LAPORAN PRAKTIKUM FENOMENA DASAR MESIN
”Fluid Friction Apparatus dan Geometrical Orifice”
Disusun oleh:
Bustanul Athfal (2010502007)
PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS TIDAR
2023
i KATA PENGANTAR
Puji syukur kami ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya kepada kami, sehingga laporan Praktikum Fenomena Dasar Mesin dapat diselesaikan dengan baik dan tepat waktu. Adapun penulisan Laporan Praktikum ini disusun untuk memenuhi mata kuliah Kuliah Praktikum Fenomena Dasar Mesin Program Studi S1 Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Tidar, Magelang. Praktikum ini penulis laksanakan di Laboratium Mekanika Fluida Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tidar. Dalam laporan ini penulis membahas tentang fenomena aliran yang terjadi di dalam saluran tertutup termasuk salah satunya adalah kehilangan energi dengan menggunakan alat Gemoetrical Orifice dan Friction Apparatus. Kami memahami dan menyadari terlaksananya kegiatan praktikum hingga tersusunnya laporan ini tidak lepas dari bantuan, bimbingan, dukungan, dan perhatian dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini, penulis menyampaikan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Ir. Kun suhrno, M.T. selaku Dosen Pengampu Mata Kuliah Praktikum Fenomena Dasar Mesin
2. Exnacius Putra Feriantoro selaku Asisten Praktikum Mata Kuliah Praktikum Fenomena Dasar Mesin
3. Pihak-pihak yang terkait dalam penyusunan laporan ini
Dalam menyusun laporan ini, kami menyadari bahwa masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu, kami sangat mengharapkan tanggapan, kritik, dan saran dari semua pihak demi kesempurnaan laporan ini.
Akhir kata kami berharap semoga Laporan Praktikum Fenomena Dasar Mesin ini bermanfaat bagi kita semua. Aamiin.
Magelang, 13 Februari 2023
Bustanul Athfal
ii LEMBAR PENGESAHAN
Saya yang bertanda tangan dibawah ini,
Menyatakan bahwa laporan yang telah saya buat ini adalah sah dan asli dari hasil praktikum yang telah saya lakukan dengan sebaik-baiknya, dan telah diperiksa : Hari : Senin
Tanggal : 13 Februari 2023
Praktikan
Bustanul Athfal NPM. 2010502007
Asisten Dosen
Exnacius Putra Feriantoro NPM. 1910502105
Dosen Pengampu
Ir. Kun Suharno, M.T.
NIP. 195904081994031001
iii DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR GAMBAR ... v
DAFTAR TABEL ... vi
BAB I ... 1
PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan ... 2
1.4 Manfaat ... 3
BAB II ... 4
DASAR TEORI ... 4
2.1 Geometrical Orifice ... 4
2.2 Informasi Data dan Tambahan ... 5
2.3 Sifat Alami Fluida ... 6
2.4 Kajian Teoritis ... 10
2.5 Petunjuk Pelaksanaan Percobaan ... 14
2.6 Fluid Friction Apparatus ... 14
2.7 Sistem Alami Fluida ... 15
2.8 Kajian Teoritis ... 20
2.9 Petunjuk Pelaksanaan Praktikum ... 26
2.10 Informasi dan Data Tambahan ... 30
BAB III ... 31
PEMBAHASAN ... 31
3.1 Tabel ... 31
3.2 Perhitungan ... 34
BAB IV ... 40
PENUTUP ... 40
4.1 Kesimpulan ... 40
4.2 Saran ... 40
iv DAFTAR PUSTAKA ... 41 LAMPIRAN ... 42
v DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Desain perpipaan “Geometrical Orifice” ... 4
Gambar 2. 2 Alat Perpipaan “Geometrical Orifice” ... 4
Gambar 2. 3 Gradien Kecepatan ... 8
Gambar 2. 4 Hubungan Tegangan Geser dengan Gradien Kecepatan. ... 8
Gambar 2. 5 Kenaikan dan Penurunan dari Kapilaritas ... 10
Gambar 2. 6 Desain Perpipaan “Friction Apparatus” ... 15
Gambar 2. 7 Alat Praktikum “Friction Apparatus” ... 15
Gambar 2. 8 Gradien Kecepatan ... 17
Gambar 2. 9 Hubungan Tegangan Geser dengan Gradien Kecepatan. ... 18
Gambar 2. 10 Kenaikan dan Penurunan dari Kapilaritas ... 19
Gambar 2. 11 Skema Penurunan Diameter Pipa ... 25
Gambar 2.12 Skema Pembesaran Diameter Pipa ... 25
Gambar 2. 13 Rangkaian Eksperimen Pertama... 26
Gambar 2. 14 Rangkaian Eksperimen Percobaan kedua ... 27
Gambar 2. 15 Rangkaian Eksperimen Percobaan Ketiga ... 28
Gambar 2. 16 Rangkaian Eksperimen Percobaan Keempat... 29
vi DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 pengambilan data pada belokan (elbow) ... 31
Tabel 3.2 pengambilan data gesekan pipa... 32
Tabel 3.3 Pengambilan Data Pada Orifice ... 32
Tabel 3.4 pengukuran tekanan aliran pada diameter pipa (1”) ... 33
Tabel 3.5 pengukuran tekanan aliran pada diameter pipa (¾ “) ... 33
1 BAB I
PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Seiring dengan perkembangan zaman, kebutuhan akan teknologi akan semakin meningkat. Teknologi kini tidak hanya konsumsi individu yang modern akan tetapi adalah bagian dari kehidupan sehari-hari yang akan selalu dibutuhkan dan terus mengalami perkembangan dengan kebutuhan yang diinginkan manusia.
Fluida adalah salah satu zat yang tidak bisa lepas dari kehidupan sehari- hari. Kapanpun dan dimanapun fluida akan selalu mempengaruhi berbagai kegiatan manusia. Berbagai fenomena fluida dapat dipelajari secara fisika maupun mekanika.
Pipa merupakan sarana transportasi fluida, pipa memiliki berbagai ukuran dan bentuk penampang. Penggunaan pipa banyak ditemukan dalam berbagai kegiatan, seperti sistem instalasi plambing gedung, sistem penyediaan air rumah tangga, pengaliran air pada industri, pengaliran gas, penyaluran air buang, dll. Dalam proses pemindahan fluida tersebut akan terjadi permasalahan yang dapat diteliti. Salah satunya yaitu kehilangan energi yang terjadi pada aliran fluida. Kehilangan energi dalam aliran tersebut disebabkan karena adanya gesekan atara fluida dengan dinding pipa. Kekasaran pipa, Panjang dan diameter pipa, jenis fluida, kecepatan aliran serta bentuk aliran akan menyebabkan terjadinya penurunan tekanan. Hal tersebut menjadi salah satu permasalahan yang menyebabkan turunnya energi yang tersampaikan.
Pada perkembangan ilmu pengetahuan mengenai fluida banyak penemuan yang telah dilakukan oleh para ahli untuk menghitung penurunan tekanan dalam pipa, nilai Reynold (Re) suatu fluida dan koefisien gesek (f) dari berbagai jenis pipa. Fenomena dalam aliran fluida yang berkaitan tentang kehilangan energi dapat dijelaskan dalam konsep Bernoulli. Persamaan Bernoulli untuk fluida menggambarkan persamaan energi serta menggambarkan kerugian-kerugian energi yang terjadi di dalam aliran tersebut. Penentuan kehilangan energi sangat penting dan menjadi hal yang
2 perlu diperhatikan dalam perencanaaan suatu sistem pengaliran fluida yang menggunakan pipa. Kehilangan energi dalam sistem perpipaan dapat dianalisis dengan menggunakan alat Geometrical Orifice dan Fluid Friction Apparatus.
Geometrical Orifice dan Fluid Friction Apparatus merupakan alat yang digunakan untuk menguji fenomena aliran yang terjadi dalam saluran tertutup termasuk salah satunya adalah kehilangan energi. Alat ini terdiri atas beberapa jalur perpipaan yang dirancang memakai fitting dan pengukurannya menggunakan manometer baik manual dan digital. Melalui alat ini, dapat didefinisikan hal-hal yang terjadi di dalam aliran fluida secara keseluruhan.
Selain dibuat pabrikan, alat ini juga dapat dirancang bangun dengan model fisik skala laboratorium.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun beberapa rumusan masalah dalam praktikum fenomena dasar mesin ini, yaitu:
1. Apakah besar gesekan mempengaruhi perbedaan head.
2. Apakah kontraksi pipa mempengaruhi perbedaan head.
3. Apakah pembesaran pipa mempengaruhi perbedaan head.
4. Apakah belokan mempengaruhi perbedaan head.
5. Apakah gate valve mempengaruhi perbedaan head.
6. Faktor – faktor yang mempegaruhi debit aliran.
1.3 Tujuan
Praktikum ini dilakukan untuk mempelajari sifat-sifat aliran fluida tak termampat (income pressible fluid) di dalam pipa. Melalui percobaan ini akan diketahui sifat-sifat aliran fluida, terutama hubungan perubahan tekanan dengan debit aliran fluida melalui pipa. Perubahan tekanan aliran fluida yang terjadi berhubungan erat dengan perubahan tekanan masuk pipa, kecepatan aliran dan hambatan aliran (seberapa besar kerugian tekanan yang terjadi dan faktor gesekan di sepanjang pipa).
3 1.4 Manfaat
Adapun beberapa tujuan dalam praktikum fenomena dasar mesin ini, yaitu:
1. Mahasiswa dapat menjelaskan prinsip aliran dalam pipa.
2. Mahasiswa dapat mengetahui jenis-jenis aliran .
3. Mahasiswa dapat mengetahui faktor-faktor yang mengakibatkan perbedaan head pada pipa.
4 BAB II
DASAR TEORI 2.1 Geometrical Orifice
Geometrical Orifice merupakan alat yang digunakan untuk menguji fenomena aliran yang terjadi dalam saluran tertutup termasuk salah satunya adalah kehilangan energi. Alat ini terdiri atas beberapa jalur perpipaan yang dirancang memakai fitting dan pengukurannya menggunakan manometer baik manual dan digital. Melalui alat ini, dapat didefinisikan hal-hal yang terjadi di dalam aliran fluida secara keseluruhan. Selain dibuat pabrikan, alat ini juga dapat dirancang bangun dengan model fisik skala laboratorium.
Desain dan dimensi alat praktikum ini dapat dilihat pada Gambar berikut ini.
Gambar 2. 1 Desain perpipaan “Geometrical Orifice”
Gambar 2. 2 Alat Perpipaan “Geometrical Orifice”
5 2.2 Informasi Data dan Tambahan
Spesifikasi pipa:
a. Pipa 1 inch = 2,54 cm = 0,0254 m b. Pipa 1,5 inch = 3,81 cm = 0,0381 m c. Panjang pipa suction = 0,5 m
d. Panjang pipa discharge = 6,5 m Spesifikasi aliran:
a. Temperatur = 25°C
b. Massa jenis = 997 kg/𝑚3
c. Viskositas kinematik = 0,893 x 10−6 𝑚2/𝑠 d. Tekanan uap jenuh = 0,03 kg/𝑐𝑚2 = 300 𝑘𝑔/𝑚2
Spesifikasi pompa:
Spesifikasi Pompa
Manufaktur Cosmos
Tipe CWP-128 F
Tinggi Hisap Maks 9 m
Tinggi Total Maks 30 m
Ukuran Suction dan Discharge 1” x 1”
Tegangan/Frekuensi 220 V / 50 Hz
Daya 280 W
Kapasitas Maks 19 l/menit
Suhu Cairan 25°C
Spesifikasi Orifice:
a. Orifice Concentric
6 b. Orifice Eccentric
c. Orifice Segmental
2.3 Sifat Alami Fluida
Fluida gas dan cair memiliki sifat khusus yang dapat diketahui, seperti rapat massa (density), kekentalan (viscosity), kemampatan (compressibility), tegangan permukaan (surface tension), dan kapilaritas (capillarity). Beberapa sifat fluida pada kenyataannya merupakan kombinasi dari sifat fluida lainnya.
Sebagai contoh kekentalan kinematic melibatkan kekentalan dinamik dan rapat massa.
Sejauh yang kita ketahui, fluida tersusun oleh molekul-molekul dengan jarak pisah yang kecil untuk fluida cair dan besar untuk fluida gas. Molekul tersebut tidak saling berikatan, namun dapat bergerak bebas.
1. Rapat Massa, Berat Jenis, dan Rapat Relatif
Rapat massa (ρ) adalah ukuran konsentrasi massa zat cair dan dinyatakan dalam bentuk massa (m) persatuan volume (V).
𝜌 = 𝑚
𝑉 (1) Dimana:
m = massa (kg)
7 V = volume (𝑚3)
Rapat massa air (ρ air) pada suhu 4°C dan pada tekanan atmosfer (Patm) adalah 1000 kg/𝑚3.
Berat jenis merupakan berat per satuan volume pada temperature dan tekanan tertentu, dan berat suatu benda adalah hasil kali anatara rapat massa (𝜌) dengan percepatan gravitasi (g).
𝛾 = 𝜌𝑔 (2) Dimana:
𝛾 = berat jenis (N/𝑚3) 𝜌 = rapat massa (kg/𝑚3)
g = percepatan gravitasi (m/𝑠2)
Rapat relatif (s) alah perbandingan antara rapat massa suatu zat (𝜌) dan rapat massa air (𝜌 𝑎𝑖𝑟), atau perbandingan antara berat jenis suatu zat (𝛾) dan berat jenis air (𝛾 𝑎𝑖𝑟).
𝑠 = 𝜌𝑧𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑖𝑟
𝜌𝑎𝑖𝑟 atau 𝑠 = 𝛾𝑧𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑖𝑟
𝛾𝑎𝑖𝑟 (3)
Karena pengaruh temperature dan tekanan pada rapat massa zat cair sangat kecil, maka dapat diabaikan sehingga rapat massa zat cair dapat dianggap tetap.
2. Kekentalan (Viscosity)
Kekentalan adalah sifat dari zat cair untuk melawan tegangan geser (𝜏) pada saat bergerak atau mengalir. Kekentalan disebabkan karena ada gaya kohesi antar partikel zat cair sehingga menyebabkan adanya tegangan geser antar molekul-molekul yang bergerak. Kekentalan zat cair dapat dibedakan menjadi kekentalan dinamik (𝜇) atau kekentalan absolute dan kekentalan kinematis (𝑣).
Dalam beberapa masalah mengenai gerak zat cair, kekentalan dinamik dihubungkan dengan kekentalan kinematic sebagai berikut:
𝑣 = 𝜇
𝜌 (4) dengan (𝜌) adalah rapat massa zat cair (kg/𝑚3).
8 Kekentalan kinematic besarnya dipengaruhi oleh temperature (T). Saat kondisi temperatur tinggi maka kekentalan kinematik zat cair akan relatif kecil, dan sebaliknya.
Zat cair Newtonian adalah zat cair yang memiliki tegangan geser (𝜏) sebanding dengan gradien kecepatan normal (𝑑𝑢
𝑑𝑦) terhadap aliran. Gradien kecepatan adalah perbandingan antara perubahan kecepatan dan perubahan jarak tempuh aliran (Gambar 2.3). hubungan tegangan geser dan gradien kecepatan normal dari beberapa bahan dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2. 3 Gradien Kecepatan
Gambar 2. 4 Hubungan Tegangan Geser dengan Gradien Kecepatan.
Pada fluida Newtonian dan alirannya laminar maka akan berlaku hubungan
𝜏 = 𝜇 𝑑𝑢
𝑑𝑦 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝜏 = 𝜌𝑣 𝑑𝑢
𝑑𝑦 (5)
9 dimana:
𝜏 = tegangan geser (kg/𝑚2) 𝜇 = kekentalan dinamis (kg/ms) 𝑣 = kekentalan kinematis (𝑚2/𝑠) 𝜌 = rapat massa fluida (kg/𝑚3)
𝑑𝑢
𝑑𝑦 = gradien kecepatan 3. Kemampatan (Compressibility)
Kemampatan adalah perubahan volume karena adanya perubahan (penambahan) tekanan, yang ditunjukkan oleh perbandingan antara perubahan tekanan dan perubahan volume terhadap awal. Perbandingan tersebut dikenal dengan Modulus Elastisitas (K).
𝐾 = − 𝑑𝑃 (𝑑𝑉 𝑉 )
(6)
Nilai K untuk zat air sangat besar yaitu 2,1 x 109 N/m, sehingga perubahan volume karena perubahan tekanan akan sangat kecil dan dapat diabaikan. Hal tersebut akan mengakibatkan zat cair atau fluida tersebut tidak dapat termampatkan (incompressible).
4. Tegangan Permukaan (Surface Tension)
Molekul-molekul pada zat cair akan saling tarik-menarik secara seimbang diantara sesamanya dengan gaya berbanding lurus dengan massa (m) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak ( r ) antara pusat massa.
𝐹 = 𝑚1𝑚2
𝑟2 (7) dengan:
F = gaya tarik menarik r = jarak anatar pusat molekul m1, dan m2 = massa molekul 1 dan 2
Jika zat cair bersentuhan dengan udara atau zat lainnya, maka gaya tarik-menarik antara molekul tidak seimbang lagi dan menyebabkan molekul-molekul pada permukaan zat cair melakukan kerja untuk tetap membentuk permukaan zat cair. Kerja yang dilakukan oleh molekul- molekul pada permukaan zat cair tersebut dinamakan tegangan permukaan
10 (𝜎). Tegangan permukaan hanya bekerja pada bidang permukaan dan besarnya sama di semua titik.
5. Kapilaritas (Capillarity)
Kapilaritas terjadi akibat gaya kohesi dan adesi antar molekul, jika kohesi lebih kecil dari pada gaya adesi maka zat cair akan naik dan sebaliknya jika lebih besar maka zat cair akan turun. Kenaikan atau penurunan zat cair di dalam suatu tabung dapat dihitung dengan menyamakan gaya angkat yang dibentuk oleh tegangan permukaan dengan gaya berat.
Kenaikan dan penurunan dari permukaan zat cair ada pada Gambar 2.5.
Gambar 2. 5 Kenaikan dan Penurunan dari Kapilaritas Untuk perhitungan secara matematisnya yaitu:
ℎ = 2𝜎𝑐𝑜𝑠𝜃
𝛾𝑟 (8) dimana:
h = kenaikan atau penurunan zat cair 𝛾 = berat jenis zat cair
𝜎 = tegangan permukaan r = jari-jari tabung
𝜃 = 0° untuk air dan 140° untuk raksa
2.4 Kajian Teoritis 1. Bilangan Reynold
Bilangan Reynold merupakan bilangan tak berdimensi untuk menentukan parameter dari tipe aliran fluida.
𝑅𝑒 = vD
𝑣 (1)
11 Dimana:
Re = bilangan Reynold v = kecepatan aliran fluida D = diameter pipa
v = viskositas kinematis fluida 2. Persamaan Bernoulli
Hukum Bernoulli memberikan konsep dasar aliran fluida yang meningkatkan kecepatan pada aliran cair dan gas yang mengarah pada pengurangan tekanan dalam cairan atau gas. Artinya, akan ada potensi pengurangan energi dalam aliran cair. Konsep dasar ini berlaku untuk cairan aliran kompleks (aliran terkompresi), juga pada cairan hanya dengan satu sentuhan tagatasi (incompressible flow). Hukum Bernoulli sebenarnya dapat dianggap sebagai bentuk konsep khusus mekanis cairan umum, yang banyak dikenal dalam persamaan Bernoulli (Zainudin, 2012). Metode persamaan Bernoulli pada matematika adalah sebagai berikut:
𝑃1 𝛾1+ 𝑣12
2𝑔+ 𝑧1 = 𝑃2 𝛾2+ 𝑣22
2𝑔+ 𝑧2+ 𝐻 (2) Dimana:
P1 dan P2 = tekanan di penampang 1 dan 2 𝛾1 dan 𝛾2 = berat jenis fluida1 dan 2
𝑣1 dan 𝑣2 = kecepatan di penampang 1 dan 2 𝑧1 dan 𝑧2 = tinggi pada permukaan 1 dan 2
g = gravitasi bumi
3. Persamaan Kontinuitas
Persamaan kontinuitas menunjukkan hubungan antara kecepatan fluida yang masuk ke dalam tabung dan kecepatan fluida yang keluar dari tabung (Zainudin, 2012). Hubungan tersebut dinyatakan dengan:
𝑄 = 𝐴1 𝑥 𝑣1 = 𝐴2𝑥 𝑣2 (3) Dimana:
𝐴1 dan 𝐴2 = luas penampang pipa 1 dan 2 𝑣1 dan 𝑣2 = kecepatan fluida pada pipa 1 dan 2
12 Laju aliran adalah ukuran volume cairan yang mengalir dalam suatu waduh (Zainudin, 2012):
𝑄 = 𝑉
𝑡 (4) dimana:
Q = laju aliran fluida V = volume fluida t = waktu
4. Aliran dalam Saluran Tertutup
Untuk perhitungan dalam pipa umumnya dipakai persamaan Darcy- Weisbach Persamaan Darcy-Weisbach adalah sebagai berikut (Septian B, 2019):
ℎ𝑓 = 𝑓 𝐿 𝐷 𝑥 𝑣2
2𝑔 (5) dimana:
hf = kerugian gesekan (m) f = koefisien gesekan pipa v = kecepatan aliran L = Panjang pipa g = gravitasi bumi 5. Pengkonverisan
a) Hisap
cmHg = inHg x 2,54 b) Tekan
Menurut Suharno, K (2019) persamaan yang didapatkan adalah:
1 𝑘𝑔 = 2,2 𝑙𝑏
1 𝑐𝑚2 = 0,155 𝑖𝑛2 = 1 𝑘𝑔
𝑐𝑚2 = 14,2 𝑙𝑏
𝑖𝑛2 (6) 6. Head Tekan
Menurut Suharno, K (2019) persamaan yang didapatkan adalah:
ℎ = 𝑃
𝜌 (7) dimana:
P = tekanan (pressure gauge)
13 𝜌 = massa jenis air
7. Kecepatan Aliran
Menurut Suharno, K (2019) persamaan yang didapatkan adalah:
𝑉𝑎𝑘 = 𝐶𝑉 𝑥 √2𝑔ℎ (8) dimana:
𝑉𝑎𝑘 = kecepatan aliran nyata 𝐶𝑉 = Coefficient of velocity (0,95) h = head tekan
8. Debit Teoritis Orifice
Menurut Suharno, K (2019) persamaan yang didapatkan adalah:
𝑄 = 𝐾 𝐴1𝐴2
√𝐴12− 𝐴22 √2𝑔ℎ (9) dimana:
Q = laju aliran pada orifice K = Konstanta pipa PVC = 𝑑2
𝑑1
V = Kecepatan aliran √2𝑔ℎ A = Luas penampang pipa
9. Faktor Gesekan
𝑓 = 0,005 (1 + 1 12𝑑) 10. Koefisien Venacontracta
𝐶𝑐 = 𝐴2
𝐴1 = 0,60 + 0,40 (𝐴2
𝐴1)2 11. Koefisien Kecepatan
𝐶𝑣 = 𝑄 𝑄𝑡ℎ dimana:
Q = Debit nyata (terukur) 12. Koefisien Orifice
𝐶 = 𝐶𝐶𝐶𝑉
√1 − 𝐶𝑐2 (𝐴2 𝐴1)
2
14 2.5 Petunjuk Pelaksanaan Percobaan
Berikut petunjuk pelaksanaan dalam praktikum ini:
1. Isi tangka air hingga penuh, volume batas minimal air adalah ¾ volume tangka.
2. Pastikan kondisi pompa pada kondisi mati (off) saat melakukan pengisian tangka
3. Pasang terlebih dahulu orifice yang tersedia mulai dari orifice concentric, kemudian orifice eccentric, dan yang terakhir pasang orifice segmental.
4. Atur keluaran air menggunakan stop kran pada rangkaian perpipaan agar didapatkan hasil untuk data pressure pada pressure gauge rangkaian.
5. Ambil data pada masing-masing orifice sebanyak 3-5 kali percobaan.
6. Ambil data pada setiap belokan untuk menghitung kerugian mayor dan kerugian minor. Pengambilan data dilakukan 3-5 kali percobaan.
7. Masukkan data percobaan ke dalam tabel percobaan
8. Hitung dan analisis data yang telah didapatkan dengan persamaan yang ada dengan kajian teoritis.
2.6 Fluid Friction Apparatus
Fluid Friction Apparatus merupakan alat yang digunakan untuk menguji fenomena aliran yang terjadi di dalam saluran tertutup termasuk salah satunya kehilangan energi. Alat ini terdiri atas beberapa jalur perpipaan yang di rancang menggunakan fitting dan pengukuran dengan manometer. Melalui alat ini, dapat didefinisikan hal-hal yang terjadi di dalam aliran fluida secara keseluruhan, salah satunya tentang kontraksi perbesaran dan pengecilan pada pipa.
Desain dan dimensi alat praktikum ini dapat dilihat pada Gambar 2.6 dan 2.7 berikut
15 Gambar 2. 6 Desain Perpipaan “Friction Apparatus”
Gambar 2. 7 Alat Praktikum “Friction Apparatus”
2.7 Sistem Alami Fluida
Fluida gas dan cair memiliki sifat khusus yang dapat diketahui, seperti rapat massa (density), kekentalan (viscosity), kemampatan (compressibility), tegangan permukaan (surface tension), dan kapilaritas (capillarity). Beberapa sifat fluida pada kenyataannya merupakan kombinasi dari sifat fluida lainnya.
Sebagai contoh kekentalan kinematik melibatkan kekentalan dinamik dan rapat massa.
16 Sejauh yang kita ketahui, fluida tersusun oleh molekul-molekul dengan jarak pisah yang kecil untuk fluida cair dan besar untuk fluida gas. Molekul tersebut tidak saling berikatan, namun dapat bergerak bebas.
1. Rapat Massa, Berat Jenis, dan Rapat Relatif
Rapat massa (ρ) adalah ukuran konsentrasi massa zat cair dan dinyatakan dalam bentuk massa (m) persatuan volume (V).
𝜌 = 𝑚
𝑉 (1) Dimana:
m = massa (kg) V = volume (𝑚3)
Rapat massa air (ρ air) pada suhu 4°C dan pada tekanan atmosfer (Patm) adalah 1000 kg/𝑚3.
Berat jenis merupakan berat per satuan volume pada temperature dan tekanan tertentu, dan berat suatu benda adalah hasil kali anatara rapat massa (𝜌) dengan percepatan gravitasi (g).
𝛾 = 𝜌𝑔 (2) Dimana:
𝛾 = berat jenis (N/𝑚3) 𝜌 = rapat massa (kg/𝑚3)
g = percepatan gravitasi (m/𝑠2)
Rapat relatif (s) alah perbandingan antara rapat massa suatu zat (𝜌) dan rapat massa air (𝜌 𝑎𝑖𝑟), atau perbandingan antara berat jenis suatu zat (𝛾) dan berat jenis air (𝛾 𝑎𝑖𝑟).
𝑠 = 𝜌𝑧𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑖𝑟
𝜌𝑎𝑖𝑟 atau 𝑠 = 𝛾𝑧𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑖𝑟
𝛾𝑎𝑖𝑟 (3)
Karena pengaruh temperature dan tekanan pada rapat massa zat cair sangat kecil, maka dapat diabaikan sehingga rapat massa zat cair dapat dianggap tetap.
2. Kekentalan (Viscosity)
Kekentalan adalah sifat dari zat cair untuk melawan tegangan geser (𝜏) pada saat bergerak atau mengalir. Kekentalan disebabkan karena ada
17 gaya kohesi antar partikel zat cair sehingga menyebabkan adanya tegangan geser antar molekul-molekul yang bergerak.
Kekentalan zat cair dapat dibedakan menjadi kekentalan dinamik (𝜇) atau kekentalan absolute dan kekentalan kinematis (𝑣).
Dalam beberapa masalah mengenai gerak zat cair, kekentalan dinamik dihubungkan dengan kekentalan kinematic sebagai berikut:
𝑣 = 𝜇
𝜌 (4) dengan (𝜌) adalah rapat massa zat cair (kg/𝑚3).
Kekentalan kinematik besarnya dipengaruhi oleh temperature (T).
Saat kondisi temperatur tinggi maka kekentalan kinematik zat cair akan relatif kecil, dan sebaliknya.
Zat cair Newtonian adalah zat cair yang memiliki tegangan geser (𝜏) sebanding dengan gradien kecepatan normal (𝑑𝑢
𝑑𝑦) terhadap aliran. Gradien kecepatan adalah perbandingan antara perubahan kecepatan dan perubahan jarak tempuh aliran (Gambar 2.8). hubungan tegangan geser dan gradien kecepatan normal dari beberapa bahan dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gambar 2. 8 Gradien Kecepatan
18 Gambar 2. 9 Hubungan Tegangan Geser dengan Gradien Kecepatan.
Pada fluida Newtonian dan alirannya laminar maka akan berlaku hubungan
𝜏 = 𝜇 𝑑𝑢
𝑑𝑦 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝜏 = 𝜌𝑣 𝑑𝑢
𝑑𝑦 (5)
dimana:
𝜏 = tegangan geser (kg/𝑚2) 𝜇 = kekentalan dinamis (kg/ms) 𝑣 = kekentalan kinematis (𝑚2/𝑠) 𝜌 = rapat massa fluida (kg/𝑚3)
𝑑𝑢
𝑑𝑦 = gradien kecepatan 3. Kemampatan (Compressibility)
Kemampatan adalah perubahan volume karena adanya perubahan (penambahan) tekanan, yang ditunjukkan oleh perbandingan antara perubahan tekanan dan perubahan volume terhadap awal. Perbandingan tersebut dikenal dengan Modulus Elastisitas (K).
𝐾 = − 𝑑𝑃 (𝑑𝑉 𝑉 )
(6)
Nilai K untuk zat air sangat besar yaitu 2,1 x 109 N/m, sehingga perubahan volume karena perubahan tekanan akan sangat kecil dan dapat diabaikan. Hal tersebut akan mengakibatkan zat cair atau fluida tersebut tidak dapat termampatkan (incompressible).
19 4. Tegangan Permukaan (Surface Tension)
Molekul-molekul pada zat cair akan saling tarik-menarik secara seimbang diantara sesamanya dengan gaya berbanding lurus dengan massa (m) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak ( r ) antara pusat massa.
𝐹 = 𝑚1𝑚2
𝑟2 (7) dengan:
F = gaya tarik menarik m1, dan m2 = massa molekul 1 dan 2 r = jarak anatar pusat molekul
Jika zat cair bersentuhan dengan udara atau zat lainnya, maka gaya tarik-menarik antara molekul tidak seimbang lagi dan menyebabkan molekul-molekul pada permukaan zat cair melakukan kerja untuk tetap membentuk permukaan zat cair. Kerja yang dilakukan oleh molekul- molekul pada permukaan zat cair tersebut dinamakan tegangan permukaan (𝜎). Tegangan permukaan hanya bekerja pada bidang permukaan dan besarnya sama di semua titik.
5. Kapilaritas (Capillarity)
Kapilaritas terjadi akibat gaya kohesi dan adesi antar molekul, jika kohesi lebih kecil dari pada gaya adesi maka zat cair akan naik dan sebaliknya jika lebih besar maka zat cair akan turun.
Gambar 2. 10 Kenaikan dan Penurunan dari Kapilaritas
Kenaikan atau penurunan zat cair di dalam suatu tabung dapat dihitung dengan menyamakan gaya angkat yang dibentuk oleh tegangan
20 permukaan dengan gaya berat. Kenaikan dan penurunan dari permukaan zat cair ada pada Gambar 2.10.
Untuk perhitungan secara matematisnya yaitu:
ℎ = 2𝜎𝑐𝑜𝑠𝜃
𝛾𝑟 (8) dimana:
h = kenaikan atau penurunan zat cair 𝛾 = berat jenis zat cair
𝜎 = tegangan permukaan r = jari-jari tabung
𝜃 = 0° untuk air dan 140° untuk raksa
2.8 Kajian Teoritis 1. Pipa
Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran dan digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh.
Fluida yang dialirkan melalui pipa dapat berupa zat cair ataupun gas, dengan tekanan lebih besar atau lebih kecil dari atmosfer. Beberapa jenis pipa yang sering digunakan antara lain:
a. Pipa PVC
Pipa PVC (Poly Vinyl Chloride) merupakan produk termoplastik yang pertama kali digunakan untuk saluran air, selain itu pipa PVC merupakan jenis pipa yang sering kali digunakan. Salah satu kegunaan pipa PVC antara lain sebagai pipa saluran air yang digunakan oleh PDAM untuk mengalirkan air bagi masyarakat, digunakan untuk mengalirkan air dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi. Pipa PVC terbuat dari polivinil klorida yang merupakan polimer termoplastik pada urutan ketiga. Selain itu pipa PVC juga memiliki harga yang ekonomis dan perawatan serta pemasangannya termasuk mudah.
b. Pipa Galvanis
Pipa Galvanis merupakan pipa yang terbuat dari besi atau seng yang telah diproses galvanisasi yang berfungsi untuk melindungi permukaan pipa. Lapisan seng pada proses galvanisasi bertujuan untuk mencegah perkaratan pada pipa. Keunggulan dari pipa Galvanis adalah
21 lebih kuat dari pipa PVC dan lebih memiliki umur Panjang dalam penggunaannya.
c. Pipa Stainless Steel
Pipa Stainless Steel adalah jenis pipa yang baisa dipakai oleh dunia industry. Pipa ini terdiri dari campuran baja yang mengandung besi sebagai bahan utama dan kromium 10%, serta karbon yang mengubah struktur besi tersebut menjadi baja. Selain itu terdapat juga campuran nikel dan molybdenum. Keunggulan dari pipa ini adalah tahan korosi, kuat, serta dalam penggunaannya memiliki umur yang panjang.
2. Tekanan
Tekanan fluida merupakan tegangan normal pada setiap bidang yang melalui unsur fluida yang diam. Tekanan fluida dipancarkan kesegala arah dan bekerja tegak lurus pada suatu bidang. Salah satu alat untuk mengukur tekanan adlaah manometer. Alat ukur ini menggunakan kolom cairan dalam tabung untuk pengukurannya. Dalam hal ini tekanan didefiniskan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus terhadap suatu bidang tiap satuan luas. Secara sistematis tekanan dirumuskan sebagai berikut:
𝑃 = 𝐹
𝐴 (1) Dimana:
P = Tekanan (𝑁 𝑚⁄ 2) F = Gaya tekan (N)
A = Luas bidang permukaan (𝑚2)
Karena dalam keadaan static, air hanya akan melakukan gaya berat sebagai akibat gaya gravitasi bumi, maka:
𝑃 = 𝜌𝐴𝑔ℎ
𝐴 (2) Maka,
𝑃 = 𝜌𝑔ℎ (3) Dimana:
ρ = massa jenis zat cair (kg/𝑚2) g = percepatan gravitasi (m/𝑠2)
22 h = kedalaman zat cair dari permukaan ke titik yang diberi tekanan (m) P = Tekanan Hidrostatis (N/𝑚2)
3. Bilangan Reynold
Bilangan Reynold merupakan bilangan tak berdimensi yang dapat membedakan suatu aliran tersebut masuk ke dalam kategori aliran laminar, atau turbulen. Dalam menentukan dua dimensi aliran tersebut, Reynold menyimpulkan bahwa aliran-aliran tersebut akan serupa dan dinamik jika persamaan-persamaan diferensial umum yang menggambarkan aliran- aliran tersebut identic. Bentuk persamaannya adalah sebagai berikut:
𝑅𝑒 = v D ρ
𝑣 (4) 𝑣 = 𝜇
𝜌 (5) Dimana:
v = kecepatan fluida yang mengalir (m/s) D = diameter dalam pipa (m)
ρ = massa jenis zat cair (kg/𝑚2)
µ = viskositas dinamik fluida (kg/ms) atau (Ns/𝑚2) v = viskositas kinematik fluida (𝑚2/s)
Pada aliran fluida sangat bergantung dari kecepatan aliran fluida, kecepatan aliran fluida dapat dibedakan menjadi 3 yaitu:
1) Aliran laminar
Aliran laminar adalah aliran fluida yang bergerak steady atau tetap karena debit kecepatan dari alirannya tidak berubah atau tetap.
Menurut Reynold dalam aliran laminar berlaku nilai angka Reynold kurang dari 2000 (Re < 2000).
2) Aliran transisi
Aliran transisi adalah aliran peralihan dari aliran laminar menuju aliran turbulen. Keadaan peralihan ini tergantung kepada viskositas fluida tersebut, kecepatan fluida dan hal-hal lainnya yang berhubungan dengan geometri aliran. Aliran ini biasanya memiliki nilai angka Reynold antara 2300 sampai dengan 4000 (2300<Re<4000).
23 3) Aliran turbulen
Aliran turbulen adalah aliran dimana pergerakan partikel suatu fluida tidak menentu karena mengalami pencampuran serta putaran partikel antar lapisan yang mengakibatkan pertukaran momentum antar fluida. Menurut Reynold pada aliran turbulen memiliki angka Reynold lebih dari 4000 (Re> 4000).
4. Debit Fluida
Debit air merupakan ukuran banyaknya volume air yang dapat melewati suatu pipa atau dapat ditampung dalam suatu wadah setiap satu satuan waktu. Debit air dapat dihitung dengan persamaan:
𝑄 = 𝑉
𝑡 (7) Dimana:
Q = debit aliran fluida (𝑚3/𝑠) V = volume air (𝑚3)
t = waktu (s)
Jika terdapat dua pasang penampang pipa yang memiliki dimensi yang berbeda maka akan berlaku hukum Kontinuitas dimana:
𝑄1 = 𝑄2 (8) 𝐴1v1 = 𝐴2v2 (9) Dimana:
A = Luas penampang pipa ()𝑚2
v = kecepatan aliran fluida di setiap penampang (m/s) Dengan persamaan diatas maka dapat dirumuskan bahwa:
v = √2 𝑔 ℎ (10) Dimana :
v = kecepatan aliran fluida g = percepatan gravitasi h = selisih head
h = 𝑃1− 𝑃2
1000
P = tekanan
24 5. Head Loss
Head losses atau kehilangan tinggi tekanan merupakan suatu fenomena kerugian aliran di dalam sistem perpipaan. Head losses sangat merugikan dalam aliran fluida di dalam sistem perpipaan, karena dapat menurunkan tingkat efisiensi aliran fluida. Head losses yang terjadi pada prinsipnya dapat dibagi menjadi dua, yaitu:
1) Mayor losses
Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida pada sistem aliran dengan luas penampang tetap atau konstan. Kerugian head akibat dari gesekan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Darcy yang memodifikasi persamaan Chezy:
ℎ𝑓 = 4𝑓𝐿 𝐷
v2
2𝑔 (11) Dimana:
hf = kerugian gesekan pipa (m) L = panjang pipa (m)
D = diameter pipa (m) v = kecepatan aliran (m/s)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s2) f = faktor gesekan
1. f = 0,005 (permukaan licin) 2. f = 0,01 (permukaan kasar) 2) Minor losses
Kerugian minor adalah hilangnya tekanan akibat gesekan yang terjadi pada katup-katup, sambungan pipa, belokan dan pada luas penampang yang tidak konstan. Pada aliran yang melewati belokan dan katup, nilai minor losses dapat dihitung dengan persamaan Darcy – Weisbach seperti berikut:
ℎ𝑚 = 𝑘 v2
2𝑔 (12) Dimana:
hm = head minor (m) v = kecepatan aliran (m/s)
25 g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)
k = koefisien kerugian pada fitting
Untuk rumus head losses perbesaran dan pengecilan pipa dapat dirumuskan sebagai berikut:
1) Kerugian pengecilan pipa
Gambar 2. 11 Skema Penurunan Diameter Pipa
Pada gambar 2.11 merupakan contoh pengecilan diameter pipa.
Dari gambar tersebut dapat didapatkan persamaan untuk menghitung kerugian aliran sebagai berikut:
ℎ𝑐 = (1 𝑐𝑐− 1)
2 v2
2𝑔 (13) Dimana:
hc = kerugian aliran g = percepatan gravitasi bumi (m/s2) v = kecepatan aliran (m/s) cc = 0,62
2) Kerugian perbesaran pipa
Gambar 2.12 Skema Pembesaran Diameter Pipa Menurut persamaan Bernoulli:
𝑃1 𝛾1+𝑣12
2𝑔+ 𝑧1 = 𝑃2
𝛾2+𝑣22
2𝑔+ 𝑧2+ 𝐻, karena 𝑧1 = 𝑧2 = 0 Maka:
ℎ𝑒 = 𝐾
2𝑔 (v1− v2)2 (14)
26 atau dapat dianalisis dengan persamaan kerugian pembesaran pipa sebagai berikut:
ℎ𝑒 = (1 − 𝐴1 𝐴2)
2 v22
2𝑔 (15) Dimana:
he = kerugian aliran pada pembesaran pipa (m) A1 = luas penampang pipa pertama (m2) A2 = luas penampang pipa kedua (m2) v2 = kecepatan aliran pada pipa kedua (m/s) g = percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2)
2.9 Petunjuk Pelaksanaan Praktikum
1) Isi air tangka hingga ¾ volume tangka atau lebih dari ¾ volume tangka 2) Pastikan pompa dalam posisi off/mati saat pengisian tangka
3) Atur stop kran pada setiap percobaan:
a. Eksperimen pertama
Rangkaian eksperimen pertama dengan aliran air mengalir pada pipa besi dengan diameter ¾” seperti pada Gambar 2.13 berikut.
Gambar 2. 13 Rangkaian Eksperimen Pertama Keterangan:
P = Pressure gauge V = Valve (stop kran)
Eksperimen pertama dimulai dengan pengukuran pada pipa PVC 1” menuju pipa besi ¾” kemudian kembali ke pipa PVC 1”. Aliran fluida mulai mengalir dari tangka air yang dihisap oleh pompa dan dialirkan melalui valve V1. V2, V3, V4, dan V5 dengan kondisi terbuka, sedangkan valve V6, V7, dan V8 dengan kondisi tertutup. Kemudian
27 aliran fluida tersebut mengalir melewati P1 yang berada pada pipa PVC 1”, P5 dan P9 yang berada pada pipa besi ¾” serta P13 yang berada pada pipa PVC 1” dimana posisi valve V9 terbuka dan V10, V11, V12, V13, V14, V15, V16, dan V17 tertutup yang mengakibatkan aliran fluida mengalir ke atas melewati P18 dan P19 pada elbow. Selanjutnya aliran fluida mengalir melewati valve V19 yang terbuka dan kembali menju tangka air. Untuk mengatur variasi bukaan pada valve dapat dilakukan dengan mengambil data pada valve V9 kemudian dapat dilihat data pada P1, P5, P9 dan P13, data dapat diambil 3-5 kali percobaan.
b. Percobaan kedua
Gambar 2. 14 Rangkaian Eksperimen Percobaan kedua
Rangkaian eksperimen pada percobaan kedua seperti pada Gambar 2.14 adalah sebagai berikut.
Keterangan:
P = Pressure Gauge V = Valve (stop kran)
Eksperimen kedua dimulai dengan pengukuran pada pipa PVC 1” menuju pipa PVC ¾” kemudian kembali ke pipa PVC 1”. Aliran fluida mulai mengalir dari tangka air yang dihisap oleh pompa dan dialirkan melalui valve V2, V3, V4, V5, dan V6 dengan kondisi terbuka, sedangkan valve V7, dan V8 dengan kondisi tertutup. Kemudian aliran fluida tersebut mengalir melewati P2 yang berada pada pipa PVC 1”, P6 dan P10 yang berada pada pipa PVC ¾” serta P14 yang berada pada pipa PVC 1” dimana posisi valve V10 dan V13 terbuka sedangkan V9, V11, V12, V14, V15, V16, dan V17 tertutup yang mengakibatkan aliran
28 fluida mengalir ke atas melewati P18 dan P19 pada elbow. Selanjutnya aliran fluida mengalir melewati valve V19 yang terbuka dan kembali menju tangka air. Untuk mengatur variasi bukaan pada valve dapat dilakukan dengan mengambil data pada valve V10 kemudian dapat dilihat data pada P2, P6, P10 dan P14, data dapat diambil 3-5 kali percobaan.
c. Percobaan ketiga
Gambar 2. 15 Rangkaian Eksperimen Percobaan Ketiga
Rangkaian eksperimen pada percobaan ketiga seperti pada Gambar 2.15 adalah sebagai berikut.
Keterangan:
P = Pressure Gauge V = Valve (stop kran)
Eksperimen ketiga dimulai dengan pengukuran pada pipa PVC 3/4” menuju pipa Stainless Steel 1/2” kemudian kembali ke pipa PVC 3/4”. Aliran fluida mulai mengalir dari tangka air yang dihisap oleh pompa dan dialirkan melalui valve V3, V4, dan V7 dengan kondisi terbuka, sedangkan valve V2 dan V8 dengan kondisi tertutup. Kemudian aliran fluida tersebut mengalir melewati P3 yang berada pada pipa PVC 3/4”, P7 dan P11 yang berada pada pipa Stainless Steel 1/2” serta P15 yang berada pada pipa PVC 3/4” dimana posisi valve V11, V13, dan V14 terbuka sedangkan V9, V10, V12, V15, V16, dan V17 tertutup yang mengakibatkan aliran fluida mengalir ke atas melewati P18 dan P19 pada elbow. Selanjutnya aliran fluida mengalir melewati valve V19 yang terbuka dan kembali menju tangka air. Untuk mengatur variasi bukaan pada valve dapat dilakukan dengan mengambil data pada valve
29 V11 kemudian dapat dilihat data pada P3, P7, P11 dan P15, data dapat diambil 3-5 kali percobaan.
d. Percobaan keempat
Gambar 2. 16 Rangkaian Eksperimen Percobaan Keempat
Rangkaian eksperimen pada percobaan keempat seperti pada Gambar 2.16 adalah sebagai berikut. Keterangan:
P = Pressure Gauge V = Valve (stop kran)
Eksperimen keempat dimulai dengan pengukuran pada pipa PVC 3/4” menuju pipa PVC 1/2” kemudian kembali ke pipa PVC 3/4”.
Aliran fluida mulai mengalir dari tangka air yang dihisap oleh pompa dan dialirkan melalui valve V4, dan V8 dengan kondisi terbuka, sedangkan valve V3 dengan kondisi tertutup. Kemudian aliran fluida tersebut mengalir melewati P4 yang berada pada pipa PVC 3/4”, P8 dan P12 yang berada pada pipa PVC 1/2” serta P16 yang berada pada pipa PVC 3/4” dimana posisi valve V12, V13, V14 dan V15 terbuka sedangkan V9, V10, V11, V16, dan V17 tertutup yang mengakibatkan aliran fluida mengalir ke atas melewati P18 dan P19 pada elbow.
Selanjutnya aliran fluida mengalir melewati valve V19 yang terbuka dan kembali menju tangka air. Untuk mengatur variasi bukaan pada valve dapat dilakukan dengan mengambil data pada valve V12 kemudian dapat dilihat data pada P4, P8, P12 dan P16, data dapat diambil 3-5 kali percobaan.
4) Ambil data pada setiap eksperimen, masing-masing 3-5 kali agar mendapatkan rerata nilai yang sesuai.
5) Masukkan data ke dalam tabel agar mempermudah proses pendataan 6) Hitung dengan menggunakan rumus yang tertera pada kajian teoritis.
30 2.10 Informasi dan Data Tambahan
Spesifikasi pipa:
a. Pipa PVC 1” = 2,54 cm = 0,0254 m b. Pipa PVC ¾” = 1,905 cm = 0,01905 m c. Pipa PVC ½” = 1,27 cm = 0,0127 m d. Pipa Besi ¾” = 1,905 cm = 0,01905 m e. Pipa Stainless Steel ½” = 1,27 cm = 0,0127 m Spesifikasi aliran:
a. Temperatur = 27°C
b. Massa jenis = 998 kg/m3 c. Viskositas dinamik = 8,6 x 10-4 kg/ms Spesifikasi pompa:
Spesifikasi Pompa
Merk Panasonic
Daya luaran 125 W
Arus masuk 1,55 A
Kapasitas air min. 18 lpm
Tinggi air min. 27 m
Daya hisap 9 m
Pipa hisap 1”
Pipa dorong 1”
31 BAB III
PEMBAHASAN 3.1 Tabel
Setelah dilakukan pengambilan data dari praktikum yang telah dilakukan. Data kemudian di ke tabel untuk dilakukan perhitungan rata- rata hasil pengukuran yang kemudian nantiya akan dilakukan perhitungan debit alirannya. Setelah diketahui debit alirannya maka dibuatlah grafik selisih tinggi tekan dengan debit aliran.
Pada pengamatan yang kami lakukan ini, untuk setiap kategori pipa atau katup dilakukan beberapa kali pengukuran. Pengukuran pertama yaitu pengukuran orifice dan venture awal dengan perolehan data sebagai berikut:
A. Pengambilan Data Praktikum Geometris Orifice 1. Tabel pengambilan data pada belokan (elbow)
Tabel 3. 1 pengambilan data pada belokan (elbow)
No
Elbow 90° (suction) ….kg/cm2 (Psi)
P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9
1 13 15 13 13,5 14 16 13 14
2 19 21 20 20 20 19 20 20
3 25 25 24 24 25 23 25 25
4 28 29 28 28 28 27 27,5 28
5 38 39 38 39 37,5 37 37 38
X̄ 24,6 25,8 24,6 24,9 24,9 24,4 24,5 25
32 2. Tabel pengambilan data gesekan pipa
Tabel 3. 2 pengambilan data gesekan pipa
3. Tabel pengambilan data pada orifice
Tabel 3. 3 Pengambilan Data Pada Orifice
No
Pengukuran Aliran Melalui Orifice (Psi; Kpa ; Bar ; Kpf) Orifice Segmental, Orifice Excentric dan Orifice Concentric
Psi Kpa Bar
P10 P11 P10 P11 P10 P11
1 13 13 90 90 0,90 0,90
2 21 21 145 145 1,45 1,45
3 25,5 25,5 175 175 1,75 1,75
4 29 29 200 200 2,00 2,00
5 39,5 39,5 270 270 2,70 2,70
X̄ 25,6 25,6 176 176 1,76 1,76
No
gesekan pipa …. kg/cm2 (Psi)
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8
1 14 13 15 13 13,5 14 13 16
2 21 19 21 20 20 20 20 19
3 26 25 25 24 24 25 25 23
4 28 28 29 28 28 28 27,5 27
5 37,5 38 39 38 39 37,5 37 37
X̄ 25,3 24,6 25,8 24,6 24,9 24,9 24,5 24,4
33 B. Pengambilan Data Praktikum Friction Apparatus
1. Tabel pengukuran tekanan aliran pada diameter pipa (1”) Tabel 3. 4 pengukuran tekanan aliran pada diameter pipa (1”)
No
Pengukuran tekanan aliran (kg/ cm2) atau (lb/ in2= Psi) Tinggi muka air (cm) Diameter pipa paralon ke
besi
Diameter pipa paralon ke paralon
Venturi meter
orifice
Kontraksi Pembesaran Kontraksi Pembesaran in out in out
1” ¾” ¾” 1” 1” ¾” ¾” 1”
1 3,25 2,8 3 2,7 3,5 2,75 2,7 3 138 132,5 136,5 127,6
2 6,8 6,5 6,5 6 4,8 4 3,8 4,4 138 132,5 136,5 127,6
3 7 6,7 6,7 6,5 6 5,8 6 5,5 138 132,5 136,5 127,6
4 7,3 7,1 7 6,8 6,3 6 6 6,2 138 132,5 136,5 127,6
5 8 7,7 7,7 7,5 7,5 7 7,1 7 138 132,5 136,5 127,6
X̄ 6,47 6,16 6,18 5,9 5,62 5,11 5,12 5,22 138 132,5 136,5 127,6
2. Tabel pengukuran tekanan aliran pada diameter pipa (¾ “) Tabel 3. 5 pengukuran tekanan aliran pada diameter pipa (¾ “)
No
Pengukuran tekanan aliran (kg/ cm2) atau (lb/ in2= Psi) Tinggi muka air (cm) Diameter pipa paralon ke
besi
Diameter pipa paralon ke paralon
Venturi meter orifice
Kontraksi Pembesaran Kontraksi Pembesaran in out in out
¾ “ ½” ½” ¾ “ ¾ “ ½” ½” ¾ “
1 3,75 3,3 3,5 3,75 2,9 2,5 1,85 1,6 138 132,5 136,5 127,6 2 4,2 3,75 3,75 4,2 3,6 3,75 2,5 2,4 138 132,5 136,5 127,6 3 6 5,5 5,8 6,2 5,4 5,2 4,3 3,75 138 132,5 136,5 127,6
4 7 6 6,5 7 7 7 6,2 6 138 132,5 136,5 127,6
5 8,2 7,8 7,5 8,3 8 8,2 7,2 7 138 132,5 136,5 127,6 X̄ 5,83 5,27 5,41 5,89 5,38 5,33 4,41 4,15 138 132,5 136,5 127,6
34 3.2 Perhitungan
A. Hasil Pengukuran Geometris Orifice 1) Pengukuran Belokan/elbow
Elbow pada pipa fluida atau cair adalah salah satu komponen penting dalam sistem perpipaan. Elbow berfungsi untuk mengalihkan arah aliran fluida atau cair dalam pipa dan dapat menyebabkan kehilangan energi atau head loss pada sistem.
Rumus lengkap untuk menghitung head loss akibat elbow pada pipa fluida atau cair adalah sebagai berikut:
ℎ𝑚 = 𝐾𝑉2 2𝑔 Dimana:
hm= head loss akibat elbow (m)
K = koefisien kehilangan head akibat elbow (tanpa satuan) V = kecepatan aliran fluida (m/s)
g = percepatan gravitasi (9.81 𝑚/𝑠2)
Koefisien kehilangan head akibat elbow (K) dapat dihitung menggunakan rumus empiris atau rumus yang diberikan oleh standar seperti ASME atau DIN. Berikut adalah rumus empiris untuk menghitung K:
𝐾 = 0.9 + 0.5 × (𝐷𝑟
𝑅 )13× (45 − 0,5 × 𝜃)/45 Dimana:
Dr = diameter relatif pipa = D / R D = diameter pipa (m)
R = jari-jari pusat belokan (m) 𝜃 = sudut belokan (derajat)
Rumus ini berlaku untuk sudut belokan 90° atau kurang dan pipa dengan aliran turbulen. Sehingga pada data diatas jumlah tekanan bisa digunakan untuk mencari debit dan kecepatan aliran fluida (V) dengan rumus:
𝑉 = 𝑄
(𝐴 × 60)
dimana A adalah luas penampang pipa. Karena yang diketahui diameter dalam, maka A dapat dihitung dengan rumus luas lingkaran, yaitu:
𝑄 = 𝐶𝑑 × 𝐴 × √(2𝑔ℎ)
35 di mana:
1. Q adalah debit aliran fluida dalam satuan meter kubik per detik (𝑚3/𝑠)
2. Cd adalah koefisien discharge orifice, yang merupakan rasio antara debit aliran aktual yang terukur dan debit aliran teoritis yang diharapkan, dan tidak memiliki satuan.
3. A adalah luas penampang orifice dalam satuan meter persegi (𝑚2)
4. g adalah percepatan gravitasi dalam satuan meter per detik kuadrat (𝑚/𝑠2)
5. h adalah head loss (selisih tekanan) yang diukur di sepanjang pipa antara titik sebelum orifice (upstream) dan titik setelah orifice (downstream) dalam satuan meter (m).
Maka:
ℎ𝑚 = 0.3𝑉2 2𝑔 Kecepatan aliran fluida :
𝑉 =𝑄 𝐴
𝑄 =𝐾𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑚𝑎𝑥 (𝐶𝑚𝑎𝑥) 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑛𝑎𝑚𝑝𝑎𝑛𝑔 𝑄 =19.000
2,54
𝑄 = 7.480,3 𝑐𝑚3/𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 𝑄 = 0,0001235 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟3/𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘
𝐴 =3,14 × 2,42 4 𝐴 = 4,52 𝑐𝑚2
Cmax = 19 liter/menit = 19.000𝑐𝑚3/menit
Maka kecepatan aliran fluida yang didapat adalah 𝑉 =𝑄
𝐴
𝑉 =0,0001235 𝑚3/𝑠
4,52 × 10−4 𝑚2 = 0,272 𝑚/𝑠
Sehingga aliran kecepatan fluida pada pipa 1 inch 0,272 𝑚/𝑠 Kemudian Head losses pada elbow 90° yaitu:
36 ℎ𝑚 =0,3 × 0,2722
2 × 9,81
=0,0221
19,62 = 0,0011 𝑚
Maka dalam kasus percobaan praktikum head losses pada elbow atau belokan pipa 90° mengalami kehilangan sebesar 0,0011 m.
2) Pengukuran Gesekan Pipa
a. Percobaan gesekan pada pipa P1 dan P2 h = 25,3-24,6= 0,7 cm
L = 210 cm D = 2,54 cm
𝑉 = √2𝑔ℎ = √2 × 9,81 × 0,7 = 3,70 f = 0,1
g = 9,81 𝑚/𝑠2 ℎ𝑓 = 𝐿
𝐷×𝑉2
2𝑔× 𝑓 = 210
2,54× 3,702
2 × 9,81× 0,1 = 5,77𝑐𝑚
= 0,0577 𝑚
b. Percobaan gesekan pada pipa p3 dan p4 h =25,8-24,6= 1,2 cm
L = 210 cm D = 2,54 cm
𝑉 = √2𝑔ℎ = √2 × 9,81 × 1,2 = 4,85
f = 0,1 g = 9,81 𝑚/𝑠2
ℎ𝑓 = 𝐿 𝐷×𝑉2
2𝑔× 𝑓 = 210
2,54× 4,852
2 × 9,81× 0,1 = 9,91 𝑐𝑚
= 0,0991 𝑚 c. Percobaan Gesekan pipa p5 dan p6
h = 2,49-2,49 = 0 cm L = 210 cm
D = 2,54 cm
𝑉 = √2𝑔ℎ = √2 × 9,81 × 0 = 0 f = 0,1
g = 9,81 𝑚/𝑠2 ℎ𝑓 = 𝐿
𝐷×𝑉2
2𝑔× 𝑓 = 210
2,54× 02
2 × 9,81× 0,1 = 0 𝑐𝑚 = 0 𝑚 d. Percobaan Gesekan pipa p7 dan p8
h = 24,5-24,4 = 0,1 cm L = 210 cm
D = 2,54 cm
37 𝑉 = √2𝑔ℎ = √2 × 9,81 × 0,1 = 1,40
f = 0,1 g = 9,81 𝑚/𝑠2
ℎ𝑓 = 𝐿 𝐷×𝑉2
2𝑔× 𝑓 = 210
2,54× 1,402
2 × 9,81× 0,1 = 0,83 𝑐𝑚
= 0,0083 𝑚 B. Hasil Pengukuran Friction Apparatus
1) Pengkuran Kontraksi 1” ke ¾”
a. Pipa paralon ke besi (1” ke ¾”) h =6,47-6,16 = 0,31 cm
v = √2𝑔ℎ = √2 × 9,81 × 0,31 = 2,46 ℎ𝑐 = ( 1
𝑐𝑐− 1 )2× 𝑉2 2𝑔
ℎ𝑐 = ( 1
0,625− 1 )2× 2,462 2 × 9,81
ℎ𝑐 = (0,6)2× 6,05 19,62 hc = 0,111 cm
b. Pipa paralon ke paralon (1”ke ¾”) h = 5,62-5,11 = 0,54 cm
v = √2𝑔ℎ = √2 × 9,81 × 0,54 = 3,25 ℎ𝑐 = ( 1
𝑐𝑐− 1 )2× 𝑉2 2𝑔
ℎ𝑐 = ( 1
0,625− 1 )2× 3,252 2 × 9,81
ℎ𝑐 = (0,6)2× 10,56 19,62 hc = 0,194 cm
Percobaan pengukuran karakteristik orifice flow meter dan venture flow meter
a. Venturi
h = 138–132,5 = 5,5 cm K = 0,97 (koefisien orifice)
38 d1 = 2,54 cm
d2 = 1,905 cm
𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠 = 981 𝑐𝑚/𝑠 A1 = 𝜋
42,542 = 5,06 𝑐𝑚2 A2 = 𝜋
41,9052 = 2,85𝑐𝑚2 𝑄 = K 𝐴1−𝐴2
√𝐴12−𝐴22√2𝑔ℎ 𝑄 = 0,97 5,06−2,85
√5,062−2,852√2 . 981 . 5,5
= 52,39 cm3/s b. Orifice
h = 136.5– 127,6= 8,9 cm K = 0,97 (koefisien orifice) d1 = 2,54 cm
d2 = 1,905 cm
𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠 = 981 𝑐𝑚/𝑠 A1 = 𝜋
42,542 = 5,06 𝑐𝑚2 A2 = 𝜋
41,9052 = 2,85𝑐𝑚2 𝑄 = K 𝐴1−𝐴2
√𝐴12−𝐴22√2𝑔ℎ 𝑄 = 0,97 5,06−2,85
√5,062−2,852√2 . 981 . 8,9 = 66,65 cm3/s
2) Pengkuran Kontraksi ¾” ke ½”
a. Pipa paralon ke besi (3/4” ke 1/2”) h = 5,83–5,27 = 0,56cm
v = √2𝑔ℎ = √2 × 9,81 × 0,56 = 3,31cm ℎ𝑐 = ( 1
𝑐𝑐− 1 )2× 𝑉2 2𝑔
ℎ𝑐 = ( 1
0,625− 1 )2× 3,312 2 × 9,81
ℎ𝑐 = (0,6)2× 10,96 19,62 hc = 0,201 cm
b. Pipa paralon ke paralon (3/4”ke 1/2”) h = 5,38-5,33 = 0,05 cm
v = √2𝑔ℎ = √2 × 9,81 × 0,05 = 0,99 cm
39 ℎ𝑐 = ( 1
𝑐𝑐− 1 )2× 𝑉2 2𝑔
ℎ𝑐 = ( 1
0,625− 1 )2× 0,992 2 × 9,81
ℎ𝑐 = (0,6)2× 1 19,62 hc = 0,018 cm
Percobaan pengukuran karakteristik orifice flow meter dan venture flow meter
a. Venturi
h = 138– 132,5= 5,5 cm K = 0,97 (koefisien orifice) d1 = 1,905 cm
d2 = 1,27cm
𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠 = 981 𝑐𝑚/𝑠 A1 = 𝜋
41,9052 = 2,85 𝑐𝑚2 A2 = 𝜋
41,272 = 1,26𝑐𝑚2 𝑄 = K 𝐴1−𝐴2
√𝐴12−𝐴22√2𝑔ℎ 𝑄 = 0,97 2,85−1,26
√2,852−1,262√2 . 981 . 5,5
= 257 cm3/s b. Orifice
h = 136,5–127,6= 8,9 cm K = 0,97 (koefisien orifice) d1 = 2,54 cm
d2 = 1,905 cm
𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠 = 981 𝑐𝑚/𝑠 A1 = 𝜋
41,9052 = 2,85 𝑐𝑚2 A2 = 𝜋
41,272 = 1,26𝑐𝑚2 𝑄 = K 𝐴1−𝐴2
√𝐴12−𝐴22√2𝑔ℎ 𝑄 = 0,97 2,85−1,26
√2,852−1,262√2 . 981 . 8,9 = 326,8 cm3/s
40 BAB IV
PENUTUP 4.1 Kesimpulan
Dari praktikum Fenomena Dasar Mesin ini dapat diambil kesimpulan, diantaranya yaitu :
1. Orifice adalah perangkat yang digunakan untuk mengukur laju aliran fluida dalam pipa dengan memanfaatkan perubahan tekanan pada orifice.
2. Pada praktikum ini menggunakan orifice dengan diameter tertentu untuk mengukur laju aliran air dalam pipa dengan cara mengukur perbedaan tekanan sebelum dan sesudah orifice menggunakan manometer.
3. Laju aliran fluida dapat dihitung menggunakan persamaan Bernoulli yang memperhitungkan perubahan tekanan dan kecepatan aliran.
4. Semakin besar diameter orifice, semakin besar pula laju aliran fluida yang dapat diukur. Namun, semakin besar pula tekanan yang dibutuhkan untuk menggerakkan fluida melalui orifice.
5. Praktikum fenomena dasar mesin pipa orifice dapat digunakan untuk memahami prinsip-prinsip dasar pengukuran laju aliran fluida dalam pipa dan memperkenalkan mahasiswa dengan perangkat-perangkat yang digunakan dalam pengukuran tersebut.
4.2 Saran
Pada praktikum ini terdapat beberapa saran, antara lain:
1. Sebaiknya perawatan alat praktikum lebih diperhatikan karena pada saat praktikum masih terjadi kebocoran pada pipa.
2. Menambah sarana dan prasarana untuk menambah kenyamanan dan mempercepat proses praktikum.
3. Memperbaiki laboratorium menjadi tempat yang lebih kondusif untuk praktikan.
41 DAFTAR PUSTAKA
M. White, Frank dan Hariandja, Manahan 1988. Mekanika Fluida. Jakarta:
Erlangga
Salimin. 2009. Pengaruh Perubahan Aliran Tehadap Koefisien Kerugian Dinamika Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Tim Laboratorium. 2015. Buku Panduan Praktikum Fenomena Dasar Mesin.
Magelang: Universitas Tidar
Alfiana, Fitri. 2018. “Laporan Praktikum Fenomena Dasar Mesin Fluid Friction Apparatus (Sistem Model MF 101)”. Magelang: Universitas Tidar.
Septiantoro, Andy. 2019. “Laporan Praktikum Fenomena Dasar Mesin Fluid Friction Apparatus (Sistem Model MF 101)”. Magelang: Universitas Tidar
