Friksi Aliran Fluida [PDF]

Citation preview

BAB I Pendahuluan



1.1



Tujuan Percobaan  Mengukur friction loss dan head loss mengamati gesekan fluida dalam suatu aliran pipa halus dan pipa kasar  Mengukur friction loss dan head loss pada berbagai jenis Sambungan dan Elbow  Mengukur friction loss dan head loss pada berbagai jenis valve  Mengukur friction loss dan head loss pada alat ukur aliran fluida



1.2



Dasar Teori 1.2.1 Bilangan Reynold Bilangan Reynold adalah bilangan tanpa dimensi yang nilainya bergantung pada kekasaran dan kehalusan pipa sehingga dapat menentukan jenis aliran dalam pipa. Professor Asborne Reynolds menyatakan bahwa ada 2 tipe aliran yang ada didalam suatu pipa yaitu : 



Aliran laminer pada kecepatan rendah dimana berlaku H α V







Aliran turbulen pada kecepatan tinggi dimana berlaku H α Vn Dalam penelitiannya Reynolds mempelajari kondisi di mana satu jenis aliran



berubah menjadi jenis aliran lain dan bahwa kecepatan kritis dimana aliran laminer berubah menjadi aliran turbulen. Keadaan ini bergantung pada 4 buah besaran yaitu diameter tabung, viskositas, densitas, dan kecepatan linear rata-rata zat cair. Pengelompokkan variabel menurut penemuan yaitu adalah : 𝑁𝑅𝑒 =



Dv. ρ µ



Dimana : D = Diameter pipa (m) V = Kecepatan rata-rata zat cair (m/s) µ = Viskositas zat cair (kg/m.s) ρ = Densitas zat cair (kg/m3)



Gugus variable tanpa dimensi yang didefinisikan oleh persamaan diatas dinamakan angka Reynold. Aliran laminer selalu ditemukan pada angka Reynold dibawah 2100 tetapi biasa didapat pada angka Reynold sampai beberapa ribu yaitu dalam kondisi khusus di mana lubang pipa masuk sangat baik kebundarannya dan zat cair di dalamnya sangat tenang. Pada kondisi aliran biasa aliran itu turbulen pada angka Reynold kira-kira diatas 4000. Berdasarkan pengaruh tekanan terhadap volume, fluida dapat digolongkan menjadi 2, yaitu : 



Fluida tak termampatkan (incompressible), pada kondisi ini fluida tidak mengalami perubahan dengan adanya perubahan tekanan, sehingga fluida tak termampatkan.







Fluida termampatkan (compressible) pada keadaan ini fluida mengalami perubahan volume dengan adanya perubahan tekanan.



1.2.2 Tipe Aliran Fluida 



Aliran Laminer Aliran fluida dengan kecepatan rendah. Partikel-partikel fluida mengalir secara teratur dengan sumbu pipa. Reynold menunjukkan bahwa untuk aliran leminer berlaku bilangan Reynold, NRE < 2100. Pada keadaan ini juga berlaku hubungan head loss berbanding lurus dengan kecepatan linear fluida atau h α v.







Aliran Turbulen Aliran fluida dengan kecepatan tinggi. Partikel-partikel fluida mengalir secara tidak teratur atau acak di dalam pipa. Reynold menunjukkan bahwa untuk aliran fluida turbulen berlaku bilangan Reynold, NRE < 4000. Pada keadaan ini juga berlaku hubungan head loss berbanding lurus dengan kecepatan linear berpangkat n, atau h α vn.







Aliran Transisi Aliran fluida dengan kecepatan diantara kecepatan linear dan kecepatan turbulen. Aliran ini berbentuk laminer atau turbulen sangat bergantung oleh pipa dan perlengkapannya. Reynold menunjukkan bahwa untuk aliran transisi berlaku hubungan bilangan Reynold 2100 < NRE < 4000.



1.2.3 Head Loss dan Friction Loss Pada Sistem Perpipaan Head loss yang terjadi pada sistem perpiaan dapat dibagi menjadi 2 kategori : 



yang disebabkan karena adanya tahanan viscous yang terbentuk sepanjang rangkaian.







yang terjadi karena adanya efek total seperti kerangan, belokan, dan perubahan tiba-tiba pada luas penampang aliran. 𝑓=



𝑝𝑒𝑟𝑝𝑖𝑑𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑝𝑖𝑛𝑑𝑎ℎ𝑎𝑛 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚 𝑎𝑘𝑖𝑏𝑎𝑡 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑠𝑖



Total head loss dapat dinyatakan dengan cara : 



Dengan mengekivalenkan seluruh perlengkapan yang ada pada system perpipaan jika suatu panjang yang ekivalen dengan perpipaan jika suatu panjang yang ekivalen dengan panjang pipa lurus.







Untuk gate valve (terbuka penuh L/D = 13, didapat Le = 4,4 ft) kemudian digunakan persamaan sebagai berikut : -Σf = Keterangan : L



𝑣 (𝑙+𝑙𝑒) 𝑠𝑔𝑐𝐷



= Panjang pipa lurus



Le = Panjang ekivalen dari perlengkapan seperti fitting, valve Persamaan diatas digunakan untuk mempermudah karakteristik total dari suatu persamaan system perpipaan. Dengan memisahkan gesekan untuk pipa lurus dan gesekan untuk fitting dengan memasukkan suatu faktor yang bergantung pada jenis fitting masing-masing. Persamaan : 𝑓𝑙



𝑣2



∆Pf = ρE = ( 𝐷 + 𝑘𝑖) 𝜌 2𝑔𝑐 ∆𝑃𝑓 𝑓𝑙 𝑣2 = −𝛴𝑓 = ( + 𝐾𝑖) 𝜌 𝐷 2𝑔𝑐 Keterangan : Ki = Koefisie kehilangan untuk masing-masing fitting atau jumlah velocity heand V



= Velocity head



L



= Panjang pipa lurus



D



= Diameter pipa



−𝛴𝑓 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑦𝑎𝑛𝑔 ℎ𝑖𝑙𝑎𝑛𝑔 𝑎𝑘𝑖𝑏𝑎𝑡 𝑔𝑒𝑠𝑒𝑘𝑎𝑛



1.2.4 Pressure Drop Pressure menunjukkan penurunan tekanan dari titik 1 ke titik 2 dalam suatu sistem aliran fluida. Penurunan tekanan biasa dinyatakan juga dengan Δp. Jika manometer yang digunakan adalah manometer air raksa, dan beda tinggi air raksa dalam manometer H ft, maka : 𝑔



Δp = H ( ρ Hg ) 𝑔 Pressure drop ialah istilah yang digunakan untuk menggambarkan penurunan tekanan dari suatu titik didalam pipa atau aliran pipa, sedangkan penurunan tekanan adalah hasil dari gaya gesek pada fluida seperti yang mengalir melalui tabung. Gaya gesek disebabkan oleh resistansi terhadap aliran. Faktor utama yang mempengaruhi resistensi terhadap aliran fluida adalah kecepatan fluida melalui pipa dan viscositas fluida. Aliran cairan atau gas selalu akan mengalir kearah berlawanan sudut (kurang tekanan). Pada aliran suatu fase, pressure drop dipengaruhi oleh Reynold number yang merupakan fungsi dari viscositas, densitas fluida dan diameter pipa. 1.2.5 Persamaan Kontinuitas Persamaan kontinuitas mengatakan hubungan antara kecepatan fluida yang masuk pada suatu pipa terhadap kecepatan fluida yang keluar. Hubungan tersebut dinyatan dengan : Q=Axv Keterangan : A v



= Luas Penampang (m2) = Kecepatan (m/det)



Debit adalah besaran yang menyatakan bahwa volume fluida yang mengalir tiap suatu waktu. Q= Keterangan : V t



3



= Volume (m ) = Waktu (detik)



𝑉 𝑡



Dari persamaan diatas maka akan dihasilkan persamaan : 𝑉



V = 𝑡𝑥𝐴 Keterangan : V



= Volume (m3)



t



= Waktu (detik)



A



= Luas Penampang (m2)



v



= Kecepatan (m/det)



Jika fluida bergerak dalam pipa yang mengalir dengan luas penampang yang berbeda maka volume yang mengalir : V=𝐴×𝑣×𝑡 𝐴1 × 𝑣1 × 𝑡1 = 𝐴2 × 𝑣2 × 𝑡2



BAB II Metodologi



2.1



Alat dan Bahan 2.1.1



Alat yang digunakan :  Satu unit Flow Fluid Demo Plant  Stopwatch  Penggaris



2.1.2



Bahan yang digunakan :  Air



2.2



Prosedur Percobaan 2.2.1 Percobaan A (Fluida Friction) dalam suatu pipa halus dan kasar dengan berbagai diameter 1. Pada pipa 2 membuka V2 dan V4 serta menutup V4 pada pipa 3, dan 4 2. Mengalirkan air pada unit flow fluid demo plant 3. Mencatat pembacaan pada manometer 4. Melakukan hal yang sama pada pipa 2 dengan mengatur bukaan pada V4 dan menutup valve pada pipa 3 dan 4 5. Melakukan hal yang sama untuk pipa 4 dengan mengatur bukaan pada V2 dan membuka bukaan pada V4 serta menutup pipa 3 dan 2 6. Melakukan hal yang sama pada pipa 3 dengan mengatur bukaan pada V3 dan menutup valve pada pipa 2 dan 4 2.2.2 Percobaan B (Head Loss pada Setiap Friksi) 1. Ditutup V1, V10, V4 pada pipa tes 3. 2. Dibuka V2. 3. Dibuka V4 padapipa V1 dan V4 pada pipa 2. 4. Dibuka A dan B atau C dan D setelah pemeriksaan kran-kran. 2.2.3 Percobaan C (Percobaan Head Loss pada Fitting-Fitting Pipa) 1. Mempersiapkan peralatan yang dibutuhkan seperti stopwatch. 2. Menyediakan fitting-fitting dan katup tes yang akan digunakan.



Pembahasan Praktikum ini bertujuan untuk menentukan hubungan antara head loss pada fluid friction dan kecepatan untuk aliran air melalui pipa halus, menentukan head loss diprediksi dengan suatu persamaan pipa friksi yang diasosiasikan dengan aliran air melalui pipa halus, menentukan head loss yang diasosiasikan dengan aliran air yang melalaui fittingfitting standar yang digunakan pada pipa instalasi pipa leading, menentukan rangkaian bacaan head loss pada perbedaan kecepatan aliran melalui tiga tes pipa kasar serta mendemonstrasikan aplikasi perbedaan peralatan head dalam pengukuran kecepatan aliran dan kecepatan air dalam suatu pipa.



Q vs NRe NRe



30000 20000 10000 0 0



0.00005



0.0001



0.00015



0.0002



Q (m3/s)



Grafik 3.2.1 Q vs Nre Pada Pipa 2



Q vs NRe 50000



40000 NRe



3.2



30000 20000 10000 0



0



0.0001



0.0002



0.0003



0.0004



Q (m3/s)



Grafik 3.2.2 Q vs Nre Pada Pipa 3



0.0005



0.0006



NRe



Q vs NRe 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0



0.0002 0.0004 0.0006 0.0008



0.001



0.0012 0.0014



Q (m3/s)



Grafik 3.2.3 Q vs Nre Pada Pipa 4 Berdasarkan grafik Q vs Nre pada pipa 2, 3, dan 4 menunjukan pola yang sama dikeempatnya. Pada pipa 2 debit air (Q) yang keluar adalah 4,1E-5; 6,2E-5; 9,7E-5, 0,000125; 0,00016 dan memiliki Reynold Number sebesar 6065,741; 9971,467; 14276,6; 18443,6; 23933,4. Pada pipa 3 debit air (Q) yang keluar adalah 0,00023; 0,00026; 0,00035; 0,00039; 0,00034 dan memiliki Reynold Number sebesar 17863,1; 20357,7; 27783,5; 30997,7; 42726,6. Pada pipa 4 debit air (Q) yang keluar adalah 0,00101; 0,00103; 0,00116; 0,00119; 0,00125 dan memiliki Reynold Number sebesar 80166,5; 8148,9; 91698,6; 94100,2; 98805,2. Hal Ini menandakan bahwa respon yang didapat pada setiap pipa lurus sama, yaitu semakin besar debit air (Q) yang keluar pada pipa lurus maka akan semakin besar juga Reynold Number yang dihasilkan.



Q vs f 0.0085



f



0.008 0.0075 0.007 0.0065 0



0.00005



0.0001



0.00015



Q (m3/s)



Grafik 3.2.5 Q vs f Pada Pipa 2



0.0002



Q vs f 0.0074 0.0072



f



0.007 0.0068 0.0066 0.0064 0



0.0001



0.0002



0.0003



0.0004



0.0005



0.0006



Q (m3/s)



Grafik 3.2.6 Q vs f Pada Pipa 3



f



Q vs f 0.0063 0.0062 0.0061 0.006 0.0059 0.0058 0.0057 0



0.0002 0.0004 0.0006 0.0008



0.001



0.0012 0.0014



Q (m3/s)



Grafik 3.2.7 Q vs f Pada Pipa 4 Berdasarkan grafik Q vs f pada pipa 2, 3, dan 4 juga menunjukan pola yang sama. Pada pipa 2 debit air (Q) yang keluar adalah 4,1E-5; 6,2E-5; 9,7E-5, 0,000125; 0,00016 dan memiliki f sebesar 0,0083; 0,008; 0,0074; 0,0072; 0,007. Pada pipa 3 debit air (Q) yang keluar adalah 0,00023; 0,00026; 0,00035; 0,00039; 0,00034 dan memiliki f sebesar 0,0072; 0,0071; 0,0068; 0,0067; 0,0065. Pada pipa 4 debit air (Q) yang keluar adalah 0,00101; 0,00103; 0,00116; 0,00119; 0,00125 dan memiliki f sebesar 0,0062; 0,0061; 0,006; 0,0059; 0,0058. Hal ini menandakan bahwa semakin besar debit air (Q) yang keluar pada pipa lurus maka akan semakin kecil friction yang terjadi yang dihasilkan.



Friction Loss



Q vs Friction Loss 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0



0.00005



0.0001



0.00015



0.0002



Q (m3/s)



Grafik 3.2.9 Q vs Friction Loss Pada Pipa 2



Q vs Friction Loss Friction Loss



1.5 1 0.5



0 0



0.0001



0.0002



0.0003



0.0004



0.0005



0.0006



Q (m3/s)



Grafik 3.2.10 Q vs Friction Loss Pada Pipa 3



Friction Loss



Q vs Friction Loss 6 5 4 3 2 1 0 0



0.0002



0.0004



0.0006



0.0008



0.001



0.0012



Q (m3/s)



Grafik 3.2.11 Q vs Friction Loss Pada Pipa 4



0.0014



Berdasarkan grafik Q vs friction loss pada pipa 2, 3, dan 4 juga menunjukan pola yang sama diketiganya. Pada pipa 2 debit air (Q) yang keluar adalah 4,1E-5; 6,2E-5; 9,7E-5, 0,000125; 0,00016 dan memiliki friction loss sebesar 0,1958; 0,4896; 0,9669; 1,57; 2,5703. Pada pipa 3 debit air (Q) yang keluar adalah 0,00023; 0,00026; 0,00035; 0,00039; 0,00034 dan memiliki friction loss sebesar 0,2264; 0,2957; 0,5173; 0,6344; 1,1695. Pada pipa 4 debit air (Q) yang keluar adalah 0,00101; 0,00103; 0,00116; 0,00119; 0,00125 dan memiliki friction loss sebesar 3,927; 3,9922; 4,9723; 5,1489; 5,5805. Hal ini menandakan bahwa semakin besar debit air (Q) yang keluar pada pipa lurus maka akan semakin besar friction loss yang terjadi yang terjadi.



Kontraksi 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15



Kc



0.1



hc



0.05 0 0



0.00005



0.0001



0.00015



0.0002



0.00025



Q (m3/s)



Grafik 3.2.13 Q vs kc dan hc Pada Kontraksi (Pengecilan) Pipa Berdasarkan grafik pengecilan pipa menunjukan bahwa, semakin besar debit air keluar, nilai kc tidak mengalami perubahan yaitu 0,255357. Sedangkan, nilai hc mengalami kenaikan. Pada pengecilan pipa dengan debit air (Q) yang keluar sebesar 4,74E-5; 9,8906E-3; 0,00015; 0,00019; 0,00021 dan memiliki nilai hc sebesar 0,015; 0,06544; 0,15864; 0,2452; 0,2999.



Ekspansi 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0



Kex hex



0



0.00005



0.0001



0.00015



0.0002



0.00025



0.0003



Q (m3/s)



Grafik 3.2.14 Q vs kex dan hex Pada Ekspansi (Pembesaran) Pipa Sama dengan grafik pengecilan pipa, grafik pembesaran pipa menujukkan respon yang sama. Semakin besar debit air keluar, nilai kex tidak mengalami perubahan yaitu 0,50838. Sedangkan, nilai hex mengalami kenaikan. Pada pembesaran pipa dengan debit air (Q) yang keluar sebesar 0,000156; 0,00188; 0,00207; 0,000242; 0,00025 dan memiliki nilai hex sebesar 0,32427; 0,46915; 0,57142; 0,77616; 0,86794.



Elbow 45o 6 5 4 3



kf



2



hf



1 0 0



0.0002



0.0004



0.0006



0.0008



Q (m3/s)



Grafik 3.2.15 Q vs kf dan hf Pada Elbow 45o



Grafik di atas merupakan grafik respon debit air keluar pada fitting terhadap kf dan hf. Fiting-fiting yang digunakan adalah elbow 45°, elbow 90° radial. Pada grafik fitting elbow 45° menunjukkan semakin besar debit yang air keluar yaitu 0,000366; 0,000373; 0,000532; 0,000591; 0,000749 dan nilai kf mengalami penurunan yaitu 3,19083; 5,07379; 4,23694; 4,218628; 2,823029. Sedangkan, nilai hf mengalami kenaikan sedikit demi sedikit. Pada elbow 45° nilai hf sebesar 0,272; 0,449; 0,762; 0,938; 1,006.



Elbow 90o Radial 3.5 3 2.5 2 1.5



kf



1



hf



0.5 0 0



0.0001



0.0002



0.0003



0.0004



0.0005



0.0006



Q (m3/s)



Grafik 3.2.16 Q vs kf dan hf Pada Elbow 90o Radial Sedangkan, pada grafik fitting elbow 90° radial menunjukkan debit air yang keluar yaitu 0,00054; 0,00030 dan nilai kf mengalami kenaikan yang cukup signifikan yaitu 0,579794; 3,22422. Sedangkan, nilai hf juga mengalami kenaikan yaitu 0,109; 0,19.



BAB IV Kesimpulan



4.1



Kesimpulan Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa : 



Pada pipa lurus, semakin besar debit air (Q) yang keluar pada pipa lurus maka akan semakin besar juga Reynold Number yang dihasilkan.







Pada pipa lurus, semakin besar debit air (Q) yang keluar pada pipa lurus maka akan semakin kecil friction yang terjadi yang dihasilkan.







Pada pipa lurus, semakin besar debit air (Q) yang keluar pada pipa lurus maka akan semakin besar friction loss yang terjadi yang terjadi.







Pada pengecilan pipa, semakin besar debit air keluar, nilai kc tidak mengalami perubahan. Sedangkan, nilai hc mengalami kenaikan.







Pada pembesaran pipa, semakin besar debit air keluar, nilai kex tidak mengalami perubahan. Sedangkan, nilai hex mengalami kenaikan.







Pada elbow 45°, semakin besar debit air keluar, nilai kf mengalami penurunan. Sedangkan, nilai hf mengalami kenaikan sedikit demi sedikit.







Pada elbow 90° radial menunjukkan nilai kf mengalami kenaikan. Sedangkan, nilai hf juga mengalami kenaikan.



Daftar Pustaka



Anonim. 2005. Tekanan Fluida. http://www.gurumuda.com/tekanan-dalam-fluida/ (diakses pada tanggal 17 Februari 2018) Anonim.



2009.



Aliran



Fluida



dalam



Pipa.



http://valdvampire.wordpress.com/sharing/pipingsystem/bab-04-aliran-dalam-pipa/ (diakses pada tanggal 17 Februari 2018) Rudi. 2006. Getaran Akibat Aliran Fluida. rudiwd.files.wordpress.com/2006/11/flow-inducedvibration.pdf (diakses pada tanggal 18 Februari 2018)



LAMPIRAN



Grafik Pipa 2



Q vs NRe NRe



30000 20000 10000 0 0



0.00005



0.0001



0.00015



0.0002



0.00015



0.0002



0.00015



0.0002



Q (m3/s)



Q vs f 0.0085



f



0.008 0.0075 0.007 0.0065 0



0.00005



0.0001 Q (m3/s)



Friction Loss



Q vs Friction Loss 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0



0.00005



0.0001 Q (m3/s)



Grafik Pipa 3



Q vs NRe 50000



NRe



40000 30000 20000 10000



0 0



0.0001



0.0002



0.0003



0.0004



0.0005



0.0006



0.0004



0.0005



0.0006



0.0005



0.0006



Q (m3/s)



Q vs f 0.0074 0.0072



f



0.007 0.0068



0.0066 0.0064 0



0.0001



0.0002



0.0003



Q (m3/s)



Q vs Friction Loss Friction Loss



1.5 1 0.5 0 0



0.0001



0.0002



0.0003 Q (m3/s)



0.0004



Grafik Pipa 4



NRe



Q vs NRe 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0



0.0002 0.0004 0.0006 0.0008



0.001



0.0012 0.0014



0.001



0.0012 0.0014



Q (m3/s)



f



Q vs f 0.0063 0.0062 0.0061 0.006 0.0059 0.0058 0.0057 0



0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 Q (m3/s)



Friction Loss



Q vs Friction Loss 6 5 4 3 2 1 0



0



0.0002



0.0004



0.0006



0.0008



Q (m3/s)



0.001



0.0012



0.0014



Grafik Kontraksi dan Ekspansi



Kontraksi 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15



Kc



0.1



hc



0.05 0 0



0.00005



0.0001



0.00015



0.0002



0.00025



Q (m3/s)



Ekspansi 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0



Kex hex



0



0.00005



0.0001



0.00015 Q (m3/s)



0.0002



0.00025



0.0003



Grafik Pipa Sambungan



Elbow 45o 6



5 4 3



kf



2



hf



1 0 0



0.0002



0.0004



0.0006



0.0008



Q (m3/s)



Elbow 90o Radial 3.5



3 2.5 2 1.5



kf



1



hf



0.5 0 0



0.0001



0.0002



0.0003 Q (m3/s)



0.0004



0.0005



0.0006