Laporan Praktikum UOB Sirkuit Fluida Kelompok 12

LAPORAN PRAKTIKUM UNIT

OPERASI BIOPROSES I

Modul Sirkuit Fluida

Kelompok 12

Amirah Amatullah 1206262071

Haqqyana 1206262090

Nindya Bestari 1206255122

Retno Ulfiah 1206262102

Program Studi Teknologi Bioproses

Departemen Teknik Kimia

Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Depok, 2014

1

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

2

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.

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:

=

Apabila u/y diganti dengan gradien kecepatan du/dy, diperoleh:

=

Dimana disebut tegangan geser (shear stress). Hubungan antara dan du/dy menunjukkan

sifat reologi fluida seperti terlihat pada gambar 4 berikut :

Gambar 2.2 Hubungan Tegangan geser dengan gradien kecepatan

A

u

Y

F

(1)

(2)

3

Pada grafik di atas, hubungan yang paling sederhana ditunjukkan oleh kurva A fluida yang

mengikuti kurva A disebut fluida Newtonian dimana bentuk persamaannya adalah

=

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:

=

Dimana: Re = bilangan Reynold

D = diameter pipa

= densitas fluida

= 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 :

= 2

2

Dimana : f = faktor friksi (blasius-darcy friction factor)

L = panjang pipa

D = diameter dalam pipa

(3)

(4)

(5)

4

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:

= 32

2

Bila persamaan dapat disusun kembali,

=32

2

2

2

=64

2

2

=64

2

2

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.

= (. /)

/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 /D dapat diperoleh dari chart standard yang disebut Friction factor Chart.

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

5

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

6

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.

7

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

v =

PgcCv

2

1 4

keterangan:

Cv : koefisien venturi

: 0

1

D

D ; D1

8

Semakin besar bilangan Reynold maka momentum yang berpindah antar lapisan fluida

semakin besar. Kenaikan bilangan Reynold sampai melewati batas kritisnya akan

menyebabkan aliran berubah menjadi aliran turbulen dan terjadi dua regional aliran, yaitu

daerah laminer dekat dinding pipa dan daerah turbulen mulai dari batas daerah aliran laminer

hingga sumbu pipa. Akhirnya profile aliran tidak parabola lagi seperti terlihat pada gambar di

bawah.

Gambar 2.6 Profil Aliran Kecepatan Fluida pada Aliran Turbulen

Daerah laminer akan semakin tipis dengan kenaikan bilangan Reynold dan semakin

mempunyai arti dibandingkan dengan kekasaran dinding pipa. Itulah sebabnya faktor friksi

pada aliran laminer hanya bergantung pada bilangan Reynold dan bergeser semakin

bergantung pada kekesaran dinding pipa untuk aliran turbulen.

Kehilangan Energi pada Fitting

Kehilangan energi pada fitting dan kerangan-kerangan secara umum dapat digambarkan

dengan persamaan

= 2

2

Dimana, =

dengan Le merupakan panjang ekivalen dari fitting.

(11)

9

BAB III

METODOLOGI DAN HASIL PENGAMATAN

3.1. Prosedur Percobaan

3.2.1 Percobaan 1 : Kalibrasi Sight Gage

3.2.1.1. Tujuan

Kalibrasi untuk mengetahui volume aktual air yang dialirkan.

3.2.1.2. Prosedur

1. Memastikan tersedia cukup air pada tangki

2. Menutup valve 52 dan membuka valve 45 lalu menyalakan pompa dan tunggu

sampai aliran air yang keluar dari pipa 46 telah stabil.

3. Menampung air yang keluar dengan menggunakan gelas ukur 2000 ml dan catat

nilainya untuk penurunan volume tangki tertentu.

4. Ulangi percobaan untuk nilai penurunan volume tangki yang nampak pada sight

gage dalam interval tertentu minimal 8 data.

5. Membuat kurva kalibrasi (volume ukur vs volume tangki) dan mengamati

kemungkinan terjadi penyimpangan pada sight gage.

3.2.1.3. Data Pengamatan

Percobaan pertama ini dilakukan untuk kalibrasi volume dari sight gage, dengan

mengukur volume yang keluar dari pipa menggunakan gelas ukur 2L.

Tabel 3.1 Data Volume Sight Gage dan Volume Real

Volume Sight

Gage (L)

Volume Real

(L)

1,2 0,9

1,3 1

1,8 1,5

1,85 1,6

1,9 1,7

10

3.2.1.4. Pengolahan Data

Tabel 3.2 Data kalibrasi tangki dengan volume aktual

Volume Sight Gage (L) Volume Real (L) x Volume kalibrasi (L)

1,2 0,9 0,75 1,094314

1,3 1 0,7692308 1,215904

1,8 1,5 0,8333333 1,823856

1,85 1,6 0,8648649 1,945447

1,9 1,7 0,8947368 2,067037

x bar 0,8224332

Dari data yang terdapat pada tabel di atas. Data tersebut bisa kita plotting menjadi

grafik Y vs X di mana Y adalah volume sigh gage dalam Liter dan X adalah volume hasil

kalibrasi dalam liter. Grafiknya adalah sebagai berikut:

Gambar 3.1 Kurva Kalibrasi Volume terukur (L) vs Volume sight gage (L)

Grafik ini jika diperhatikan memberikan hubungan linear karena membentuk garis

lurus, sehingga data data grafik ini bisa diregresi linear menggunakan excel sehingga

didapatkan persamaan kalibrasi volume adalah sebagai berikut:

= 0,8224 4 1015 (3.1)

y = 0.822xR = 1

0

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Vo

lum

e S

igh

t G

auge

(L)

Volume Kalibrasi (L)

Grafik perbandingan Volume Kalibrasi dengan Volume Sight Gauge

11

Di mana y adalah volume real air yang keluar, diukur dengan menggunakan gelas

ukur 2 L dan x adalah volume yang tampak dari sight gage. Dari tabel diatas dapat

disimpulkan bahwa 1 L tangki = 0,822 L pada volume ukur.

3.2.2 Karakteristik Orifice Flowmeter

3.2.2.1 Tujuan

Mencari nilai koefisien karakteristik (discharge coefficient) dari orifice flowmeter

yang digunakan dengan menggunakan aliran turbulen dan laminar.

3.2.2.2 Prosedur Percobaan

1) Membuka valve 50 sementara menutup valve lainnya (menggunakan by pass).

Menggunakan valve 45 untuk mengatur pengeluaran air yang melalui pipa aliran

keluar (46).

2) Menyalakan pompa dan buka valve 45 perlahan-lahan.

3) Memasang dua selang manometer pada orifice (tap-pressure 40-41) untuk

mengukur perbedaan tekanan.

4) Mengukur aliran keluar dari tangki dengan mencatat penurunan yang nampak pada

sight gage untuk waktu 30 detik. Secara simultan catat perbedaan ketinggian yang

nampak pada manometer.

5) Mengulangi pengukuran untuk beberapa flowrate (8 data) dengan mengubah

bukaan valve 45 hingga diperoleh data perubahan h dengan inkremen yang sama.

6) Mengeplot P (dalam H2O) dengan laju alir (gph).

7) Menghitung dan membuat grafik Cd (coefficient of discharge) sebagai fungsi dari

laju alir.

3.2.2.3 Data Percobaan dan Pengolahan Data

3.2.2.3.1 Aliran Turbulen

Volume yang didapatkan dari percobaan adalah volume sight gage. Oleh karena itu,

sebelumnya data volume tersebut harus dikonversikan terlebih dahulu menjadi debit

air (Q), yang keluar bisa dhitung denga menggunakan rumus:

= /

12

Tabel 3.2 Q orifice flowmeter

V (liter)

V real (liter)

Q (L/s) t (s)

2,7 2,22048 0,088819 25

3 2,4672 0,098688 25

3,2 2,63168 0,105267 25

3,3 2,71392 0,108557 25

3,5 2,8784 0,115136 25

dan dengan mengubah semua satuan ke dalam Satuan Internasional dan mengakarkan nilai

, maka, diperoleh data sebagai berikut:

Tabel 3.3 Data Pengamatan dan Pengolahan Data Aliran Turbulen

h

Orifice

(inchi)

h

Orifice

(m)

h (m) V

(liter)

V

real

(liter)

Q (L/s) Q (m3/s)

3 0,0762 0,276043 2,7 2,22048 0,088819 8,8819E-05

4,5 0,1143 0,338083 3 2,4672 0,098688 9,8688E-05

4,7 0,11938 0,345514 3,2 2,63168 0,105267 0,00010527

4,9 0,12446 0,352789 3,3 2,71392 0,108557 0,00010856

5 0,127 0,356371 3,5 2,8784 0,115136 0,00011514

Untuk mendapatkan hubungan antara debit air yang keluar dengan orrifice, maka

digunakan persamaan

=

14

2

(2.2)

debit akan berbanding lurus dengan akar dari orrifice (yang merupakan penunjuk beda

tekanan tersebut. Hubungan antara h dengan Q dilihat dari plotting grafik di

bawah ini

13

Dari grafik tersebut didapatkan persamaan garis

y = 0,0003x+1E-05

persamaan garis terebut menunjukan hubungan antara debit air (Q) yang keluar dengannilai

h. Selanjutnya untuk memperoleh nilai dari koefisien discharge orifice dari persamaan

tersebut, perlu dihitung terlebih dahulu nilai koefisien karakteristik (faktor koreksi) rata-rata

dari orifice yang dihitung sebagai berikut:

=

adalah diameter kerongkongan, = 0,625 inch = 0,01587 m orifice flow meter

adalah diameter pipa, = 0,03

=0,01587

0,03 = 0,529

: luas area kerongkongan orrifice.

=1

4

2 =1

4 0,01587 2 = 1,977 1042

Maka nilai koefisien karakteristik rata rata dari orrifice adalah

y = 0.000x + 1E-05R = 0.829

0

0.00002

0.00004

0.00006

0.00008

0.0001

0.00012

0.00014

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Q

(m3

/s)

h (m)

Grafik h vs Q Aliran Turbulen Orifice Flowmeter

14

=() 1 4

2=

0,003 3

1 0,5294

1,977 1042 2 9,8

2

= 0,329

Sehingga didapatkan nilai koefisien untuk orfice flowmeter pada aliran turbulen adalah

= 0,329

3.2.2.3.2 Aliran Laminer

Dengan menggunakan prinsip perhitungan yang sama dengan data pada aliran turbulen, maka

didapat data sebagai berikut:

Tabel 3.4 Data Pengamatan dan Pengolahan Data Aliran Laminer

h

Orifice

(inchi)

h

Orifice

(m)

h (m) V

(liter)

V

real

(liter)

Q (L/s) Q (m3/s)

1 0,0254 0,159374 2 1,6448 0,065792 6,5792E-05

1,7 0,04318 0,207798 2,15 1,76816 0,070726 7,0726E-05

2 0,0508 0,225389 2,2 1,80928 0,072371 7,2371E-05

2,4 0,06096 0,246901 2,4 1,97376 0,07895 7,895E-05

2,6 0,06604 0,256982 2,5 2,056 0,08224 0,00008224

Dari data tersebut maka didapat grafik berikut:

Gambar 3.2 Grafik. Q vs pada orifice flowmeter dalam keadaan aliran laminer

y = 0.000x + 4E-05R = 0.908

0

0.00002

0.00004

0.00006

0.00008

0.0001

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Q

(m3

/s)

h (m)

Grafik h vs Q Aliran Laminer Orifice Flowmeter

15

Dari grafik tersebut didapatkan persamaan garis

y = 0,0001x + 5 105

persamaan garis terebut menunjukan hubungan antara debit air (Q) yang keluar dengan nilai

h. Selanjutnya untuk memperoleh nilai dari koefisien dischargeorifice dari persamaan

tersebut, perlu dihitung terlebih dahulu nilai koefisien karakteristik (faktor koreksi) rata-rata

dari orifice yang dihitung sebagai berikut:

=

adalah diameter kerongkongan, = 0,625 inch = 0,01587 m orifice flowmeter

adalah diameter pipa, = 0,03

=0,01587

0,03 = 0,529

: luas area kerongkongan orrifice.

=1

4

2 =1

4 0,01587 2 = 1,977 1042

Maka nilai koefisien karakteristik rata rata dari orrifice adalah

=() 1 4

2=

0,0002 3

1 0,5294

1,977 1042 2 9,8

2

= 0,217

Sehingga didapatkan nilai koefisien untuk orofice flowmeter pada aliran laminer adalah

= 0,217

3.2.3 Karakteristik Venturi Flowmeter

3.2.3.1 Tujuan

Mencari nilai koefisien karakteristik (discharge coefficient) dari venturi flow meter

yang digunakan dengan menggunakan aliran turbulen dan laminar.


1) Menutup valve 44, 45, 48, 50 dan 52 sementara buka valve lainnya. Gunakan valve

45 untuk mengatur pengeluaran air yang melalui pipa aliran keluar (46).

2) Menyalakan pompa dan buka valve 45 perlahan-lahan.

16

3) Memasang dua selang manometer pada venturi dan orifice (tap-pressure 38-39)

untuk mengukur perbedaan tekanan.

4) Mencatat perbedaan ketinggian yang nampak pada manometer, baik perbedaan

ketinggian venturi maupun orifice.

5) Mengulangi pengukuran untuk beberapa flowrate (8 data) dengan mengubah

bukaan valve 45 hingga diperoleh data perubahan h dengan inkremen yang sama.

6) Mengeplot P (dalam H2O) dengan laju alir (gph).

7) Menghitung dan membuat grafik Cd (coefisien of discharge) sebagai fungsi dari

laju alir.

8) Membuat grafik hubungan Cd (coefisien of discharge) pada venturi dengan Cd

(coefficient of discharge) pada orifice.


3.2.3.3.1 Aliran Turbulen


sebelumnya data volume tersebut harus dikonversikan terlebih dahulu menjadi debit

air (Q), yang keluar bisa dhitung denga menggunakan rumus:

= /


h Venturi (inchi)

h Venturi

(m)

h (m) V (liter)

V real (liter)

Q (L/s) Q (m3/s)

6 0,1524 0,390384 2,7 2,22048 0,088819 8,8819E-05

6,5 0,1651 0,406325 3 2,4672 0,098688 9,8688E-05

6,6 0,16764 0,409439 3,2 2,63168 0,105267 0,00010527

7 0,1778 0,421663 3,3 2,71392 0,108557 0,00010856

7,5 0,1905 0,436463 3,5 2,8784 0,115136 0,00011514

Debit akan berbanding lurus dengan Orifice (yang merupakan penunjuk beda

tekanan( ) tersebut. Hubungannya bisa dilihat dari plotting grafik di bawah ini

17

Gambar 3.3 Grafik Q vs pada venturi flowmeter dalam keadaan aliran turbulen

Pada percobaan ini, akan dihitung karakteristik venturimeter berdasarkan koefisien

discharge dari alat tersebut. Menurut persamaan Bernoulli yaitu:

= .

=

12

2

Dimana:

Cv: koefisien venturi

:1

0; 1 < 1

: massa jenis fluida

gc: 1 Kg m N-1

det2

Selanjutnya nilai Cv dapat dihitung dengan persamaan diatas yang termodifikasi:

= (12)

2

Dengan mengetahui bahwa nilai adalah dan disubtitusikan ke persamaan

diatas.

= (12 )

2

Dari kurva diatas diketahui bahwa nilai slope kurva adalah nilai antara Q/ dan

gravitasi spesifik adalah 1. Maka dapat disederhanakan nilai koefisien venturimeter

adalah

= 14

. 2

y = 0.000x - 0.000R = 0.946

00.000020.000040.000060.00008

0.00010.000120.00014

0.38 0.39 0.4 0.41 0.42 0.43 0.44

Q

(m3

/s)

h (m)

Grafik h vs Q Aliran Turbulen Venturi Flowmeter

18

= 1 4

. 2

A = 0.0007065 m2

=0,0006 (10,5294 )

0.0007065 . 2.9,80= 0,184

Sehingga didapatkan nilai koefisien untuk venturimeter adalah

= 0,184

3.2.3.3.2 Aliran Laminer


sebelumnya data volume tersebut harus dikonversikan terlebih dahulu menjadi debit air (Q),

yang keluar bisa dhitung denga menggunakan rumus:

= /u


h Venturi (inchi)

h Venturi

(m)

h (m) V (liter)

V real (liter)

Q (L/s) Q (m3/s)

5,5 0,1397 0,373765 2 1,6448 0,065792 6,5792E-05

5,75 0,14605 0,382165 2,15 1,76816 0,070726 7,0726E-05

6 0,1524 0,390384 2,2 1,80928 0,072371 7,2371E-05

6,5 0,1651 0,406325 2,4 1,97376 0,07895 7,895E-05

6,8 0,17272 0,415596 2,5 2,056 0,08224 0,00008224

dengan menggunakan prinsip perhitungan yang sama dengan data pada aliran turbulen, maka

didapat grafik dan hasil sebagai berikut:

19

Gambar 3.4 Grafik Q vs pada venturi flowmeter dalam keadaan aliran laminer

Maka nilai cv yang didapat adalah

=0,0004 (1 0,5294 )

0.0007065. 2.9,80= 0,1228

Sehingga didapatkan nilai koefisien untuk venturimeter adalah

= 0,1228

3.2.4 Aliran Laminer dan Turbulen

3.2.4.1 Tujuan

Mengetahui pola aliran laminar dan turbulen dengan laju yang berbeda.


1) Memastikan visual box bersih sehingga praktikan mudah melakukan pengamatan

pola aliran.

2) Menggunakan venturi sebagai flowmeter.

3) Membuka valve 10, 11, 12, 16, dan 52 dan menutup valve lainnya.

4) Memvariasikan bukaan valve, lalu mengamati dan mencatat pola aliran yang

terjadi (minimal 8 data).


Secara teoritis, jenis aliran dipengaruhi oleh bilangan Reynoldnya. Aliran laminar

berada pada nilai Reynold < 2000.Sementara jika aliran memiliki bilangan Reynold

antara 2000 dan 4000 maka aliran dikatakan aliran transien dan bilangan Reynold

y = 0.000x - 8E-05R = 0.989

0

0.00002

0.00004

0.00006

0.00008

0.0001

0.37 0.38 0.39 0.4 0.41 0.42

Q

(m3

/s)

h (m)

Grafik h vs Q Aliran Laminer Venturi Flowmeter

20

diatas 4000 aliran tersebut merupakan jenis aliran turbulen. Bilangan Reynold

adalah perbandingan antara inersia dan viskositas. Atau dinyatakan dengan:

=. .

Atau bisa dituliskan

=. .

.

Dalam percobaan ini, masing-masing jenis aliran diambil dalam 5 variasi data.

Diameter dari pipa adalah 0,03 m. Sehingga luas permukaan adalah:

= 1

42 = 0.0007065 m2

Berikut adalah tabel pengolahan data ketika visual box menunjukkan pengamatan

aliran turbulen:

Tabel 3.8 Bilangan Reynold pada aliran turbulen

Q (m3/s) Re

8,88E-05 2,664576

9,87E-05 2,96064

0,000105 3,158016

0,000109 3,256704

0,000115 3,45408

serta tabel pengolahan data ketika visual box menunjukkan pengamatan aliran

laminer:

Tabel 3.9 Bilangan Reynold pada aliran laminer

Q (m3/s) Re

6,5792E-05 584,0551

7,0726E-05 648,9501

7,2371E-05 692,2134

7,895E-05 713,8451

0,00008224 757,1084

21

3.2.5 Friction Loss

3.2.5.1 Tujuan

Membandingkan besarnya kehilangan energi karena friksi antara data eksperimental

dan data teoritis pada aliran dalam pipa serta menganalisis faktor-faktor yang

berpengaruh terhadap besarnya friksi


1) Menghubungkan dua selang manometer pada pipa 1 dan dua lainnya pada orifice.

2) Memvariasikan laju alir dengan mengatur bukaan upstream valve sehingga

diperoleh data perbedaan ketinggian di manometer baik dari pipa maupun dari

orifice.


Berikut merupakan data perbedaan tekanan (yang digambarkan oleh h) pada pipa

satu inchi pengukuran friction loss.

Langkah-langkah yang digunakan untuk melakukan pengolahan data adalah sebagai

berikut. Yang pertama, mengkonversi nilai hventuri maupun hpipa menjadi satuan

meter yang digunakan untuk standard. Lalu menghitung nilai hventuri yang

nantinya digunakan untuk menghitung nilai Q dengan menggunakan persamaan

regresi linier dari perobaan venturi. Kemudian mencari pressure loss dengan

menggunakan hpipa sebagai head loss

= . .

=

2

2

Setelahnya, mencari nilai kecepatan aliran dengan rumus

h Pipa (inch)

h Pipa (m)

1 0,0254

1,1 0,02794

1,1 0,02794

1,5 0,0381

1,5 0,0381

22

=

=

(

4)2

Lalu menentukan nilai bilangan Reynold dengan menggunakan persamaan

=. .

Kemudian menentukan nilai Faktor friksi dengan rumus sebagai berikut

=

2

2

=

2

2

= .

=

.

Rumus faktor friksi yang digunakan adalah dengan persamaan Darcy-Weisbach

yang telah dipergunakan dalam perhitungan-perhitungan pada percobaan

sebelumnya.

Menentukan nilai Friction loss

= . .

= ..

= .

Membuat plot untuk nilai faktor friksi teoritis dan eksperimen pada pipa 1 in.

Tabel 2.14 Data h, v, dan q pada fitting pipa

v(L) v kalibrasi t(s) q(L/s) h pipa (m)

3.3 2.71392 25 0.1085568 0.0254

3.5 2.8784 25 0.115136 0.02794

4 3.2896 25 0.131584 0.02794

5 4.112 25 0.16448 0.0381

7 5.7568 25 0.230272 0.0381

23

untuk mencari friksi teoritis digunakan rumus:

= 0.001375 1 + 20000

+

106

1

3

Tabel 2.15 Pengolahan data menghitung f eksperimen dan f teoritis

v Re f f teori F

0.21434825 5444.446 0.181067 0.038146 0.24892

0.227339053 5774.412 0.177062 0.037535 0.273812

0.259816061 6599.328 0.135563 0.036214 0.273812

0.324770076 8249.16 0.118309 0.034193 0.37338

0.454678107 11548.82 0.060362 0.03154 0.37338

Sehingga didapatkan grafik hubungan reynold number dengan f eksperimen dan f

teoritis adalah sebagai berikut:

Gambar 3.4 Grafik f vs Re dalam keadaan aliran turbuler

3.2.6 Fitting Pipa

3.2.6.2 Tujuan

Menentukan friction factor dan panjang ekuivalen (Le) pada fitting yang berupa valve

serta menentukan hubungan antara bilangan Reynold (Re) dengan panjang ekuivalen (Le).


1. Membuka valve 1, 2, 3, 8 dan 6 serta menutup valve lainnya. Valve 5 dibuka sedikit

untuk memastikan aliran total tidak terlalu kecil

2. Menghubungkan dua selang manometer pada elbow 6 dan dua lainnya pada venturi.

00.020.040.060.08

0.10.120.140.160.18

0.2

0 5000 10000 15000

Re

Faktor friksi

Grafik f vs Re

f

f teori

24

3. Menvariasikan laju alir dengan mengatur bukaan valve 3 berdasarkan perbedaan

ketinggian di manometer venturi sehingga didapatkan data ketinggian di manometer

elbow. Digunakan variasi h venturi sebanyak 5 data turbular.

4. Menentukan panjang ekuivalen Le.


Dari data volum terhadap waktu, didapatkan nilai debit Q (m3/s) dengan membagi selisih

nilai volum awal. dan akhir dari masing-masing bukaan, dengan interval waktu 25 detik.

Data h pada manometer venturi flowmeter dan fitting valve (telah dikonversi ke meter)

Dilakukan pada 3 kali percobaan yang berbeda.

Tabel 3.17 Data h venture dan hfitting untuk setiap bukaan valve

h Fitting(m) h venturi(m)

0,33782 0,04572

0,32766 0,03048

0,3048 0,02794

Kemudian menghitung nilai bilangan Reynold (Re atau NR), friction factor eksperimen

(feksperimen), dan panjang ekuivalen fitting valve (Le)

Menggunakan persamaan berikut ini:

=

= 2

2

=2

2

Dengan menggunakan bantuan Ms. Excel. didapatkan nilai berikut ini:

Tabel 3.18 Data h venture, h fitting, dan perhitungan v

h Fitting(m)

h venturi(m)

v Re f Le

0,33782 0,04572 0,149320703 3792,746 0,671603 11,231111

0,32766 0,03048 0,155812907 3957,648 0,411201 16,340000

0,3048 0,02794 0,162305112 4122,55 0,347383 16,581818

25

Grafik hubungan antara Re terhadap Le

Gambar 3.5 Grafik Le vs Re dalam keadaan aliran turbuler

0.000000

2.000000

4.000000

6.000000

8.000000

10.000000

12.000000

0 2000 4000 6000 8000 10000

Leb

ar E

kiva

len

(m

)

Bilangan Reynolds

Grafik Le vs Re

eksperimen

teoretis

26

BAB IV

ANALISIS HASIL DAN PEMBAHASAN

Kalibrasi Sight Gage

Tabel 4.1 Hasil dan Pengolahan Data Kalibrasi Sight Gage

volume

tangki

volume

ukur

x = (v ukur / v

tangki)

1.2 0.9 0.75

1.3 1 0.7692308

1.8 1.5 0.8333333

1.85 1.6 0.8648649

1.9 1.7 0.8947368

0.8224332

Data pengamatan yang diperoleh praktikan menunjukkan selisih yang relatif kecil antara

volume ukur dan volume tangki, yakni tidak lebih dari 0,3 L pada masing-masing percobaan.

Rata-rata hasil perhitungan rasio volume ukur terhadap volume tangki menunjukkan angka

0,8224. Hal ini menunjukkan bahwa untuk setiap 1 liter perubahan volume pada tangki,

perubahan volume yang terukur oleh gelas ukur adalah 0,8224 liter.

Karakteristik Orifice Flowmeter & Venturimeter

Tabel 4.2 Data Pengamatan dan Pengolahan Data Aliran Turbulen Pada Orifice Flowmeter

v(L) v

kalibrasi t(s) q(L/s) h(in) h(m) Debit(m

3/s)

2.7 2.22048 25 0.0888192 3 0.0762 0.276043475 8.88192x10-5

3 2.4672 25 0.098688 4.5 0.1143 0.33808283 0.000098688

3.2 2.63168 25 0.1052672 4.7 0.11938 0.34551411 0.000105267

3.3 2.71392 25 0.1085568 4.9 0.12446 0.352788889 0.000108557

3.5 2.8784 25 0.115136 5 0.127 0.356370594 0.000115136

Tabel 4.3 Data Pengamatan dan Pengolahan Data Aliran Laminar Pada Orifice Flowmeter

v(L) v


3/s)

2 1.6448 25 0.065792 1 0.0254 0.159373775 0.000065792

2.2 1.80928 25 0.0723712 2.2 0.05588 0.236389509 7.23712x10-5

27

2.4 1.97376 25 0.0789504 2.4 0.06096 0.24690079 7.89504x10-5

Tabel 4.4 Data Pengamatan dan Pengolahan Data Aliran Turbulen Pada Venturimeter

v(L) v


3/s)

2.7 2.22048 25 0.0888192 6 0.1524 0.390384 8.88192x10-5

3 2.4672 25 0.098688 6.5 0.1651 0.406325 0.000098688

3.2 2.63168 25 0.1052672 6.6 0.16764 0.409439 0.000105267

3.3 2.71392 25 0.1085568 7 0.1778 0.421663 0.000108557

3.5 2.8784 25 0.115136 7.5 0.1905 0.436463 0.000115136

Tabel 4.5 Data Pengamatan dan Pengolahan Data Aliran Laminer Pada Venturimeter

v(L) v


3/s)

2 1.6448 25 0.065792 6 0.1524 0.390384 0.000065792

2.2 1.80928 25 0.0723712 6.5 0.1651 0.406325 7.23712x10-5

2.4 1.97376 25 0.0789504 6.8 0.17272 0.415596 7.89504x10-5

Dari data yang di dapatkan, dilakukan perhitungan seperti yang telah dijelaskan

sebelumnya. Maka didapatkan pada aliran turbuler, nilai koefisien karakter orifice (Co)

adalah 0.329 , dan nilai koefisien karakter venturi (Cv) adalah 0.184. Sedangkan pada aliran

laminer, Co adalah 0.217, dan Cv adalah 0.1228. Dari hasil perhitungan laminar dan turbulen

tersebut, nilai Co lebih besar daripada nilai Cv. Hal ini disebabkan oleh energy loss pada

venturi lebih kecil dibanding orifice. Pada venturi, kehilangan energi karena friksi dengan

dinding venturi dapat diabaikan karena dinding venturi sangat halus. Ketika aliran memasuki

throat menyempit pada venturimeter, energi kinetik aliran akan semakin besar secara

perlahan (tidak seperti pada orifice dimana perubahan kecepatan aliran terjadi secara tiba-tiba

sehingga terdapat kehilangan energi) sehingga saat memasuki throat venturi (tabung slinder)

kecepatannya mencapai maksimum.

Aliran Laminer dan Turbuler


Debit(m3/s) V(m/s) Re

0.000065792 0.129908031 3897.240916

7.23712x10-5

0.142898834 4286.965007

7.89504x10-5

0.155889637 4676.689099

28


Debit(m3/s) V(m/s) Re

8.88192x10-5

0.175376 5261.275

0.000098688 0.194862 5845.861

0.000105267 0.207853 6235.585

0.000108557 0.214348 6430.448

0.000115136 0.227339 6820.172

Tujuan dari percobaan adalah mengetahui pola aliran dengan laju yang berbeda pada

pipa lurus. Data pengamatan yang diperoleh untuk mengetahui pola aliran turbulen berupa

pengamatan visual pada visual box. Aliran turbulen ditandai dengan terjadinya aliran yang

deras bergejolak dan terbentuk pusaran, selain itu perbedaan ketinggian yang terlihat pada

manometer sangat jauh. Hal ini menunjukan nilai pressure drop yang terjadi di sepanjang

pipa sangat besar.

Maka untuk membuktikan apakah dugaan tersebut benar, dilakukan pengolahan data

untuk menghitung bilangan Reynold. Bilangan Reynold yang merupakan bilangan tak

berdimensi menunjukkan karakter dari suatu aliran. Bilangan Reynold dihitung berdasarkan

volume air yang terukur pada tangki sehingga diperoleh debit ataupun laju alirnya. Bilangan

Reynold untuk aliran turbulen bernilai diatas 4000.

Jika dilihat dari nilai yang diperoleh, semakin besar bukaan valve yang tentunya

memperbesar debit, akan menyebabkan bilangan Reynold semakin tinggi. Sehingga dapat

disimpulkan bahwa percobaan ini sesuai dengan literatur, dimana v berbanding lurus dengan

Re. Pada bukaan valve maksimum diperoleh bilangan Reynold sebesar 6820,72.

Aliran laminer ditandai dengan aliran yang tenang dan tidak bergejolak. Selain itu nilai

selisih ketinggian yang terbaca pada manometer sangatlah kecil.Untuk membuktikan asumsi

tersebut maka dilakukan perhitungan bilangan Reynold, dimana untuk aliran laminer

bilangan Reynold bernilai kurang dari 2000.

Pada percobaan laminar, hasil penghitungan bilangan Reynold tidak menunjukkan

sepenuhnya aliran laminar melainkan aliran transisi karena berada diantara 2000 sampai

4000. Faktor-faktor yang kemungkinan menyebabkan hal ini akan dibahas pada analisis

kesalahan. Namun dari segi lain, percobaan laminar menghasilkan pengolahan data yang

menunjukkan bahwa semakin kecil bukaan valve maka selisih antara volume awal dan

volume akhirpada tangki akan semakin kecil pula, sehingga debit yang diperoleh semakin

menurun. Hal tersebut dijelaskan oleh rumus bilangan Reynold, dimana besar debit dan laju

29

alir berbanding lurus dengan bilangan Reynold. Selain itu, perbedaan ketinggian yang terukur

pada manometer orifice serta venture bernilai lebih kecil jika dibandingkan dengan perbedaan

ketinggian pada aliran turbulen pada percobaan sebelumnya, dimana perbedaan ketinggian

yang terbaca pada skala manometer menunjukkanbesarnya pressure drop yang terjadi dalam

pipa di setiap bukaan valve. Sehingga dapat dikatakan bahwa pressure drop yang terjadi di

sepanjang pipa dan flowmeter bernilai lebih kecil untuk aliran laminar. (h berbanding lurus

dengan besar debit Q,dimana besar Q berbanding lurus pula dengan bilangan Reynold,

sehingga dapat pula dituliskan bahwa Re).

Friction Loss

Tabel 4.8 Data Pengamatan dan Pengolahan Data Pengukuran Friction Loss

v(L) v

kalibrasi t(s) q(L/s)

h pipa

(m)

v Re f f teori F

3.3 2.71392 25 0.1085568 0.0254 0.21434825 5444.446 0.181067 0.038146 0.24892

3.5 2.8784 25 0.115136 0.02794 0.227339053 5774.412 0.177062 0.037535 0.273812

4 3.2896 25 0.131584 0.02794 0.259816061 6599.328 0.135563 0.036214 0.273812

5 4.112 25 0.16448 0.0381 0.324770076 8249.16 0.118309 0.034193 0.37338

7 5.7568 25 0.230272 0.0381 0.454678107 11548.82 0.060362 0.03154 0.37338

Gambar 4.4 Grafik f vs Re dalam keadaan aliran turbuler

Perhitungan yang pertama didapatkan adalah besar debit (q) dengan membagi perubahan

volume yang telah dikalibrasi dengan waktu, dimana waktu telah ditetapkan untuk semua

percobaan 25 detik. Dari perhitungan didapatkan bahwa semakin besar nilai h pada

00.020.040.060.08

0.10.120.140.160.18

0.2

0 5000 10000 15000

Re

Faktor friksi

Grafik f vs Re

f

f teori

30

manometer, maka debit yang dihasilkan juga semakin besar. Dari nilai ini kemudian akan

didapatkan nilai atau besar laju alir fluidanya, yang juga menunjukkan nilai yang lebih tinggi

pada h yang tinggi. Hal ini dikarenakan pada h yang tinggi, maka bukaan valve akan

semakin besar (semakin terbuka penuh). Kondisi ini mengakibatkan area cross-section fluida

menjadi lebih besar untuk fluida lewat sehingga volume fluida yang dapat melewati valve

tersebut pun semakin besar untuk waktu yang sama, atau dengan kata lain didapatkan laju alir

yang lebih besar.

Perhitungan selanjutnya adalah mencari nilai bilangan Reynold (Re). Dari perhitungan

didapat bahwa seluruh pengamatan menujukkan nilai bilangan Reynold yang lebih dari 4000.

Hal ini menunjukkan bahwa aliran yang terjadi saat pengamatan adalah aliran turbulen.

Seperti halnya laju alir, perhitungan data menunjukkan nilai h yang lebih tinggi akan

menghasilkan nilai Reynold yang lebih tinggi pula. Nilai bilangan Reynold tertinggi adalah

11.548,8 pada saat h pipa 0,0381 m sedangkan nilai bilangan Reynold terkecil adalah

5.444,45 pada saat h pipa 0,0254 m.

Perhitungan selanjutnya adalah friction loss (F). Dari perhitungan didapatkan bahwa F

berbanding lurus dengan laju alir, semakin besar laju alir maka semakin besar pula friction

loss. Selain friction loss, perhitungan juga dilakukan dengan menghitung faktor friksi dari

data eksperimen dan faktor friksi teoritis. Hasil perhitungan faktor friksi, baik pada

eksperimen maupun teoritis, menunjukkan bahwa faktor friksi berbanding terbalik dengan

laju alir, semakin kecil laju alir maka faktor friksi akan semakin besar. Hal ini dikarenakan

tahanan pada aliran yang dengan laju yang lebih rendah bernilai lebih besar dibanding pada

aliran mempunyai laju yang lebih tinggi.

Fitting Pipa

Tabel 4.9 Data Pengamatan dan Pengolahan Data Pengukuran Fitting Pipa

h Fitting(m)

h venturi(m)

v Re f Le

0,33782 0,04572 0,149320703 3792,746 0,671603 11,231111

0,32766 0,03048 0,155812907 3957,648 0,411201 16,340000

0,3048 0,02794 0,162305112 4122,55 0,347383 16,581818

31

Gambar 4.5 Grafik Le vs Re dalam keadaan aliran turbuler

Data yang diperoleh dalam percobaan berupa H venturi dan Hfitting valve serta

volume tangki dengan waktu 25 detik. Data tersebut diolah untuk mencari nilai faktor friksi,

panjang ekuivalen (Le) dan memperoleh hubungan antara bilangan Reynold (Re) dengan

panjang ekuivalen (Le).

Kecepatan didapatkan dengan cara seperti pada penghitungan-penghitungan sebelumnya.

Langkah selanjutnya yaitu mencari bilangan Reynold dari percobaan. Bilangan Reynold

untuk aliran laminar secara teoritis adalah < 2000. Dari pengolahan data diatas, bilangan

Reynold pada percobaan fitting pipa dalam aliran laminar berada diantara 2000 hingga 4000

sehingga dapat dikatakan merupakan aliran transisi. Bilangan Reynold pada percobaan

semakin tinggi karena bilangan Reynold berbanding lurus kecepatan, sehingga apabila

kecepatan naik maka bilangan Reynold juga akan naik.

Setelah itu, nilai faktor friksi dan panjang ekuivalen dicari dengan menggunakan rumus

yang terdapat pengolahan data. Bilangan Reynold yang semakin besar berpengaruh pada

semakin meningkatnya pressure drop aliran di dalam fitting. Sehingga tegangan geser pun

akan semakin meningkat, akibatnya faktor friksi pun juga akan meningkat. Friksi terjadi pada

fitting, sehingga menyebabkan kehilangan energi. Kehilangan energi pada fitting lebih besar

dibanding dibanding dengan kehilangan energi pada pipa lurus tanpa keberadaan fitting

walaupun dengan diameter yang sama. Hal ini dikarenakan sifat inersia fluida yang

mempertahankan arah gerak fluida sehingga fluida akan menubruk dinding terlebih dahulu

baru kemudian berbelok dan ketika fluida menumbuk dinding kemungkinan terjadi friksi

0.000000

2.000000

4.000000

6.000000

8.000000

10.000000

12.000000

0 2000 4000 6000 8000 10000

Leb

ar E

kiva

len

(m

)

Bilangan Reynolds

Grafik Le vs Re

eksperimen

teoretis

32

karena tumbukan antar partikel maupun dengan dinding yang akan membuat kehilangan

energi gerak aliran.

Analisis Kesalahan

Berdasarkan hasil data yang kami peroleh dan kami olah, beberapa data memberikan hasil

yang kurang sesuai dengan teori. Pada percobaan friction loss hasil data eksperimen dan data

teoritis memiliki perbedaan yang cukup signifikan. Berdasarkan analisis kami, hal tersebut

diakibatkan oleh beberapa faktor, diantaranya adalah:

1. Kurangnya ketelitian praktikan dalam mengoperasikan alat, sedangkan variasi bukaan

alat membutuhkan akurasi yang tinggi. Sehingga menghasilkan data yang kurang

akurat dan sempurna dari data teoritis.

2. Kerusakan alat, misalnya adanya kebocoran pada bagian tertentu pada pipa,

mengakibatkan sistem tidak berjalan sesuai sehingga mempengaruhi keakuratan data.

3. Ketidakstabilan perngukuran percobaan menggunakan manometer sehingga hasil

kurang akurat.

33

BAB V

KESIMPULAN

1. Beda ketinggian manometer menunjukan besarnya pressure drop pada aliran fluida

2. dalam pipa.

3. Bilangan Reynold berbanding lurus dengan laju alir dan debit.

4. Aliran fluida berdasarkan bilangan Reynold dibagi menjadi 3, yaitu :

- Aliran laminar : Re < 2000

- Aliran transisi : 2000 < Re < 4000

- Aliran turbulen : Re > 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.

34

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

Documents

Laporan Praktikum UOB Sirkuit Fluida Kelompok 12