Goresan Pena
Sebuah Blog dari Mahasiswi Prodi Teknik Lingkungan | Jurusan Teknik Sipil | Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura, Pontianak, Kalimantan Barat
Kamis, 30 Januari 2014
Rabu, 30 Oktober 2013
Laporan Mekanika Fluida ( Major Losses)
BAB
III
KEHILANGAN TEKANAN DALAM PIPA : MAJOR LOSSES
3.1 PENDAHULUAN
Istilah head
losses muncul sejak diawalinya
percobaan-percobaan hidrolika abad ke sembilan belas, yang sama dengan energi
persatuan berat fluida. Namun perlu diingat bahwa arti fisik dari head loss
adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida. Sehingga satuan head loss
adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi yang dibutuhkan
untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satuan panjang yang
bersesuaian. Perhitungan head
loss didasarkan pada hasil percobaan dan
analisa dimensi.
Penurunan tekanan untuk aliran turbulen
adalah fungsi dari angka Reynold (Re), perbandingan panjang
dan diameter pipa, L/D serta kekasaran relatif pipa, e/D. Mengingat perhitungan
head loss
adalah perhitungan yang cukup panjang dan kenyataan aplikasi program komputer
telah digunakan pada perencanaan suatu sistem perpipaan maka dibutuhkan
persamaan matematika untuk menentukan koefisien gesek sebagai fungsi dari angka
Reynold dan kekasaran relatif. Salah
satunya adalah persamaan Blasius yang
dapat digunakan pada aliran turbulen.
Zat
cair yang ada di alam ini mempunyai kekentalan, meskipun demikian dalam berbagai
perhitungan mekanika fluida ada yang dikenal atau dianggap sebagai fluida
ideal. Menurut Triatmodjo
(1993), adanya kekentalan pada fluida akan menyebabkan terjadinya tegangan
geser pada waktu bergerak. Tegangan geser ini akan merubah sebagian energi aliran
menjadi bentuk energi lain seperti panas, suara dan sebagainya. Pengubahan bentuk energi tersebut menyebabkan
terjadinya kehilangan energi.
3.2
TUJUAN PERCOBAAN
Tujuan
percobaan ini adalah untuk menyelidiki perubahan tekanan pada fluida yang
mengalir dalam pipa bundar.
3.3 ALAT
YANG DIGUNAKAN
Gambar perangkat alat gesekan yang digunakan dalam praktikum
ini dapat dilihat dibawah ini :
a.
Seperangkat alat
4
3
5
Gambar
3.1 Rangkaian Alat Pada Percobaan Major Losses
Keterangan
:
1. Air valve
2. Bleed valve
3. Mercury U-tube
4. Water manometer
5. From Supply
6. Katup
b. Thermometer
c. Stopwatch
3.4 PROSEDUR PERCOBAAN
1. Catat
panjang pipa yang tertera di alat.
2. Catat
pula diameter pipa yang tertera di alat.
3. Aktifkan
pompa untuk mengalirkan air ke dalam pipa.
4. Atur
kran pengatur air keluaran untuk mendapatkan berbagai macam debit aliran.
5. Ukur
volume air yang mengalir dalam pipa dengan menggunakan gelas
ukur.
6. Ukur
waktu yang diperlukan untuk mengisi gelas ukur tersebut dengan
stopwatch
sehingga didapat debit.
7. Ukur
suhu air untuk mendapatkan viskositas air dari tabel viskositas
terlampir.
8. Lakukan
pembacaan manometer dan ulangi percobaan sebanyak 10
(sepuluh) kali.
3.5
LANDASAN TEORI
Head loss
adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida. Sehingga satuan head loss
adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi yang dibutuhkan
untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satuan panjang yang
bersesuaian. Berdasarkan lokasi timbulnya kehilangan, secara umum kehilangan
tekanan akibat gesekan atau kerugian ini dapat digolongkan menjadi 2 yaitu: kerugian major dan kerugian minor.
Kerugian
major disebut juga kehilangan energi primer atau kehilangan energi akibat
gesekan. Kerugian major biasa terjadi pada pipa lurus berdiameter konstan. Jadi
Head loss mayor dapat dinyatakan sebagai kerugian tekanan aliran fluida
berkembang penuh melalui pipa penampang konstan.
Kerugian minor
disebut kehilangan energi sekunder atau kehilangan energi akibat perubahan
penampang dan aksesoris lainnya. Misalnya terjadi pada pembesaran penampang (expansion), pengecilan penampang (contraction), dan belokan atau tikungan.
(Triatmodjo, 1993)
Penurunan
tekanan untuk aliran laminer, berkembang penuh, pada pipa horisontal, dapat
dihitung secara analitis. sehingga dengan memasukkan konsep angka Reynold maka Head loss menjadi :
…………………………………….....(3.1)
dimana :
v
= kecepatan aliran fluida (m/det)
D
= diameter pipa (m)
v
= viskositas fluida
Penurunan
tekanan untuk aliran turbulen, tidak dapat dihitung secara analitis karena
pengaruh turbulensi yang menimbulkan perubahan keacakan sifat fluida. Perubahan
sifat fluida yang acak tersebut belum dapat didekati dengan fungsi matematis
yang ada saat ini. Perhitungan head
loss didasarkan pada hasil percobaan dan analisa dimensi.
Penurunan
tekanan untuk aliran turbulen adalah fungsi dari angka Reynold, Re,
perbandingan panjang dan diameter pipa, L/D serta kekasaran relatif pipa, e/D. Head
loss mayor dihitung dari persamaan Darcy-Weisbach
(Triatmodjo, 1993):
……………………………….........(3.2)
dimana :
f = koefisien gesek
D
= diameter pipa (m)
hf =
kehilangan head (m)
v = kecepatan aliran (m/det)
L = panjang pipa (m)
Nilai
kekasaran relatif pipa merupakan fungsi diameter pipa dan bahan pipa dapat
ditentukan secara empiris. Nilai f dipengaruhi bilangan Reynold (Re)
dan
kekasaran relatif dinding pipa (e/d). Untuk menetapkan nilai f, harus
diperhatikan kondisi berikut
(Triatmodjo, 1993):
1. Re
< 2100, disebut hidraulicaly smooth atau turbulent smooth.
2. Re 2100
– 4000 disebut aliran transisi.
3. Re > 4000 atau e/d besar, disebut aliran
turbulen rought.
3.6 ANALISA DAN PERHITUNGAN
3.6.1
Analisa Data
Dari hasil percobaan yang dilakukan,
didapatlah data sebagai berikut :
-
Diameter pipa = 0,003 m
-
Panjang pipa = 0,524 m
-
Suhu air = 30o C
-
ρ
air 30o
C =
996 kg/m3
-
ρ raksa 30o
C = 13,6 kg/m3
-
ʋ
30o C = 0,802 x 10-6 m2/s
Tabel 3.1
Data Hasil
Praktikum
No.
|
Volume
(m3)
x10 ̄ ⁵
|
Waktu
(detik)
|
Manometer
mmHg
|
Manometer
mHg
|
||
1
|
2
|
1
|
2
|
|||
1.
|
6,00
|
10
|
170
|
185
|
0,170
|
0,185
|
2.
|
7,80
|
10
|
160
|
197
|
0,160
|
0,197
|
3.
|
10,20
|
10
|
150
|
208
|
0,150
|
0,208
|
4.
|
12,20
|
10
|
140
|
220
|
0,140
|
0,220
|
5.
|
14,60
|
10
|
130
|
235
|
0,130
|
0,235
|
6.
|
17,00
|
10
|
120
|
250
|
0,120
|
0,250
|
7.
|
18,00
|
10
|
110
|
263
|
0,110
|
0,263
|
8.
|
20,00
|
10
|
100
|
275
|
0,100
|
0,275
|
9.
|
20,20
|
10
|
90
|
281
|
0,090
|
0,281
|
10.
|
20,00
|
10
|
80
|
295
|
0,080
|
0,295
|
Sumber : Hasil analisis tahun 2013
Tabel 3.2
Data
Hasil Perhitungan
No.
|
Q (m/det)
x10-6
|
V
(m/det)
|
V2
(m/det)
|
hf (m)
x10-4
|
f
x10-6
|
Re
|
Log Re
|
Klasifikasi
Aliran
|
1.
|
6,00
|
0,85
|
0,72
|
2,05
|
7,97
|
3.179,55
|
3,50
|
Transisi
|
2.
|
7,80
|
1,10
|
1,21
|
5,05
|
11,67
|
4.127,18
|
3,61
|
Turbulen
|
3.
|
10,20
|
1,44
|
2,08
|
7,92
|
10,69
|
5.399,00
|
3,73
|
Turbulen
|
4.
|
12,20
|
1,73
|
2,99
|
10,92
|
10,25
|
6.458,85
|
3,81
|
Turbulen
|
5.
|
14,60
|
2.07
|
4,28
|
14,34
|
9,40
|
7.743,14
|
3,89
|
Turbulen
|
6.
|
17,00
|
2.41
|
5,80
|
17,75
|
8,59
|
9.002,49
|
3,95
|
Turbulen
|
7.
|
18,40
|
2,60
|
6,77
|
20,89
|
8,65
|
9.738,15
|
3,99
|
Turbulen
|
8.
|
20,00
|
2,83
|
8,01
|
23,89
|
8,37
|
10.586,03
|
4,02
|
Turbulen
|
9.
|
20,20
|
2,86
|
8,18
|
26,08
|
8,95
|
10.698,25
|
4,03
|
Turbulen
|
10.
|
20,00
|
2,83
|
8,01
|
29,36
|
10,28
|
10.586,03
|
4,02
|
Turbulen
|
Sumber : Hasil analisis
tahun 2013
3.6.2
Hasil Perhitungan
a. Menghitung
Debit Air (Q)
Untuk
menghitung debit
(Q) aliran fluida, dapat
digunakan dengan rumus sebagai berikut :
Q = ………………………………………(3.3)
Sebagai contoh, pada percobaan pertama telah diketahui nilai sebagai
berikut:
volume =
0,060 m3
waktu (t) =
10 detik
maka didapatlah
hasil :
Q =
=
= 6 10-6 m3/det
b. Menghitung Luas Penampang (A)
Untuk
menghitung luas penampang (A), dapat digunakan dengan rumus sebagai berikut :
A = ………………………………………...(3.4)
dimana :
A = luas penampang pipa (m²)
= konstanta lingkaran (3,14)
D = diameter pipa (m)
maka didapatlah
hasil :
A =
=
3,14
(0,003)2
= 7,065 10 ̄⁶ m²
c.
Menghitung
Kecepatan Aliran (v)
Kecepatan aliran
(v) pada percobaan kali ini dapat dihitung dengan rumus :
v = ……………………………………...............(3.5)
dimana :
v =
kecepatan aliran
Q =
debit aliran (m3/det)
A =
luas penampang pipa (m2)
Sebagai contoh,
dihitung nilai kecepatan aliran (v) pada percobaan pertama, yaitu sebagai
berikut :
Q = 6,0 10-6 m3/det
A = 7,065 10 ̄⁶ m²
maka
didapatlah hasil :
v =
= 0,85 m/det
v² = 0,72 m/det
d.
Menghitung
Kehilangan Energi (Hf)
Untuk mencari
nilai hf dapat digunakan persamaan sebagai berikut :
hf = …………..(3.6)
dimana :
hf
=
kehilangan energi (m)
manometer Hg 1 = bacaan pada manometer air raksa 1
manometer Hg 2 = bacaan pada manometer air raksa 2
ρair = massa jenis air
(kg/m3)
ρHg = massa jenis air
raksa (kg/m3)
Sebagai contoh, dihitung
nilai kehilangan energi (hf) pada
percobaan pertama, yaitu sebagai berikut :
Manometer 1 = 170 mmHg = 0,170 mHg
Manometer 2 = 185 mmHg = 0,185 mHg
ρ
air 30o
C = 996 kg/m3
ρ raksa 30o
C = 13,6 kg/m3
maka
didapatlah hasil :
hf
=
= 2,05 10-4 m
e.
Menghitung
Koefisien Gesek ( f )
Untuk menghitung koefisien
gesek yang terjadi, dapat menggunakan persamaan 3.2 yang telah dijelaskan
sebelumnya, yaitu :
dimana
:
f = koefisien gesek
D
= diameter pipa (m)
hf =
kehilangan head (m)
v = kecepatan aliran (m/det)
L = panjang pipa (m)
maka
didapatlah hasil :
f =
= 7,97 10-6 m/det
f.
Menghitung Angka
Reynold Dan Nilai Log Re
Pada percobaan
ini, angka Reynold dapat dihitung menggunakan persamaan 3.1, yaitu dengan rumus
sebagai berikut :
dimana
:
v
=
kecepatan aliran fluida (m/det)
D
= diameter pipa (m)
v
=
viskositas fluida
maka didapatlah hasil :
Re =
=
=
3.179,55
Sedangkan untuk menghitung log Re yaitu dengan melogaritmakan
nilai Re yang telah didapatkan dari hasil perhitungan sebelumnya.
maka didapatlah hasil :
log
Re
= log 3.179,55
= 3,50
Gambar 3.2 Grafik Hubungan Antara Nilai Debit dan Kehilangan
Energi
Gambar 3.3 Grafik Hubungan Antara Log Re dengan Koefisien Gesek
3.7
PEMBAHASAN
Percobaan ini merupakan percobaan tentang
kehilangan tekanan dalam pipa akibat gesekan dan bentuk geometri pipa. Tujuan
dari praktikum yaitu menyelidiki perubahan tekanan pada fluida yang mengalir
dalam pipa bundar.
Major
losses adalah kehilangan energi (head) akibat
gesekan yang terjadi di dalam sebuah pipa. Dalam percobaan ini diamati tekanan
aliran dalam pipa lurus.Tekanan aliran diukur dengan menggunakan manometer air
raksa serta menggunakan manometer air biasa.
Pada pratikum ini dilakukan 10 (sepuluh)
kali percobaan dengan memvariasikan debit aliran. Variasi debit ini dilakukan
agar mendapat hasil dengan tingkat error
yang rendah atau tingkat ketelitian yang tinggi. Waktu yang di gunakan
pada setiap kali variasi percobaan
adalah 10 detik . Pengukuran waktu
dilakukan menggunakan stopwatch. Untuk setiap kali percobaan diukur volume air
yang keluar sehingga dapat diketahui debit aliran yang digunakan.
Praktikum ini juga dilakukan untuk
mengetahui jenis aliran yang ada di dalam sebuah pipa. Jenis aliran dalam pipa terbagi menjadi 3,
yaitu aliran laminer, transisi, dan
turbulen. Untuk mengetahui jenis aliran tersebut dilakukan perhitungan agar
didapat bilangan Reynoldnya. Bilangan
Reynold merupakan perbandingan antara
efek inersia dan viskositas dalam aliran. Aliran
laminar memiliki nilai Re < 2100,
sedangkan aliran transisi memiliki nilai Re
2100 – 4000, dan aliran turbulen memiliki nilai Re > 4000. Dari kesepuluh percobaan diatas hanya percobaan 1 yang
merupakan aliran transisi, selebihnya merupakan aliran turbulen. Ini berarti
semakin besar kecepatan aliran fluida yang bergesekan di dalam pipa, maka
semakin besar pula turbulensi atau tingkat keacakan gerak pada fluida tersebut.
Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.2, nilai koefisien gesek (f) semakin berkurang dan pada akhir
percobaan mengalami penambahan. Seharusnya nilai koefisien gesek atau f tersebut berbanding lurus dengan kehilangan
tekanan (hf). Dimana besarnya
kehilangan energi tekanan (hf)
disebabkan oleh nilai koefisien gesek (f).
Seharusnya semakin besar koefisien geseknya, maka nilai kehilangan tekanan juga
semakin besar.
Ketidakakuratan data tersebut terjadi karena kurangnya
ketelitian dalam melakukan percobaan ini dan juga disebabkan oleh kondisi alat
yang kurang berfungsi dengan baik, sehingga mengakibatkan nilai hasil percobaan
menjadi kurang akurat.
Berdasarkan grafik hubungan antara debit
aliran (Q) dengan nilai besarnya kehilangan tekanan (hf) didapatkan hasil bahwa semakin besar nilai debit aliran (Q)
maka akan semakin besar pula nilai kehilangan tekanan (hf). Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi bertambah besar.
Berdasarkan nilai grafik antara Log Re dengan nilai koefisien gesek (f) didapatkan hasil bahwa semakin tinggi
nilai bilangan Reynold, maka semakin
kecil koefisien gesekannya. Seharusnya nilai logaritma bilangan Re berbanding lurus dengan koefisien
gesek dari fluida, karena nilai bilangan Reynold
mempengaruhi perubahan koefisien gesekan. Dimana semakin tinggi angka Reynold, maka nilai koefisien gesek yang
terjadi pada aliran fluida di dalam pipa akan semakin bertambah.
3.8 KESIMPULAN
Dari
percobaan ini dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu kehilangan energi pada
fluida yang mengalir dalam pipa bundar dapat disebabkan oleh gesekan fluida
dengan dinding pipa dan bentuk geometri pipa. Semakin besar debit (Q) aliran,
maka semakin besar pula kehilangan energi tekannya( hf ). Hal ini terjadi karena kehilangan energi dipengaruhi oleh
debit. Kehilangan energi tekanan dalam pipa berbanding lurus dengan koefisien
geseknya.
Langganan:
Postingan (Atom)