Laporan Dasar Teori Bab 1 Dan 2

FLUID MECHANICS

LABORATORIUM FENOMENA DASAR MESIN

BAB IFLUID MECHANICS

1.1 Dasar Teori1.1.1 Definisi Fluida

Fluida didefinisikan sebagai zat yang terdeformasi terus menerus ketikamengalami tegangan geser tanpa memperhatikan betapa kecilnya tegangan gesertersebut. Hal ini berarti ketika fluida mengalir, menunjukkan bahwa ada tegangan geseryang bekerja.

Gambar: 1.1 Aliran fluidaSumber: Anonymous 1, 2011

1.1.2 Macam-macam Fluidaa. Berdasarkan Laju Deformasi dan Tegangan Geser

1. Newtonian FluidNewtonian fluid adalah jenis fluida yang memiliki nilai viskositas yang

sama walaupun dikenai shear rate yang berbeda-beda pada temperatur dantekanan lingkungan yang sama. Pada Newtonian fluid ini, tegangan gesermerupakan hasil perkalian viskositas dengan shear rate. Contoh fluida yangmerupakan Newtonian fluid adalah gula, teh, kopi.

FLUID MECHANICS


=

Dimana : = Tegangan geser pada fluida = Viskositas fluida

= Gradient kecepatan fluida

Gambar 1.2 Diagram Newton fluidaSumber: Anonymous 2, 2011

2. Non-Newtonian FluidFluidanon-newtonian adalah fluida yang tegangan gesernya tidak

berhubungan secara linier terhadap laju regangan geser. Fluida jenis ini memilikiviskositas dinamis yang dapat berubah-ubah ketika terdapat gaya yang bekerjapada fluida tersebut dan waktu. Contoh fluida non-newtonian adalah plastik.

Gambar 1.3 Variasi linier dari tegangan geser terhadap laju regangan geser beberapafluida termasuk fluida non-Newtonian

Sumber: Bruce R. Munson (2004: 20)

FLUID MECHANICS


b. Berdasarkan Mampu Mampat1. Compressible Fluid (fluida termampatkan)

Artinya jika fluida mendapatkan tekanan, volume dan massa jenisnyaberubah. Contoh fluida jenis gas.

2. Incompressible Fluid (fluida tak-termampatkan)Artinya jika fluida mendapatkan tekanan, volume dan massa jenisnya

tetap. Contoh fluida jenis cair Aliran fluida yang dicirikan dengan tidakberubahnya besaran kerapatan massa (densitas) darifluida di sepanjang alirantersebut. Contoh fluida tak-termampatkan adalah: air, berbagai jenis minyak,emulsi, udara.

Bilangan MachBilangan mach adalah suatu parameter untuk menentukan jenis kecepatan

aliran subsonik atau supersonik, yang dapat dirumuskan secara matematiksebagai:

M =

Dimana: M = bilangan Machv = kecepatan aliran (m/s)c = kecepatan suara lokal (Mach)

Hal ini dapat dilihat pada rancangan airfoil superkritis.1. Aliran incompressible Ma < 0,32. Aliran subsonik 0,3 < Ma > 0,83. Aliran transonik 0,8 < Ma < 1,2

4. Aliran Supersonik 1,2 < Ma < 3,05. AliranHipersonik 3,0 < Ma

c. Berdasarkan Bentuk Aliran1. Aliran Laminar

Aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan lapisan, atau lamina lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar. Dalam aliran laminar iniviskositas berfungsi untuk meredam.

FLUID MECHANICS


Distribusi Kecepatan Pada Aliran LaminerDistribusi kecepatan adalah distribusi aliran dalam pipa terhadap jarak

aliran terhadap permukaan pipa. Distribusi aliran ini berbeda antara laminar danturbulen distribusi aliran digunakan untuk melihat profil aliran kecepatan dalampipa.

Gambar 1.4 Aliran LaminarSumber: Anonymous 9, 2011

Untuk aliran laminar maka kecepatan berlaku := vc= 1 = 1 ( )Dimana :

V = kecepatan rata-rata aliran (m/s)vc = kecepatan aliran pada titik pusat pipa(m/s)v = kecepatan aliran dalam jarak r atau y (m/s)r = kecepatan aliran v dari titik pusat diameter dalam pipa (m)y = jarak kecepatan aliran v dari permukaan dalam pipa (m)R = jari-jari pipa (m)

2. Aliran TurbulenAliran dimana pergerakan dari partikel partikel fluida sangat tidak

menentu karena mengalami percampuran serta putaran partikel antar lapisan, yang

mengakibatkan saling tukar momentum dari satu bagian fluida kebagian fluidayang lain dalam skala yang besar. Dalam keadaan aliran turbulen maka turbulensiyang terjadi membangkitkan tegangan geser yang merata diseluruh fluidasehingga menghasilkan kerugian-kerugian aliran.

FLUID MECHANICS


Gambar 1.5 Aliran TurbulenSumber :Anonymous 10, 2011

Untuk aliran turbulen,maka berlaku persamaan := 4960=Dimana :


3. Aliran Transisi

Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar kealiranturbulen.

Gambar 1.6 Bentuk aliran transisi dari laminar dan turbulenSumber :Anonymous11, 2011

FLUID MECHANICS





3. Aliran Transisi



FLUID MECHANICS





3. Aliran Transisi



FLUID MECHANICS


1.1.3 Hukum BernoulliHukum ini diterapkan pada zat cair yang mengalir dengan kecepatan berbeda

dalam suatu pipa. Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di dalam mekanika fluida yangmenyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada kecepatan fluida akanmenimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip ini sebenarnyamerupakan penyederhanaan dari persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlahenergi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlahenergi di titik lain pada jalur aliran yang sama. Syarat hukum Bernoulli adalah:1. Steady state

2. Densitasnya relatif konstan

3. Gesekan diabaikan4. Diacu pada titik yang terletak di 1 streamline

Secara umum terdapat dua bentuk persamaan Bernoulli, yang pertama berlakuuntuk aliran tak termampatkan (incompressible flow) dan yang lain untuk fluidatermampatkan (compressible flow).a) Aliran Tak Termampatkan

Aliran tak termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidakberubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang alirantersebut. Contohnya: air, minyak, emulsi, dll.

Asal mula Bernoulli:

Gambar 1.7 Prinsip BernoulliSumber: Anonymous2, 2013

Besarnya tekanan akibat gerakan fluida dapat dihitung dengan menggunakankonsep kekelan energi atau prinsip usaha-energi.

Energi Potensial + Energi Kinetik + Energi Tekanan = Konstan

mgh + mv2 + PV = Konstan

P1 P2h2

h1

v2

v1

FLUID MECHANICS


Diasumsikan volume pada fluida konstan: + + = + 2 + = + 2 + =

Dimana:

= Kecepatan fluida (m/s)V = Volume fluida (m3)g = Percepatan gravitasi bumi (m/s2)h = Ketinggian relatif terhadap suatu referensi (m)P = Tekanan fluida (Pa)

= Massa jenis fluida (kg/m3)= Berat jenis fluida (N/m3)

b) Aliran TermampatkanAliran termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan berubahnya

besaran kerapatan masa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contohnyaudara, gas alam, dll.

c) Aplikasi Hukum BernoulliDalam kehidupan sehari-hari, kita dapat menemukan aplikasi hukum

Bernoulli yang sudah banyak diterapkan pada sarana dan prasarana yang menunjangkehidupan manusia masa kini. Berikut ini beberapa contoh aplikasi hukum Bernoullitersebut:1. Hukum Bernoulli digunakan untuk menentukan gaya angkat pada sayap dan

badan pesawat terbang sehingga diperoleh ukuran presisi yang sesuai.2. Hukum Bernoulli digunakan untuk mesin karburator yang berfungsi untuk

mengalirkan bahan bakar dan mencampurnya dengan aliran udara yang masuk.Salahsatu pemakaian karburator adalah dalam kendaraan bermotor, sepertimobil.

3. Hukum Bernoulli berlaku pada aliran air melalui pipa dari tangki penampungmenuju bak-bak penampung. Biasanya digunakan di rumah-rumah pemukiman.

FLUID MECHANICS


4. Hukum Bernoulli juga digunakan pada mesin yang mempercepat laju kapallayar.

1.1.4 Bilangan ReynoldBilangan Reynold adalah rasio antara gaya inersia terhadap gaya viskos yang

mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi alirantertentu. Bilangan Reynold digunakan untuk membedakan aliran apakah turbulen ataulaminer, terdapat suatu angka tidak bersatuan yang disebut Angka Reynold (ReynoldsNumber). Angka ini dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

Re = =

Dimana:

Re = Angka Reynold (tanpa satuan)V = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)L =Panjang aliran dalam pipa (ft atau m)

= Viskositas kinematis, = / (ft2/s atau m2/s)

1.1.5 HeadHead adalah energi per satuan berat, yang disediakan untuk mengalirkan

sejumlah zat cair untuk dikonversikan menjadi bentuk lain. Head mempunyai satuanmeter (m). Menurut Bernoulli ada 3 macam head fluida yaitu :1. Head Tekanan

Head tekanan adalah perbedaan head tekanan yang bekerja pada permukaan zatcair pada sisi tekan dengan head tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair padasisi isap. = Dimana:

= Head tekanan (m)= Head tekanan pada permukaan zat cair pada sisi tekan (m)= Head tekanan pada permukaan zat cair pada sisi isap (m)

FLUID MECHANICS


2. Head kinetikHead kinetik adalah head yang diperlukan untuk menggerakkan suatu zat dari

keadaan diam sampai tempat dan kecepatan tertentu. = 2 2Dimana: = Head kecepatan atau head kinetic (m)

= Kecepatan zat cair pada saluran tekan (m)

= Kecepatan zat cair pada saluran isap (m)

3. Head potensialDidasarkan pada ketinggian fluida di atas bidang banding (datum plane).Jadi

suatu kolom air setinggi Z mengandung sejumlah energi yang disebabkan olehposisinya atau disebut fluida mempunyai head sebesar Z kolom air.= Dimana:

= Head statis total atau head potensial (m)= Head statis pada sisi tekan (m)= Head statis pada sisi isap (m)

1.1.6 LossesKerugian energi atau istilah umumnya dalam mekanika fluida kerugian head

(head losses) tergantung pada:1. Bentuk, ukuran dan kekasaran saluran.2. Kecepatan fluida.3. Kekentalan.

Losses umumnya digolongkan sebagai berikut:a) Minor Losses

Minor Losses disebabkan oleh alat-alat pelengkap lokal atau yang diberiistilah tahanan hidrolis seperti misalnya, perubahan bentuk saluran atauperubahanukurannya. Contoh dari beberapa alat-alat pelengkap-lokal adalah sebagaiberikut:

FLUID MECHANICS


Gambar 1.8 Minor Losses (a) gate, (b) orifice, (c) elbow dan (d) valveSumber:Anonymous3, 2011 = 2

Dimana:

h = Kerugian aliran akibat valve, elbow, orifice, dan perubahan penampang (m)k = Koefisien hambatan valve, elbow, orifice, dan perubahan penampangv = Kecepatan aliran (m/s)g = Gravitasi (m/s2)

b) Major LossesMajor Losses adalah suatu kerugian yang dialami oleh aliran fluida dalam

pipa yang disebabkan oleh koefisien gesekan pipa yang besarnya tergantungkekasaran pipa, diameter pipa dan bilangan Reynold. Koefisien gesek dipengaruhijuga oleh kecepatan, karena distribusi kecepatan pada aliran laminar dan aliranturbulen berbeda. Secara matematik dapat ditunjukkan sebagai berikut: = . . 2Dimana:

hf = Major Losses (m)f = Koefisien gesekanL = Panjang pipa (m)D = Diameter pipa (m)V = Kecepatan aliran (m/s)g = Gravitasi (m/s2)

FLUID MECHANICS


Gambar 1.9 Moody DiagramSumber: Anonymous 4, 2013

Untuk mendapatkan harga f dapat digunakan grafik Moody (MoodyDiagram). Misalnya akan mencari koefisien gesekan dari suatu pipa, harga bilanganReynold dapat dicari terlebih dahulu dengan menggunakan:

Re =

Dimana:

Re = Angka ReynoldV = Kecepatan rata-rata (ft/s atau m/s)L = Panjang aliran dalam pipa (ft atau m)

= Viskositas kinematis, tersedia dalam tabel sifat-sifat cairan (ft2/s atau m2/s)

Kemudian angka kekasaran () dibagi dengan diameter pipa didapat suatu

harga /d. Dari bilangan Reynold ditarik garis keatas sampai pada garis /d.

Kemudian ditarik ke kiri sejajar garis bilangan Reynold, maka akan didapat harga f.

1.1.7 ViskositasViskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya

gesekan di dalam fluida.Makin besar viskositas suatu fluida, maka makin sulit suatu

FLUID MECHANICS


fluida mengalir dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam fluidatersebut.Viskositas zat cair dapat ditentukan secara kuantitatif dengan besaran yangdisebut koefisien viskositas.Satuan SI untuk koefisien viskositas adalah Ns/m2 ataupascal sekon (Pa s).Rumus viskositas adalah: =Dimana :

= tegangan geser

= viskositas dinamik

= perubahan sudut atau kecepatan sudut dari garis

=Dimana :

v = viskositas kinematik m2/s = viskositas dinamik Ns.m-2

= densitas atau massa jenis kgm

Macam-macam viskositas1. Viskositas dinamik, yaitu rasio antara shear, stress, dan shear rate. Viskositas

dinamik disebut juga koefisien viskositas

Gambar 1.10 Grafik Viskositas DinamikSumber: Frank M White (1991: 686)

2. Viskositas kinematik, yaitu viskositas dinamik dibagi dengan densitasnya.Viskositas ini dinyatakan dalam satuan stoke (St) pada cgs dan m/s pada SI.

FLUID MECHANICS


Gambar 1.11Grafik Viskositas KinematikSumber: Frank M White (1991: 687)

Viskositas suatu bahan dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu :a) Suhu

Viskositas berbanding terbalik dengan suhu. Jika suhu naik maka viskositasakan turun, dan begitu pula sebaliknya. Hal ini disebabkan karena adanya gerakanpartikel-partikel cairan yang semakin cepat apabila suhu ditingkatkan danmenurun kekentalannya.

Tabel 1.2 Kerapatan dan kekentalan air dan udara pada 1 atm

Sumber :Frank M White (1991 : 688)Tabel 1.3 Kerapatan dan kekentalan air pada 1 atm

Sumber :Frank M White (1991 : 689)

FLUID MECHANICS


b) Konsentrasi LarutanViskositas berbanding lurus dengan konsentrasi larutan. Suatu larutan

dengan konsentrasi tinggi akan memiliki viskositas yang tinggi pula, karenakonsentrasi larutan menyatakan banyaknya partikel zat yang terlarut tiap satuanvolume. Semakin banyak partikel yang terlarut, gesekan antar partikel semakintinggi dan viskositasnya semakin tinggi pula.

c) TekananViskositas berbanding lurus dengan tekanan, karena semakin besar

tekanannya, cairan akan semakin sulit mengalir akibat dari beban yangdikenakannya.

1.1.8 Macam-Macam KatupKatup atau valve, adalah sebuah alat untuk mengatur aliran suatu fluida dengan

menutup, membuka atau menghambat sebagian dari jalannya aliran.Katup-katup secaragaris besar dibagi menjadi 5 (lima) kelompok menurut fungsinya, yaitu:1. Katup pengarah ( direction way valve)

Katup pengarah adalah perlengkapan yang menggunakan lubang-lubangsaluran kecil yang akan dilewati oleh aliran udara bertekanan, terutama untukmemulai (start) dan berhenti (stop) serta mengarahkan aliran itu.

Gambar 1.12 Way ValveSumber :Anonymous 15, 2011

2. Katup pengontrol aliran ( flow control valve)Katup pengontrol aliran adalah peralatan pneumatic yang berfungsi sebagai

pengatur dan pengendali aliran udara bertekanan (pengendali angin) khususnya udarayang harus masuk kedalam silinder-silinder pneumatik.Ada juga aliran angin tersebutharus di kontrol untuk peralatan pengendali katup-katup pneumatik.

FLUID MECHANICS


Gambar 1.13 Flow Control ValveSumber: Anonymous 16, 2011

3. Katup pengontrol dan pengatur tekanan (pressure control valve)Katup pengontrol dan pengtur tekanan adalah bagian dari komponen

pneumatik yang mempengaruhi tekanan atau dikontrol oleh besarnya tekanan.

Macam-macam katup ini ada 3 kategori, yaitu:a. Katup pengatur tekanan (pressure regulating valve)

Katup ini berfungsi untuk menjaga tekanan supaya terjadi tekanan yangtetap (konstan). Aplikasi dari katup ini misalnya tekanan yang telah diatur (distel)pada manometer harus dipindahkan pada batas konstan terhadap elemen kerja ataupenggerak walaupun tekanan yang disuplai berubah.

Gambar 1.14 Pressure Regulating ValveSumber: Anonymous 16, 2011

b. Katup pembatas tekanan (pressure limiting valve)Katup ini digunakan utamanya sebagai katup pengaman. Kerja utamanya

adalah mencegah tekanan udara yang berlebihan dari sistem pneumatik yang ada.Jika tekanan maksimum sudah tercapai pada bagian masuk dari katup, makabagian keluar dari katup terbuka sehingga udara bertekana akan keluar keatmosfer.

FLUID MECHANICS


Gambar 1.15 Pressure Limiting ValveSumber: Anonymous 16, 2011

c. Katup rentetan atau katup rangkai (sequence valve)Prinsip kerja katup ini hampir sama dengan katup pembatas.

Gambar 1.16 Sequence ValveSumber: Anonymous 16, 2011

d. Katup penutup (shut-off valve)Katup ini berfungsi sebagai pemberi atau pencegah aliran udara yang tak

terbatas. Artinya, jika aliran udara harus dihentikan, maka katup akan bertindak.Tetapi jika di butuhkan aliran kecil, maka katup akan membuka sedikit saja.Pemakain sederhana adalah pada keran air.

FLUID MECHANICS







FLUID MECHANICS







FLUID MECHANICS


Gambar 1.17 Shut Off ValveSumber :Anonymous 16, 2011

4. Katup-katup kombinasi/gabungan (combination valve)Katup kombinasi merupakan katup pneumatik yang tersusun sedemikian rupa

hingga kerjanya menjadi sangat spesifik. Keberadaan katup-katup ini memangdirancang untuk maksud-maksud tertentu yang tentunya disesuaikan dengankebutuhan operasi di segi otomatisasi.

Gambar 1.18 Combination ValveSumber: Anonymous 16, 2011

1.1.9 Jenis Jenis FlowmeterFlowmeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur debit fluida, ada 4

jenis Flowmeter yaitu :a) Rotameter

Alat yan digunakan untuk mengukur tingkat aliran fluida dalam tabungtertutup. Tersusun dari tabung dengan pelampung didalamnya yang kemudiandidorong oleh aliran lalu ditarik ke bawah oleh gravitasi.

FLUID MECHANICS


Gambar 1.19 RotameterSumber: R.K. Rajput, A (2008 : 308)

b) VenturiAlat yang digunakan untuk mengetahui beda tekanan. Efek venturi terjadi ketika

fluida tersebut bergerak melalui pipa yang menyempit.

Gambar 1.20 VenturiSumber: Anonymous 31, 2014

c) NozzleAlat yang digunakan untuk mengetahui laju aliran, kecepatan sutu fluida.

FLUID MECHANICS


Gambar 1.21NozzleSumber: Faith A. Morrison, An Introduction of Fluid Mechanic , 2012 : 14

d) OrificeAlat untuk mengukur besar arus aliran. Terdapat 3 jenis orifice, yaitu :1. Concentric orifice

Digunakan untuk semua jenis fluida yang tidak mengandung partikelpadat.

Gambar 1.22 Concentric orificeSumber: Anonymous 32, 2014

2. Eccentric orifice

Digunakan untuk fluida yang mengandung partikel padat.

Gambar 1.23 Eccentric orificeSumber: Anonymous 32, 2014

FLUID MECHANICS


3. Segmental orifice

Digunakan untuk fluida khusus.

Gambar 1.24 Segmental orificeSumber: Anonymous 32, 2014

1.1.10 Pengertian dan Macam Macam ManometerManometer adalah suatu alat pengukur tekanan yang menggunakan kolom cairan

untuk mengukur perbedaan tekanan antara suatu titik tertentu dengan tekanan atmosfer(tekanan terukur),atau perbedaan tekanan antara duatitik. Contoh pembacaanmenggunakan jenis manometer pipa U yang diisi cairan setengahnya (biasanya berisiminyak, air atau air raksa) dimana pengukuran dilakukan pada satu sisi pipa, sementaratekanan (yang mungkin terjadi karena atmosfir) diterapkan pada tabung yang lainnya.Perbedaan ketinggian cairan memperlihatkan tekanan yang diterapkan.

Manometer yang paling sederhana adalah piezometer, kemudian manometerpipa U, manometer pipa miring, dan yang lebih rumit adalah manometer deferensial.

1. Piezometer

Alat ini tidak dapat digunakan untuk mengukur tekanan negatif,oleh karenaitu dikembangkan manometer dengan menggunakan pipa U agar tekanan positif ataunegatif dapat terukur.

FLUID MECHANICS


Gambar 1.25PiezometerSumber : Anonymous 25, 2011

Berdasarkan gambar diatas, Tekanan pada titik A dapat dihitung denganmengukur ketinggian cairan pada tabung kaca. Rumusnya adalah :

P = w.h

Dimana,P = Tekanan di titik Aw = berat jenis dari cairanh = tinggi tabung kaca

2. Manometer berbentuk pipa U (simplemanometer)Manometer ini berbentukpipa U (U tube) dimana ujung yang satu melekat

pada titik yang diukur tekanannya sedang ujung yang lain berhubunganlangsungdengan udaraluar (atmosfer). Pipa U tersebut diisidengan cairan yangberbeda dengan cairan yang mengalir di dalam pipa yang akan diukur tekanannya.Misalnya berat jenis cairan di dalam pipa adalah 1 dan berat jenis cairan di dalam

manometer adalah 2 dimana 2> 1.

Perbedaan tinggi cairan di dalam manometer adalah h2. Untuk menghitungbesarnya tekanan di dalam pipa A ditarik garis horizontal z-z. Tekanan pada bidangz-z dari dua kali pipa U adalah sama besar, yaitu:+ = +

Atau + = Dimana:

Patm : tekanan atmosfer (atm)PA :tekanan pada titik A (Pa) :tinggi relatif dari titik referensi 1 (m)

:berat jenis cairan 1 (kg/m3)

FLUID MECHANICS




P = w.h






Atau + = Dimana:



FLUID MECHANICS




P = w.h






Atau + = Dimana:



FLUID MECHANICS


:tinggi relatif dari titik referensi 2 (m): berat jenis cairan 2 (kg/m3)

Gambar 1.26Manometer Pipa USumber : Anonymous 25, 2011

Pada gambar (a) diatas tampak bahwa tekanan di dalam pipa A lebih besardari pada tekanan atmosfer dimana kondisi ini tekanan di dalam adalah positif.Sebalikanya pada gambar (b) tekanan di dalam pipa lebih kecil daripada tekananatmosfer, dalam hal ini tekanan di dalam pipa adalah negatif.

3. Manometer Pipa MiringManometer pipa-U kurang peka untuk mendeteksi perbedaan tekanan yang

sangat kecil, karena perbedaan ketinggian pada kedua kaki juga sangat kecil. Makamanometer ini dimodifikasi dengan cara memiringkan salah satu kaki pipa U agarkenaikan tinggi cairan yang kecil tetap dapat terlihat. Cairan yang digunakan padamanometer ini adalah 90 97% propilen glycol dan 3 10% air, dengan tambahanzat pewarna.

Gambar 1.26Manometer Pipa MiringSumber : Anonymous 25, 2011

Prinsip kerja manometer pipa miring sama dengan prinsip kerja manometerpipa-U. Manometer pipa miring diisi cairan, dimana pengukuran dilakukan pada satu

FLUID MECHANICS


sisi pipa, sementara tekanan diterapkan pada tabung yang lainnya.Perbedaanketinggian cairan memperlihatkan tekanan yang diterapkan.

4. Manometer Diferensial

Alat ukur ini digunakan untuk mengukur tekanan antara dua tempat pada satupipa atau antara dua pipa.Manometer diferensial terdiri dari pipa U dimana keduaujungnya terletak pada tempat yang diukur, seperti pada gambar di bawah.

Gambar 1.27Manometer DiferensialSumber :Anonymous 25, 2011

Dengan mengikuti prosedur yang diuraikan untuk manometersederhanapersamaan untuk perbedaan tekanan antara pipa A dan pipa B adalah :+ = + +

Atau = + Dimana :h = tinggi relatif dari titik referensi 3 (m) = berat jenis cairan 3 (kg/m3)

Manometer deferensial tersebut juga dapat dipasang diantara dua penampangpada satu aliran saluran tertutup seperti tampak pada gambar.

FLUID MECHANICS


1.1.11 Hukum Kontinuitas

Gambar 1.28 Gambar Aliran FluidaSumber Anonymous 28, 2011

Gambar diatas menunjukkan aliran fluida dari kiri ke kanan (fluida mengalir daripipa yang berdiameter besar menuju pipa diameter kecil .Garis putus-putus merupakangaris arus.

Keterangan gambar :A1 : luas penampang bagian pipa berdiameter besarA2 : luas penampang pipa berdiameter kecilV1 : kecepatan aliran fluida pada bagian diameter besarV2 : kecepatana aliran fluida pada bagian pipa berdiameter kecil

Jadi inti dari hukum kontinuitas adalah debit di luas penampang I sama dengan di luaspenampang II

Q1 = Q2Sedangkan untuk mencari debit adalah dengan mengalikan luas penampang

dengan kecepatan fluidaQ = A.V , jadi jika Q1=Q2 , maka menjadi A1.V1 = A2.V2

Intinya adalah jika luas penampang yang dialiri fluida besar maka kecepatannyamenjadi lebih kecil sebaliknya ketika luas penampang pipa lebih kecil maka kecepatanfluida menjadi besar.

Persamaan kontinuitas dapat dibedakan menjadi 2, yaitu :1. Persamaan kontinuitas untuk fluida tak termampatkan (incompressible)

Pada fluida tak termampatkan, kerapatan alias massa jenis fluida selalu samadisetiap titik yang dilaluinya.Mengingat dalam aliran tunak , massa fluida yangmasuk sama dengan massa fluida yang keluar , maka :

A1.V1 = A2.V2

FLUID MECHANICS


Ini menunjukkan bahwa aliran volume / debit selalu sama pada setiap titiksepanjang pipa / tabung . Ketika penampang pipa mengecil, maka laju aliran fluidameningkat , sebaliknya ketika penampang pipa menjadi besar , maka laju alir fluidamenjadi kecil .

2. Persamaan kontinuitas untuk fluida termampatkan ( compressible)Untuk kasus fluida termampatkan massa jenis fluida tidak selalu

sama.Dengan kata lain,massa jenis fluida berubah ketika dimampatkan.Maka padakasus massa jenis fluida disertakan.Maka persamaannya menjadi 1.A1.V1=2.A2.V2Perbedaannya hanya terletak pada massa jenis fluida.Apabila fluidatermampatkan , maka massa jenisnya berubah .

1.1.12 Nosel dan venturiNosel adalah alat untuk mengekspansikan fluida sehingga kecepatannya

bertambah. Fungsi Nosel adalah untuk memberikan dorongan pada bagian yang terjadiproses pembakaran antara bahan bakar dengan fluida yang berupa udara bertekanantinggi dan suhu tinggi.

Gambar 1.29 NoselSumber :Anonymous 29, 2011

Venturi adalah sebuah pipa yang berfungsi menurunkan tekanan fluida yangterjadi ketika fluida tersebut bergerak melalui pipa yang menyempit. Kecepatan fluidadipaksa meningkat untuk mempertahankan debitfluida yang sedang bergerak tersebut,sementara tekanan pada bagian sempit iniharus turun akibat pemindahan energipotensial tekanan menjadi energi kinetik. Biasanya digunakan pada Carburator danVenturi Meter.

FLUID MECHANICS


Gambar 1.30 VenturiSumber :Anonymous 30, 2011

Macam-macam Venturi :

1. Venturi Tetap, pada tipe ini ukuran venturi selalu tetap. Pedal gas mengatur katupudara yang menentukan besarnya aliran udara yang melewati venturi sehiggamenentukan besarnya tekanan untuk menarik bahan bakar.

2. Venturi bergerak, pada tipe ini pedal gas mengatur besarnya venturi denganmenggunakan piston yang dapat naik-turun sehingga membentuk celah venturi yangdapat berubah-ubah. Naik-turunnya piston venturi ini disertai dengan naik-turunnya needle jet yang mengatur besarnya bahan bakar yang dapat tertarik sertadengan aliran udara. Tipe ini disebut juga "tekanan tetap" karena tekanan udarasebelum memasuki venturi selalu sama.

Pada dasarnya prinsip kerja dari venturi dan nosel adalah sama, yaitu bila aliranfluida yang mengalir melalui alat ukur ini mengalir, maka akan terjadi perbedaan tekanansebelum dan sesudah alat tersebut. Beda tekanan menjadi besar apabila laju aliran yangdiberikan kepada alat ini bertambah.

Efek venture merupakan penurunan tekanan fluida yang terjadi ketika fluidatersebut bergerak melalui pipa yang menyempit. Kecepatan fluida dipaksa meningkatuntuk mempertahankan debit fluida yang sedang bergerak tersebut, sementara tekananpada bagian sempit ini harus turun akibat pemindahan energi potensial tekanan menjadienergi kinetik.

Rumus Aliran Volume

V = x . . d . . Keterangan :

V = aliran volume (m3/s) = koefisien kecepatan aliran

FLUID MECHANICS


d = diameter (m)p = selisih tekanan (kpa)y = berat jenis udarax = koefisien gerak

m1 = m2

m1 laju alir massa masuk = laju alir massa keluar.

HEAT EXCHANGER


BAB IIPERPINDAHAN PANAS

2.1 Dasar Teori2.1.1 Mekanisme Perpindahan Panas

Energi panas dapat ditransfer dari satu sistem ke sistem yang lain, sebagai hasildari perbedaan temperatur. Analisis termodinamika hanya mengangkat hasil dariperpindahan panas sebagai sistem yang mengalami proses dari satu keadaan setimbangyang lain. Ilmu yang berhubungan dengan penentuan tingkat perpindahan energi adalahperindahan panas. Adapun transfer energi panas selalu terjadi dari medium suhu yanglebih tinggi ke suhu yang lebih rendah, dan perpindahan panas berhenti ketika duamedium mencapai suhu yang sama.

Proses perpindahan panas dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu kondusi,konveksi dan radiasi. Semua cara dari perpindahan panas memerlukan adanyaperbedaan suhu, dan semua cara berasal dari medium suhu yang lebih tinggi ke suhuyang lebih rendah. Di bawah ini akan diberikan gambaran singkat dari setiap cara.

2.1.2 KonduksiKonduksi adalah perpindahan energi dari partikel yang lebih energik dari suatu

zat dengan yang kurang energik yang berdekatan sebagai akibat dari interaksi antarapartikel. Konduksi dapat terjadi pada zat padat, cair dan gas. Pada gas dan cair,konduksi ini disebabkan oleh tabrakan dan pembauran dari gerakan molekul selamagerakan acak mereka. Pada benda padat, gerakan ini disebabkan akibat kombinasigetaran dari molekul di dalam kisi dan berpindahnya energi yang disebabkan olehelektron bebas. Laju konduksi panas melalui media tergantung pada geometri darimedium, ketebalan, dan bahan dari medium, serta beda suhu di medium terdebut.

Pada penjelasan berikut, dapat dilihat proses perpindahan panas melalui dindingyang tebalnya x = L dan luasnya A, seperti pada gambar berikut :

HEAT EXCHANGER


Gambar 2.1 Perpindahan Panas Konduksi Melalui DindingSumber: Cengel (2003:21)

Perbedaan temperatur pada dinding adalah T = T2-T1. Melalui percobaan dapatdihasilkan bahwa laju perpindahan panas Q melalui dinding sebesar dua kali lipat ketikaperbedaan suhu sebesar dua kali lipat pada seluruh dinding atau area A normal terhadaparah perpindahan panas, tapi dibagi dua ketika ketebalan dinding L dua kali lipat.Dengan demikian kita menyimpulkan bahwa laju konduksi panas melalui lapisandinding sebanding dengan perbedaan suhu di seluruh lapisan dan area perpindahanpanas, namun berbanding terbalik dengan ketebalan lapisan, sehingga dapat dirumuskandengan:

= ( )( )Atau,

= = Dimana konstanta k adalah konduktivitas termal material, yang merupakan

ukuran kemampuan suatu material untuk menghantarkan panas. Jika x = 0, persamaandi atas tereduksi menjadi bentuk diferensial

HEAT EXCHANGER


= Tanda negatif di dalam rumus memastikan bahwa perpindahan panas dalam

arah x positif adalah jumlah yang positif.

2.1.3 KonveksiKonveksi adalah proses transport energi dengan kerja gabungan dari konduksi

panas, penyimpanan dan gerakan mencampur. Konveksi sangat penting sebagaimekanisme perpindahan energi antara permukaan benda padat dan cairan atau gas.

Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akanmengalir dengan cara konduksi dari permukaan ke partikel-partikel fluida yangberbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu danenergi dalam partikel-partikel fluida ini. Kemudian partikel-partikel fluida tersebutakan bergerak ke daerah yang bersuhu rendah didalam fluida di mana mereka akanbercampur dengan, dan memindahkan sebagian energinya kepada, partikel-partikel

fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun energi. Energi

sebenarnya disimpan di dalam partikel-partikel fluida dan diangkut sebagai akibatgerakan massa partikel-partikel tersebut. Mekanisme ini untuk operasinya tidaktergantung hanya pada beda suhu dan oleh karena itu tidak secara tepat memenuhidefinisi perpindahan panas. Tetapi hasil bersihnya adalah angkutan energi, dan karenaterjadinya dalam arah gradien suhu, maka juga digolongkan dalam suatu caraperpindahan panas dan ditunjuk dengan sebutan aliran panas dengan cara konveksi.

Laju perpindahan panas dengan cara konveksi antara suatu permukaan dan suatufluida dapat dihitung dengan hubungan

Di mana :

q = laju perpindahan panas dengan cara konveksi, (Watt)As = luas perpindahan panas, (m2)Ts = Temperarur permukaan benda padat, (0K)

HEAT EXCHANGER


T = Temperatur fluida mengalir, (0K)

h = koefisien perpindahan panas konveksi, (W/m2 0K)

Perpindahan panas konveksi diklasifikasikan dalam konveksi bebas (freeconvection) dan konveksi paksa (forced convection) menurut cara menggerakkanalirannya. Konveksi alami adalah perpindahan panas yang disebabkan oleh beda suhudan beda rapat saja dan tidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya. Konveksialamiah dapat terjadi karena ada arus yang mengalir akibat gaya apung,sedangkan gaya apung terjadi karena ada perbedaan densitas fluida tanpa dipengaruhigaya dari luar sistem. Perbedaan densitas fluida terjadi karena adanya gradien suhupada fluida.

Konveksi paksa adalah perpindahan panas aliran gas atau cairan yangdisebabkan adanya tenaga dari luar. Konveksi paksa dapat pula terjadi karena arusfluida yang terjadi digerakkan oleh suatu peralatan mekanik (contoh : pompa danpengaduk), jadi arus fluida tidak hanya tergantung pada perbedaan densitas. Contohperpindahan panas secara konveksi paksa adalah pelat panas dihembus udara dengankipas/blower.

Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal danaliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda.Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internaladalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat, misalnya aliran dalampipa/saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatupipa/saluran ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Secara umum aliran fluida dapat diklasifikasikan sebagai aliran eksternal danaliran internal. Aliran eksternal terjadi saat fluida mengenai suatu permukaan benda.Contohnya adalah aliran fluida melintasi plat atau melintang pipa. Aliran internaladalah aliran fluida yang dibatasi oleh permukaan zat padat, misalnya aliran dalampipa/saluran. Perbedaan antara aliran eksternal dan aliran internal pada suatupipa/saluran ditunjukkan pada Gambar 2.2.

HEAT EXCHANGER


Gambar 2.2 Aliran eksternal udara dan aliran internal air pada suatu pipa/saluranSumber: Cengel (2003:21)

2.1.4 RadiasiRadiasi adalah energi yang dipancarkan oleh materi dalam bentuk gelombang

elektromagnetik sebagai akibat dari perubahan konfigurasi elektronik dari atom ataumolekul. Tingkat maksimum radiasi yang dapat dipancarkan permukaan pada suhu Tsmutlak diberikan oleh hukum stefaan-Boltzmann yaitu=

Dimana = 5,67 x 10-8 W/m2 K4 merupakan konstanta Stefen-Boltzmann.Permukaan ideal yang memancarkan radiasi pada tingkat maksimum ini disebut bendahitam, dan radiasi yang dipancarkan oleh benda hitam disebut Radiasi benda hitam.Radiasi yang dipancarkan oleh semua permukaan nyata lebih kecil dari radiasi yangdipancarkan oleh benda hitam pada suhu yang sama, dan dinyatakan sebagai=

Dimana adalah emisivitas permukaan yang besarnya adalah diantara 0 1.

As adalah luas permukaan dan Ts adalah temperature absolute.

2.1.5 Konduktivitas TermalKonduktivitas termal adalah kemampuan suatu material untuk

menghantarkan panas. Persamaan untuk laju perpindahan panas konduksi dalam kondisistabil juga dapat dilihat sebagai persamaan penentu bagi konduktivitas termal. Sehinggakonduktivitas termal dari material dapat didefinisikan sebagai laju perpindahan panasmelalui ketebalan unit bahan per satuan luas per perbedaan suhu. Konduktivitas termal

HEAT EXCHANGER


material adalah ukuran kemampuan bahan untuk menghantarkan panas. Harga tertinggiuntuk konduktivitas termal menunjukkan bahwa material adalah konduktor panas yangbaik, dan harga terendah untuk konduktivitas termal menunjukan bahwa material adalahbukan pengahantar panas yang baik atau disebut isolator. Konduktivitas termal beberapabahan umum pada suhu kamar diberikan dalam tabel di bawah ini.

Suhu adalah ukuran energi kinetik dari partikel seperti molekul atau atom darisuatu zat. Pada cairan dan gas, energi kinetik dari partikel terjadi karena gerak translasiacak mereka serta gerakan getaran dan rotasi mereka. Ketika dua molekul yangmemiliki energi kinetik yang berbeda berbenturan, bagian dari energi kinetik darimolekul lebih bertenaga ditransfer ke molekul kurang bertenaga, sama seperti ketikadua bola elastis dari massa yang sama dengan kecepatan yang berbeda berbenturan,bagian dari energi kinetik dengan bola kecepatan tinggi ditransfer ke bola yangkecepatanya lebih lambat. Makin tinggi suhu, semakin cepat molekul bergerak, semakintinggi jumlah molekul tabrakan, dan semakin baik perpindahan panasnya.

2.1.6 Difusivitas TermalCp sering dijumpai dalam analisis perpindahan panas, disebut kapasitas panas

material. Baik dari Cp panas spesifik dan kapasitas panas Cp mewakili kemampuan

penyimpanan panas dari suatu material. Tapi Cp mengungkapkan itu per satuan massasedangkan Cp mengungkapkan itu per satuan volume, dapat melihat dari satuan

mereka masing-masing.

Sifat bahan lain yang muncul dalam analisis konduksi panas transien adalahdifusivitas termal, yang mewakili bagaimana cepat panas berdifusi melalui materi dandirumuskan dengan = = (m2/s)

Harap diingat bahwa Konduktivitas termal k merupakan seberapa baik suatubahan menghantarkan panas, dan kapasitas panas Cp mewakili berapa banyak

menyimpan sebuah energi bahan per satuan volume. Oleh karena itu, difusivitas termaldari material dapat dipandang sebagai rasio panas yang dilakukan melalui bentukmaterial panas yang tersimpan per satuan volume. Bahan yang memiliki konduktivitaspanas yang tinggi atau kapasitas panas yang rendah jelas akan memiliki difusivitastermal besar. Semakin besar difusivitas termal, semakin cepat penyebaran panas ke

HEAT EXCHANGER


medium. Nilai diffusivitas termal yang kecil berarti panas yang sebagian besar diserapoleh material.

2.1.7 Resistansi TermalResistansi termal merupakan salah satu properti panas dan memiliki definisi

ukuran perbedaan temperatur dari material yang tahan terhadap aliran panas. Resistansitermal sendiri berbanding terbalik dengan Konduktivitas termal. Resistansi termalmemiliki satuan yaitu (m2K)/W. Aliran panas dapat dimodelkan dengan analogirangkaian listrik di mana aliran panas diwakili oleh arus, suhu diwakili oleh tegangan,sumber panas yang diwakili oleh sumber arus konstan, resistensi termal mutlak diwakilioleh resistor dan kapasitansi termal dengan kapasitor. Diagram menunjukkan rangkaiantermal setara untuk perangkat semikonduktor dengan heat sink.

2.1.8 Heat ExchangerHeat Exchanger adalah perangkat yang memfasilitasi pertukaran panas antara

dua cairan pada temperatur yang berbeda, sekaligus menjaga mereka dari pencampuransatu sama lain. Dalam radiator mobil, misalnya , panas dipindahkan dari air panas yangmengalir melalui tabung radiator ke udara mengalir melalui pelat tipis berjarak dekatdinding luar yang melekat pada tabung. Perpindahan panas pada Heat Exchangerbiasanya melibatkan konveksi di setiap cairan dan konduksi melalui dinding yangmemisahkan dua cairan . Dalam analisis penukar panas , akan lebih mudah untukbekerja dengan koefisien perpindahan panas keseluruhan U yang menyumbangkontribusi dari semua efek transfer panas ini . Laju perpindahan panas antara dua cairanpada lokasi di penukar panas tergantung pada besarnya perbedaan suhu di bahwa lokasi, yang bervariasi sepanjang penukar panas . Jenis paling sederhana dari penukar panasterdiri dari dua pipa konsentris yang berbeda diameter, seperti yang ditunjukkan padaGambar 2.3 , yang disebut double pipa panas exchanger.

HEAT EXCHANGER


Gambar 2.3 :Aliran sistem Heat Exchanger double pipaSumber : Cengel (2003:21)

Salah satu cairan dalam penukar panas double-pipa mengalir melalui pipa yanglebih kecil, sementara cairan lainnya mengalir melalui ruang annular antara dua pipa .Dua jenis pengaturan aliran yang mungkin dalam double-pipa penukar panas yaitudalam aliran paralel, baik cairan panas dan dingin memasuki panas penukar pada akhiryang sama dan bergerak ke arah yang sama. Dalam aliran counter, di sisi lain, cairanpanas dan dingin memasuki penukar panas di seberang berakhir dan aliran dalam arahyang berlawanan . Tipe lain dari penukar panas, yang dirancang khusus untukmewujudkan besar luas permukaan perpindahan panas per satuan volume, adalahpenukar panas kompak. Panas Compact Exchanger memungkinkan kita untuk mencapaikecepatan transfer panas tinggi antara dua cairan dalam volume kecil , dan merekabiasanya digunakan dalam aplikasi dengan keterbatasan yang ketat pada berat danvolume penukar panas.

Sebuah penukar panas biasanya melibatkan dua cairan mengalir dipisahkan olehdinding yang padat. Panas pertama ditransfer dari fluida panas ke dinding olehkonveksi, melalui dinding dengan konduksi, dan dari dinding ke fluida dingin lagidengan konveksi. Jaringan tahan panas yang terkait dengan proses perpindahan panasini melibatkan dua konveksi dan konduksi satu resistensi.

HEAT EXCHANGER


Gambar 2.4 : Perpindahan panas pada double pipaSumber : Cengel (2003:21)

Variabel i dan o mewakili permukaan dalam dan luar dari tabung bagian dalam.

Untuk Heat Exchanger double pipa kita memiliki = dan = dantahanan panas tabung dalam situasi ini adalah

Dimana k adalah konduktivitas termal dari material dinding dan L adalahpanjang tabung. Kemudian tahan panas keseluruhan menjadi

= + + = 1 + ( )2 + 1Ai adalah luas permukaan dalam dari dinding yang memisahkan dua cairan, dan

Ao adalah luas permukaan luar dinding. Dengan kata lain, Ai dan A0 adalah luaspermukaan dinding yang memisahkan dan dibasahi oleh cairan dalam dan cairan luar,masing-masing.

2.1.9 Counter-flow Heat ExchangerVariasi suhu cairan panas dan dingin dalam Heat Exchanger counter-flow

diberikan pada Gambar 2.5. Perhatikan bahwa cairan panas dan dingin dimasukkanpada ujung-ujung pipa, dan suhu keluar cairan dingin pada keadaan ini dapat melebihisuhu keluar panas cairan. Dalam kasus ini, cairan dingin akan dipanaskan sampai suhuinlet dari fluida panas. Namun, suhu outlet fluida dingin tidak pernah bisa melebihi inlet

HEAT EXCHANGER


suhu dari fluida panas, karena ini akan menjadi pelanggaran hukum kedua daritermodinamika. Hubungan di atas untuk log berarti perbedaan suhu dikembangkanmenggunakan penukar panas paralel - aliran, tetapi kita dapat menunjukkan denganmengulangi analisis atas untuk counter-flow penukar panas yang juga berlaku untukcounterflow penukar panas. Untuk inlet dan outlet suhu yang ditentukan, log rata-ratasuhu perbedaan bagi penukar panas counter-flow selalu lebih besar dari itu untuk paralel-flow. Artinya, T counter-flow lebih besar dari pada T paralel flow dan dengandemikian lebih kecil luas permukaan yang dibutuhkan untuk mencapai laju perpindahanpanas tertentu dalam counter-flow.

.

Gambar 2.5 : Aliran (a) counter flow, (b) parallel flow, dan grafik temperatur in, out.Sumber : Cengel (2003:21)

Laporan Dasar Teori Bab 1 Dan 2

Documents

Transcript of Laporan Dasar Teori Bab 1 Dan 2