25
Analisis Distribusi Tekanan Fluida Cair Melalui
Elbow
45° Dengan Variasi Kapasitas Aliran Fluida Dan
Jari-Jari Kelengkungan
Rianto1, Tris Sugiarto2,
1,2 Program Studi Teknik Mesin STT Wiworotomo Purokerto
Jl. Semingkir No. 1 Purwokerto, email : [email protected]
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui distribusi tekanan fluida cair dan gaya momentum pada elbow 45o dengan variasi kapasitas aliran fluida dan jari-jari kelengkungan. Hasil penelitian diperoleh dari penjelasan secara deskriptif pada distribusi tekanan dan gaya momentum yang terjadi pada kedua elbow. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah kapasitas aliran fluida. Sedangkan variabel terikatnya adalah kecepatan fluida, tekanan fluida dan besarnya gaya momentum. Tekanan yang terbesar terjadi pada jari-jari kelengkungan 200 mm, dengan tekanan sebesar 52,86 kPa pada debit 0,00041 m3/s. Sedangkan untuk elbow dengan jari-jari kelengkungan 300 mm, tekanan terbesar yaitu sebesar 31,03 kPa pada debit 0,00041 m3/s. Tekanan terbesar terjadi pada titik pengukuran ke 3. Perbedaan jumlah aliran fluida yang mengalir dan jari-jari kelengkungan pada elbow akan mempengaruhi kecepatan, tekanan dan gaya momentum yang berbeda-beda di setiap dinding elbow. Dari hasil perhitungan gaya momentum pada kedua elbow didapatkan bahwa, untuk elbow dengan jari-jari kelengkungan 200 mm mendapatkan gaya momentum sebesar 0,71 Nm pada kapasitas aliran fluida sebesar 0,00039 m3/s. Sedangkan untuk elbow dengan jari-jari kelengkungan 300 mm mendapatkan gaya momentum yang sama dengan elbow yang jari-jari kelengkungannya 200 mm yaitu 0,71 Nm pada kapasitas aliran fluida sebesar 0,00039 m3/s.
Kata kunci : Elbow 45o, Tekanan Fluida, Momentum
1. Pendahuluan
Penerapan pinsip-prinsip mekanika fluida dapat dijumpai pada bidang industri, transportasi maupun bidang keteknikan lainnya. Namun dalam penggunaannya selalu terjadi kerugian energy[1]. Dengan mengetahui kerugian energi pada suatu sistem yang
memanfaatkan fluida mengalir sebagai media, akan menentukan tingkat efisiensi penggunaan energi. Dengan mengetahui kehilangan atau kerugian energi dalam suatu sistem atau instalasi perpipaan yang memanfaatkan fluida mengalir sebagai media, efisiensi penggunaan energi dapat ditingkatkan sehingga diperoleh keuntungan yang
maksimal[1][2]. Salah satu bagian dari instalasi perpipaan yang dapat menyebabkan
kerugian-kerugian adalah belokan pipa. Batasan masalah pada penelitian ini: pengujian ini menggunakan fluida air, menggunakan pipa PVC 1’’ sebagai media aliran fluida, menggunakan elbow 45o, viskositas fluida dianggap konstan.[3][4]
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi kapasitas aliran fluida terhadap distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 45odan untuk mengetahui
pengaruh variasi kapasitas aliran fluida terhadap kerugian tekanan yang dialami fluida cair yang melalui elbow 45o. Pada penelitian ini akan merumuskan bagaimanakah pengaruh
=================================================================
26 2. Metodologi Penelitian
Dalam penelitian ini objek penelitiannya adalah Analisis Distribusi Tekanan Fluida Cair Yang Melalui Elbow 45° Dengan Variasi Kapasitas Aliran Fluida Dan Jari-Jari Kelengkungan.
Gambar 2.1. model pengukur tekanan pada aparatus uji aliran Dalam pencapian tujuan ekperimen langkah dalam penelitian sebagai berikut :
a. Setelah seksi uji terpasang dan semua sambungan dipastikan rapat dan bebas dari kebocoran, maka pompa dihidupkan.
b. Pada waktu aliran melalui pipa buang dan aliran pada elbow terlihat stabil, maka diatur
debit alirannya dengan katup pada posisi pembukaan 100%.
c. Setelah aliran terlihat stabil, kemudian dilakukan pencatatan data-data penelitian. Data
yang diambil yaitu tekanan pada pressure gauge dan waktu yang dibutuhkan untuk masing-masing variasi debit yang diinginkan.
d. Langkah selanjutnya adalah melakukan variasi debit aliran, hal ini dilakukan dengan jalan mengatur posisi pembukaan katup, yaitu pada posisi pembukaan 50% dan 25%. e. Pada masing-masing variasi debit, kita lakukan lagi pencatatan data-data penelitian
seperti halnya langkah (c)
f. Setelah selesai pengambilan data untuk satu seksi uji, kemudian pompa dimatikan dan
dilakukan pengesetan alat untuk seksi uji yang kedua.
g. Apabila pemasangan seksi uji kedua telah selesai, maka ulangi langkah b-e untuk
mendapatkan data-data tekanan pada masing-masing titik di dinding elbow dan waktu
yang dibutuhkan untuk masing-masing variasi debit.
2.1 Tahapan Perencanaan a. Perhitungan jenis aliran
Penentuan aliran fluida cair laminer atau turbulen ditentukan oleh Reynolds number
(bilangan Reynolds)[5]. Teori Reynolds merumuskan bahwa untuk aliran internal (internal
27
Jenis aliran berdasarkan bilangan Reynolds untuk aliran internal, dengan Re < 2300, aliran adalah laminar, Re > 4000, aliran adalah turbulen, 2300 < Re < 4000, aliran adalah transisi. Bila suatu fluida mengalami geseran, ia mulai bergerak dengan laju regangan yang berbanding terbalik dengan suatu besaran yang disebut koefisien viskositas,
viskositas dinamis atau viskositas mutlak [2]. Fluida yang tegangan gesernya berhubungan
secara linear dengan laju regangan gesernya digolongkan sebagai fluida Newtonian,
sedangkan fluida yang tegangan gesernya tidak berhubungan secara linear dengan laju
regangan gesernya digolongkan sebagai fluida Non-Newtonian[3]. Selain viskositas
dinamis, kita juga mengenal adanya viskositas kinematis. Viskositas kinematis adalah perbandingan antara viskositas dinamis dengan densitas [5]
. (2)
Dengan = Viskositas kinematis (m2/s)
= Viskositas dinamis (N.s/m2)
Densitas (kg/m3)
Tekanan fluida dipancarkan dengan kekuatan yang sama kesemua arah dan bekerja tegak lurus pada suatu bidang. Tekanan dinyatakan sebagai gaya yang dibagi dengan luas bidang kerjanya (Giles, 1984).
p = (3)
Untuk keadaan dimana gaya F terdistribusi merata di atas suatu luasan, maka:
p = (4)
dengan, p = tekanan (N/m2); F = gaya (N); A = luas bidang kerja
(m2)
Untuk mengetahui kecepatan aliran fluida cair di dalam tabung atau pipa dapat digunakan tabung pitot, sebuah manometer tabung terbuka dihubungkan dengan pipa yang dialiri fluida. Tekanan yang berada di dalam kaki kanan yang lubangnya tegak lurus dengan aliran fluida dapat dihitung dengan persamaan Bernoulli pada titik A dan B, sehingga persamaan Bernoulli di titik A dan B menjadi:
PB = PA + ½ air v2 (5)
karena pB lebih besar dari pA maka fluida didalam manometer akan
seperti pada gambar 2. Jika adalah densitas fluida dalam manometer dan h selisih tinggi fluida dalam kedua kakinya, maka:
PB = PA + Hg g (6)
Dari persamaan 5 dan 6 diperoleh :
Hg gh =1/2 air v2 Jadi, v = (7)[2]
=================================================================
28
Gambar 2.2. Tabung Pitot [2]
Pada suatu fluida nyata yang melalui sebuah penampang A dan pada debit aliran Q, maka kecepatan rata-rata aliran bisa didapat dengan menggunakan persamaan kontinuitas aliran sebagai berikut:
.
(8)Dengan ; v = kecepatan rata-rata (m/s; Q = debit aliran (m3/s)
A = luas penampang saluran (m2)
Densitas adalah massa dari materi atau zat setiap satu satuan volumenya. Kerapatan atau densitas dari fluida akan mempengaruhi jenis aliran dari fluida, bila ditinjau dari bilangan Reynold-nya. Densitas suatu zat atau materi dapat dilihat dari temperaturnya. Semakin tinggi temperatur dari zat atau materi maka densitas dari zat tersebut akan semakin rendah sehingga kecepatan akan semakin tinggi.Berat jenis suatu zat adalah beratnya per satuan volume, atau merupakan perkalian dari kerapatan ( ρ ) dengan percepatan gravitasi (g).
γ = ρg (9)
dengan, γ = berat jenis (N/m3), ρ = densitas (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Hukum kedua Newton yang menyatakan perubahan momentum suatu benda itu sebanding dengan gaya yang bekerja pada benda tersebut. Dengan kata lain momentum aliran fluida terjadi karena adanya perubahan kecepatan aliran[2].
F = ρ . Q . (v2 – v1) (10)
Karena laju aliran massa
= ρ . A . v = ρ . Q (11)
maka persamaan di atas menjadi
F = (v2– v1) (12)
Dimana :
Q = debit aliran (m3/s)
= laju aliran massa (kg/s)
v2 = kecepatan pada penampang 2 (m/s)
29
Gambar 2.3. (a) Jenis penampang dan momentum linier (b) jenis elbow[5]
Reducer adalah komponen dalam pipa yang mengurangi pipa ukuran dari yang lebih besar untuk menanggung yang lebih kecil (dalam diameter). Panjang pengurangan biasanya sama dengan rata-rata diameter pipa yang lebih besar dan lebih kecil. Ada dua jenis utama dari consentric reducer dan eccentricreducer. Reducer dapat digunakan baik sebagai nozzle atau diffuser tergantung pada jumlah mach aliran.
Gambar 2.4. (a) Reducer, Fitting Tee (b) sambungan silang, (c) cross[5]
a. Fitting Tee
Sambungan T (fitting tee) merupakan jenis sambungan yang paling umum
digunakan. Jenis fitting T yaitu tee equal dan fitting tee non equal. Digunakan untuk
menggabungkan dua aliran fluida (split) dari arah yang berlawanan.
b. Sambungan Silang (Cross)
Biasa juga disebut dengan sambungan empat arah (4-way fittings).Sambungan
silang memiliki satu masukan (inlet) dan tiga keluaran (outlet) atau sebaliknya. Sambungan silang dapat menghasilkan tegangan yang besar pada pipa dan perubahan
temperature, karena fitting silang merupakan titik pertemuan empat koneksi saluran.
2.3 Alat Dan Bahan
Alat dan bahan pada penelitian ini menggunakan : pompa air, pipa pvc 1”, katup bola, elbow 45o, lem/fitting, pressure gauge, meteran air.
3. Analisa Data Dan Pembahasan
=================================================================
30
kelengkungan, akan lebih terlihat jelas apabila kita memperhatikan pola grafik distribusi
tekanan fluida cair dan besarnya momentum fluida yang melalui elbow 45o dengan jari-jari
kelengkungan 200 mm dan 300 mm yang terjadi pada tiga variasi kapasitas aliran fluida yang disajikan pada table 3.1 sebagai berikut :
Tabel 3.1. Rata-rata distribusi tekanan aliran fluida cair yang melalui elbow 45o dengan
jari-jari 200 mm pada 3 variasi debit.
Titik pengukuran
Gambar 3.1 Grafik distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 45o dengan jari-jari
kelengkungan 200 mm.
Dari grafik diatas diketahui bahwa di masing-masing titik tekanannya berbeda-beda, tekanan berangsur naik dari titik 1-3, kemudian berangsur turun pada titik 4 dan 5. Tekanan terbesar terjadi pada titik 3 dengan 63,2 kPa pada debit 0,00041 m3/s.
Tabel 3.2. Rata-rata distribusi tekanan aliran fluida cair yang melalui elbow 45o dengan
jari-jari 300 mm pada 3 variasi debit.
31
Gambar 3.2. Grafik distribusi tekanan fluida cair yang melalui elbow 45o dengan jari-jari
kelengkungan 300 mm pada tiga variasi debit.
Dari grafik diatas tekanan terbesar terjadi pada titik ke 3 dengan 36,77 kPa pada debit
0,00041 m3/s. Tekanan dari titik 1 sampai titik 3 mengalami kenaikan tekanan, tetapi pada
titik 4 dan 5 tekanan berangsur turun.
3.2 Pembahasan
1. Perhitungan luas penampang saluran
A = ¼. π. D2
= ¼ . π . (25,4)2
= 506,45 mm2 = 0,000506 m2
2. Kecepatan aliran fluida
v
=
v
=
v = 2,37 sehingga v1 = v2
3. Gaya momentum aliran fluida
a) Gaya momentum untuk elbow R = 200 mm pada Q = 0,00039 m3/s.
Fx = (v2 . cos – v1) + (p1 . A1 – p5 . A2 . cos )
= (v2 . cos 45 – v1) + (p1 . A1 – p5 . A2 . cos 45)
= 998 x 0,00039 (2,37 x 0,707 – 2,37) + (44,82 x 0,000506 – (50,56 x 0,000506 x 0,707))
= 0,38922 (– 0,694) + (0,0226 – 0,0180) = - 0,27 + 0,0046
= - 0,26 Nm
Fy = (v2.sin – 0) + (0 + p5.A2.sin )
= ( v2 . sin 45) + (p5 . A2 . sin 45)
= 998 x 0,00039 (2,37 x 0,707) + (50,56 x 0,000506 x 0,707) = (0,38922 x 1,67559) + (0,018)
= 0,67 Nm
Ft =
= (-0,26)2 + (0,67)2
=================================================================
32 4. Kesimpulan dan Saran
4.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan tentang Analisis Distribusi Tekanan Fluida Cair Yang Melalui Elbow 45o Dengan Variasi Kapasitas Aliran Fluida Dan Jari-Jari Kelengkungan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
a. Distribusi tekanan yang terjadi pada elbow 45o dengan jari-jari 200 mm dan 300 mm,
tekanan yang terbesar terjadi pada pengukuran 3 pada debit 0.00041 m3/s, pada jari-jari kelengkungan 200 mm.
b. Peningkatan debit aliran fluida mengakibatkan kecepatan aliran yang mengalir akan naik. Perubahan kecepatan akan sebanding dengan perubahan tekanan.
c. Perbedaan jari-jari kelengkungan dan variasi debit aliran mengakibatkan gaya
momentum yang berbeda pada kedua elbow.
d. Untuk elbow dengan jari-jari kelengkungan 200 mm, gaya momentum yang terbesar
terjadi pada debit 0,00039 m3/s dengan gaya total sebesar 0,71 Nm.
e. Untuk elbow dengan jari-jari kelengkungan 300 mm, gaya momentum yang terbesar
terjadi pada debit 0,00039 m3/s dengan gaya total sebesar 0,71 Nm.
4.2 Saran
a. Kajian di bidang aliran fluida yang melalui pipa belokan, belum dilakukan pada
fenomena aliran dalam belokan (elbow) yang lebih variatif, baik mengenai pengaruh diameter pipa belokan, debit aliran dan sudut kelengkungan belokan.
b. Aliran fluida satu fase, maka untuk dapat menindak lanjuti penelitian ini pada aliran fluida dua fase, Pada pemasangan instalasi harus diperhatikan kebocoran dari sambungan dan pemasangan alat ukur agar data yang diperoleh bisa akurat.
5. Daftar Pustaka
[1] Giles, Ranald V., 1984, “Mekanika Fluida dan Hidraulik”, Erlangga, Jakarta
[2] White, Frank. M., 1986, Mekanika Fluida Jilid I, Erlangga, Jakarta
[3] Munson, Donald F. Young, Theodore H.Okishi, “Mekanika Fluida”, Erlangga,Jakarta
[4] Priyanto, Eko S., 2010, “Analisa Koefisien Gesek Pipa Acrylic Diameter 0,5 Inchi, 1 Inchi, 1,5 Inchi”, Universitas Gunadarma.
[5] Muhajir, Khairul., 2009, “Karakterisasi Aliran Fluida Gas-Cair Melalui PipaSudden
![Gambar 2.2. Tabung Pitot [2]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2813128.1688369/4.595.190.412.126.239/gambar-tabung-pitot.webp)
![Gambar 2.3. (a) Jenis penampang dan momentum linier (b) jenis elbow[5]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2813128.1688369/5.595.100.504.388.516/gambar-jenis-penampang-dan-momentum-linier-jenis-elbow.webp)
