MODUL 1.01 Aliran Fluida

MODUL 1.01 Aliran Fluida

MODUL 1.01 Aliran Fluida

I. Pendahuluan I. Pendahuluan

Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi) secara Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi) secara  permanen. Bila kita mencoba mengubah bentuk suatu massa fluida, maka di dalam fluida  permanen. Bila kita mencoba mengubah bentuk suatu massa fluida, maka di dalam fluida tersebut akan terbentuk lapisan-lapisan di mana lapisan yang satu akan mengalir di atas tersebut akan terbentuk lapisan-lapisan di mana lapisan yang satu akan mengalir di atas lapisan yang lain,

lapisan yang lain, sehingga tercapai sehingga tercapai bentuk baru. bentuk baru. Selama perubahan Selama perubahan bentuk tersebut,bentuk tersebut, terdapat tegangan geser (

terdapat tegangan geser ( shear stress shear stress), yang besarnya bergantung pada viskositas fluida), yang besarnya bergantung pada viskositas fluida dan laju alir fluida relatif terhadap arah tertentu. Bila fluida telah mendapatkan bentuk  dan laju alir fluida relatif terhadap arah tertentu. Bila fluida telah mendapatkan bentuk  akhirnya, semua tegangan geser tersebut akan hilang sehingga fluida berada dalam akhirnya, semua tegangan geser tersebut akan hilang sehingga fluida berada dalam keadaan kesetimbangan. Pada temperatur dan tekanan tertentu, setiap fluida mempunyai keadaan kesetimbangan. Pada temperatur dan tekanan tertentu, setiap fluida mempunyai densitas tertentu. Jika densitas hanya sedikit terpengaruh oleh perubahan yang suhu dan densitas tertentu. Jika densitas hanya sedikit terpengaruh oleh perubahan yang suhu dan tekanan yang relatif besar, fluida tersebut bersifat

tekanan yang relatif besar, fluida tersebut bersifatincompressible.incompressible. Tetapi jika densitasnyaTetapi jika densitasnya   peka terhadap perubahan variabel temperatur dan tekanan, fluida tersebut digolongkan   peka terhadap perubahan variabel temperatur dan tekanan, fluida tersebut digolongkan

compresible

compresible. Zat cair biasanya dianggap zat yang. Zat cair biasanya dianggap zat yang incompresible,incompresible, sedangkan gassedangkan gas umumnya dikenal sebagai zat yang

umumnya dikenal sebagai zat yangcompresible.compresible.

Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah fluida Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah fluida itu berada di bawah pengaruh bidang batas padat atau tidak. Di daerah yang pengaruh itu berada di bawah pengaruh bidang batas padat atau tidak. Di daerah yang pengaruh gesekan dinding kecil, tegangan geser dapat diabaikan dan perilakunya mendekati gesekan dinding kecil, tegangan geser dapat diabaikan dan perilakunya mendekati fluida-ideal, yaitu

ideal, yaituincompresibleincompresibledan mempunyai viskositas 0. Aliran fluida ideal yang demikiandan mempunyai viskositas 0. Aliran fluida ideal yang demikian disebut aliran potensial. Pada lairan potensial berlaku prinsip-prinsip mekanika Newton disebut aliran potensial. Pada lairan potensial berlaku prinsip-prinsip mekanika Newton dan hukum kekekalan massa. Aliran potensial mempunyai 2 ciri pokok:

dan hukum kekekalan massa. Aliran potensial mempunyai 2 ciri pokok: 1.

1. tidak terdapat sirkulasi ataupun pusaran sehingga aliran potensial itu disebuttidak terdapat sirkulasi ataupun pusaran sehingga aliran potensial itu disebut aliran irotasional

aliran irotasional 2.

2. tidak terjadi gesekan sehingga tidak ada disipasi (pelepasan) dari energi mekanik tidak terjadi gesekan sehingga tidak ada disipasi (pelepasan) dari energi mekanik  menjadi kalor.

menjadi kalor.

Prinsip-prinsip dasar yang paling berguna dalam penerapan mekanika fluida Prinsip-prinsip dasar yang paling berguna dalam penerapan mekanika fluida adalah persamaan neraca massa atau persamaan kontinuitas; adalah persamaan neraca massa atau persamaan kontinuitas; persamaan- persamaan neraca momentum linear dan neraca momentum angular (sudut), dan neraca  persamaan neraca momentum linear dan neraca momentum angular (sudut), dan neraca energi mekanik. Persaman-persamaan itu dapat dituliskan dalam bentuk diferensial yang energi mekanik. Persaman-persamaan itu dapat dituliskan dalam bentuk diferensial yang menunjukkan kondisi pada suatu titik di dalam elemen volume fluida, atau dapat pula menunjukkan kondisi pada suatu titik di dalam elemen volume fluida, atau dapat pula dalam bentuk integral yang berlaku untuk

II. Tujuan

Praktikum modul Aliran Fluida dilakukan dengan tujuan agar praktikan mempelajari aliran fluida dan peralatan-peralatan yang berkaitan dengan transportasi fluida.

III. Sasaran

Praktikum ini dilaksanakan dengan sasaran agar praktikan dapat menentukan  parameter-parameter untuk:

1. karakteristik  sight gage 2. karakteristik venturimeter  3. karakteristik orificemeter  4. karakteristik elbow

5. karakteristik tee

6. karakteristik  gate valve 7. karakteristik pipa tunggal 8. karakteristik pipa paralel

IV. Tinjauan Pustaka

IV.1 Pipa dan Tabung

Fluida dapat dialirkan dalam pipa atau tabung yang berpenampang bundar dan dijual dipasaran dengan berbagai ukuran, tebal dinding, dan bahan konstruksi. Pada umumnya pipa berdinding tebal, berdiameter relatif besar, dan tersedia dalam panjang antara 20-40 ft. Sedangkan tabung berdinding tipis dan biasa tersedia dalam bentuk  gulungan yang panjangnya sampai beberapa ratus kaki. Ujung pipa logam biasanya   berulir. Dinding pipa umumnya kesat, sedangkan dinding tabung licin. Potongan-  potongan pipa disambung dengan menggunakan ulir ( screw), flens ( flange), atau las

(weld ), sedangkan tabung disambung dengan sambungan kompresi (compression fitting ),   flare fitting , atau sambungan solder (  soldered fitting ). Tabung biasanya dibuat dengan teknik ekstrusi ataucold drawn,sedangkan pipa logam biasanya dibuat dengan teknik las, cor (casting ), dan piercing.

Pipa dan tabung dapat dibuat dengan berbagai material seperti logam, alloy, keramik, gelas, dan polimer. Untuk praktikum ini digunakan pipa dari PVC dan logam. Pada indsutri kimia umumnya digunakan pipa dari ba ja berkarbon rendah.

Ukuran pipa ditentukan oleh diameter dan tebal dindingnya. Tebal pipa ditunjukkan dengan  schedule number . Hal ini berkatitan dengan allowabel stress dan ultimate strength-nya. Ukuran pipa yang optimum ditentukan oleh biaya relatif untuk  investasi, daya, pemeliharaan, persediaan dan fleksibilitas sambungan.Untuk instalasi kecil, umumnya kecepatan rendah lebih menguntungkan terutama dalam aliran gravitasi dari tekanan tinggi.

IV.2 Valve

Sistem instalasi pipa biasanya terdiri dari banyak sekalivalve dengan ukuran dan  bentuk yang beragam. Beberapa jenisvalve sangat cocok untuk membuka dan menutup  penuh aliran, adavalve yang cocok untuk mengurangi tekanan dan laju aliran fluida, ada  pulavalveyang berfungsi mengatur agar aliran fluida terjadi pada satu arah saja.

Dua jenisvalveyang paling dikenal adalah gate valvedan globe valve. Pada gate valve, bukaan tempat aliran fluida hampir sama besar dengan pipa sehingga aliran fluida tidak berubah. Akibatnya, gate valveyang terbuka penuh hanya menyebabkan penurunan tekanan sedikit. Dalam gate valveterdapat piringan tipis yang berada pada dudukan yang tipis pula. Bila  gate valvedibuka, piring naik ke selongsong atas, sehingga seluruhnya  berada di luar lintasan fluida.Valve ini tidak cocok digunakan sebagai pengendali aliran,

dan biasanya dipakai dalam keadaan terbuka atau tertutup penuh.

Sebaliknya, globe valve banyak digunakan sebagai pengendali aliran. Bukaannya   bertambah secara hampir linear menurut posisi batangvalve, sehingga keausan di sekeliling piringan terdistribusi secara seragam. Fluida mengalir melalui bukaan yang terbatas dan berubah arah beberapa kali. Akibatnya, penurunan tekanan pada globe valve cukup besar.

Untuk suhu di bawah 250 0C, tipe  plug cock yang terbuat dari logam banyak  digunakan dalam sistem pipa pengolahan bahan kimia. Seperti tipe stop cock yang biasa terdapat di laboratorium, tipe plug cock dapat berubah dari posisi terbuka penuh sampai tertutup sempurna dengan memutar batang seperempat putaran. Pada posisi terbuka   penuh, saluran di dalam  plug cock dapat sebesar penampang pipa sehingga penurunan tekanan kecil sekali. Padaball valve,elemen penutup ini berbentuk bola. Daerah kontak 

antara elemen yang bergerak dan dudukannya biasanya besar, dan valve ini dapat digunakan untuk menurunkan laju alir fluida atau mengendalikan tekanan.

Check valve menyebabkan aliran hanya berlangsung pada satu arah saja.Valve terbuka oleh tekanan fluida pada arah yang dikehendaki, bila aliran berhenti atau akan  berbalik, valve menutup otomatis karena gravitasi atau dengan bantuan pegas yang

menekannya ke piringan.

Beberaparule of thumbyang penting dalam penyusunan aliran pipa, antara l ain: 1. Pipa-pipa harus sejajar dengan belokan-belokan tegak lurus pipa-pipa disusun

sedemikian sehingga dapat dibuka bila perlu untuk mengganti pipa yang rusak  atau membersihkannya.

2. Dalam sistem aliran gravitasi, pipa harus dibuat lebih besar daripada seharusnya dan belokan dirancang sesedikit mungkin. Pengotoran saluran sangat mengganggu bila aliran berlangsung dengan gravitasi saja, karena tinggi tekan fluida tidak dapat ditambah untuk meningkatkan laju aliran saat pipa mengecil karena fouling.

3. Kebocoran valve harus selalu diperhtungkan. Valve harus dipasang vertikal dengan batangnya ke atas. Valve harus mudah dicapai, dan didukung tanpa mengalami regangan, dan diberi allowance untuk menampung ekspansi termal  pipa di sebelahnya.

IV.3 Pompa

Pemindahan fluida melalui pipa, peralatan, atau udara terbuka dilakukan dengan  pompa, kipas,blower, dan kompresor. Alat-alat tersebut berfungsi meningkatkan energi

mekanik fluida. Tambahan energi itu lalu digunakan untuk meningkatkan kecepatan, tekanan, atau elevasi fluida. Metoda yang umum untuk penambahan energi tersebut adalah dengan positive displacement dan aksi sentrifugal yang diberikan dengan g aya dari luar. Kedua metoda tersebut menyebabkan ada 2 jenis utama peralatan pemindah fluida, yaitu menggunakan tekanan langsung pada fluida dan menggunkaan momen puntir untuk  membangkitkan rotasi

Pompa digunakan untuk mengalirkan fluida (umumnya cair) dari satu unit operasi ke unit operasi yang lain. Fluida mengalir akibat terjadinya perpindahan energi.   Driving forceyang umum digunakan untuk mengalirkan fluida adalah gravitasi, displacement , gaya sentrifugal, gaya elektromagnetik, perpindahan momentum, impuls

mekanik, atau kombinasinya. Saat ini, yang paling umum diaplikasikan adalah gaya sentrifugal dan gravitasi.

Ada 2 kelompok utama pompa: 1.  Positive Displacement Pump

Pada pompa jenis ini, volume tertentu zat cair terperangkap di dalam satu ruang yang berganti-ganti diisi melalui pemasuk dan dikosongkan pada tekanan yang lebih tinggi melalui pembuang. Ada 2 jenis  positive displacement pump.Pada reciprocating pump ruang tersebut adalah silinder stasioner yang berisi piston atau  plunger. Pada pompa putar ruangnya bergerak dari pemasuk sampai  pembuang dan masuk lagi keinlet . Contohreciprocating pumpantara lain pompa   piston, pompa plunger, dan pompa diafragma. Sedangkan jenis-jenis pompa  putar antara lain gear pump, lobe pump, screw pump, cam pump,danvane pump. 2. Pompa Sentrifugal

Pada jenis pompa ini energi mekanik zat cair ditingkatkan dengan aksi sentrifugal. Pompa ini paling banyak digunakan dipabrik.

Pada pompa, densitas fluida konstan dan besar. Perbedaan tekanan biasanya cukup besar dan konstruksinya harus kuat. Pompa dipasang untuk memberikan energi yang diperlukan untuk menarik zat cair dari sumber dan membuatnya mengalir dengan laju alir volumetrik yang konstan pada waktu keluar pada ketinggian tertentu di atas   pompa. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1. Pada pompa zat cair masuk melalui

sambuangan isap (a) dan keluar melalui sambungan buangan (b). Persamaan Bernoulli dapat digunakan untuk kedua titik tersebut. Gesekan hanya terjadi pada dinding pompa sendiri, dan dapat dihitung dalam efisiensi mekanik 

η

dan hf  = 0. Dengan  penyederhanaan tersebut, persamaan Bernoulli menjadi:





 

 





 

 

+

+

−





 

 





 

 

+

+

=

c 2 a a c a a c 2  b  b c  b  b  p 2.g .V α g g.Z ρ  p 2.g .V α g g.Z ρ  p .W η  (1)

Jumlah dalam urung disebuttotal head dan ditandai dengan H



 

 



 

 

+

+

=

c 2 c 2.g α.V g g.Z ρ  p H (2)

Jumlah kerja yang dihasilkan oleh pompa atau kompresor bergantung pada kapasitas dan head . Kapasitas adalah laju alir massa atau volume fluida yang dialirkan,

sedangkan head adalah perbedaan total tekanan masuk dan keluar alat, yang biasanya dinyatakan dalam tinggi kolom fluida dalam kondisi adiabatik.

1. Kapasitas

Dalam SI, kapasitas pompa dinyatakan dalam m3/jam, baik untuk fluida cair maupun gas. Dalam satuan U.S kapasitas dinyatakan dalam gallon/ menit untuk cairan dan ft3/menit untuk gas. Kapasitas dalam satuan volume dapat dikonversi ke dalam satuan massa dengan menggunakan densitas atau  specific gravity.Apabila fluida yang dialirkan adalah gas, kapasitas harus dihubungkan dengan temperatur dan tekanan inlet.

2.  Head 

•

Total Suction Head 

Total suction head merupakan hasil pembacaanh gsdari gauge yang berada pada  bagian suctionpompa, ditambah denganvelocity head pada gaugetersebut :

h s= h gs+ atm +hvs (3)

Sebelum instalasi,total suction head dapat diestimasi sebagai berikut : h s= h ss- h fs (4)

dimanah ss= static suction head danh fs= suction friction head 

•

 Static Suction Head 

Static suction head, h ss, merupakan jarak vertikal yang diukur dari permukaan sumber cairan hingga garis pusat pompa, ditambah dengan tekanan absolut pada  permukaan pompa.

•

Total Discharge Head 

Total discharge head , hd  , merupakan hasil pembacaan h gd  dari gauge yang   berada pada bagiandischarge pompa, ditambah dengan velocity head pada  gaugetersebut :

hd = h gd + atm +hvd  (5)

Sebelum instalasi,total suction head dapat diestimasi sebagai berikut : hds= h sd - h fd  (6)

dimanah sd = static discharge head danh fd =discharge friction head .

•

 Static Discharge Head 

Static discharge head, h sd , merupakan jarak vertikal yang diukur dari permukaan   penerima cairan hingga garis pusat pompa, ditambah dengan tekanan absolut  pada permukaan cairan.

•

Total Static Head 

Total static head, hts , merupakan selisih antara discharge dan  suction static heads.

•

Total Dynamic Head 

Total dynamic head, H ,merupakan selisih antaratotal discharge head dantotal   suction heads.

•

Velocity

Karena cairan umumnya bersifat incompressible, hubungan antara laju alir  dengan kecepatan linear pada suatu titik dan suatu waktu dinyatakan sebagai  berikut :

Q = A . v (7)

Dimana, v = kecepatan linear rata-rata, Q = debit alir fluida, dan A = luas  penampang aliran.

•

Velocity Head 

Velocity head merupakan jarak vertikal yang harus dilewati massa fluida untuk  mendapatkan kecepatan linier sebesar v.

hv= v2/ 2g  (8)

•

Viscosity

Dalam fluida yang mengalir, adanya friksi atau tahanan internal terhadap   pergerakan fluida harus diperhitungkan. Tahanan tersebut dikenal dengan

viskositas, yang pada cairan umumnya akan berkurang seiring dengan  bertambahnya temperatur. Semakin besar viskositas, friksi dalam aliran pipa dan   jumlah daya yang diperlukan oleh pompa akan meningkat, sedangkanhead ,

kapasitas, dan efisiensi pompa akan berkurang.

•

Friction Head 

  Friction head merupakan jumlah tekanan yang diperlukan untuk mengatasi tahanan alir dalam pipa maupun fittings.

Perbedaan tinggi sambungan masuk dan sambungan keluar pada pompa biasanya dapat diabaikan, sehingga Za dan Z b dapat dikeluarkan. Jika Ha adalah tekanan total hisap, dan Hb adalah tekanan total buang, dan

ΛH=H

 b-Ha, maka berlaku persamaan:

η ∆H η H H W p  b a

=

−

=

(9)

Daya yang diberikan kepada penggerak  pompa dari sumbu luar ditandai dengan lambang Pb. Nilainya dihitung dari Wp dengan:

 p

 b m.W

η m.∆.

P

=

=

(10)

Daya yang diberikan pada fluida dihitung dari laju alir massa dan tinggi-tekan yang dibangkitkan pompa. Daya ini ditandap d engan lambang Pf dan didefinisikan sebagai:

H m.

Pf 

=

∆

(11) Sehingga dapt didefinisikan faktor efisiensi:

η P

P _b

=

f  (12) 3. Kerja yang dihasilkan oleh pompa

Dalam menentukan performa pompa, salah satu variabel yang perlu dihitung adalah output daya, yang merupakan fungsi dari total dynamic head dan massa cairan yang dipompa pada rentang waktu tertentu. Daya tersebut dinyatakan dalam kilowatt (kW) untuk satuan SI, danhorsepower (hp) untuk satuan US.

Dalam satuan SI,

kW = HQ ρ/ 3.670 × 105 (13)

dimana kW adalah daya keluaran pompa (kW); H = total dynamic head; m (kolom cairan);Q= kapasitas, m3/ h; dan ρ= densitas cairan, kg/m3.

Dalam satuan US,

kW = HQs / 3.960 × 105 (14)

dimana kW adalah daya keluaran pompa (kW); H = total dynamic head; ft (kolom cairan);Q= kapasitas, gal/mnt ; dan s= specific gravity, kg/m3.

Friksi atau kebocoran menyebabkan adanya daya yang hilang di dalam pompa, akibatnya input daya ke dalam pompa lebih besar dari daya keluarannya. Efisiensi kerja pompa dinyatakan sebagai berikut :

Efisiensi pompa = (daya output) / (daya input) (15)

Salah satu fenomena yang harus dihindari dalam pengoperasian pompa adalah kavitasi. Jika fluida berada dalam fasa cair, dari segi energi tidak menjadi soal apakah tekanan pompa berada jauh di atas maupun di bawah tekanan atmosfer. Namun, jika tekanan isap hanya sedikit lebih tinggi dari tekanan uap, sebagian zat cair mungkin  berubah menjadi uap ( flash)di dalam pompa. Fenomena ini terjadi apabila terdapat fraksi uap yang masuk ke dalam pompa, membentuk gelembung yang terbawa ke daerah

  bertekanan lebih tinggi, lalu tiba-tiba pecah. Kavitasi menyebabkan pelepasan logam, getaran, kebisingan, melemahnya aliran, dan berkurangnya efisiensi. Untuk menghindari fenomena ini, maka   Required Net Positive Suction Head (NPSH)R  harus dipenuhi. (NPSH)R sama dengan total head cairan pada garis pusat pompa dikurangi tekanan uap p.

  Nilai NPSH yang diperlukan adalah 5 sampai 10 feet untuk pompa sentrifugal kecil, tetapi meningkat dengan kapasitas pompa, kecepatanimpeller, dan tekanan buang. Untuk pompa yang sangat besar nilai NPSH sebaiknya 50 ft. Nilai NPSH dapat dihitung dengan persamaan: a Z h ρ P P g g  NPSH c a v _fs

_

−

 

 



 

 

−

−

=

(16)

dimana pvadalah tekanan uap dan hfsadalah gesekan dalam pompa hisap.

Tiap pompa yang diproduksi telah dilengkapi dengan kurva hubungan (NPSH)R  dengan kapasitas. Dalam instalasi pompa, Available Net Positive Suction Head (NPSH)A harus lebih besar atau sama dengan (NPSH)R  untuk kapasitas yang diinginkan. Nilai (NPSH)Adapat dihitung sebagai berikut :

(NPSH)A=h ss- h fs– p (17)

Jika (NPSH)Aakan ditentukan pada pompa yang sudah diinstalasi, maka persamaan yang dipakai adalah sebagai berikut :

(NPSH)A= atm +h gs+ hvs– p (18)

Pada prakteknya, NPSH yang dibutuhkan untuk operasi lebih besar daripada nilai teoritiknya. (NPSH)R aktual bergantung pada karakteristik cairan,total head , kecepatan  pompa, kapasitas, dan desain impeler.

IV.5 Pengukuran Aliran Fluida

Untuk melakukan pengendalian pada proses-proses industri, kuantitas bahan yang masuk dan keluar dari proses perlu diketahui. Karena itu perlu diukur laju alir fluida  pada pipa atau saluran. Berbagai jenis alat ukur digunakan untuk itu, diantaranya:

1. alat ukur yang didasarkan pada pengukuran volu me langsung 2. alat ukur dengan tangki tekan variabel

3. alat ukur penampang aliran 4. alat ukur arus

5. alat ukur  positive displacement  6. alat ukur magnetik 

7. alat ukur ultrasonik 

Yang paling banyak digunakan untuk mengukur aliran adalah beberapa jenis alat ukur head dan area meter . Contoh alat ukur head adalah venturi meter, oreifice meter,

dan tabung pitot

IV.5.1Venturi Meter 

Persamaan dasar untuk venturi meter adalah persamaan Bernoulli. Gesekan dapat diabaikan dan venturi diasumsikan terpasang horisontal tanpa pompa. Jika kecepatan rata-rata di hulu adalah v_adan di hilir v b, dan densitas fluidaρ b, maka:

ρ ) ρ -(ρ 2.g .v α -.v α _{b  b}2 _{a a}2

=

c a  b (19)

Jika persamaan kontinuitas berlaku, densitas tetap.

 b 2  b 2 a  b a .v β .v D D v

_

=

 

 



 

 

=

(20) : adalah hasilnya i, dieliminas va Jika diameter  rasio dan meter, uri leher vent diameter  D  pipa, diameter  D dimana _a

=

 _b

=

β 

=

ρ ) ρ (ρ 2.g . .α β -α 1 v c a  b a 4  b  b

−

=

(21)

Persamaan tersebut hanya berlaku untuk aliran ideal tanpa gesekan. Untuk  memperhitungkan rugi gesekan yang terdapat sedikit antara lokasi a dan b persamaan tersebut dikoreksi dengan faktor empirik Cv:

ρ ) ρ (ρ 2.g . .α β -α C v c a  b a 4  b v  b

−

=

(22)

Pengaruh faktor kinetika αa danα b telah diperhitungkan dalam Cv (koefisien venturi). Cv

ditentukan dari percobaan. Koefisien ini disebut koefisien venturi tanpa termasuk laju alir 

inlet. Pengaruh laju alir inlet va diperhitungkan dalam suku

4 1 /

1

−

β  . Bila D b lebih

kecil dari Da/4, va dan sukuβ diabaikan. Untuk venturi yang baik, nilai Cv rata-rata 0.98

untuk diameter pipa kecil.

Pada praktiknya, besaran yang dicari biasanya bukan kecepatan melalui leher  venturi v b. Laju aliran yang lebih penting adalah laju alir massa atau laju alir volumetrik 

).ρ ρ (ρ 2.g . .α β -α .Sb C .ρ .S v m _{c a  b} a 4  b v  b  b

=

−

=

(23)

dimana m = laju alir massa dan S b= luas leher venturi.

Laju alir volumetrik didapat dengan membagi laju alir massa dengan densitas:

ρ ) ρ (ρ 2.g . .α β -α .S C ρ m q c a  b a 4  b  b v

−

=

=

(24)

Jika aliran melalui venturi meter benar-benar tanpa gesekan, tekanan fluida masuk dan keluar venturi sama sehingga penempatan venturi meter di jalur pipa tidak  menyebabkan terjadinya  pressure drop  permanen. Gesekan tidak dapat dihilangkan sepenuhnya, sehingga pasti terjadi  pressure dropdan head loss. Karena sudut kerucut divergen cukup kecil, pressure drop venturi meter relatif kecil ,kira hanya 10%.

IV.5.2Orifice Meter 

Pada skala pabrik venturi meter jarang digunakan karena mahal, memerlukan tempat cukup besar, dan rasio diameter leher terhadap diameter pipa tidak dapat diubah-ubah. Untuk alat ukur tertentu, dengan sistem manometer tertentu pula, laju alir  maksimum yang dapat diukur terbatas, sehingga apabila laju aliran berubah, diameter  leher mungkin menjadi terlalu kecil untuk menampung laju alir maksimum yang baru. Orifice meter dapat mengatasi kelemahan venturi itu, tetapi konsumsi dayanya lebih tinggi. Prinsip orifice meter identik dengan prinsip venturi. Penurunan penampang arus aliran melalui orifis itu menyebabkan head kecepatan meningkat tetapi head tekanan menurun, dan penurunan tekanan antara kedua titik sadap diukur dengan manimeter. Persamaan Bernoulli memberikan dasar untuk mengkorelasi peningkatan-peningkatan

head  kecepatan dengan penurunan head  tekanan. Persamaan  Bernoulli yang dapat

diterapkan padaorifice meter ini adalah:

ρ ) ρ (ρ 2.g . β -1 C u c a  b 4 0 0

−

=

(25)

dimana U0= kecepatan melaluiorifice

β = rasio diameter orificeterhdap diameter pipa  pa, p b= tekanan pada stasion a dan stasion b

Co adalah koefisien orifice yang telah memoerhitungkan kecepatan datang. Koefisien ini memberikan koreksi atas kontraksi jet fluida antara orifice dengan

vena-kontrakta, juga terhadap gesekan dan terhadap faktor kinetika αa dan α b. Co ditentukan

dari percobaan, dan nilainya bervariasi sesuai perubahan β dan angka Reynolds pada orifice.Bilangan Reynoldsdidefinisikan sebagai:

.µ π.D 4.m µ ρ .u D  N o o. o o RE,

=

=

(26)

dimana Do adalah diameter orifice.

Persamaan tersebut sangat berguna untuk perancangan karena Co hampir konstan dan tidak bergantung pada β selama NRE,olebih dari 20000. Pada kondisi ini Co dapat

dianggap 0,61 untuk lokasi pengamatan di flens maupun di vena kontrakta. Jikaβkurang dari 0,25 suku 1

−

β 4  jauh lebih kecil dari 1 sehingga persamaanorifice dapat disederhanakan menjadi: ρ ) ρ (ρ 2.g 0,61. u₀

=

c a

−

 b (27)

Laju alir massa m menjadi

).ρ ρ (ρ 2.g . 0,61.S .ρ .S u m

=

_{0 0}

=

_{0 c a}

−

 _b (28)

Dengan mensubstitusi nilai So (luas penampangorifice).

(

)

2 a 2 a 2 o 2 a 2 a o 2 a o D .β 4 π D D 4 / ( D D .S D S

=

=

π   ).

=

(29)

dan penyelesaian terhadapβ2 didpat persamaan:

).ρ ρ (ρ 2.g . 0,61.π,6 4.m β  b a c 2 a 2

−

=

(30)

Dalam sistem orifice meter ini diperlukan pipa lurus di bagian hulu dan bagian hilir  orifice untuk menjamin agar pola aliran yang normal tidak terganggu oleh  perlengkapan sambungan pipa,valve, dan peralatna lain. Jika tidak, distribusi kecepatan

menjadi tidak normal, dan koefisienorifice akan terganggu.

V. Rancangan Percobaan V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. satu set sistem perpipaan daritechnovateseperti pada Gambar  2. Stopwatch

V.2 Bahan/ Zat Kimia Air sebagai fluida

V.3 Data Pengamatan V.3.1 Data Percobaan

Pengamatan yang perlu dicatat dalam percobaan ini adalah: 1. karakteristik pipa (dengan variasi ukuran, susunan paralel-seri) 2. karakteristik tee

3. karakteristilelbow

4. karakteristik valve(dengan variasi jenis dan bukaan) adalah seperti tabel berikut:

Jenis Media Pengalir Fluida : Variasi :

 No. ∆h (cm) ∆hV(cm) ∆hO(cm)

V.3.2 Data Kalibrasi Orificemeter dan Venturimeter ∆hV (cm) V (m3) t (s)

V.3.3 Data Kalibrasi Sight Gauge

X (satuan skala) Vs (m3)

V.4 Data Literatur

V.4.1 Densitas dan Viskositas Air pada Rentang Temperatur Praktikum T (0C) ρ(kg/m3) µ (cP)

V.4.2 Ukuran Pipa yang Digunakan dalam Percobaan Dnom(in) Dout(in) Din(in)

V.4.3 Data Alat Ukur Fluida

1. Venturimeter 

Diameter throat (Do) = cm Diameter entrance (Di) = cm 2. Orificemeter 

Diameter throat (Do) = cm Diameter entrance (Di) = cm

V.4.4. Koefisien Alat Ukur Laju Alir Fluida

1. Venturimeter 

CV= 0,98 untuk NRE > 10000

2. Orificemeter 

CO= 0,61 untuk NRE > 30000

V.5 Contoh Perhitungan

V.5.1 Perhitungan Laju Alir Fluida

Persamaan yang digunakan:

t V

Q

=

dimana:

V = volume air yang ditampung (m3)

t = waktu yang dibutuhkan untuk aliran air sebanyak V tersebut (s) Q = debit alir air (m3/s)

Contoh untuk data

/s m 10 . 047 , 3 249 , 3 10 . 9 , 9 t V Q 4 3 4 − −

=

=

=

V.5.2 Perhitungan Konstanta Venturimeter

h . Q -1 h 2.g. . . Q V 4 V

∆

=

∆

=

V  V 

 K 

 A

C 

 β 

∆h = beda ketinggian pada manometer 

Misalkan didapat data kalibrasi venturimeter adalah sebagai berikut:

 No ∆hV ∆h_V V (m 3 ) t (s) QV(m3/s) 1 0.1 0.316228 0.00099 3.249 0.000304709 2 0.08 0.282843 0.00106 4.26 0.000248826 3 0.075 0.273861 0.00084 3.724 0.000225564 4 0.07 0.264575 0.00091 3.992 0.000227956 5 0.065 0.254951 0.00084 3.798 0.000221169 6 0.06 0.244949 0.00084 3.918 0.000214395 7 0.055 0.234521 0.00083 4.444 0.000186769 8 0.045 0.212132 0.00096 5.215 0.000184084

Kurva kalibrasi dari pengaluran dan linearisasi QVterhadap ∆hV adalah:

Kalibrasi V enturime ter 

y = 0.0009x R2_{= 0.8681} 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 (delta hV )^0.5      Q     V

Dari kurva kalibrasi tersebut diketahui adalah

i C D D

=

 β 

A = luas penampang vanturimeter 

K V= 0,0009→didapat dari meregresikan data percobaan kalibrasi venturimeter 

9053 , 0 81 , 9 * 2 6097 , 0 1 1,9793.10 0,0009 C m 10 . 9793 , 1 4 0,026035 * 4 .D A 6097 , 0 026035 , 0 015875 , 0 D D 4 4 -V 2 4 2 2 i i C

=

−

=

=

=

=

=

=

=

− π  π   β 

V.5.3 Perhitungan Konstanta Orifice Meter

Persamaan yang digunakan:

h . Q -1 h 2.g. . . Q 0 0 4 0 0

∆

=

∆

=

 K 

 A

C 

 β 

Jika K 0 = 0,0007 → didapat dari meregresikan data percobaan kalibrasi orificemeter 

dengan nilaiβ= 0.6097 dan A0= AV= 1,9793.10-4m2

741 , 0 81 , 9 . 2 ,6097 0 -1 . 10 . 9793 , 1 0007 , 0 . 2 -1 . 4 4 0 4 0 0

=

=

=

−

C 

 g 

 A

 K 

C 

β 

V.5.4 Mengetahu Karakteristik Pipa

Persamaan yang digunakan:

f   pipa 2  pipa 2 f  h . K  Q .Q K  .Q .g 2.D.A 4.f.L h

∆

=

=

=

hf = beda ketinggian pada manometer 

K  pipa dapat dihitung dengna mengalurkan QV atau Q0 terhadap ∆hf  dan kemudian meregresikannya

Misalkan diperoleh data∆hf = 0,0305 m

1/2 V V 1/2 f   pipa m 2 173 . 0 ∆h m 0,03 ∆h m 0,5523 ∆h ∆h

=

=

=

=

dengan memasukkan nilai ∆h_V ke persamaan hasil kalibrasi venturimeter  didapat:

Kemudian semua data kalibrasi pipa diperlakukan sama baik terhadap ∆h_V

maupun ∆h_O .Kemudian QVdialurkan terhadap ∆h _pipa dan meregresikannya

sehingga didapat Kpipa untuk setiap pipa baik dengan basisorificemeter maupun venturimeter.

V.5.5 Mengetahui Karakteristik Valve, Tee, dan Elbow

Untuk menentukan karakteristik valve, tee, dan elbow, diguakan prosedur yang sama dengan cara untuk menentukan karakteristik pipa.

V.5.6. Menghitung nilai f ( fanning factor ) dan Bilangan Reynolds

Persamaan yang digunakan:

.D . .Q 4.  N .L.Q B .g .D h. f  RE 2 2 5 2 µ  π   ρ  π 

=

∆

=

Daftar Pustaka

1. Geankoplis, C.j., Transport Process and Unit Operations, 2nd Edition, Allyn and Bacon Inc., Boston, 1978

2. Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 3rd Edition, McGraw-Hill Book Co., New York, 1978

3. Perry, R., Green, D.W., and Maloney, J.O., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6thEdition, McGraw-Hill, Japan, 1984