalui penampang yang mengecil sacara tiba-tiba. Aliran yang semula melewati luasan normal, setelah melewati daerah ini seolah-olah mendapat luasan yang lebih kecil.
Konsekuensinya adalah aliran fluida mengalami kontraksi dan kecepatan aliran meningkat, seiring dengan itu pula tekanan turun. Tekanan yang terjadi pada titik pengukuran 14 dan 15 menunjukkan bahwa tekanan sudah mulai berangsur-angsur normal. Tekanan yang besar pada titik 12 dan
13 sudah mulai diubah menjadi head kecepatan.
Di Ketahui bahwa untuk sudut belokan aliran yang sama, maka tekanan yang paling besar terjadi pada daerah 1. Hal ini di karenakan pada daerah 1, luasan aliran yang terjadi adalah yang paling besar, sehingga kecepatan aliran rendah, dan tekanan tinggi.
Aliran yang terjadi antara elbow dengan jari-jari kelengkungan 80 mm dan 120 mm tersebut menunjukkan pola yan hampir sama.
Perbedaan yang terjadi bahwa pada elbow dengan jari-jari kelengkungan 80 mm tekanan yang terjadi adalah lebih rendah dibandingkan dengan tekanan yang terjadi pada elbow dengan jari-jari kelengkungan 120 mm.
Pada variasi kapasitas aliran fluida, tekanan yang terjadi menunjukkan bahwa perubahan tekanan yang terjadi adalah sebanding dengan debit fluida yang diberikan.
Hal ini terjadi karena dengan naiknya debit fluida yang diberikan maka kecepatan yang terjadi pada aliran juga akan meningkat.
Peningkatan kecepatan ini adalah konsekuensi dari kapasitas aliran yang bertambah, sedangkan luas penampang saluran yang tetap. Adanya peningkatan kecepatan aliran akan mengakibatkan kenaikan tekanan.
3.3 Kerugian Tekanan
Aliran yang melewati sebuah belokan akan mengalami kerugiankerugian minor (minor losses). Untuk mengetahui kerugian tekanan yang terjadi pada elbow dalam penelitian ini dibagi menjadi tiga daerah pengukuran. Sama halnya dengan pengukuran distribusi tekanan, pembagian daerah ini meliputi daerah 1, daerah 2 dan daerah 3.
Adapun data-data hasil perhitungan yang diperoleh adalah sebagai berikut:
Tabel 3.1. Koefisien losses untuk elbow 90° dengan jari-jari kelengkungan 80 mm dan 120 mm.
1740 Grafik 3.1. Koefisien losses
Grafik 3.1 menunjukkan bagaimana pengaruh jari-jari kelengkungan elbow terhadap kerugian tekanan yang terjadi pada aliran. Losses yang terjadi paling besar adalah pada daerah dinding dalam elbow. Hal ini terjadi karena perubahan arah aliran yang mendadak dan jari-jari lintasan yang kecil mengakibatkan tekanan luaran yang kecil.
Pada variasi jari-jari kelengkungan elbow, dari grafik 4.5 juga diketahui bahwa untuk R=
80 mm terjadi kerugian yang lebih besar. Hal ini terjadi karena untuk jari-jari kelengkungan yang kecil, maka perubahan arah aliran yang cepat dan mendadak mengakibatkan kecilnya tekanan luaran pada aliran.
3.3 Keterbatasan penelitian
Penelitian ini memiliki keterbatasan- keterbatasan karena beberapa faktor. Faktor yamg pertama adalah pada manusia (peneliti).
Walaupun sudah berusaha seteliti dan secermat mungkin, namun konsistensi, kelelahan dan daya tahan tubuh pada saat proses pengujian atau pengambilan data (pembacaan skala manometer) masih memungkinkan terjadi kekurang telitian walaupun sangat kecil kemungkinanya.
Faktor yang kedua yaitu waktu pengambilan data. Hal ini berhubungan dengan tegangan listrik yang masuk ke pompa. Waktu pengambilan data dilakukan pada hari sabtu dan minggu antara pukul 14.00 sampai dengan pukul 16.00 WIB dengan tujuan tegangan listrik bisa stabil.
Namun ada kemungkinan tegangan listrik yang masuk ke pompa berubah.
Faktor yang ketiga adalah instalasi penelitian. Hal ini berhubungan dengan tidak adanya over flow atau by pass dalam instalasi penelitian ini, yang mengakibatkan debit aliran dalam penelitian ini tidak memungkinkan untuk divariasi pada harga yang rendah, sehingga dalam penelitian ini variasi debit terendah yang dapat diberikan yaitu 3 Liter/menit.
PENUTUP
4.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil dari pengamatan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Proses pembuatan biogas yaitu dengan cara fermentasi yang didiamkanselama beberapa hari sampai menghasilkan biogas itu terlihat dari alat ukur yang telah disiapkan.
2. Penggunaaan biogas sama dengan penggunaan gas yang umumnya digunakan dirumah tangga, adapun kelebihan dari sisi penggunaan biogas ini yaitu dari efsiensi keuangan dan menggunakan kotoraan sapi yang hanya terbuang sia-sia.
3. Bahwa tekanan gas yang paling ideal terdapat pada skala perbandingan 1:3 dengan nilai sebesar 0,432 Kpa, dibandingkan dengan perbandingan yang lain dengan nilai tekanan gas sebesar 0,162 Kpa pada skala perbandingan 1:1, dan pada skala perbandingan 1:2 yaitu 0,216 Kpa.
4.2. Saran
1. Untuk menghasilkan produksi gas yang lebih besar maka perlu diperhatikan proses pencampuran kotoran dengan air.
2. Perlu dirancang kembali konstruksi dan penampungan gas yang lebih efektif agar diperoleh gas yang maksimal.
DAFTAR PUSTAKA
Dadang dan Cahyono. 2012. Pembangunan Instalasi Biogas dari Air Limbah Domestik di Pondok Pesantren AlAshriyyah Nurul Iman, Parung, Bogor.
1741 Hardoyo, M.Eng, dkk 2014 Panduan Praktis Membuat Biogas Portabel Skala Rumah Tangga dan industry. Yogyakarta.
Kwartiningsih, E, 2006, Pemurnian Biogas dari Kandungan Hidrogen Sulfida (H2S) Menggunakan Larutan Absorben dari
Besi Bekas, LPPM UNS, Indonesia.
Suriawiria, U., 2005, Menuai Biogas dari Limbah Suhut Simamora, Salundik, Sri Wahyuni & Surajudin, Membuat Biogas;
Pengganti Bahan Bakar Minyak &
Gas dari Kotoran Ternak, Agromedia pustaka. Jakarta.
Suyati, F., 2006, Perancangan Awal Instalasi Biogas Pada Kandang Terpencar
Kelompok Ternak Tani Mukti Andhini Dukuh Butuh Prambanan Untuk
Skala Rumah Tangga, Skripsi, Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknik,
Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Suyitno, 2009, Pembangkit Listrik Tenaga Biogas (PLTBio) yang Dilengkapi
dengan Kompresi Biogas, Balitbang Jateng, Indonesia.
Sri Wahyuni, S. 2011, Menghasilkan biogas dari aneka limbah, PT agromedia pustaka.
Jakarta.
