Modul 2, Hidrodinamika - Ventilasi Industri

VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
MODUL- 2 .
HIDRODINAMIKA
Kode : IKK.365
Materi Belajar -2
Pendidikan S1
Pemintan Keselamatan dan Kesehatan Kerja Industri
Program Studi Imu Kesehatan Masyarakat
Fakultas Ilmu – Ilmu Kesehatan
Universitas Esa Unggul
Disusun oleh,
Ir . LATAR MUHAMMAD ARIF, MSc
UNIVERSITAS ESA UNGGUL
Tahun 2013
Halaman …………
2-1
VENTILASI INDUSTRI
I.
Judul Materi
II.
PENDAHULUAN
1.
:
Modul-2,HIDRODINAMIKA
HIDRODINAMIKA
Pengantar
Studi ini disusun untuk memandu mahasiswa akan pengetahuan mengenai prinsip persamaan
Bernoulli, cara menghitung kelajuan cairan dalam pipa (U-tube manometer miring dan vertical),
dimana, sebuah lintasan yang ditempuh sebuah unsur fluida yang sedang bergerak disebut garis
alir. Viskositas (kekantalan) dapat dianggap sebagai gesekan dibagian dalam fluida.
2. Ruang Lingkup materi, meliputi ;
2.1.
2.2.
2.3.
III.
Pengantar
Bagaimana penerapan Asas Bernoulli ?
U-Tube Manometer
KOPETENSI DASAR
Meyakinkan serta memberikan dasar pengetahuan
tentang “HIDROSTATIKA, dan
HIDRODINAMOKA”
IV,
KEMAMPUAN YANG DIHARAPKAN
Diharapan mahasiswa dapat memahami prinsip Persamaan bernoulli untuk bisa digunakan untuk
menganalisis,sistem perpipaan dan lain-lain, yang merupakan dasar perancangan sistim ventilasi
yang digunakan di industri)
Halaman …………
2-2
VENTILASI INDUSTRI
V.
2.1.
2.2.
2.3.
Modul-2,HIDRODINAMIKA
KEGIATAN BELAJAR
Pengantar
Bagaimana penerapan Asas Bernoulli ?
U-Tube Manometer
Daftar pustaka
halaman
................................2- 4
...............................2- 5
...................................2- 8
..........................2- 11
Halaman …………
2-3
VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
Modul -
2
HIDRODINAMIKA
2.1.
PENGANTAR
HIDROSTATIKA, ilmu perihal zat alir atau fluida yang diam tidak bergerak dan “HIDRODINAMOKA” ilmu
tentang fluida (zat alir) yang bergerak, sedangkan HIDRODIMAIKA yang khusus mengenai aliran gas dan
udara, disebut “aerodinamika”.
Fluida ialah zat yang dapat mengalir (termasuk zat cair dan gas dan perbedaan kedua zat terletak pada
kompalibitasnya)
Lintasan yang ditempuh sebuah unsur fluida yang sedang bergerak disebut garis alir.
Viskositas (kekentalan) dapat dianggap sebagai gesekan dibagian dalam fluida.
Prinsip Bernoulli
Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa di mana kecepatan aliran fluida tinggi, tekanan
fluida tersebut menjadi rendah. Sebaliknya jika kecepatan aliran fluida rendah,
tekanannya menjadi tinggi.
Bagaimana dengan daun pintu rumah yang menutup sendiri ketika angin bertiup kencang di luar rumah ?
udara yang ada di luar rumah bergerak lebih cepat daripada udara yang ada di dalam rumah. Akibatnya,
tekanan udara di luar rumah lebih kecil dari tekanan udara dalam rumah. Karena ada perbedaan
tekanan, di mana tekanan udara di dalam rumah lebih besar, maka pintu didorong keluar. Dengan kata
lain, daun pintu bergerak dari tempat yang tekanan udaranya besar menuju tempat yang tekanan
udaranya kecil.
Persamaan Bernoulli
Untuk menurunkan persamaan Bernoulli, kita anggap aliran fluida tunak & laminar, tak-termampatkan,
viskositas atau kekentalannya juga kecil sehingga bisa diabaikan.
Pada pembahasan mengenai “persamaan kontinuitas”, kita sudah belajar bahwa laju aliran fluida juga
dapat berubah-ubah tergantung luas penampang tabung alir. Berdasarkan prinsip Bernoulli, tekanan
fluida juga bisa berubah-ubah tergantung laju aliran fluida tersebut.
Selain itu, dalam pembahasan mengenai Tekanan pada Fluida (Fluida Statis), kita juga belajar bahwa
tekanan fluida juga bisa berubah-ubah tergantung pada ketinggian fluida tersebut. Hubungan penting
antara tekanan, laju aliran dan ketinggian aliran bisa kita peroleh dalam persamaan Bernoulli.
Persamaan bernoulli ini sangat penting karena bisa digunakan untuk menganalisis, (a)
penerbangan pesawat, (b) pembangkit listrik tenaga air, (c) sistem perpipaan dan lain-lain
(merupakan dasar desain ventilasi yang digunakan di industri)
Agar persamaan Bernoulli yang akan kita turunkan berlaku secara umum, maka kita anggap
fluida mengalir melalui tabung alir dengan luas penampang yang tidak sama dan ketinggiannya
juga berbeda .
Untuk menurunkan persamaan Bernoulli, kita terapkan teorema usaha dan energi pada fluida dalam
daerah tabung alir (ingat kembali pembahasan mengenai usaha dan energi). Selanjutnya, kita akan
memperhitungkan banyaknya fluida dan usaha yang dilakukan untuk memindahkan fluida tersebut.
Dalam bentuknya yang sudah disederhanakan, secara umum terdapat dua bentuk persamaan Bernoulli;
yang pertama berlaku untuk aliran tak-termampatkan (incompressible flow), dan yang lain adalah untuk
fluida termampatkan (compressible flow).
Aliran tak-termampatkan (incompressible flow)
Aliran tak-termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidak berubahnya besaran kerapatan
massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida tak-termampatkan adalah: air,
berbagai jenis minyak, emulsi, dan lain-lain.
Halaman …………
2-4
VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
Bentuk Persamaan Bernoulli untuk aliran tak-termampatkan adalah sebagai berikut:
di mana:
v = kecepatan fluida
g = percepatan gravitasi bumi
h = ketinggian relatif terhadapa suatu referensi
p = tekanan fluida
ρ = densitas fluida
Persamaan di atas berlaku untuk aliran tak-termampatkan dengan asumsi-asumsi sebagai
berikut:
 Aliran bersifat tunak (steady state)
 Tidak terdapat gesekan
Dalam bentuk lain, Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai berikut:
2.2.
BAGAIMANA PENERAPAN ASAS BERNOULLI
Dewasa ini banyak sekali penerapan asas Bernoulli demi meningkatkan kesejahteraan hidup manusia,
diantaranya adalah :
 Venturimeter, adalah alat untuk mengukur kelajuan cairan dalam pipa.
 Tabung pitot, adalah alat untuk mengukur kelajuan gas dalam pipa dari tabung gas.
2.2.1.
Bagaimana Cara Menghitung Kelajuan Cairan Dalam Pipa .
Gambar.2.1 Kelajuan cairan dalam pipa
Menghitung kelajuan cairan dalam pipa memakai venturimeter tanpa manometer
Persamaan Bernoulli adalah,
dan
Halaman …………
2-5
VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
kontinuitas A1.v1 = A2.v2, maka
Cairan mengalir pada mendatar maka h1 = h2 sehingga P1 – P2 = ½ .ρ.(v22– v12 )
Maka
Pada tabung fluida diam, maka tekanan hidrostatisnya :
P1 = ρ.g.hA dan P2 = ρ.g.hB , maka
P1 – P2 = ρ.g(hA –hB ) = ρ.g.h ---------
(2.2)
Substitusi persamaan (1) masuk ke (2) maka persamaan kecepatan fluida pada pipa besar:
dimana ,
v1 = kecepatan fluida pada pipa yang besar satuannya m/s
h = beda tinggi cairan pada kedua tabung vertikal satuannya m
A1 = luas penampang pipa yang besar satuannya m 2
A2 =: luas penampang pipa yang kecil (pipa manometer) satuannya m 2
2.2.2.
Menghitung Kelajuan Cairan Dalam Pipa Memakai Manometer
Gambar. 2.2
Kelajuan cairan dalam pipa manometer
Persamaan Bernoulli adalah,
dan
Halaman …………
2-6
VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
kontinuitas A1.v1 = A2.v2, maka
Cairan mengalir pada mendatar maka h1 = h2 sehingga P1 – P2 = ½ .ρ.(v22– v12 )
Maka
Tekanan hidrostatis pada manometer : P1 = ρ’.g.h dan P2 = ρ.g.h maka
P1 – P2 = g.h(ρ’ – ρ) ----------- (2.4)
Substitusi persamaan (1) ke (2) maka persamaan kecepatan fluida pada pipa besar:
Dimana ,
v = kecepatan fluida pada pipa yang besar satuannya m/s
h = beda tinggi cairan pada manometer satuannya m
A1 = luas penampang pipa yang besar satuannya m 2
A2 = luas penampang pipa yang kecil (pipa manometer) satuannya m 2
Ρ = massa jenis cairan (fluida) yang mengalir pada pipa besar satuannya Kg/m 3
ρ = massa jenis cairan (fluida) pada manometer satuannya Kg/m 3
2.2.3.
Bagaimana Cara Menghitung Kelajuan Gas Dalam Pipa
Gambar. 2.3
Kelajuan gas dalam pipa r
Persamaan Bernoulli adalah
dan
Halaman …………
2-7
VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
kontinuitas A1.v1 = A2.v2, maka
Kelajuan gas dari lengan kanan manometer tegak lurus terhadap aliran gas maka kelajuan gas
terus berkurang sampai ke nol di B (vB = 0 ) beda tinggi a dan b diabaikan ( ha = hb )
Maka
Pa – Pb = ½.ρ.v2
---------------
(2.5)
Tekanan hidrostatis cairan dalam manometer
P – P = ρ’.g.h
-------------
(2.6)
Substitusi persamaan (1) ke (2) maka kecepatan gas pada pipa:
dimana,
v = kelajuan gas, satuan m/s
h = beda tinggi air raksa, satuan m
A1 = luas penampang pipa yang besar satuannya m 2
A2 = luas penampang pipa yang kecil (pipa manometer) satuannya m 2
ρ = massa jenis gas, satuannya Kg/m 3
ρ’ = massa jenis cairan pada manometer satuannya Kg/m 3
2.3.
U-TUBE MANOMETER
U-tube manometer miring dan vertikal lebih murah dan umum digunakan untuk pengukuran tekanan
diferensial meter mengalir seperti tabung pitot, lubang dan nozel
Manometer/alat ukur tekanan dengan menggunakan kolom cair dalam tabung vertikal atau miring disebut
manometer. Salah satu yang paling umum adalah air diisi u-tube manometer digunakan untuk mengukur
perbedaan tekanan di lubang pitot atau terletak di aliran udara pada sistem penanganan udara atau
ventilasi.
2.3.1.
Vertikal U-Tube Manometer
Perbedaan tekanan dalam manometer U-Tube vertikal dapat dinyatakan sebagai
pd = γ h = ρ gh ----------
(2.7)
dimana
p d = tekanan
γ = specific weight dari cairan dalam tabung (kN / m
ρ = density (kg/m 3 , lb/ft 3 )
g = percepatan gravitasi (9,81 m / s 2, 32,174 ft / s 2)
h = liquid height (m, ft)
3,
lb / ft 3)
Halaman …………
2-8
VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
Gambar.2.4
Mmanometer U-Tube vertikal
Berat spesifik air, yang merupakan cairan yang paling umum digunakan dalam-tabung
manometer u, adalah 9,81 kN / m 3
Contoh - Pengukuran Tekanan Diferensial dalam sebuah Orifice
Sebuah manometer air menghubungkan hulu dan hilir dari sebuah lubang yang terletak di aliran
udara. Perbedaan ketinggian kolom air adalah 10 mm.
Kepala Perbedaan tekanan kemudian dapat dinyatakan sebagai:
p d = (9.8 kN/m 3 ) (10 3 N/kN) (10 mm) (10 -3 m/mm)
= 98 N/m 2 (Pa)
dimana
9,8 (kN / m 3) adalah berat jenis air di SI-unit.
2.3.2.
Inclined U-Tube Manometer Cenderung U-Tube Manometer
Masalah umum jika perbedaan tekanan ukur dalam sistem kecepatan rendah sebagai sistem
ventilasi udara adalah kolom tinggi rendah dan memuaskan akurat.
Gambar.2.5
Mmanometer U-Tube Miring
Halaman …………
2-9
VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
Perbedaan tekanan dalam tabung-U cenderung dapat dinyatakan sebagai ,
p d = γ h sin(θ)
--------------------- 2.8)
dimana
θ = sudut kolom relatif bidang horizontal
Kemiringan manometer tabung akan meningkatkan akurasi pengukuran.
Contoh - Tekanan Diferensial Pengukuran dengan manometer U-Tube Miring
Kami menggunakan data yang sama seperti dalam contoh di atas, kecuali bahwa U-Tube
cenderung 45 o.
Kepala Perbedaan tekanan kemudian dapat dinyatakan sebagai:
p d = (9.8 kN/m 3 ) (10 3 N/kN) (10 mm) (10 -3 m/mm) sin(45)
= 69.3 N/m 2 (Pa)
Halaman …………
2-10
VENTILASI INDUSTRI
Modul-2,HIDRODINAMIKA
DAFTAR PUSTAKA
Giancoli, Douglas C., 2001,
Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Halliday dan Resnick, 1991,
Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
Sears. Zemansky, Pebruari 1985,
Fisika untuk Universitas-1 Mekanika, Panas, Bunyi (terjemahan), Bandung : Penerbit Binacipta
Tipler, P.A.,1998,
Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002,
Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Halaman …………
2-11