Aliran Dalam Pipa [PDF]

Citation preview

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang semakin modern pada saat sekarang ini, kemudian berbagai perusahaan membutuhkan tenaga kerja yang sangat ahli dan terampil dalam bekerja terutama di bidang permesinan. Dengan adanya teknologi yang serba canggih pada saat ini juga sangat membantu dan mempermudah manusia dalam melakukan setiap pekerjaannya termasuk mengoperasikan sistem aliran dalam pipa. Fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari benda padat karena kemampuannya untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena kemampuannya untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena ikatan molekul dalam fluida jauh lebih kecil dari ikatan molekul dalam zat padat, akibatnya fluida mempunyai hambatan yang relatif kecil pada perubahan bentuk karena gesekan.



Pada umumnya setiap mahasiswa jurusan teknik mesin harus dapat memahami dan menguasai prinsip-prinsip dasar dalam mengoperasikan sistem aliran dalam pipa. Dengan melakukan sebuah praktikum aliran dalam pipa diharapkan mahasiswa jurusan teknik mesin akan mengetahui proses, mengetahui alat-alat yang digunakan pada saat praktikum aliran dalam pipa, memperoleh skill dan sikap yang profesional serta mengetahui faktor-faktor keamanan pada proses aliran dalam pipa. Dengan mengetahui prinsip-prinsip dasar mengoperasikan aliran dalam pipa, diharapkan agar setiap mahasiswa jurusan teknik mesin mempunyai keahlian dan keterampilan sehingga mampu berfikir kreatif dan dinamis dalam memecahkan berbagai persoalan yang dihadapi di dunia kerja secara efektif dan efisien.



1.2 Maksud dan Tujuan 1



2



1. Mahasiswa dapat menjelaskan mengenai aliran dalam pipa. 2. Mahasiswa dapat mengetahui jenis-jenis aliran dan kegunaannya. 3. Mahasiswa dapat mengetahui bagaimana prinsip kerja dari praktikum aliran dalam pipa. 4. Mahasiswa dapat mengetahui alat-alat ukur yang digunakan dalam praktikum aliran dalam pipa. 5. Mahasiswa mampu menerapkan K3 dalam pengoperasian aliran dalam pipa. 1.3 Sistematika Penulisan Dalam laporan praktikum aliran dalam pipa ini terdapat sistematika penulisan sebagai berikut : BAB I Pendahuluan Bab ini terdiri dari latar belakang, maksud dan tujuan, serta sistematika penulisan. BAB II Teori Dasar Bab ini terdiri dari teori-teori dasar yang mengenai aliran dalam pipa. BAB III Jurnal Praktikum Bab ini terdiri dari maksud dan tujuan, alat dan bahan, langkah kerja dari setiap percobaan dan kesimpulan. BAB IV Pembahasan Soal Bab ini terdiri dari soal-soal yang berkaitan dengan aliran dalam pipa beserta jawabannya. BAB V Penutup Bab ini berisikan tentang kesimpulan-kesimpulan yang dapat ditarik dari praktikum yang telah dilaksanakan.



BAB II TEORI DASAR 2.1 Pengertian Aliran Dalam Pipa Aliran dalam pipa adalah aliran zat cair atau fluida pada saluran tertutup yang biasanya berpenampang lingkaran yang digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh. Fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari benda padat karena kemampuannya untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena ikatan molekul dalam fluida jauh lebih kecil dari ikatan molekul dalam zat padat, akibatnya fluida mempunyai hambatan yang relatif kecil pada perubahan bentuk karena gesekan. Zat padat mempertahankan suatu bentuk dan ukuran yang tetap, sekalipun suatu gaya yang besar diberikan pada zat padat tersebut, zat padat tidak mudah berubah bentuk maupun volumenya, sedangkan zat cair dan gas, zat cair tidak mempertahankan bentuk yang tetap, zat cair mengikuti bentuk wadahnya dan volumenya dapat diubah hanya jika diberikan padanya gaya yang sangat besar dan gas tidak mempunyai bentuk dan maupun volume yang tetap, gas akan berkembang mengisi seluruh wadah. Karena fase cair dan gas tidak mempertahankan suatu bentuk yang tetap, keduanya mempunyai kemampuan untuk mengalir. Dengan demikian kedua-duanya sering secara kolektif disebut sebagai fluida.



Gambar 2.1 Aliran dalam pipa 3



4



Fluida yang di alirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas dan tekanan bisa lebih besar atau lebih kecil dari tekanan atmosfer. Apabila zat cair di dalam pipa tidak penuh maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka atau karena tekanan di dalam pipa sama dengan tekanan atmosfer (zat cair di dalam pipa tidak penuh), aliran temasuk dalam pengaliran terbuka. Karena mempunyai permukaan bebas, maka fluida yang dialirkan dalah zat cair. Tekanan dipermukaan zat cair disepanjang saluran terbuka adalah tekanan atmosfer. 2.2 Jenis-Jenis Aliran Dalam Pipa 2..2.1 Aliran Laminer Laminer bersal dari bahasa latin thin plate yang berarti plate tipis atau aliran sangat halus. Pada aliran laminer, gaya viscous (gesek) yang relatif besar mempengaruhi kecepatan aliran sehingga semakin mendekati dinding pipa, semakin rendah kecepatannya. Secara teori, aliran ini berbentuk parabola dengan bagian tengah mempunyai kecepatan paling pinggir mempunyai kecepatan paling rendah akibat adanya gaya gesekan.



Gambar 2.2 Aliran Laminer



5



2.2.2 Aliran Turbulen Pada aliran turbulen, gaya momentum aliran lebih besar dibandingkan gaya gesekan dan pengaruh dari dinding pipa menjadi kecil. Karenanya aliran turbulen memberikan profil kecepatan yang lebih seragam dibandingkan aliran laminer, walaupun pada lapisan fluida dekat dinding pipa tetap laminer. Profil kecepatan pada daerah transisi antara laminer dan turbulen dapat tidak stabil dan sulit untuk diperkirakan karena aliran dapat menunjukkan sifat dari daerah aliran laminer maupun turbulen atau osilasi antara keduanya. Pada beberapa tempat, aliran turbulen dibutuhkan untuk pencampuran zat cair



Gambar 2.3 Aliran Turbulen Untuk pipa-pipa halus dan kasar hukum-hukum tahanan universal dapat diturunkan dari :



f=



...............................................................................................(2.1)



Keterangan: f = faktor gesek. 0τ



= tegangan geser pada dinding pipa. = kerapatan air (density).



V



= kecepatan aliran.



6



Untuk menentukan tegangan geser yang ditimbulkan oleh turbulensi, dipandang aliran zat cair melalui suatu elemen dengan luas dA. 2.2.3 Aliran Transisi Aliran transisi yaitu merupakan salah satu aliran-aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran yang turbulen.



Gambar 2.4 Aliran Transisi Jenis aliran fluida didalam pipa tergantung pada beberapa faktor, yaitu : 1. Kecepatan fluida (V) didefinisikan besarnya debit aliran yang mengalir persatuan luas. V=



.......................................................................(2.2)



2. Debit (Q) didefinisikan suatu kecepatan aliran fluida yang memberikan banyaknya volume fluida dalam pipa. Q = A х V [ m3.detik ] .......................................................................(2.3) Dimana :



V = kecepatan aliran (m) Q = laju aliran (m3)



7



A = luas pipa (m2) 2.3 Sifat-Sifat Dasar Fluida Cairan dan gas disebut fluida, sebab zat cair tersebut dapat mengalir. Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida. Adapun sifat – sifat dasar fluida yaitu; kerapatan (density), berat jenis (specific gravity), tekanan (pressure), kekentalan (viscosity). 2.3.1 Kerapatan (Density) Kerapatan atau density dinyatakan dengan ρ (ρ adalah huruf kecil Yunani yang dibaca “rho”), didefinisikan sebagai massa per satuan volume. ...................................................................................(2.4) Dimana :



(kg/m3)



= kerapatan m = massa benda



(kg)



v = volume



(m3)



Pada persamaan 2.2 diatas, dapat digunakan untuk menuliskan massa dengan persamaan sebagai berikut : m=



Dimana :



xv



...................................................................................(2.5)



= kerapatan



(kg/m3)



m = massa benda



(kg)



v = volume



(m3)



Kerapatan adalah suatu sifat karakteristik setiap bahan murni. Benda tersusun atas bahan murni, misalnya emas murni, yang dapat memiliki berbagai ukuran ataupun massa, tetapi kerapatannya akan sama untuk semuanya. Satuan SI untuk kerapatan adalah kg/m3. Kadang kerapatan diberikan dalam g/cm 3. Dengan catatan bahwa jika kg/m3 = 1000 g/(100 cm)3, kemudian kerapatan yang diberikan dalam g/cm3 harus dikalikan dengan 1000 untuk memberikan hasil dalam kg/m3. Dengan demikian kerapatan air adalah 1,00 g/cm3, akan sama dengan 1000 kg/m3. Berbagai kerapatan bahan diunjukkan pada tabel 1.1. Dalam tabel 1.1 tersebut ditetapkan suhu dan



8



tekanan karena besaran ini akan dipengaruhi kerapatan bahan (meskipun pengaruhnya kecil untuk zat cair).



Tabel 2.1 Berbagai Kerapatan (Density) Bahan Bahan



Kerapatan



(kg/m3)



Cair 0



1.00 x 103 1.03 x 103 1.05 x 103 1.025 x 103 13.6 x 103 0.79 x 103 0.68 x 103



Air pada suhu 4 C Darah, plasma Darah seluruhnya Air laut Raksa Alkohol, alkyl Bensin Gas Udara Helium Karbon dioksida Uap air pada suhu 1000C



1.29 0.179 1.98 0.598



2.3.2 Berat Jenis (Specific Gravity) Berat jenis suatu bahan didefinikan sebagai perbandingan kerapatan bahan terhadap kerapatan air. Berat jenis (specific gravity disingkat SG) adalah besaran murni tanpa dimensi maupun satuan, dinyatakan pada persamaan 2-3 dan 2-4 sebagai berikut:



Untuk fluida cair SGc =



...........................................................(2.6)



Untuk fluida cair SGg =



...........................................................(2.7)



Dimana :



ρc = massa jenis cairan (g/cm3) ρw= massa jenis air



(g/cm3)



9



ρg = massa jenis gas (g/cm3) ρa = massa jenis udara (g/cm3)



2.3.3 Tekanan (Pressure) Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, dengan gaya F dianggap bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan A, maka :



P = [N/m2]



Dimana :



...................................................................................(2.8)



P = tekanan (N/m2) F = gaya (N) A = luas permukaan (m2)



Satuan tekanan dalam SI adalah N/m2. Satuan ini mempunyai nama resmi Pascal (Pa), untuk penghormatan terhadap Blaise Pascal dipakai 1 Pa = 1 N/m 2. Namun untuk penyederhanaan, sering menggunakan N/m2. Satuan lain yang digunakan adalah dyne/cm2, lb/in2, (terkadang disingkat dengan “psi”) dan kg/cm2 (apabila kilogram adalah gaya : yaitu 1 kg/cm 2 = 10 N/cm2). Sebagai contoh perhitungan tekanan, seorang dengan berat 60 kg yang kedua kakinya menutupi luasan 500 cm2 akan menggunakan tekanan sebesar : F/A = m.g/A = (60 kg х 9,8 m/det2) / 0,050 m2 = 11760 kg/m2 = 12 х 104 N/m2 terhadap tanah. Jika orang tersebut berdiri dengan satu kaki atau dua kaki dengan luasan yang lebih kecil, gayanya akan sama tetapi karena luasannya menjadi 1⁄2 maka tekanannya akan menjadi dua kali yaitu 24 х 104 N/m2. Konsep tekanan sangat berguna terutama dalam berurusan dengan fluida. Sebuah fakta eksperimental menunjukkan bahwa fluida menggunakan tekanan ke semua arah. Hal ini sangat dikenal oleh para perenang dan juga penyelam yang secara langsung merasakan tekanan air pada seluruh bagian tubuhnya. Pada titik tertentu dalam fluida diam, tekanan sama untuk semua arah. Ini diilustrasikan dalam gambar 2.5. Bayangan fluida dalam sebuah kubus kecil sehingga kita dapat



10



mengabaikan gaya gravitasi yang bekerja padanya. Tekanan pada suatu sisi harus sama dengan tekanan pada sisi yang berlawanan. Jika hal ini tidak benar, gaya netto yang bekerja pada kubus ini tidak akan sama dengan nol, dan kubus ini akan bergerak hingga tekanan yang bekerja menjadi sama..



Gambar 2.5 Sebuah kubus Tekanan adalah sama di setiap arah dalam suatu fluida pada kedalaman tertentu jika tidak demikian maka fluida akan bergerak. Tekanan dalam cairan yang mempunyai kerapatan seragam akan bervariasi terhadap kedalaman. Bayangan sebuah titik yang terletak pada kedalaman h dibawah permukaan cairan. Bayangan sebuah titik yang terletak pada kedalaman h dibawah permukaan cairan. Tekanan yang disebabkan oleh cairan pada kedalaman h ini disebabkan oleh berat kolom cairan di atasnya. Dengan demikian gaya yang bekerja pada luasan tersebut adalah F = mg = ρAhg



.......................................................................(2.9)



Dimana : m adalah massa dari suatu benda



(kg)



F adalah gaya yang bekerja



(N)



Ah adalah volume kolom tersebut



(m3)



ρ adalah kerapatan cairan



(kg/m3)



g adalah percepatan gravitasi



(m/s2)



Kemudian tekanan P adalah P=



=



....................................................................(2.10)



11



P=



xgxh



.....................................................................(2.11)



Dengan demikian, tekanan berbanding lurus dengan kerapatan cairan dan kedalaman cairan tersebut. Secara umum, tekanan pada kedalaman yang sama dalam cairan yang seragam sama. Persamaan 2.8, berlaku untuk fluida yang kerapatannya konstan dan tidak berubah terhadap kedalaman yaitu, jika fluida tersebut tak dapat dimampatkan (incompressible). Ini biasanya merupakan pendekatan yang baik untuk fluida (meskipun pada kedalaman yang sangat dalam didalam lautan, kerapatan air naik terutama akibat pemampatan yang disebabkan oleh berat air dalam jumlah besar diatasnya). Dilain pihak, gas dapat mampat dan kerapatannya dapat bervariasi cukup besar terhadap perubahan kedalaman. Jika kerapatannya hanya bervariasi sangat kecil, persamaan 2.9 berikut dapat digunakan untuk menentukan perbedaan tekanan Δp pada ketinggian yang berbeda, persamaannya dapat dituliskan seperti dibawah ini : Δp = ρ g Δh [ mmHg ]



.........................................................(2.12)



Dimana : Δp = perbedaan tekanan (mmHg) ρ = kerapatan



(kg/m3)



g = gravitasi



(m/det2)



Δh = pertambahan kedalaman



(m)



2.3.4 Kekentalan (Viscosity) Kekentalan (Viscosity) didefinisikan sebagai gesekan internal atau gesekan fluida terhadap wadah dimana fluida itu mengalir. Ini ada dalam cairan atau gas, dan pada dasarnya adalah gesekan antar lapisan fluida yang berdekatan ketika bergerak melintasi satu sama lain atau gesekan antara fluida dengan wadah tempat ia mengalir. Dalam cairan, kekentalan disebabkan oleh gaya kohesif antara molekul-molekulnya sedangkan gas, berasal tumbukan diantara molekul-molekul tersebut. Kekentalan fluida yang berbeda dapat dinyatakan secara kuantatif dengan koefisien kekentalan, η yang didefinisikan seperti fluida diletakkan diantara dua lempengan datar. Salah satu lempengan diam dan yang lain dibuat bergerak. Fluida yang secara langsung bersinggungan dengan masing-masing lempengan ditarik



12



pada permukaanya oleh gaya rekat diantara molekul-molekul cairan dengan kedua lempengan tersebut. Dengan demikian permukaan fluida sebelah atas bergerak dengan laju v yang seperti lempengan atas, sedangkan fluida yang bersinggungan dengan lempengan diam bertahan diam.



Kenaikan kecepatan dibagi oleh jarak dengan perubahan ini dibuat – sama dengan v/I disebut gradien kecepatan. Untuk menggerakkan lempengan diatas memerlukan gaya, yang dapat dibuktikan dengan menggerakkan lempengan datar melewati genangan fluida. Untuk fluida tertentu, diperoleh bahwa gaya sebagai berikut:



]



F=



.....................................................................................(2.13)



Untuk fluida yang berbeda, fluida yang kental, diperlukan gaya yang lebih besar. Tetapan kesebandingan untuk persamaan ini didefinisikan sebagai koefisien kekentalan, η :



η =



Dimana :



.....................................................................................(2.14)



F = gaya (kg/m2) A = luasan fluida yang bersinggungan dengan setiap lempengan (m2) V = kecepatan fluida (m/detik2) L = Jarak lempengannya (m2) η = koefisien kekentalan (pa.s)



Penyelesaian untuk η, kita peroleh η = FI/vA. Satuan SI untuk η adalah N.s/m2 = Pa.s (pascal.detik). Dalam sistem cgs, satuan ini adalah dyne.s/cm2 dan satuan ini disebut poise (P). Kekentalan sering dinyatakan dalam centipoises (cP), yaitu 1/100 poise. Tabel 2.2 menunjukkan daftar koefisien kekentalan untuk



13



berbagai fluida. Suhu juga dispesifikasikan, karena mempunyai efek yang berpengaruh dalam menyatakan kekentalan cairan seperti minyak motor, sebagai contohnya, menurun dengan cepat terhadap kenaikan suhu.



Tabel 2.2 Koefisien kekentalan untuk berbagai fluida Fluida Air Darah seluruh tubuh Plasma darah Alkohol ethyl Mesin-mesin Gliserin Udara Hidrogen Uap air



Suhu 0 20 100 37 37 20 30 20 20 0 100



Koefisien kekentalan η (Pa.s) 1,8 x 10-3 1,0 x 10-3 0,3 x 10-3 4 x 10-3 1,5 x 10-3 1,2 x 10-3 200 x 10-3 1500 x 10-3 0,018 x 10-3 0,009 x 10-3 0,013 x 10-3



2.4 Aliran Dalam Tabung Jika fluida tidak mempunyai kekentalan, ia dapat mengalir melalui tabung atau pipa mendatar tanpa memerlukan gaya. Oleh karena itu adanya kekentalan, perbedaan tekanan antara kedua ujung tabung diperlukan untuk aliran mantap setiap fluida nyata, misalnya air atau minyak didalam pipa. Laju alir dalam tabung bulat bergantung pada kekentalan fluida, perbedaan tekanan, dan dimensi tabung. Seorang ilmuan Perancis J.L Poiseuille (1977-1869), yang tertarik pada fisika sirkulasi darah (yang menamakan “poise”), menentukan bagaimana variabel yang mempengaruhi laju aliran fluida yang tak dapat mampat yang menjalani aliran laminar dalam sebuah tabung silinder. Hasilnya dikenal sebagai persamaan Poiseuille sebagai berikut : Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor.



14



Q=



.................................................................................(2.15)



Dimana : r = jari-jari dalam tabung (m) L = panjang tabung (m) P1-P2 = perbedaan tekanan pada kedua ujung (atm) η = kekentalan (P.s/m2) Q = laju aliran volume (m3/detik) 2.4.1 Persamaan Kontuinitas Gerak fluida didalam suatu tabung aliran haruslah sejajar dengan dinding tabung. Meskipun besar kecepatan fluida dapat berbeda dari suatu titik ke titik lain didalam tabung. Pada gambar II-4 menunjukkan tabung aliran untuk membuktikan persamaan kontinuitas.



Gambar 2.6 Tabung aliran membuktikan persamaan kontuinitas Pada gambar 2.6, misalkan pada titik P besar kecepatan adalah V1, dan pada titik Q adalah V2. Kemudian A1 dan A2 adalah luas penampang tabung aliran tegak lurus pada titik Q. Didalam interval waktu Δt sebuah elemen fluida mengalir kirakira sejauh VΔt. Maka massa fluida Δm1 yang menyeberangi A1 selama interval waktu Δt adalah



15



Δm = ρ1 A1 V1 Δt



.....................................................................(2.16)



Dengan kata lain massa Δm1/Δt adalah kira-kira sama dengan ρ1A1V1. Kita harus mengambil Δt cukup kecil sehingga didalam interval waktu ini baik V maupun A tidak berubah banyak pada jarak yang dijalani fluida, sehingga dapat ditulis massa di titik P adalah ρ1A1V1 massa di titik Q adalah ρ2A2V2, dimana ρ1 dan ρ2 berturut-turut adalah kerapatan fluida di P dan Q. Karena tidak ada fluida yang berkurang dan bertambah maka massa yang menyeberangi setiap bagian tabung per satuan waktu haruslah konstan. Maka massa P haruslah sama dengan massa di Q, sehingga dapatlah ditulis; ρ1A1V1 = ρ2A2V2



.....................................................................(2.17)



atau ρ A V = konstan



.....................................................................(2.18)



Persamaan (2-19) berikut menyatakan hukum kekekalan massa didalam fluida. Jika fluida yang mengalir tidak termampatkan, dalam arti kerapatan konstan maka persamaan (2-19) dapat ditulis menjadi : A1 V1 = A2 V2



.....................................................................(2.19)



atau A V = konstan



.....................................................................(2.20)



Persamaan diatas dikenal dengan persamaan kontinuitas. 2.5 Pengenalan Alat Ukur Didalam pabrik-pabrik pengolahan dilengkapi dengan berbagai macam alat pengoperasian. Setiap peralatan saling mendukung antara satu peralatan dengan peralatan lainnya. Untuk mencapai hasil yang diinginkan maka diperlukan peralatan pendukung. Salah satu peralatan pendukung yang penting dalam suatu pabrik adalah peralatan instrument



pabrik.



Peralatan



instrument



merupakan



bagian



dari



kelengkapan



keterpasangan peralatan yang dapat dipergunakan untuk mengetahui dan memperoleh sesuatu yang dikehendaki dari suatu kegiatan kerja peralatan mekanik. Salah satu peralatan instrument yang penting adalah alat ukur. Penggunaan alat ukur dalam pabrik



16



sangat banyak digunakan, ini bertujuan untuk menjaga agar hasil yang diinginkan sesuai dengan kebutuhan sehingga perlu adanya peliharaan/perawatan dari alat ukur.



Alat-alat ukur instrument yang dipergunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran suatu fluida disebut sebagai alat ukur aliran fluida, yaitu ; 1. Alat Ukur Primer Yang dimaksud dengan alat ukur primer adalah bagian alat ukur yang berfungsi sebagai alat perasa. 2. Alat Ukur Sekunder Alat ukur sekunder adalah bagian yang mengubah dan menunjukkan besaran aliran yang dirasakan alat perasa supaya dapat dibaca. Alat ukur yang sering kita jumpai di dalam pabrik dibagi menurut fungsinya yaitu; a. Alat Pengukur Aliran Alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran dari fluida yang mengalir. b. Alat pengukur tekanan Alat yang digunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran tekanan dari fluida. c. Alat pengukur tinggi permukaan cairan Alat yang digunakan untuk mengukur ketinggian permukaan fluida. d. Alat pengukur temperatur Alat yang digunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran temperatur. 2.6 Mengatur Kecepatan Pada Armateur Jika fluks Φ tetap dijaga konstan, dan kecepatannya berubah berdasarkan armature voltage (Es). Dengan naiknya atau turunnya Es, kecepatan motor akan naik atau turun sesuai dengan perbandingannya. Pada gambar di atas dapat dilihat bahwa Es dapat divariasikan dengan menghubungkan motor armature M ke excited variable voltage dc generator G yang berbeda. Field excitation dari motor tetap dijaga tetap kosntan, tetapi generator Ix bisa divariasikan dari nol sampai maksimum dan bahkan sebaliknya. Oleh sebab itu generator output voltage Es bisa divariasikan dari nol sampai maksimum, baik dalam polaritas



17



positif maupun negatif. Oleh karena itu, kecepatan motor dapat divariasikan dari nol sampai maksimum dalam dua arah. Metode speed control ini, dikenal sebagai sistem Ward-Leonard, ditemukan di pabrik baja (steel mills), lift bertingkat, pertambangan, dan pabrik kertas. Dalam instalasi modern, generator sering digantikan dengan high power electronic converter yang mengubah ac power dari listrik ke dc. Ward-Leonard sistem lebih dari sekadar cara sederhana dengan menerapkan suatu variabel dc ke armature dari motor dc. Hal tersebut benar-benar dapat memaksa motor utnuk mengembangkan torsi dan kecepatan yang dibutuhkan oleh beban. Contohnya, misalkan Es disesuaikan dengan sedikit lebih tinggi daripada Eo dari motor. Arus akan mengalir dengan arah sesuai dengan gambar di atas, dan motor mengembangkan torsi yang positif. Armature dari motor menyerap power karena I mengalir ke terminal positif.



Sekarang, misalkan kita mengurangi Es dengan mengurangi excitation ΦG. Segera setelah Es menjadi kurang dari Eo, arus I berbalik. Hasilnya, torsi motor berbalik dan armature dari motor menghantarkan daya ke generator G. Akibatnya, motor dc mendadak menjadi generator dan generator G mendadak menjadi motor. Maka, dengan mengurangi Es, motor tiba-tiba dipaksa untuk memperlambat. Saat generator menerima daya listrik, generator beroperasi sebagai motor mengendalikan motor ac sendiri sebagai asynchrounous generator. Hasilnya, ac power memberikan kembali ke rangkaian yang biasanya memberikan motor ac. Kenyataannya daya bisa diperoleh kembali, cara ini membuat Ward-Leonard sistem menjadi sangat efisien. Kecepatan dari motor dan dihubungkan ke beban mekanis akan cepat jatuh dibawah pengaruh electromechanical braking torque. Cara lain untuk mengontrol kecepatan dari motor dc adalah menempatkan rheostat yang diserikan dengan armature. Arus dalam rheostat menghasilkan voltage drop jika dikurangi dari fixed source voltage Es, menghasilkan tegangan suplai yang lebih kecil dari armature. Metode ini memungkinkan kita untuk mengurangi kecepatan dibawah kecepatan nominalnya. Ini hanya direkomendasikan untuk motor kecil karena banyak



18



daya dan pasa yang terbuang dalam rheostat, dan efisiensi keseluruhannya rendah. Di samping itu, pengaturan kecepatan lemah, bahkan untuk rheostat yg diatur fixed. Akibatnya, IR drop sedangkan rheostat meningkat sebagaimana arus armature meningkat. Hal ini menghasilkan penurunan kecepatan yang besar dengan naiknya beban mekanis.



2.7 Mengatur Kecepatan Dengan Field Berdasarkan persamaan di atas kita juga dapat memvariasikan kecepatan motor dc dengan memvariasikan field fluks Φ. Tegangan armature Es tetap dijaga konstan agar numerator pada persamaan di atas juga konstan. Oleh sebab itu, kecepatan motor sekarang berubah perbandingannnya ke fluks Φ; jika kita menaikkan fluksnya, kecepatan akan jatuh dan sebaliknya. Metode dari speed control ini seringkali digunakan saat motor harus dijalankan diatas kecepatan rata-ratanya disebut base speed. Untuk mengatur fluks (dan kecepatannya), kita menghubungkan rheostat Rf secara seri dengan field-nya. Untuk mengerti metode speed control, awalnya berjalan pada kecepatan konstan. Counter emf Eo sedikit lebih rendah dari tegangan suplai armature Es, karena penurunan IR armature. Jika tiba-tiba hambatan dari rheostat ditingkatkan, baik exciting current Ix dan fluks Φ akan berkurang. Hal ini segera mengurangi emf Eo, menyebabkan arus armature I melonjak ke nilai yang lebih tinggi. Arus berubah secara dramatis karena nilainya tergantung pada perbedaam yang sangat kecil antara Es dan Eo. Meskipun field-nya lemah, motor mengembangkan torsi yang lebih besar dari sebelumnya. Itu akan mempercepat sampai Eo hampir sama dengan Es. Untuk lebih jelasnya, untuk mengembangkan Eo yang sama dengan fluks yang lebih lemah, motor harus berputar lebih cepat. Oleh karena itu kita dapat meningkatkan kecepatan motor di atas nilai nominal dengan memperkenalkan hambatan di dalam seri dengan field. Untuk shunt wound motors, metode dari speed control memungkinkan high speed/base speed rasio setinggi 3 : 1. Range broader speed cenderung menghasilkan ketidakstabilan dan miskin pergantian.



19



Di bawah kondisi-kondisi abnormal tertentu, fluks mungkin akan drop ke nilai rendah yang berbahaya. Sebagai contoh, jika arus exciting dari motor shunt sengaja diputus, satu-satunya fluks yang tersisa adalah remanent magnetism (residual magnetism) di kutub. Fluks ini terlalu kecil bagi motor untuk berputar pada kecepatan tinggi yang berbahaya untuk menginduksi yang diharuskan. Perangkat keamanan diperkenalkan untuk mencegah kondisi seperti pelarian. 2.8 Shunt Motor Under Load Mempertimbangkan sebuah motor dc berjalan tanpa beban. Jika beban mekanis tiba-tiba diterapkan pada poros, arus yang kecil tanpa beban tidak menghasilkan torsi untuk membawa beban dan motor mulai perlahan turun. Ini menyebabkan cemf berkurang, menghasilkan arus yang lebih tinggi dan torsi lebih tinggi. Saat torsi dikembangkan oleh motor adalah sama dengan torsi yang dikenakan beban mekanik, kemudian, kecepatan akan tetap konstan. Untuk menyimpulkan, dengan meningkatnya beban mekanis, arus armature akan naik dan kecepatan akan turun. Kecepatan motor shunt akan tetap relatif konstan dari tidak ada beban ke beban penuh. Pada motor yang kecil, itu hanya turun sebesar 10-15 persen saat beban penuh ditambahkan. Pada mesin yang besar, drop-nya bahkan berkurang, sebagian ke hambatan armature yang paling rendah. Dengan menyesuaikan field rheostat, kecepatan harus dijaga agar benar-benar konstan sesuai dengan perubahan beban. 2.9 Series Motor Motor seri identik dalam kosntruksi untuk motor shunt kecuali untuk field. Field dihubungkan secara seri dengan armature. Oleh karena itu, membawa arus armature seluruhnya. Field seri ini terdiri dari beberapa putaran kawat yang mempunyai penampang cukup besar untuk membawa arus. Meskipun konstruksi serupa, properti dari motor seri benar-benar berbeda dari motor shunt / dalam motor shunt, fluks Φ per pole adalah konstan pada semua muatan karena field shunt dihubungkan ke rangkaian. Tetapi motor seri, fluks per pole tergantung dari arus armature dan beban. Saat arusnya besar, fluksnya besar dan sebaliknya. Meskipun berbeda, prinsip dasarnya dan perhitungannya tetap sama. Pada motor yang mempunyai hubungan seri jumlah arus yang melewati angker dinamo sama besar



20



dengan yang melewati kumparan. Jika beban naik motor berputar makin pelan. Jika kecepatan motor berkurang maka medan magnet yang terpotong juga makin kecil, sehingga terjadi penurunan EMF kembali dan peningkatan arus catu daya pada kumparan dan angker dinamo selama ada beban. Arus lebih ini mengakibatkan peningkatan torsi yang sangat besar. Catatan : Contoh keadaan adalah pada motor starter yang mengalami poling (angker dynamo menyentuh kutub karena kurang lurus atau ring yang aus). Arus yang tinggi akan mengalir melalui kumparan dan anker dinamo karena kecepatan angker dynamo menurun dan menyebabkan turunnya EMF kembali.



Gambar 2.17 Motor dengan kumparan seri EMF kembali mencapai maksimum jika kecepatan angker dinamo maksimum. Arus yang disedot dari catu daya menurun saat motor makin cepat karena EMF kembali yang terjadi melawan arus catu daya. EMF kembali tidak bisa sama besar dengan arus EMF yang diberikan pada motor dc sehingga akan mengalir searah dengan EMF yang diberikan. Karena ada dua EMF yang saling berlawanan EMF kembali menghapuskan EMF. Yang diberikan, maka arus yang mengalir pada angker dinamo menjadi jauh lebih kecil jika ada EMF kembali. Karena EMF kembali melawan tegangan yang diberikan maka resistansi angker dynamo akan tetap kecil sementara arus angker dinamo dibatasi pada nilai yang aman.



21



2.10 Pengereman Regeneratif Bagan rangkaian di bawah ini menjelaskan mengenai rangkaian pemenggal yang bekerja sebagai pengerem regeneratif. Vo adalah gaya gerak listrik yang dibangkitkan oleh mesin arus searah, sedangkan Vt adalah tegangan sumber bagi motor sekaligus merupakan baterai yang diisi. Ra dan La masing-masing hambatan dan induktansi jangkar.



Gambar 2.18 Bagan Pengereman Regeneratif Prinsip kerja rangkaian ini sebagai berikut : Ketika saklar pemenggal dihidupkan, maka arus mengalir dari jangkar, melewati scalar dan kembali ke jangkar. Ketika skalar pemenggal dimatikan, maka energi yang tersimpan pada induktor jangkar akan mengalir melewati dioda, baterai dengan tegangan Vt dan kembali ke jangkar. Analogi rangkaian sistem pengereman regeneratif dari gambar di atas dapat dibagi menjadi dua mode. Mode 1 ketika saklar on dan mode ke-2 ketika saklar off seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.



22



Gambar 2.19 Rangkaian ekuivalen untuk a) saklar on; b) saklar off dengan : Vo = gaya gerak listrik La = induktansi jangkar Ra = resistansi jangkar Vt = tegangan batería i1 = kuat arus jangkar ketika pemenggal on (arus tidak melewati baterai) i2 = kuat arus jangkar ketika pemenggal off ( arus melewati baterai) Sedangkan Gambar di bawah ini menunjukkan arus jangkar yang kontinyu dan yang tidak kontinyu.



23



Gambar 2.20 Arus jangkar a). Kontinu; b). Arus terputus dengan: I1o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai on. I2o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai off. ton = lama waktu pemenggal on. toff = lama waktu pemenggal off. td = lama waktu dimana i2 tidak nol. Tp = perioda pemenggal, Tp = ton + off.



2.11 Reaksi Jangkar Terjadinya gaya torsi pada jangkar disebabkan oleh hasil interaksi dua garis medan magnet. Kutub magnet menghasilkan garis medan magnet dari utara ke selatan melewati jangkar. Interaksi kedua magnet berasal dari stator dengan magnet yang dihasilkan jangkar mengakibarkan jangkar mendapatkan gaya torsi putar berlawanan arah jarum jam. Karena medan utama dan medan jangkar terjadi bersama sama hal ini akan menyebabkan perubahan arah medan utama dan akan mempengaruhi berpindahnya garis netral yang mengakibatkan kecenderungan timbul bunga api pada saat komutasi. Untuk



24



itu biasanya pada motor DC dilengkapi dengan kutub bantu yang terlihat seperti gambar dibawah ini:



Gambar 2.21 kutub bantu (interpole) pada motor DC Kutub bantu ini terletak tepat pada pertengahan antara kutub utara dan kutub selatan dan berada pada garis tengah teoritis. Lilitan penguat kutub ini dihubungkan seri dengan lilitan jangkar, hal ini disebabkan medan lintang tergantung pada arus jangkarnya. Untuk mengatasi reaksi jangkar pada mesin-mesin yang besar dilengkapi dengan lilitan kompensasi. Lilitan kompensasi itu dipasang pada alur-alur yang dibuat pada sepatu kutub dari kutub utama. Lilitan ini seperti juga halnya dengan lilitan kutub bantu dihubungkan seri dengan lilitan jangkar. Arah arusnya berlawanan dengan arah arus kawat jangkar yang berada dibawahnya.



BAB III JURNAL PRAKTIKUM 3.1 Maksud dan Tujuan 1. Agar mahasiswa dapat mengetahui semua hambatan kecepatan air yang ada dalam pipa. 2. Agar mahasiswa bisa mengetahui alat ukur orifice dan venturimeter. 3. Agar mahasiswa dapat menghitung nilai aktual dan membandingkan hitungan teori. 4. Agar mahasiswa dapat mendesain plumbing secara tepat. 3.2 Alat dan Bahan 1. Pompa air 125 kw 1 unit. 2. Tangki air 1 unit. 3. Meteran atau penggaris 1 unit. 4. Valve kuning. 5. Selang. 6. Stopwacth. 7. Gelas ukur. 3.3 Langkah Kerja A. Percobaan I Menentukan karakteristik oriface meter : 1. Isi tangki air sebanyak 50 sampai 55 liter. 2. Buka katup 44, 45 dan 50, katup yang lain dibuka sehingga air keluar melalui katup 49 dan 51 lalu hidupkan pompa. 3. Hubungkan pipa karet ke manometer ke kutup 40, 41, lalu buka katup. 4. Tutup katup 52 dan buka katup 45 secara perlahan mulai dari ¼, ½, ¾, dan buka penuh sebagai pengatur debit air yang keluar dari pipa 46 ketangki air. 5. Tutup katup 45. 6. Ukurlah dan amati debit air pada tangki penampang. 7. Lakukan 4 kali pengambilan data.



25



26



B. Percobaan II Menentukan karakteristik venturi meter : 1. Lakukan prosedur yang sama seperti percobaan I. 2. Hubungkan pipa karet dititik 38 dan 39. 3. Catat data percobaan II. Percobaan Pertama (oriface) Kedua (venturi) Ketiga



In 97 100



Out 92 93



Pipa 1 inchi



125



95



Pipa ¾ inchi



176



173



Pipa ½ inchi



178



174



Debit air 840 ml/detik 860 ml/detik



C. Percobaan III (Diameter pipa 1 inchi) 1. Lakukan percobaan sesuai dengan percobaan I, katup 46 ditutup dan 52 dibuka. 2. Nyalakan motor untuk mengalirkan fluida. 3. Tutup semua katup kecuali katup yang mengalir melalui pipa 1. 4. Pasang sambungan selang pengatur tekanan fluida pada masing-masing keran in dan out pipa Ø 1. 5. Ukur tekanan yang tertera pada alat ukur dan catat hasilnya. D. Percobaan IV (Diameter pipa ¾ inchi) 1. Lakukan percobaan sesuai dengan percobaan sebelumnya, buka katup 46 dan 52. 2. Tutup semua katup kecuali katup yang mengalir pada pipa ¾ dan katup 52. 3. Nyalakan motor untuk mengalirkan fluida. 4. Pasang selang pengukuran tekanan fluida pada masing-masing keran. 5. Ukur tekanan yang tertera pada alat ukur dan catat hasilnya. E. Percobaan V (Diameter pipa ½ inchi) 1. Lakukan percobaan sebelumnya, katup 45 ditutup dan 52 dibuka. 2. Tutup semua katup kecuali katup yang mengalir pada pipa diameter ½ inchi dan katup 52. 3. Nyalakan motor untuk mengalirkan fluida.



27



4. Palang selang pengukur tekanan pada fluida masing-masing keran in dan out. 5. Ukur tekanannya dan catat hasilnya. 3.4 Kesimpulan 1. Fluida memiliki beberapa sifat seperti menyesuaikan dengan tempatnya dan mengarahkan tekanan ke segala arah. 2. Sebuah rangkaian hidrolik terdiri dari tangki, pipa, saringan dan hambatan. 3. Terdapat 2 jenis aliran fluida yaitu aliran laminer dan turbulen. 4. Terdapat 2 jenis hambatan yaitu oriface dan venturi. 5. Tekanan fluida dipengaruhi oleh aliran cepat pertukaran luas permukaan dan jarak tempuh.



BAB IV PEMBAHASAN SOAL 4.1 Pertanyaan 1. 2. 3. 4.



Buatlah skema dari motor DC yang sederhana dan tulis nama-nama bagiannya ! Bagaimana prinsip kerja dari motor DC ? Jelaskan mekanisme kerja dari seluruh jenis motor secara umum ! Jelaskan cara mengukur kecepatan putaran motor menggunakan tachometer !



28



29



4.2 Jawaban 1. Bagian-bagian dari motor DC.



2. Prinsip kerja dari motor DC yaitu : Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor. (http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211077alpinarief/2013/05/02/motor-dc-2/)



30



Aturan genggaman tangan kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks di sekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol mengarah pada arah aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis fluks.



Catatan : Medan magnet hanya terjadi di sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir pada konduktor tersebut. 3. Mekanisme kerja dari seluruh jenis motor secara umum yaitu: 1. Arus listrik yang mengalir dalam medan magnet akan memberikan gaya. 2. Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran / loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan. 3. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar / torque untuk memutar kumparan. 4. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan. 5. Kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu.



4. Cara mengukur kecepatan putaran motor menggunakan tachometer



31



a. Nyalakan motor yang akan diukur putarannya. b. Nyalakan tachometer untuk mengukurnya, kemudian dekatkan dan arahkan tachometer sampai inframerahnya bertepatan dengan diporos motor yang akan di ukur. c. Lihat pada tachometer angka yang muncul. d. Catat setiap percobaan.



BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa motor DC adalah salah satu motor listrik yang arusnya searah dalam mengubah energi elektromagnetis ke energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk memutar impeller pompa, blower, menggerakan kompresor, dan mengangkat bahan. Praktikum yang telah dilaksanakan pada akhirnya memperoleh data pengamatan kecepatan putaran motor beserta tegangannya. Semakin besar tegangannya maka semakin besar juga RPM-nya dan semakin kecil tegangannya maka semakin kecil juga RPM-nya. Dalam pengoperasiannya, layaknya motor listrik lainnya operator disarankan untuk menjaga kesehatan dan keselamatan kerja terutama bagi para pemula agar tetap selalu berada dalam pengawasan pembimbingnya.



32