STUDI PEFORMANSI ALIRAN FLUIDA PADA INSTALASI PIPA DENGA
MATERIAL DAN DIMENSI BERVARIASI
Gusfito Riantama, Ir. Kaidir, M. Eng 1), Rizky Arman., S.T. M.T 2) Jurusan Teknik Mesin –Fakultas Teknologi Industri
Universitas Bung Hatta
Kampus III Jl. Gajah mada Gunung Pangilun Telp. (0751) 51257 Padang, Sumatra Barat
Email : gusfyto@gmail.com
ABSTRAK
Alat uji rugi aliran didalam system pemipaan diuji dengan menggunakan 4 variasi pipa diameter ,diantaranya : yaitu :19,0 mm, 12,7 mm, 9,5 mm, dan 6,4 mm. untuk mengetahui koefisien gesek pada pipa stainless steel serta menentukan jenis aliran yang terdapat pada material pipa yang digunakan dalam penelitian ini merupakan sebuah rangkaian pemipaan dengan mengunakan berbagai macam jenis komponen pemipaan.Alat ini berupa Instalasi Alat Uji Rugi-Rugi Aliran yang terdapat di Laboratorium Fenomena Dasar Universitas Bung Hatta.dari hasil pengujian yang dilakukan, semakin besar diameter pipa maka semakin kecil koefisien gesek yang dihasilkan.dan dapat juga disimpulkan bahwa semakin sempit bukaan katup,makan semakin besar tekanan yang dihasilkan,misalnya pada diameter pipa 6,4 mm.pada bukaan katup 1/2 mengasilakan tekanan 14,5 mH2O, dan bukaan katup 1/3 menghasilkan tekanan 17,5 mH2O. Dengan semakin meningkatnya bilangan Reynolds maka koefisien dari debit air yang dikeluarkan akan menurun.
Kata kunci : Instalsi pipa, Alat Uji Rugi Aliran, Diameter pipa ABSTRACT
Test equipment flow losses in the piping system was tested using 4 variations in pipe diameter, among others: ie: 19.0 mm, 12.7 mm, 9.5 mm and 6.4 mm. for knowingi coefficient of friction on stainless steel pipe and determine the type of flow that is contained in the pipe material used in this study is a piping circuit by using various types of components in the form of piping.tool Installation Test Equipment Loss and Loss stream contained in the Basic Phenomena Laboratory Universitas Bung Hatta.from results of tests performed, the greater the diameter of the pipe then the smaller coefficient of friction be produced and can also be concluded that the narrower the valve opening, the greater the stress on meal produced, for example, the pipe diameter of 6.4 mm. openings valve 1/2 pressure mH2O 14.5, and the third valve opening pressure to produce 17.5 mH2O.By increasing the Reynolds number, the coefficient of discharge issued will
decrease.
PENDAHULUAN
Setiap hari kita selalu berhubungan dengan fluida tanpa kita sadari. Kita dapat melihat instalasi perpipaan air pada rumah yang kita tempati. Fenomena pada fluida yang dapat kita lihat dalam kehidupan sehari-hari. Benturan air antara pipa ketika keran air ditutup secara tiba-tiba. Pusaran air yang kita lihat ketika air didalam bak mandi dikeluarkan melalui lubang pembuangannya. Radiator air atau uap panas
untuk memanaskan rumah dan radiator
pendingin dalam sebuah mobil yang bergantung pada aliran fluida agar dapat memindahkan panas dengan efektif..
Pada perkembangan dunia industri yang semakin pesat beriringan dengan memasuki era globalisasi, sangat banyak sekali dilakukan penemuan- penemuan yang dikembangkan lewat penelitian yang dilakukan oleh para ahli dan engineering dengan tujuan untuk mengetahui nilai bilangan Reynold (Re) suatu fluida dan koefisien gesek (λ) dari berbagai jenis pipa.
Didunia industri banyak sekali
menggunakan pipa dalam pendistribusian
fluida cair dalam melakukan proses produksi. Misalnya saja pada Perusahaan Air Minum (PAM) dan Perusahaan Tambang Minyak Negara (PERTAMINA).
Pipa memiliki berbagai bentuk
penampangdan ukurannya. Yang sering banyak digunakan oleh umum adalah pipa yang berbentuk lingkaran. Dan material pipa yang digunakan bermacam-macam .
Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh (Triatmojo 1996 : 25). Fluida yang di alirkan melalui pipa bisa
berupa zat cair atau gas dan tekanan bisa lebih besar atau lebih kecil dari tekanan atmosfer. Apabila zat cair di dalam pipa tidak penuh maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka atau karena tekanan di dalam pipa sama dengan tekanan atmosfer (zat cair di dalam pipa tidak penuh), aliran temasuk dalam pengaliran terbuka. Karena mempunyai permukaan bebas, maka fluida yang dialirkan dalah zat
cair. Tekanan dipermukaan zat cair
disepanjang saluran terbuka adalah tekanan atmosfer. Perbedaan mendasar antara aliran pada saluran terbuka dan aliran pada pipa adalah adanya permukaan yang bebas yang (hampir selalu) berupa udara pada saluran
terbuka. Jadi seandainya pada pipa
alirannya tidak penuh sehingga masih ada rongga yang berisi udara maka sifat dan karakteristik alirannya sama dengan aliran pada saluran terbuka (Kodoatie, 2002: 215). Misalnya aliran air pada gorong-gorong. Pada kondisi saluran penuh air, desainnya harus mengikuti kaidah aliran pada pipa,
namun bila mana aliran air pada
goronggorong didesain tidak penuh maka sifat alirannya adalah sama dengan aliran pada saluran terbuka. Perbedaan yang lainnya adalah saluran terbuka mempunyai kedalaman air (y), sedangkan pada pipa kedalam air tersebut ditransformasikan berupa (P/y). Oleh karena itu konsep analisis aliran pada pipa harus dalam kondisi pipa terisi penuh dengan air.
Zat cair riil didefinisikan sebagi zat yang mempunyai kekentalan, berbeda dengan zat air ideal yang tidak mempunyai kekentalan. Kekentalan disebabkan karena adanya sifat kohesi antara partikel zat cair. Karena adanya kekentalan zat cair maka
terjadi perbedaan kecepatan partikel dalam medan aliran. Partikel zat cair yang berdampingan dengan dinding batas akan diam (kecepatan nol) sedang yang terletak pada suatu jarak tertentu dari dinding akan bergerak. Perubahan kecepatan tersebut merupakan fungsi jarak dari dinding batas. Aliran zat cair riil disebut juga aliran viskos.
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Definisi Fluida
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 (Olson, 1990)
2.2 Sifat-Sifat Fluida
Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida. Adapun sifat – sifat dasar fluida yaitu: kerapatan (density) ρ, (specific gravity) (s.g), tekanan (pressure) P, kekentalan (viscosity) μ.
1. Kerapatan (Density)
Kerapatan (density) ρ suatu zat adalah ukuran untuk konsentrasi zat tersebut dan dinyatakan dalam massa per satuan volume. Sifat ini ditentukan dengan cara menghitung perbandingan massa zat yang terkandung dalam suatu bagian tertentu terhadap volume bagian tersebut.
2. Viskositas
Viskositas adalah ukuran
ketahanan sebuah fluida terhadap
deformasi atau perubahan-perubahan
bentuk. Viskositas zat cair cenderung menurun dengan seiring bertambahnya kenaikan temperatur, hal ini disebabkan gaya-gaya kohesi pada zat cair bila dipanaskan akan mengalami penurunan
dengan semakin bertambahnya
temperatur pada zat cair yang
menyebabkan berturunnya viskositas dari zat cair tersebut. Viskositas dibagi menjadi dua yaitu:
a. Viskositas dinamik atau
viskositas mutlak atau absolute viscosity. Viskositas dinamik adalah sifat fluida yang menghubungkan tegangan geser dengan gerakan fluida. Viskositas
dinamik tampaknya sama dengan ratio
tegangan geser terhadap gradien
kecepatan. dy du Dimana: μ = viskositas dinamik (kg/m.s) τ = tegangan geser (N/m²) y u = gradien kecepatan ((m/s)/m)
2.3 Aliran Fluida Dalam Pipa Fluida Dalam Pipa Pipa adalah
saluran tertutup yang biasanya
berpenampang lingkaran yang
digunakan untuk mengalirkan
fluida.Apabila zat cair di dalam pipa tidak penuh, maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka.Menurut Hukum Reynolds Aliran terdiri dari:
1. Klasifikasi aliran
Secara garis besar jenis aliran dapat dibedakan atau dikelompokkan sebagai berikut (Olson, 1990):
a) Aliran Tunak (steady)
Suatu aliran dimana kecepatannya tidak terpengaruh oleh perubahan waktu sehingga kecepatan konstan pada setiap titik (tidak mempunyai percepatan).
b) Aliran Tidak Tunak (unsteady)
Suatu aliran dimana terjadi
perubahan kecepatan terhadap waktu. 2. Tipe-tipe aliran
Bilangan Reynolds merupakan bilangan
yang tak berdimensi yang dapat
membedakan suatu aliran dinamakan
laminer, transisi dan turbulen.
VD Re Dimana: V = kecepatan fluida (m/s) D = diameter dalam pipa (m)
ν = viskositas dinamik fluida (kg/ms) atau (N.s/m²)
a) Aliran Laminar
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 2300 (Re < 2300).
b) Aliran transisi
merupakan aliran peralihan dari aliran laminer ke aliran turbulen. Keadaan peralihan ini tergantung pada viskositas fluida, kecepatan dan lain-lain yang menyangkut geometri aliran dimana nilai bilangan Reynoldsnya antara 2300 sampai dengan 4000 (2300<Re<4000) .
Gambar 2 Aliran Transisi c) Aliran Turbulen
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 bilangan
Renoldsnya lebih besar dari 4000
(Re>4000).
Gambar 3 Aliran Turbulen.
2.4 Koefisiensi Gesek ( f )
Parameter kekasaran pipa sering dipresentasikan sebagai faktor gesekan
(friction factor). Koefisien gesek
dipengaruhi oleh kecepatan, karena
didistribusi kecepatan pada aliran laminar dan aliran turbulen berbeda. Untuk rumus
koefisiensi geseknya ditinjau dengan
persamaan: 2 air.L.V 2 . . g D p f Dimana : ƒ=koefisien gesek
Δ = beda tekanan pada aliran masuk dan keluar (Pa) D = diameter pipa (m)
g = percepatan gravitasi (m/s²) ƴair =berat jenis air (N/m³) L = panjang (m)
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
Gambar 4 Diagram Moody (Fox dan Mc. Donald,1995)
Diagram Moody digunakan untuk menunjukkan ketergantungan fungsional faktor gesekan (f) pada bilangan Reynolds (Re) dan kekasaran relatif (ε/D). Perlu diperhatikan bahwa nilai ε/D tidak perlu
selalu bersesuaian dengan nilai aktual yang
diperoleh melalui suatu penentuan
mikroskopik dari ketinggian rata-rata
kekasaran permukaan.
METODOLOGI PENELITIAN a. Diagram Alir
Tempat dan Waktu Penelitian
Waktu : Bulan September - Desember 2016
Tempat : Penelitian dilaksanakan
dilaboratorium Fenomena Dasar Mesin Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Kampus III Universitas Bung Hatta
Dalam pengujian ini
diperlukan alat-alat yang digunakan:
Alat:
1.Stopwatch
Stopwatch adalah alat ukur besaran waktu yang dapat diaktifkan dan dimatikan. Stopwatch diaktifkan ketika pengukuran waktu akan dimulai dan pada akhir pengukuran bisa dihentikan (dimatikan).
Ketika dihentikan, jarum stopwatch
menunjukkan waktu sesuai dengan selang waktu stopwatch diaktifkan, bukan kembali ke nol. Dengan demikian, lama pengukuran
dapat dibaca dengan mudah.
Ketika pengukuran kembali dilakukan,
cukup dengan menekan tombol untuk mengembalikan jarum ke posisi nol.
2.Jangka Sorong
yaitu sebagai alat pengukur ketebalan atau kedalaman suatu benda. Ukuran yang detail akan selalu ditunjukan oleh jangka sorong melalui garis skalanya. Selanjutnya jangka
sorong juga merupakan alat untuk
mengukur diameter dalam suatu benda. Tentunya benda- benda yang memiliki diametir adalah benda yang mberbentuk bulat atau bola serta elips. Dengan cara menjepitkan lengan capit yang dimiliki oleh jangka sorong pada benda tersebut. Disisi lain jangka sorong pun dapat disebut sebagai alat mengukur suatu benda dengan tingkat ketelitian mencapai satu per seratus millimeter
3.Pressure gauge
Pressure gauge adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan fluida (gas atau liquid) dalam tabung tertutup. Satuan dari alat ukur tekanan ini berupa psi (pound per square inch), psf (pound per
square foot), mmHg (millimeter of
mercury), inHg (inch of mercury), bar, atm (atmosphere), N/m^2 (pascal).
4.Meteran
Berfungsi untuk mengukur jarak atau panjang. Meteran juga berguna untuk mengukur sudut, membuat sudut siku-siku, dan juga dapat dipakai untuk membuat lingkaran. Pada ujung pita dilengkapi dengan pengait dan diberi magnet agar lebih mudah ketika sedang melakukan
pengukuran, dan pita tidak lepas ketika mengukur.
Langkah- langkah Pengujian :
1. Siapkan peralatan yang akan dipergunakan pada pengujian kali ini.
2. Periksa alat uji rugi aliran layak atau tidak di operasikan.
3. Pastikan alat pengambil data sudah terpasang dengan benar pada titik-titik pengambilan data yang sudah ditentukan.
4. Ukur masing – masing diameter pipa
5. Pasang pressure gauge pada pipa pertama yang akan di uji. 6. Hidupkan pompa dan biarkan
bersirkulasi beberapa saat
7. Lakukan pengujian dalam
membuka katup pada pipa pertama yang akan di uji kemudian tutup / kunci
8. Catat berapa tekanan yang terjadi pada pipa tersebut pada pressure gauge
9. Lakukan Pengujian dengan
variasi bukaan katup bola pada setiap pipa
10. Setelah selesai pengujian
dilakukan matikan pompa.
ANALISA DAN PEMBAHASAN
Table 2 hasil pengolahan data diameter 19 mm
Pada grafik pipa diameter 19 mm dapat dijelaskan bahwa nilai tekanan mH2O dengan lama waktu pengujian 15 menit, serta bukaan katup yang divariasikan antara bukaan 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Didapatkan hasil yang berbeda, nilai tertinggi pada bukaan katup yang divarisikan yaitu pada bukaa ¼ dengan nilai 22,5 mH2O
Tabel 2 hasil pengolahan data pada pipa 9,5 mm Bukaan Katup mH2O 1 7 1/2 12,5 1/3 15,5 1/4 18 Bukaan Katup mH2O 1 7,5 1/2 19 1/3 14.5 1/4 22,5
Pada grafik pipa diameter 9,5 mm dapat dijelaskan bahwa nilai tekanan mH2O dengan lama waktu pengujian 15 menit, serta bukaan katup yang divariasikan antara bukaan 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Didapatkan hasil yang berbeda, nilai
tertinggi pada bukaan katup yang
divarisikan yaitu pada bukaa ¼ dengan nilai 18 mH2O
Table 3 Hasil Pengolahan Data Diameter 6,4 mm.
Pada grafik pipa diameter 6,4 mm dapat dijelaskan bahwa nilai tekanan mH2O
dengan lama waktu pengujian 15 menit, serta bukaan katup yang divariasikan antara bukaan 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Didapatkan hasil yang berbeda, nilai
tertinggi pada bukaan katup yang
divarisikan yaitu pada bukaa ¼ dengan nilai 21 mH2O.
Table hasil pengolahan Data Diameter12,7 mm
Pada grafik pipa diameter 12,7 mm dapat dijelaskan bahwa nilai tekanan mH2O dengan lama waktu pengujian 15 menit, serta bukaan katup yang divariasikan antara bukaan 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Didapatkan hasil yang berbeda, nilai tertinggi pada bukaan katup yang divarisikan yaitu pada bukaa ¼ dengan nilai 19,5 mH2O
Bukaan Katup mH2O 1 12 1/2 14,5 1/3 17,5 1/4 21 Bukaan Katup mH2O 1 6 1/2 13 1/3 16,5 1/4 19,5
Tabel 4 hasil pengolahan Data kerugian aliran
Pada grafik kerugian aliran dapat
diketahui bahwa semakin besar diameter pipa maka nilai kerugi aliranya semakin besar pula.
Table 5 koefisien gesek
D F
0.0064 7.812
0.0095 5.623
0.0127 3.937
0.019 2.631
Pada grafik koefesien gesek dapat diketahui bahwa semkin besar diameter pada pipa
paka semakin renda pula koefisien
geseknya.
PEMBAHASAN
Berdasarkan data yang diperoleh dari pengujian rugi aliran dengan mengunakan pipa berdiameter yang berbeda, yaitu pipa berdiameter 6,4 mm, 9,5mm, 12,7mm, dan 19mm.Dalam pengujian yang dilakukan ini
,untuk pengambilan data berdasarkan
variasi bukaan katup yaitu dengan bukaan, 1, 1/2, 1/3, dan 1/4. Untuk setiap bukaan, pengambilan data dilakuan setiap 15 menit. Data yang dipeloleh dari pengujian, terlihat perbedaan data pada tekanan fluida.
Perbeaan data tersebut diakibatkan
diameter dan panjang pipa yang berbeda. Dari pengujian yangdilakukan bahwa didapatkan krugian aliran yang terjadi didalam pipa yang disebabkan oleh :
1. Gesekan yang terjadi disepanjang aliran fluida dalam pipa atau lebih yang dikenal dengan rugi mayor (mayor losses ). Hal ini disebabkan kekasaran pipa serta diameter dan panjang pipa. Factor gesekan yang terjadi sepanjang pipa dapat dilihat pada digram modi.
D HF
6.4 0.003468
9.5 8.472
12.7 9.251
2. Gesekan yang terjadi seweaktu fluida melewati elemen-elemen pemipaan (sperti: katup, sambungan,
elbow) dengan dengan
rugi minor ( minor Losses ). Harga hambatan yang terjadi pada fluida dapat dilihat pada table koefisien hambatan.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengolahan data,
semakin besar diameter pipa makan semakin kecil koefisien gesek yang dihasilkan.
Berdasarkan hasil pengolahan
data,dapat disimpulkan bahwa semakin sempit bukaan katup,makan semakin
besar tekanan yang
dihasilkan,misalnya pada diameter
pipa 6,4 mm.pada bukaan katup 1/2 mengasilakan tekanan 14,5 mH2O, dan bukaan katup 1/3 menghasilkan tekanan 17,5 mH2O.
Dengan semakin meningkatnya
bilangan Reynolds maka koefisien dari debit air yang dikeluarkan akan menurun
DAFTAR PUSTAKA
Daugherty .L .R., and J. B. Franzini, FLUID MECHANICS, 6th edition,
Mc Graw Hill, Newyork, 1965 Etmad, S. Gh. (2004). Turbulent Flow
Frction Loss Coefficients of fittings for Purely Viscous Nnon-Newtonian
Fluid. Int. Comm. Heat Mass Transfer, 31, 763
Fox, Robert W, Mcdonald, Alan T,
Introduction to Fluid Mechanics 4th
Edition (USA: Jhon Wiley & Sons, Inc, 1994)
Frank M. White, Mekanika Fluida, terj. Ir. Mahana Harianja (Jakarta: 1994) Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi, T.
H., Mekanika Fluida, terj. Dr.Ir.
Harinaldi, Ir. Budiarso, M.Eng.
(Jakarta: Erlangga, 2003)
Kumar, k. l., Engineering Fluid Mechanics. Eurasia Publishing House Ltd., 2000 Lang, Rudi A. Basic Principles and
Component of Fluid Technology.
United States of America.
Mannesmann Rexroth. 1991
Victor L. Streeter, E. Benyamin Wylie, Mekanika Fluida, terj. Arko Prijono (Jakarta: Erlangga, 1988)
