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                 = 30^o C

-          ρ air 30^o C             = 996 kg/m³

-          ρ­­ raksa 30^o C         = 13,6 kg/m³

-          ʋ 30^o 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 (H_f)

Untuk mencari nilai h_f  dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

hf =  …………..(3.6)

dimana :

     h_f                                 = kehilangan energi (m)

     manometer Hg 1         = bacaan pada manometer air raksa 1

     manometer Hg 2         = bacaan pada manometer air raksa 2

     ρ_air                               = massa jenis air (kg/m³)

     ρ_Hg                               = 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 30^o C       = 996 kg/m³

ρ­­ raksa 30^o 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.