i PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET Saat

i
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
Saat ini begitu banyak
perusahaan
teknologi
dalam
pembuatan satu barang. Salah
satunya adalah alat penyemprotan
nyamuk. Alat penyemprotan nyamuk
ini terdiri dari beberapa komponen
yang terdiri dari pompa, tabung,
pipa keluar (nozel) dan pipa hisap.
Sedangkan fluida yang digunakan
adalah unsur kimia. Jika pada alat
ini diameter pipa keluar (nozel)
divariasikan
maka
hasil
penyemprotan pada jaraknyapun
bervariasi. Salah satu contohnya jika
alat ini digunakan dengan fluida air
biasa, maka yang akan berubah
adalah debit udara dan tinggi tekan
udara. Pada penelitian ini hasil debit
udara adalah jika jarak semakin
menjauh, maka debit udara semakin
kecil dan tinggi tekannyapun juga
semakin kecil. Contohnya jika jarak
0,005 m pada tekanan 40 bar maka
debit udara yang dihasilkan sebesar
0,00515 m3/det dan tinggi tekan
sebesar 1,1428571 meter kolom
udara.
Batasan Masalah
Untuk
lebih
terarahnya
penelitian ini dan memberikan hasil
yang sesuai dengan tujuan penulisan,
maka
dilakukan
pembatasan
masalah.
Tujuan Penulisan
Tujuan
penelitian
dilakukan adalah :
yang
Mengetahui
pengaruh
perbandingan diameter pipa keluar
(nozel) terhadap debit aliran, bila
kecepatan udara konstan.
Prinsip Kerja Alat Penyemprot
Nyamuk
Sistem kerja alat penyemprot
nyamuk ini bekerja memanfaatkan
dua jenis fluida yaitu fluida gas
sebagai fluida penggerak dan fluida
cair sebagai fluida hisap. Adapun
lubang nozel yang jauh lebih kecil
dari besarnya luas penampang
silinder
dengan
tujuan
agar
kecepatan aliran fluida primer yang
melaluinya akan meningkat. Hal ini
akan
menyebabkan
terciptanya
daerah bertekanan rendah disekitar
lubang nozel dimana semakin jauh
perubahan jarak, besarnya kecepatan
aliran fluida primer akan berkurang.
Gaya
hisap
yang
mengakibatkan
cairan
terhisap
melalui pipa hisap disebabkan oleh
perbedaan tekanan antara pipa hisap
dengan tekanan pada permukaan
cairan (tekanan atmosfir). Gaya hisap
ini dipengaruhi oleh besarnya
perbedaan tekanan yang terjadi dan
besarnya luas permukaan lubang pipa
hisap. Fluida primer yang keluar dari
nozel memiliki kecepatan tertentu
sehingga menghasilkan momentum
yang berdasarkan hukum kekekalan
momentum besarnya akan konstan
untuk setiap jarak terhadap nozel,
karena kecepatan fluida primer
semakin menurun seiring dengan
pertambahan jarak dengan nozel,
maka dari itu momentumnya
dipertahankan dengan terhisapnya
sejumlah massa fluida sekunder.
Transfer momentum yang
terjadi dari fluida primer ke fluida
sekunder mengakibatkan terhisapnya
sejumlah massa fluida sekunder yang
dikeluarkan
dengan
kecepatan
ii
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
tertentu yang jumlahnya sesuai
dengan hukum kekekalan massa per
satuan waktu.
dihasilkan oleh pompa dan required
head (Hreq) yaitu yang diperlukan
oleh sistem.
Suatu gerakan fluida yang
bersumber dari energi kinetik
dinamakan
jet.
Jet
tersebut
momentum utamanya adalah berasal
dari perbedaan tekanan pada saat
keluar dari nozel. Sedangkan jet
turbulen bebas bulat adalah jet yang
alirannya bersifat turbulen dan tidak
dipengaruhi oleh batas yang tetap,
yang dihasilkan oleh nozel berbentuk
lingkaran.
Head dari pompa
(Hpump) adalah perbedaan tekanan
(yang dinyatakan dalam tinggi kolom
zat cair) yang terdapat antara inlet
dan outletnya. Bagi pompa, head
juga merupakan kerja yang diberikan
kepada cairan per satuan berat
kg.m/kg = m. Hal ini juga berlaku
untuk gas. Head dari sistem (Hreq)
ialah perbedaan tekanan yang
diperlukan untuk memindahkan
cairan
Pengukuran Fluida
Tinggi Tekan Udara
Dalam
pengukuran fluida
termasuk
penentuan
tekanan,
kecepatan, debit, gelombang kejut,
gradien kerapatan, turbulensi dan
viskositas terdapat banyak cara,
misalnya: langsung, tak langsung,
gravimetrik, volumetrik, elektronik,
elektromagnetik,
dan
optik.
Pengukuran debit secara langsung
terdiri dari atas penentuan volume
atau berat fluida yang melalui suatu
penampang dalam suatu selang
waktu tertentu. Metode tak langsung
bagi pengukuran debit memerlukan
penentuan tinggi tekan, perbedaan
tekanan, atau kecepatan di beberapa
titik pada suatu penampang. Dengan
besaran-besaran ini.
Head (H)
Head yaitu tekanan yang
dinyatakan dalam tinggi kolom zat
cair. Pada head satuannya adalah
satuan panjang (meter). Dalam suatu
instalasi dapat dibedakan antara
available head (Hpump) yaitu yang
Perhitungan Tinggi Tekan
Udara (Hmasuk dan Hkeluar) Pada
Kompresor
Untuk mengetahui perbedaan
tinggi tekan udara pada kompresor
maka dapat dicari dengan persamaan:
H=
P
Q.g
(
m (kolom udara))
(
2-2)
Dimana :
Q=
P
Ri.T
(kg/m3)
Dengan :
H = perbedaan tinggi
tekan udara pada
iii
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
kompresor (m (kolom
udara))
P = tekanan
kompresor (bar)
pada
Q = kerapatan gas
(kg/m3)
Ri
= konstruksi gas
spesifik untuk udara
(Ri = 287 J/kg.K
atau 287 Nm/kg.K)
T = temperatur absolut
dari gas (oK)
g = percepatan gravitasi
(m/dtk2)
2.6. Teori Momentum [3]
Dalam
menganalisa
karakteristik
hasil
semprotan
diperlukan dasar teori mengenai
tekanan, gaya dan kecepatan fluida
yang bergerak. Analisa teoritis yang
menjelaskan antara gaya, tekanan
dan kecepatan dalam fluida bergerak
adalah berdasarkan hukum kedua
Newton, persamaan hukum kedua
Newton menyebutkan bahwa untuk
suatu massa mengalami gaya F
sebanding dengan percepatan pada
arah gaya yang besarnya:
F = m .a
Dengan:
F
= gaya (N)
m
= massa (kg)
a
= percepatan (m/dtk2)
Dikarenakan fluida yang kita
gunakan bukan benda pejal, maka
massa yang ada menjadi tidak begitu
jelas untuk didefinisikan. Aliran
fluida yang setiap partikelnya
memiliki massa tetapi tidak dapat
dihitung sebagai satu satuan luas
benda yang mempunyai batas yang
jelas. Aliran fluida tidak mempunyai
batas yang jelas maka untuk itu
dilakukan dua pendekatan yang
sesuai dengan persamaan diatas.
Pendekatan
pertama
dengan
memperhatikan gaya-gaya yang
bekerja pada batas kendali yang tetap
dimana fluida mengalir dari dalam
keluar. Pendekatan kedua gaya-gaya
yang diperhatikan adalah gaya-gaya
yang bekerja pada partikel fluida
yang mengalir. Pendekatan pertama
mengarah pada penurunan teori
momentum dan pendekatan kedua
mengarah pada persamaan Bernoulli.
Kapilaritas
Tegangan
permukaan
menyebabkan naik turunnya cairan
dalam lubang kapiler, hal ini juga
tergantung pada besarnya kohesi
relatif dan adhesi cairan kedinding
wadah tempatnya. Jika adhesi lebih
besar dari kohesi maka cairan akan
naik dalam tabung yang dibasahinya,
begitu pula sebaliknya jika kohesinya
yang lebih besar dari adhesi maka
cairan akan turun dalam tabung yang
tak dibasahinya.
iv
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
Instalasi Alat
Data – data teknis:
• Diameter silinder
ds : 0.0635 m
• Diameter pipa keluar 1
dk : 0,005 m
• Diameter pipa keluar 2
dk : 0,007 m
• Diameter pipa hisap
dp : 0.005 m
• Panjang pipa keluar
lk : 0.07 m
• Panjang pipa hisap
lp : 0.018 m
• Tekanan udara (fluida
primer)
P : 40-60 bar
Fluida primer
Pipa keluar
►►►►
Hasil semprotan
Pipa hisap
Silinder
Manometer
Kompresor
Kapilaritas akan jadi sangat
penting
untuk
tabung
yang
berdiameter lebih kecil dari 0,01m.
Prosedur Pengujian
Sebelum dilakukan pengujian
sebaiknya
selalu
dilakukan
pengecekan pada alat yang akan diuji
apakah alat tersebut dapat berfungsi
dengan baik atau tidak. Pengujian
dapat
dilakukan
dengan
menyemprotkan
cairan
(fluida)
apakah keluar atau tidak berkali-kali
sebelum
pengambilan
data
dilakukan. Hal ini disebabkan karena
tidak sempurnanya hembusan udara
yang keluar dari dalam tabung angin
melalui pipa kapiler tabung angin
tersebut terhadap pipa kapiler yang
ada pada tabung air.
Adapun prosedur utama pada
pengujian yang dilakukan penguji
adalah :
a. Mengoperasikan kompresor dan
mengatur tekanannya sesuai
dengan yang telah ditentukan.
b. Mengatur waktu penyemprotan.
c. Mengatur jarak penyemprotan.
diameter
d. Mengatur/mengubah
pipa kapiler pada tabung udara
sesuai dengan yang telah
ditentukan.
e. Menimbang hasil semprot alat uji
dengan timbangan.
f. Pengambilan data yang dilakukan
dimulai dari tekanan pada
kompresor yang terkecil.
Metode Pengambilan Data
Metode Pengambilan data
yang dilakukan pada pengujian alat
ini ada beberapa pengambilan data,
yaitu :
a. Mengukur kecepatan udara yang
dihasilkan
oleh
kompresor
dengan
menggunakan
alat
manometer.
b. Menimbang hasil semprot dari
alat tersebut untuk mendapatkan
perhitungan debit air.
Membandingkan hasil penyemprotan
terhadap diameter pipa keluar yang
berubah-ubah.
v
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
Perhitungan Debit Udara dan
Cairan
2.g.( p )
ρ . g 1 .D A 2 / D A 1
Qth = A2
(
Hasil
perbandingan
terhadap debit
H=
)
Dimana :
nozel
Q=
=
No
Tekanan
(bar)
1
Diameter
0.007m
Qudara (debit)
40
Diameter
0.005m Qudara
(debit)
0,00724
2
45
0,00768
0,00908
3
50
0,00809
0,00957
4
55
0,00849
0,01004
5
60
0,00886
0,01049
0,008072
0,009548
Rata2
/dtk
0,01
a ir/Q u d a ra
Diameter 0.005m
Qudara (debit)
0,006
40bar.100000( N / m 2 ) / bar
287 Nm / kg.K .300k
Maka :
0,00856
0,012
P
Ri.T
= 46,4576074
H=
=
0,008
P
Q.g
P
Q.g
40bar.100000( N / m 2 ) / bar
46,4576074(kg / m3 ).9,81(m / det 2 )
= 8776,75841 m
(kolom udara)
Diameter 0.007m
Qudara (debit)
Q
0,004
0,002
0
40
45
50
55
60
tekanan (bar)
Perhitungan Tinggi Tekan Udara
(H) Pada Kompresor
Untuk mengetahui perbedaan
tinggi tekan udara pada kompresor
maka dapat dicari dengan persamaan
2.2:
(Contoh perhitungan untuk tekanan
kompresor 40 bar)
Pada tekanan 40 bar dan jarak
0,005-0.0025
m
menghasilkan
perbandingan debit sebesar 0,005150.00449 m3/dtk, untuk diameter pipa
keluar (nozel) 0,005 m, sedangkan
pada tekanan dan jarak yang sama
perbandingan debit sebesar 0,004420.00325 m3/dtk untuk diameter pipa
keluar (nozel) 0,007 m.
vi
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
Hasil perbandingan debit air/debit
udara diameter pipa keluar (nozel)
0.005 m dan 0.007 m.
Tek.40.bar
Diameter
0.007 (m)
Jarak (m)
Tek.40 bar
Diameter
0.005 (m)
1
0.005
0.00515
0,00442
2
0.01
0.00506
0,00379
3
0.0015
0.00492
0,00368
4
0.02
0.00472
0,00339
5
Rata2/
dtk
0.0025
0.00449
0,00325
0,004868
0,003706
No
0,006
0,005
diameter 0,005
∆Q
Q u d ara
0,004
0,003
diameter 0,007
∆Q
0,002
0,001
0
0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
jarak (m)
Hasil perbandingan∆Qm3/dtk/H/H
m( kolom udara) untuk diameter
pipa keluar (nozel) 0.005 m.
Tek.
40
Bar
Tek.
45
Bar
Tek.
50
Bar
Tek.
55
Bar
Hmas
Tek.
60
Bar
uk/Hk
eluar
N
o
∆Q
∆Q
∆Q
∆Q
∆Q
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.42
515
578
691
726
788
8571
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.12
506
552
674
708
759
5
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.11
492
519
656
685
744
1111
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
472
474
649
669
724
1
2
3
4
1.1
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
1.09
449
440
612
642
703
0909
5
Gaya Angkat Fluida Primer
Analisa kemampuan fluida
primer untuk mengangkat fluida
sekunder melewati pipa hisap dengan
variasi diameter yang berbeda
diperlukan untuk mengetahui pipa
hisap yang bisa menghisap fluida
sekunder (cairan). Perbedaan tekanan
yang bisa menghasilkan daerah yang
bertekanan rendah yang cukup,
sehingga
bisa
menghasilkan
kevakuman. Pada ujung pipa hisap
harus lebih besar untuk mengatasi
gabungan gaya yang terjadi pada
cairan sepanjang melewati pipa
hisap.
Sebagai contoh perhitungan
untuk pipa keluar berdiameter 0.005
m pada tekanan 40 bar.
→ untuk diameter pipa keluar
(nozel) 0,005 m, berdasarkan
persamaan 2.3:
∆P . A = (sg). ρ. g. h
(N/m2)
∆P
= (sg). ρ.g.h
= 0,87 x 996,54 x
9,81 x 0,01584
= 134,66 N/m2
Patm = 101000 (N/m2)
∆P . A = 134,66 x ¼ .π
(0,005)2
= 0,00264 N
→ Gaya akibat gravitasi (berat
cairan) berdasarkan persamaan 2.4:
Fg
= m.g
= ¼ .π.dp2.L. ρ. g
vii
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
= ¼ .π. (0,005)2. 0,18.
996,54. 9,81
= 0,03453392 N
→ Gaya akibat tegangan permukaan
berdasarkan persamaan 2.5:
Ftp
= 2.π.dp.σ
= 2.π.(0,005).0,073
= 0,0022922 N
→ Efek kapiler yang timbul
berdasarkan persamaan 2.7:
Fkap = ¼ .π.dp2. ρ. g. H
=
¼
.π.(0,005)2.
996,54. 9,81. 0,01583255
= 0,00304 N
→ Kehilangan tenaga selama
melewati pipa (Losses) berdasarkan
persamaan 2.6:
FH
= ¼ .π.dp2. ρ. g. H
Dimana :
H = hf1 + hf2 + hf3
(m)
H = kehilangan total tenaga
○ Losses akibat gaya gesek
yang timbul
hf1 = f. x
L
v2
x
dp
2.g
(m)
Dari percobaan didapat Qair =
37,5 cm3/dtk, maka kecepatan aliran
dapat ditentukan:
Vair = Q/A
37,5 x10 −6
=
2
0,25 xπx(0,005)
= 1,910 m/det
Bilangan Reynold
vxdpxρ
Re =
v
1,910 x0,005 x996,54
=
1x10 −6
= 9516957 N
Re > 4000 Aliran bersifat
Turbulen
Dari
diagram
moudy
diperoleh
koefisien
gesek
f=0,021. sehingga :
0,18 1,910 2
hf1 = 0,021 x
x
0,005 2.9,81
= 0,141 m
○ Losses pada ujung pipa
masuk
v2
hf2 = f. x
2. g
Berdasarkan diameter ujung
pipa hisap yang digunakan f
(koefisien gesek) = 0,25
Sehingga:
v2
hf2 = f. x
2. g
1,910 2
2.9,81
= 0,0465 m
= 0,25 x
○ Losses pada ujung pipa keluar
(nozel)
v2
hf3 =
2. g
1,910 2
2.9,81
= 0,186 m
=
Sehingga
total
Losses
(kehilangan tenaga)
H = hf1 + hf2 + hf3
= 0,0777 + 0,0256 =
0,1028
= 0,3735 m
Jadi gaya yang hilang selama
melewati pipa:
FH = ¼ .π.dp2. ρ. g. H
= ¼ .π.(0,005)2.996,54.
9,81. 0,3735
= 0,07156 N
viii
PENGARUH DIAMETER NOZEL UDARA PADA SISTEM JET
Untuk
gaya
keseluruhan
hisap
berdasarkan
persamaan 2.8:
= Ftp+Fg-Fkap+FH
KESIMPULAN
Dari percobaan sistem jet
(semprotan obat nyamuk) dengan
memvariasikan besar diameter nozel
udara, dapat disimpulkan:
= 0,0022922 + 0,03453392 –
0,00304 + 0,07156
= -0,0377739 N
Ini membuktikan bahwa:
Ftp+Fg-Fkap+FH
≤
∆P.A
-0,00377739 N
≤
0,00264 N
Hal ini membuktikan bahwa
perbedaan tekanan antara tekanan
atmosfer dan tekanan diujung pipa
menghasilkan kevakuman yang bisa
menyebabkan
terhisapnya
fluida
sekunder sehingga fluida tersebut
tersemprot
keluar.
Dari
contoh
perhitungan diatas diperoleh data
untuk pipa berdiameter lain.
1.Semakin dekat jarak nozel dengan
pipa hisap, semakin banyak
debit yang di keluarkan
(Spray).
2.Diameter nozel 0,005 m dapat
mengeluarkan spray yang
banyak (debit) dibanding
dengan nozel berdiameter
0,007 m.
3.Tekanan
udara
yang
besar
menghasilkan debit yang
besar pula.