Laporan Praktikum UOB Sirkuit Fluida Kelompok 12 [PDF]

Citation preview

LAPORAN PRAKTIKUM UNIT OPERASI BIOPROSES I Modul Sirkuit Fluida



Kelompok 12 Amirah Amatullah Haqqyana Nindya Bestari Retno Ulfiah



1206262071 1206262090 1206255122 1206262102



Program Studi Teknologi Bioproses Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia Depok, 2014



BAB I PENDAHULUAN



1.1. Tujuan Percobaan 1. Mempelajari sifat-sifat aliran fluida dalam beberapa jenis ukuran pipa. 2. Memperoleh pengertian tentang perubahan tekanan yang terjadi pada aliran fluida. 3. Mempelajari karakteristik tekanan alat pengukur flowrate



1



BAB II TEORI DASAR



Fluida adalah suatu zat yang mempunyai kemampuan berubah secara kontinyu apabila mengalami geseran, atau mempunyai reaksi terhadap tegangan geser sekecil apapun. Fluida terbagi menjadi dua tipe yaitu fluida gas dan cair.Pada gambar 1 di bawah ini terlihat bahwa dua buah pelat parallel dengan luas A, berjarak y, diantaranya terdapat fluida. Pelat bagian bawah dibuat diam, sedangkan pelat bagian atas ditarik oleh gaya F sehingga bergerak dengan kecepatan u. u



F



Y



Gambar 2.1 Gradien Kecepatan Aliran Fluida di antara Dua Pelat Paralel



Adanya gaya kohesi menyebabkan fluida ikut bergerak searah F. Apabila jarak y cukup kecil, fluida seakan bergerak secara berlapis-lapis dengan kecepatan berbeda atau dikatakan terdapat gradien kecepatan. Dari eksperimen didapatkan bahwa: 𝐹=



𝐴𝑢 𝑦



(1)



Apabila u/y diganti dengan gradien kecepatan du/dy, diperoleh: 𝐹 𝑑𝑢 =𝜏 𝐴 𝑑𝑦



(2)



Dimana τ disebut tegangan geser (shear stress). Hubungan antara τ dan du/dy menunjukkan sifat reologi fluida seperti terlihat pada gambar 4 berikut :



A



Gambar 2.2 Hubungan Tegangan geser dengan gradien kecepatan 2



Pada grafik di atas, hubungan yang paling sederhana ditunjukkan oleh kurva A fluida yang mengikuti kurva A disebut fluida Newtonian dimana bentuk persamaannya adalah 𝜏=



𝜇𝑑𝑢 𝑔𝑐 𝑑𝑦



(3)



μ adalah koefisien viskositas atau viskositas dinamik atau viskositras absolut. Fluida yang tidak mengikuti kurva A disebut Non-Newtonian Fluid mempunyai tiga sub yaitu: a)



Fluida dimana tegangan geser hanya tergantung pada gradient kecepatan saja, dan walaupun hubungan antara tegangan geser dan gradient kecepatan tidak linier, namun tidak tergantung pada waktu setelah fluida menggeser.



b)



Fluida dimana tegangan geser tidak hanya tergantung pada gradient kecepatan tetapi tergantung pula pada waktu cairan menggeser atau pada kondisi sebelumnya.



c)



Fluida viscous-elastis yang menunjukkan karakteristik dari zat pada elastic dan fluida viscous. Dalam fluida yang mengalir terdapat gaya-gaya yang bekerja antara lain gaya gravitasi,



gaya tekanan, gaya viskositas, gaya inersia, gaya tegangan permukaan, dan lain-lain. Untuk aliran fluida yang mengalir melalui saluran yang terisi penuh, gaya-gaya yang paling berpengaruh adalah gaya inersia dan gaya viskositas. Perbandingan antara gaya inersia terhadap gaya viskositas ini disebut bilangan Reynold. Untuk saluran berbentuk pipa bilangan Reynold adalah: 𝑅𝑒 = Dimana:



𝐷𝜌𝑣 𝜇



(4)



Re = bilangan Reynold D = diameter pipa Ρ = densitas fluida μ = Viskositas absolut



Fluida yang mengalir akan selalu mendapatkan tahanan yang disebabkan oleh friksi antara partikel-partikel fluida maupun friksi antara partikel fluida dengan permukaan saluran.Friksi merupakan kerugian energi mekanik sehingga tekanan di downstream menjadi berkurang. Besarnya kehilangan energi karena friksi menurut persamaan Darcy-Weisbach adalah sebagai berikut : 𝐿𝑉 2



𝑕𝐿 = 𝑓 𝐷2𝑔 Dimana :



𝑐



(5)



f = faktor friksi (blasius-darcy friction factor) L = panjang pipa D = diameter dalam pipa 3



V = laju alir volume gc = konstanta konversi



Hubungan Faktor Friksi dan Bilangan Reynold Hagen-poiseuille melalui eksperimennya mengenai aliran laminer pada pipa menemukan hubungan sebagai berikut: 𝜇



𝑕𝐿 = 32 𝜌𝑔



𝐿 𝑐



𝐷2



𝑉



(6)



Bila persamaan dapat disusun kembali, 𝑕𝐿 =



32 2𝜇 𝐿 𝑉 2 𝐷𝜌 𝑉 𝐷 2𝑔𝑐



𝑕𝐿 = 𝑕𝐿 =



64 𝐿 𝑉 2 𝐷𝜌𝑉 𝜇



𝐷 2𝑔𝑐



64 𝐿 𝑉 2 𝑅𝑒 𝐷 2𝑔𝑐



(7) (8) (9)



Persamaan diatas menunjukkan hubungan linier antara f dan Re pada aliran laminer, pada dasarnya kehilangan energi pada aliran laminer hanya disebabkan oleh viscous drag saja, sedangkan pada aliran turbulen disebabkan oleh gerakan turbulen dari arus eddy. Oleh karena itu friction factor untuk aliran turbulen disamping bergantung pada Re juga pada kekerasan permukaan pipa. 𝑓 = ∅(𝑅𝑒. 𝜀/𝐷)



(10)



ε/D adalah kekasaran relatif, yaitu perbandingan antara tingginya tonjolan-tojolan di permukaan bagian dalam pipa terhadap diameter dalam pipa. Hubungan antara f dengan Re dan ε/D dapat diperoleh dari chart standard yang disebut Friction factor Chart.



4



Gambar 2.3 Grafik faktor friksi terhadap Re (Moody Diagram)



Pengukur Flowrate Jenis alat ukur aliran fluida yang paling banyak digunakan diantaranya alat ukur lainnya adalah alat ukur fluida jenis aliran fluida. Hal ini dikarenakan oleh konstruksinya yang sederhana dan pemasangannya yang mudah. Ada beberapa jenis alat untuk mengukur laju suatu fluida. Beberapa alat yang biasa digunakan diantaranya yaitu venturi flow meter dan orifice flow meter. Pada dasarnya prinsip kerja dari keempat alat ukur ini adalah sama yaitu bila aliran fluida yang mengalir melalui alat ukur ini mengalir maka akan terjadi perbedaan tekanan sebelum sesudah alat ini. Beda tekanan menjadi besar bila laju aliran yang diberikan kepada alat ini bertambah.



Venturi flowmeter Alat pengukur flowrate ini terbentuk dari bagian masuk yang mempunyai flens, yang terdiri dari bagian pendek berbentuk silinder dan kerucut terpotong. Bagian leher berflens dan bagian keluar



juga berflens yang terdiri dari kerucut terpotong yang panjang. Dalam



venturimeter, kecepatan fluida bertambah dan tekanannya berkurang di dalam kerucut sebelah hulu. Penurunan tekanan di dalam kerucut hulu itu lalu dimanfaatkan untuk mengukur laju aliran melalui instrument itu. Kecepatan fluida kemudian berkurang lagi dan 5



sebagian besar tekanan awalnya kembali pulih di dalam kerucut sebelah hilir. Agar pemulihan lapisan batas dapat dicegah dan gesekan minimum. Oleh karena itu pada bagian penampungnya mengecil tidak ada pemisahan, maka kerucut hulu dapat dibuat lebih pendek daripada kerucut hilir. Gesekannya pun di sini kecil juga. Dengan demikian ruang dan bahan pun dapat dihemat. Walaupun meteran venturi dapat digunakan untuk mengukur gas, namun alat ini biasanya digunakan juga untuk mengukur zat cair terutama air.



Gambar 2.4 Venturi flow meter



Untuk Venturi Meter ini dapat dibagi 3 bagian utama yaitu : a) Bagian Inlet Bagian yang berbentuk lurus dengan diameter yang sama seperti diameter pipa atau cerobong aliran. Lubang tekanan awal ditempatkan pada bagian ini. b) Inlet Cone Bagian yang berbentuksepertikerucut, yang berfungsiuntukmenaikkantekananfluida. c) Throat (leher) Bagian tempat pengambilan beda tekanan akhir bagian ini berbentuk bulat datar. Hal ini dimaksudkan agar tidak mengurangi atau menambah kecepatan dari aliran yang keluar dari inlet cone. Pada Venturi meter ini fluida masuk melalui bagian inlet dan diteruskan kebagian outlet cone. Pada bagian inlet ini ditempatkan titik pengambilan tekanan awal. Pada bagian inlet cone fluida akan mengalami penurunan tekanan yang disebabkan oleh bagian inlet cone yang berbentuk kerucut atau semakin mengecil kebagian throat. Kemudian fluida masuk kebagian throat inilah tempat-tempat pengambilan tekanan akhir dimana throat ini berbentuk bulat datar. Lalu fluida akan melewati bagian akhir dari venturi meter yaitu outlet cone. Outlet cone ini berbentuk kerucut dimana bagian kecil berada pada throat, dan pada Outlet cone ini tekanan kembali normal.



6



Jika aliran melalui venturi meter itubenar-benar tanpa gesekan, maka tekanan fluida yang meninggalkan meter tentulah sama persis dengan fluida yang memasuki meteran dan keberadaan meteran dalam jalur tersebut tidak akan menyebabkan kehilangan tekanan yang bersifat permanen dalam tekanan. Penurunan tekanan pada inlet cone akan dipulihkan dengan sempurna pada outlet cone. Gesekan tidak dapat ditiadakan dan juga kehilangan tekanan yang permanen dalam sebuah meteran yang dirancangan dengan tepat. Persamaan yang digunakan dalam venturimeter: Q = v1 x A1 Cv



v=



1  4







2  gc  P 







(12) (13)



keterangan: Cv



: koefisien venturi



β



:



ρ



: massa jenis fluida



gc



: 32,174



D1 ; D1 4000



5. Beda ketinggian manometer berbanding lurus dengan laju alir, dengan demikian pressure drop akan berbanding lurus pula dengan bilangan Reynold. 6. Nilai karakteristik orifice meter adalah sebagai berikut : -



Pada aliran Turbuler: 0,329



-



Pada aliran Laminer: 0,217



7. Nilai karakteristik venturi meter adalah sebagai berikut : -



Pada aliran Turbuler: 0,184



-



Pada aliran Laminer: 0,1228



8. Faktor friksi eksperimen yang didapat relatif lebih besar jika dibandingkan dengan 9. faktor friksi secara teoritis. 10. Hubungan faktor friksi dan bilangan Reynold adalah berbanding terbalik.



33



DAFTAR PUSTAKA Buku Panduan Praktikum Unit Operasi Bioproses. Departemen Teknik Kimia Universitas Indonesia Brown, Nigel P. 1991. Slurry Handling Design of Solid-Liquid System. New York : Elsevier Science Publishing. De Nevers, Noel. 1991. Fluid Mechanics for Chemical Engineers. Singapore: McGraw-Hill Book, Co. Geankoplis, C.J. 1991. Transport Process and Unit Operations Third Edition. New Jersey : Prentice Hall International. Inc



34