KOEFISIEN RUGI-RUGI SUDDEN EXPANSION
PADA ALIRAN FLUIDA CAIR
I Gusti Gde Badrawada
Jurusan Teknik Mesin, FTI, IST AKPRIND Yogyakarta Email: gdebadrawada@yahoo.co.id
ABSTRACT
The aim of this research was to find minor loss coefficients that occurred in sudden expansion pipe with diameter ratio 24: 50. By knowing of this coefficient we could know pressure losses occurred in this pipe. Hence, we could calculate energy needed in order to the system work properly.
To find out those coefficients, in this research, the working fluid was flowed to the test specimen with 4 l/minute, 8 l/minute, 12 l/minute and 16 l/minute. The flowing rate would be read at Rotameter. The pressure occurred in inlet and outlet of the sudden expansion pipe would be read at column manometer. From those data we could calculate the minor loss coefficients of the sudden expansion pipe.
From this research we could draw the conclusion that increased flow rate caused decreased minor loss coefficient. The smallest minor loss coefficient occurred on upper side of the sudden expansion pipe, but the biggest one occurred on under side of sudden expansion pipe for each flow rate.
Keywords: sudden expansion, diameter ratio, minor loss coefficient INTISARI
Penelitian ini dilakukan untuk mencari koefisien rugi-rugi yang terjadi pada pipa Sudden Enlargement/Expansion dengan perbandingan diameter pipa kecil dengan diameter pipa besar 24: 50. Dengan mengetahui koefisien rugi-rugi yang terdapat pada pipa ini, maka kita akan mengetahui seberapa besar rugi tekanan yang terjadi. Dengan demikian kita akan dapat menghitung seberapa besar energi yang harus disediakan agar sistem dapat berfungi sesuai dengan yang diinginkan.
Untuk mencari nilai koefisien rugi-rugi pipa Sudden Expansion tersebut, maka fluida kerja dialirkan dengan variasi debit sebesar 4 lt/menit, 8 lt/menit, 12 lt/menit dan 16 lt/menit ke specimen uji yaitu pipa Sudden Expansion tersebut. Besar debit fluida kerja yang mengalir akan terbaca pada alat ukur debit yaitu Flowmeter (Rotameter). Tekanan yang terjadi pada sisi masuk dan sisi keluar pipa Sudden Expansion akan diukur oleh manometer kolom. Kemudian dari perbedaan tekanan yang terjadi untuk masing-masing debit aliran dihitung nilai koefisien rugi-ruginya.
Dari hasil penelitian ini didapatkan bahwa semakin besar debit yang dialirkan, maka semakin kecil koefisien rugi-ruginya, dikarenakan semakin besar debit maka semakin besar pula kecepatan fluida. Harga koefisien rugi-rugi yang paling kecil terjadi pada posisi pengukuran sebelah atas, kemudian disusul pada posisi pengukuran di sebelah depan dan terbesar terjadi pada pengukuran sebelah bawah untuk di masing-masing debit aliran fluida.
Kata kunci: sudden expansion, perbandingan diameter, koefisien rugi-rugi
PENDAHULUAN
Banyak dijumpai aliran-aliran fluida di dalam pipa. Baik yang dijumpai di rumah tangga maupun sampai ke industri-industri kecil maupun industri-industri besar. Untuk mengalirkan fluida tersebut dibuatlah instalasi perpipaan. Di dalam instalasi tersebut, banyak digunakan belokan pipa, percabangan pipa, pembesaran pipa, pengecilan pipa.
Pada aliran fluida di dalam pipa terjadi bermacam-macam rugi-rugi. Rugi-rugi tersebut dapat disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara dinding pipa dan fluida yang mengalir (major losses). Dapat juga terjadi jika dalam alirannya tersebut terdapat belokan, pembesaran pipa dan sebagainya (minor losses). Dengan adanya rugi-rugi ini maka energi yang dibutuhkan tentu lebih besar pula. Salah satu minor losses yang turut menyumbang kerugian energi pada aliran fluida dalam pipa adalah minor losses yang terjadi pada Sudden Expansion.
Dalam penelitian ini akan dicari seberapa besar perbedaan tekanan yang terjadi pada aliran fluida saat mengalir pada pipa yang berdiameter kecil dan pada saat fluida mengalir pada pipa yang berdiameter besar. Dengan demikian akan diketahui seberapa besar koefisien rugi-rugi yang dimiliki
Dalam melakukan penelitian ini agar permasalahan tidak melebar, maka dilakukan batasan-batasan masalah antara lain:
1. Aliran fluida yang diamati adalah aliran fluida dalam pipa
2. Fluida yang dipakai adalah air dengan variasi debit aliran 4 lt/mnt, 8 lt/mnt, 12 lt/mnt, 16 lt/mnt. 3. Perbandingan diameter pipa besar dengan pipa kecil adalah 50: 24
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui besar konstanta rugi-rugi yang terjadi pada specimen uji Sudden Expansion.
Dalam melaksanakan penelitian ini dibutuhkan alat-alat seperti bak penampung, fluida, pompa, katup pengatur debit fluida, Flowmeter (rotameter), test spesimen (Sudden Expansion), manometer kolom, dan instalasi pipa. Untuk instalasi alat-alat tersebut dapat dilihat pada gambar 1.1 di bawah. Cara kerjanya adalah:
Jika pompa telah dihidupkan, maka fluida akan mengalir dari bak penampung menuju pompa. Setelah katup dibuka, maka fluida mengalir menuju flowmeter lanjut ke test specimen dan kembali ke bak penampung. Begitu seterusnya.
Langkah-langkah pelaksanaan penelitian: 1. Hidupkan pompa
2. Atur kecepatan fluida yang mengalir dengan mengatur bukaan dari katup, dan melihat flowmeter
3. Catat kecepatan aliran fluida, jika aliran sudah stabil. 4. Catat perbedaan tekanan
Gambar 1: Instalasi pengujian Flowmeter Pompa Katup Test Spesimen
Manometer
Bak Penampung
Gambar 2: Benda uji
Jagannath, dkk (2007) menyatakan dalam penelitiannya bahwa rugi-rugi tekanan yang paling kecil terjadi pada perbandingan L/D sama dengan 1. Dan hasil yang diberikan dengan memakai cara pendekatan logika Fuzzy adalah memadai dan dapat digunakan sebagai analisis qualitative dari aliran fluida. Dalam penelitian ini dipakai gas sebagai fluida kerja, dan perbandingan luasan antara pipa besar dan pipa kecil adalah 10; 6 dan 2, 89. Serta perbandingan antara panjang pipa dengan diameternya (L/D) yang dipakai adalah 1; 2; 4 dan 6.
Sukarno (2004), dalam penelitiannya menggunakan saluran segiempat horisontal dengan perbandingan luasan saluran kecil dengan luasan saluran yang besar 0,6, 0,7 dan 0,8. Hasil penelitiannya menunjukkan terjadinya peningkatan tekanan pada saluran yang mengalami pembesaran mendadak dengan adanya kenaikan debit aliran. Rugi-rugi yang terjadi semakin besar dengan semakin besarnya harga perbandingan luasan saluran..
Gurbuz (2002), mendapatkan hasil rugi-rugi yang terjadi pada saluran pembesaran mendadak adalah antara 0,5 – 2 meter. Dan kesimpulan yang didapatkan adalah rugi-rugi lokal yang terjadi adalah berbanding lurus dengan kwadrat kecepatan fluida yang mengalir, berbanding lurus dengan diameter dalam pipa dan berbanding lurus dengan viskositas fluida. Serta menyarankan untuk memakai alat digital sebagai ganti alat anolog untuk pengukuran, karena kurang teliti. Dalam penelitian ini dipakai air sebagai fluida kerja dan perbandingan diameter pipa besar dan pipa kecil adalah 24: 18.
Fluida adalah suatu zat yang dapat berubah secara terus menerus (kontinyu) bila dikenai tegangan geser berapapun besar tegangan geser itu. Sebagai konsekuensi dari pengertian tersebut adalah bahwa ketika fluida berada pada keadaan diam, maka tidak mungkin ada tegangan geser.
dy
dv
μ
τ
=
………. (1)Fluida diklasifikasikan sebagai fluida Newton (Newtonian fluid) dan fluida bukan-Newton ( Non-Newtonian fluid).
Gambar 3: Perubahan bentuk yang diakibatkan oleh penerapan gaya geser yang konstan Ketika menghitung perpindahan kalor atau tekanan dan head loss pada aliran fluida dalam pipa, maka harus diketahui dulu tipe dari aliran fluida tersebut.
a. Aliran laminer
Aliran laminer merupakan aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan, dengan satu lapisan luncur secara lancar pada lapisan yang bersebelahan dengan saling tukar momentum secara molekular saja.
b. Aliran turbulen
Aliran turbulen merupakan aliran yang mempunyai gerakan partikel-partikel fluida yang sangat tidak menentu, dengan saling tukar momentum dalam arah melintang yang dahsyat.
c. Aliran transisi
Aliran transisi merupakan aliran peralihan saat mengalami perubahan dari aliran laminer menjadi aliran turbulen. Aliran transisi adalah gabungan antara laminer dan turbulen, dengan turbulensi di tengah pipa dan aliran laminer dekat dengan tepi.
Tipe aliran fluida ditentukan dengan angka Reynold yang besarnya adalah:
μ
ρ
⋅
V
⋅
D
=
Re
……… (2)a. Laminer (Laminar) jika Re < 2300
b. Transisi (Transient) jika 2300 < Re < 4000 c. Turbulen (Turbulent) jika Re > 4000
Dengan adanya perbedaan jenis aliran, maka karakterisitik aliran fluida juga akan berbeda.
Gambar 4: Pola aliran fluida
Aliran fluida dalam pipa akan mengalami rugi-rugi/losses, yaitu major losses (hl) akibat
terjadinya gesekan antara fluida dengan dinding pipa, dan juga mengalami minor losses (hlm) akibat
adanya belokan, pembesaran mendadak, pengecilan mendadak, dan yang sejenisnya. Sehingga rugi total yang dialami fluida jika mengalir dalam pipa adalah:
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⋅
+
+
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⋅
+
+
=
+
=
22 2 2 2 1 2 1 1 12
2
g
z
V
p
z
g
V
p
h
h
h
lT l lmα
ρ
α
ρ
(3)Dari persamaan tersebut di atas didapat besar perbedaan tekanan yang terjadi pada aliran fluida dalam pipa horizontal dengan jenis aliran laminar:
D
V
D
L
p
=
⋅
⋅
Δ
32
μ
……… (4) atau2
Re
64
V
2D
L
h
l=
⋅
⋅
………. (5)Untuk aliran turbulen:
2
2V
D
L
f
h
l=
⋅
⋅
……… (6)Sedangkan minor losses yang terjadi adalah:
2
2
V
K
HASIL DAN PEMBAHASAN
Debit aliran fluida dikonversi satuannya dari masing-masing debit yang telah ditentukan menggunakan persamaan sebagai berikut:
1000
60
⋅
=
Q
Q
nSehingga didapatkan debit air dengan satuan m3/s untuk masing-masing debit yang telah ditetapkan, yaitu: 5 1
6
,
67
10
1000
60
4
=
⋅
−⋅
=
Q
4 21
,
33
10
1000
60
8
=
⋅
−⋅
=
Q
4 32
10
1000
60
12
=
⋅
−⋅
=
Q
4 42
,
67
10
1000
60
16
=
⋅
−⋅
=
Q
Dari masing-masing debit aliran fluida tersebut di atas dapat kita hitung kecepatan yang dipunyai dari fluida tersebut, dengan menggunakan persamaan kontinyuitas yaitu:
2 4 1
d
Q
V
n⋅
⋅
=
π
Penghitungan kecepatan ini dilakukan pada sisi masuk & keluar pipa Sudden Expansion. Sehingga didapat kecepatan sisi masuk & keluar seperti Tabel 1.1.
Tabel 1: Kecepatan fluida di sisi masuk & keluar pada masing-masing debit Debit, Q, (m3/s) Kecepatan (m/s) Masuk Keluar 6,67 x 10-5 0,15 0,034 1,33 x 10-4 0,294 0,068 2 x 10-4 0,442 0,10 2,67 x 10-4 0,591 0,136
GRAFIK KECEPATAN FLUIDA
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1 2 3 4 Qn KE CE P A T A N V1 V2
Gambar 5: Grafik kecepatan fluida pada masing-masing debit di sisi masuk & keluar
Pada grafik di atas terlihat bahwa semakin besar debit fluida yang mengalir pada sisi masuk & keluar pipa, maka semakin besar pula kecepatan fluida yang terjadi pada masing-masing sisi pipa. Tetapi kecepatan fluida pada masing-masing debit pada sisi masuk lebih besar dari kecepatan fluida pada sisi keluar. Hal ini sesuai dengan persamaan kontinyuitas.
υ
V
d
⋅
=
Re
Tabel 2: Angka Reynold di sisi masuk & keluar pada masing-masing debit Debit, Q, (m3/s) Angka Reynold
Masuk Keluar 6,67 x 10-5 3515,73 1687,55 1,33 x 10-4 7010,38 3364,98 2 x 10-4 10541,92 5060,12 2,67 x 10-4 14073,46 6755,26 ANGKA REYNOLD 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 10500 11000 11500 12000 12500 13000 13500 14000 14500 1 2 3 4 Qn A N G KA RE Y N O L D Re1 Re2
Gambar 6: Grafik angka Reynold pada masing-masing debit di sisi masuk dan keluar
Dengan semakin besarnya kecepatan fluida, maka angka Reynold akan semakin besar pula. Sehingga angka Reynold akan semakin besar dengan semakin besarnya debit yang mengalir. Tetapi angka Reynold pada masing-masing debit pada sisi masuk lebih besar daripada sisi keluar dikarenakan kecepatan fluida pada sisi masuk lebih besar dibanding dengan kecepatan fluida pada sisi keluar pada masing masing debit aliran, walaupun diameter pipa pada sisi keluar lebih besar dibanding diameter pipa pada sisi masuk.
Untuk mendapatkan tekanan yang terjadi pada pipa Sudden Expansion, maka data yang kita dapatkan dari pengukuran yang dilakukan oleh manometer kolom yang masih berupa perbedaan ketinggian fluida yang terdapat pada kolom pada saat sebelum dan sesudah proses perlu dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini:
h
g
P
=
ρ
⋅
⋅
Tabel 3: Tekanan di sisi masuk dan keluar pada masing-masing debit pada masing-masing posisi pengukuran
Debit Q (m3/s)
Tekanan (Pa)
Atas Depan Bawah
Masuk Keluar Masuk Keluar Masuk Keluar 6,67 x 10-5 245.25 588.6 784.8 1275.3 -392.4 245.25 1,33 x 10-4 392.4 882.9 981 1471.5 -245.25 588.6 2 x 10-4 539.55 2256.3 1177.2 1765.8 -196.3 588.6 2,67 x 10-4 784.8 2354.4 1471.5 2158.2 0 833.85
DISTRIBUSI TEKANAN PADA Q1 = 6,67 x 10 -5 (m3/s) -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1 2 SISI MASUK/KELUAR T E KANAN ( P a ) ATAS DEPAN BAWAH
Gambar 7: Grafik distribusi tekanan di sisi masuk & keluar pada Q1
DISTRIBUSI TEKANAN PADA Q2 = 1,33 x 10 -4 (m3/s) -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1 2 SISI MASUK/KELUAR T E KANAN ( P a ) ATAS DEPAN BAWAH
Gambar 8: Grafik distribusi tekanan di sisi masuk & keluar pada Q2
DISTRIBUSI TEKANAN PADA Q3 = 2 x 10 -4 (m3/s) -500 0 500 1000 1500 2000 2500 1 2 SISI MASUK/KELUAR T E KANAN (P a ) ATAS DEPAN BAWAH
DISTRIBUSI TEKANAN PADA Q4 = 2,67 x 10-4 (m3/s) 0 500 1000 1500 2000 2500 1 2 SISI MASUK/KELUAR T E K ANAN (P a ) ATAS DEPAN BAWAH
Gambar 10: Grafik distribusi tekanan di sisi masuk & keluar pada Q4
Dari gambar 6 sampai dengan gambar 9 dapat disimpulkan bahwa tekanan yang terjadi pada sisi masuk akan lebih kecil daripada tekanan pada sisi keluar di masing-masing posisi pengukuran. Ini dikarenakan kecepatan fluida pada sisi masuk lebih besar dari kecepatan sisi keluar. Hal ini sesuai dengan persamaan Bernoulli yang dapat dijelaskan bahwa semakin besar kecepatan fluida, maka tekanan yang terjadi akan semakin kecil. Karena persamaan Bernoulli menggunakan prinsip kekekalan energi.
Secara umum tekanan yang terjadi pada posisi pengukuran sebelah depan pipa memiliki tekanan yang paling besar dibanding dengan posisi pengukuran yang lain baik pada bagian sisi masuknya maupun pada sisi keluarnya. Disusul selanjutnya pada posisi pengukuran sebelah atas, dan yang terakhir pada posisi pengukuran sebelah bawah.
Minor losses yang terjadi pada pipa Sudden Expansion dapat dihitung dengan cara menggunakan persamaan sebagai berikut:
2
2 1V
K
h
lm=
Maka harga koefisien rugi-rugi pada pipa Sudden Expansion: 2 1
2
V
h
K
=
⋅
lmTabel 4: Koefisien rugi-rugi di masing-masing debit pada masing-masing posisi pengukuran Debit, Q, (m3/s) Koefisien Rugi-rugi, K.
Atas Depan Bawah
6,67 x 10-5 3,22 4,6 5,97
1,33 x 10-4 1,16 1,16 1,97
2 x 10-4 -0,33 0,61 0,82
KOEFISIEN RUGI-RUGI -1 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 Qn KO E F IS IE N R U G I-R U G I ATAS DEPAN BAWAH
Gambar 11: Grafik koefisien rugi-rugi pada masing-masing debit aliran
Dari grafik di atas dapat dilihat bahwa semakin besar debit yang dialirkan, maka semakin kecil koefisien rugi-ruginya, dikarenakan semakin besar debit maka semakin besar pula kecepatan fluida. Harga koefisien rugi-rugi yang paling kecil terjadi pada posisi pengukuran sebelah atas, kemudian disusul pada posisi pengukuran di sebelah depan dan terbesar terjadi pada pengukuran sebelah bawah untuk di masing-masing debit aliran fluida.
KESIMPULAN
Semakin besar debit fluida yang mengalir pada sisi masuk & keluar pipa, maka semakin besar pula kecepatan fluida yang terjadi pada masing-masing sisi pipa. Hal ini sesuai dengan persamaan kontinyuitas. Dengan semakin besarnya kecepatan fluida, maka angka Reynold akan semakin besar pula. Sehingga angka Reynold akan semakin besar dengan semakin besarnya debit yang mengalir.
Tekanan yang terjadi pada sisi masuk akan lebih kecil daripada tekanan pada sisi keluar di masing-masing posisi pengukuran. Ini dikarenakan kecepatan fluida pada sisi masuk lebih besar dari kecepatan sisi keluar. Hal ini sesuai dengan persamaan Bernoulli yang dapat dijelaskan bahwa semakin besar kecepatan fluida, maka tekanan yang terjadi akan semakin kecil.
Semakin besar debit yang dialirkan, maka semakin kecil koefisien rugi-ruginya, dikarenakan semakin besar debit maka semakin besar pula kecepatan fluida.
Untuk peneliti selanjutnya yang tertarik dengan topik ini disarankan untuk menggunakan alat ukur yang lebih teliti, sehingga didapatkan data yang lebih akurat. Pada seksi uji tidak hanya di buat arah horisontal saja, tetapi bisa dibuat pada arah vertikal juga. Serta jenis fluida yang digunakan dapat divariasikan bahkan dengan fluida lebih dari satu fase.
DAFTAR PUSTAKA
Fox, R. W. dan McDonald, A. T., 1978, “Introduction to Fluid Mechanics”, edisi 2, John Wiley & Sons, Kanada.
Gurbuz, R., 2002, “The Measurement Local Losses and K factor of Valve and Fitting by Computer”, Proceeding of ASEE.
Jagannath, R., Naresh, N. G. dan Pandey, K. M., 2007, “Studies on Pressure Loss in Sudden Expansion in Flow Through Nozzles: A Fuzzy Logic Approach”, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Volume 2, no 2, pp 50-61
Munson, B. R., Young, D. F. dan Okiishi T. H., 2003, “Mekanika Fluida”, edisi 4, Erlangga, Jakarta. Streeter, V. L., Wylie, B. dan Prijono, A., 1999, “Mekanika Fluida”, edisi 8, Erlangga, Jakarta.
Sukarno, R., 2004, “Studi Distribusi Tekanan Aliran Melalui Pembesaran Secara Mendadak dengan Penampang Segiempat Posisi Horisontal”, Skripsi Fakultas Teknik UMS.
