file

UNIVERSITAS INDONESIA
PENGURANGAN NILAI JATUH TEKAN (PRESSURE DROP)
ALIRAN DIDALAM PIPA DENGAN PENAMBAHAN ADITIF
POLYVINYL ALCOHOL 100, 250 DAN 400 PPM PADA FLUIDA
KERJA AIR
SKRIPSI
FREDDY SATRIYO
0806368553
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
DEPOK
JANUARI 2012
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
UNIVERSITAS INDONESIA
PENGURANGAN NILAI JATUH TEKAN (PRESSURE DROP)
ALIRAN DIDALAM PIPA DENGAN PENAMBAHAN ADITIF
POLYVINYL ALCOHOL 100, 250 DAN 400 PPM PADA FLUIDA
KERJA AIR
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
FREDDY SATRIYO
0806368553
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
DEPOK
JANUARI 2012
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
Nama
: FREDDY SATRIYO
NPM
: 0806368553
Tanda Tangan :
Tanggal
: 13 Januari 2012
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh
Nama
NPM
Program Studi
Judul Skripsi
:
:
:
:
Freddy Satriyo
0806368553
Teknik Mesin
Pengurangan Nilai Jatuh Tekan (Pressure Drop)
Aliran Didalam Pipa Dengan Penambahan Aditif
Polyvinyl Alcohol 100, 250 Dan 400 Ppm Pada
Fluida Kerja Air
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima
sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik,
Universitas Indonesia
DEWAN PENGUJI
Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Yanuar, M.Eng. MSc
(
)
Penguji
: Ir. Hadi Tresno Wibowo M.T
(
)
Penguji
: Dr. Ir. Sunaryo
(
)
Penguji
: Ir. Marcus Alberth Talahatu, M.T
(
)
Penguji
: Ir. Mukti Wibowo
(
)
Ditetapkan di : Depok
Tanggal
: 13 Januari 2012
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMA KASIH
Puji syukur saya panjatkan kepada Allah SWT, karena atas berkat dan
rahmat-Nya, sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini. Penulisan skripsi ini
dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana
Teknik Jurusan Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Saya
menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa
perkuliahan sampai pada penyusunan skripsi ini, sangatlah sulit bagi saya untuk
menyelesaikan skripsi ini. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih
kepada:
(1) Prof. Dr. Ir. Yanuar, M.Eng Msc selaku dosen pembimbing yang telah
menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam
penyusunan skripsi ini sehingga dapat terselesaikan dengan baik;
(2) Orang tua dan keluarga saya serta istri tercinta yang telah memberikan bantuan
dukungan material dan moral.
(3) Rekan-rekan seperjuangan satu bimbingan skripsi Ahlul Halli, Marjo, Yudha
Syafei Agustian, Fiska Suhenda, Adhi Waskitajati, Raksa Aulia Rahman, Iswanto
Purnomo, Dimas Pradipta, Sambas Prasetya, Nurdiansyah Marpaung dan segenap
prajurit KOPASKONG yang telah sama-sama memberikan banyak kontribusi
dalam penyelesaian skripsi ini.
(4) Seluruh staf karyawan Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia yang
telah membantu, atas bantuan kerjasamanya memberikan peminjaman alat-alat
dalam pembuatan alat yang kami buat.
(5) Dan seluruh pihak yang terkait sehingga membantu kelancaran dalam
penyelesaian skripsi dalam pengambilan data dan hal lainnya;
Akhir kata, saya berharap Tuhan Yang Maha Esa berkenan membalas segala
kebaikan semua pihak yang telah membantu saya. Semoga skripsi ini membawa
manfaat bagi pengembangan ilmu.
Depok, 13 Januari 2012
Penulis
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:
Nama
: Fredd y Satriyo
NPM
: 0806368553
Program Studi
: Teknik Mesin
Departemen
: Teknik Mesin
Fakultas
: Teknik
Jenis karya
: Skripsi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive RoyaltyFree Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :
PENGURANGAN NILAI JATUH TEKAN (PRESSURE DROP) ALIRAN
DIDALAM PIPA DENGAN PENAMBAHAN ADITIF POLYVINYL
ALCOHOL 100, 250 DAN 400 PPM PADA FLUIDA KERJA AIR
beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti
Noneksklusif
ini
Universitas
Indonesia
berhak
menyimpan,
mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database),
merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama
saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Depok
Pada tanggal : 13 Januari 2011
Yang menyatakan
( Freddy Satriyo )
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
ABSTRAK
Nama
: Freddy Satriyo
Program Studi
: Teknik Mesin
Judul
: Pengurangan Nilai Jatuh Tekan (Pressure Drop) Aliran
Didalam Pipa Dengan Penambahan Aditif Polyvinyl
Alcohol 100, 250 Dan 400 Ppm Pada Fluida Kerja Air
Skripsi ini membahas mengenai pengurangan nilai jatuh tekan (pressure
drop) aliran didalam pipa dengan menambahkan aditif polyvinyl alcohol (PVA)
100, 250 dan 400 ppm pada fluida kerja air. Eksperimen ini menggunakan pipa
bulat acrylic berdiameter luar 16 mm dan diameter dalam pipa 12 mm pada aliran
Turbulen. Aliran dalam pipa tersebut diuji dengan menambahkan larutan PVA
kedalam air murni pada konsentrasi 100 ppm, 250 ppm dan 400 ppm dengan
aliran Turbulen. Dari hasil data, tabel, dan grafik menunjukkan bahwa dengan
penambahan Larutan PVA pada konsentrasi 100 ppm, 250 ppm, dan 400 ppm
kedalam air murni terjadi Drag Reduction. Dari hasil data eksperimen
penambahan dengan konsentrasi 100 ppm Larutan polyvinyl alcohol (PVA) yang
dicampurkan kepada air murni dapat menurunkan koefisien gesekan sebesar 15%,
sedangkan dengan konsentrasi 250 ppm Larutan polyvinyl alcohol (PVA) dapat
menurunkan koefisien gesekan sebesar 18%, dan dengan konsentrasi 400 ppm
Larutan polyvinyl alcohol (PVA) dapat menurunkan gesekan sebesar 25%.
Kata kunci : Drag Reduction, polyvinyl alcohol (PVA), Pressure Drop, Pipa Bulat
Acrylic.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
ABSTRACT
Name
: Freddy Satriyo
Study Program
: Mechanical Engineering
Title
: Reduction Pressure Drop With Solution Of Polyvinyl
Alcohol With Concentration Of 100, 250, And 400 Ppm
On Fluid Work Water
This thesis discusses about Reduction Coefficient of Friction with solution
of polyvinyl alcohol (PVA) with concentration of 100 ppm, 250 ppm, 400 ppm.
This experiment uses a round acrylic tube outer diameter 16 mm and 12 mm inner
diameter of the pipe in Turbulent flow. The flow in the pipe tested by adding a
solution of polyvinyl alcohol (PVA) into pure water at a concentration of 100
ppm, 250 ppm and 400 ppm with a Turbulent flow. From the data, tables, and
graphs show that with the addition of polyvinyl alcohol (PVA) solution at a
concentration of 100 ppm, 250 ppm, and 400 ppm into pure water occurs Drag
Reduction. From the experimental data with the addition of concentrations 100
ppm solution of polyvinyl alcohol (PVA) are mixed to pure water can decrease the
friction coefficient of 15%, while a concentration of 250 ppm solution of
polyvinyl alcohol (PVA) can reduce the coefficient of friction 18%, and a
concentration of 400 ppm solution of polyvinyl alcohol (PVA) can reduce friction
by 25%.
Key word: Drag Reduction, polyvinyl alcohol (PVA), Pressure Drop, Rounded
Acrylic Pipe.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ............................................................................................ i
LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS...................................................... ii
LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................... iii
KATA PENGANTAR/UCAPAN TERIMA KASIH ........................................... iv
LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH .............................. v
ABSTRAK ......................................................................................................... vi
DAFTAR ISI .................................................................................................... viii
DAFTAR TABEL .............................................................................................. x
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xi
DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... xii
1. PENDAHULUAN .......................................................................................... 1
1.1 LATAR BELAKANG .............................................................................. 1
1.2 PERUMUSAN MASALAH ..................................................................... 1
1.3 TUJUAN PENELITIAN .......................................................................... 2
1.4 BATASAN MASALAH .......................................................................... 2
1.5 METODE PENELITIAN ......................................................................... 2
1.6 METODE PENULISAN..................................................................... ...... ..3
1.7 SISTEMATIKA PENULISAN................................................................. 4
2. LANDASAN TEORI...................................................................................... 5
2.1 KLASIFIKASI FLUIDA .......................................................................... 5
2.1.1 Fluida Newtonian .......................................................................... 5
2.1.2 Fluida Non-Newtonian................................................................... 5
2.2 ALIRAN FLUIDA ................................................................................... 8
2.2.1 Klasifikasi Aliran Fluida ................................................................ 9
2.2.2 Aliran Laminer dan Turbulen..........................................................10
2.3 SIFAT-SIFAT FLUIDA................................................................ ........... 14
2.3.1 Density ........................................................................................ 14
2.3.1.1 Densitas Massa .............................................................. 14
2.3.1.2 Berat Spesifik................................................................... 14
2.3.1.3 Densitas Relatif................................................................ 14
.
2.3.2 Viskositas........................................................................................ 15
2.3.3 Bilangan Reynold............................................................................ 15
2.4 PERSAMAAN FLUIDA ........................................................................ 16
2.4.1 Laju Aliran Volume ..................................................................... 16
2.4.2 Distribusi Kecepatan...................................................................... 17
3. DESKRIPSI ALAT UJI DAN PROSEDUR PENGUJIAN ........................ 18
3.1 RANCANGAN ALAT UJI .................................................................... 18
3.2 PERALATAN PENDUKUNG ............................................................... 18
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
3.2.1 Pompa Air ................................................................................... 19
3.2.2 Tangki Penampung Air................................................................... 19
3.2.3 Valve / Katup.................................................................................. 20
3.2.4 Manometer..................................................................................... . 20
3.2.5 Gelas Ukur...................................................................................... 21
3.2.6 Stop Watch...................................................................................... 21
3.2.7 Timbangan Digital.......................................................................... 21
3.2.8 Termometer Air Raksa.................................................................... 22
3.3 PROSEDUR PENGAMBILAN DATA ................................................. 22
4. PENGOLAHAN DAN ANALISA DATA ................................................... 25
4.1 PERHITUNGAN DATA ....................................................................... 25
4.1.1 Perhitungan Data Menggunakan Air Murni............................... 25
4.1.2 Perhitungan Data Menggunakan Campuran air dan PVA
dengan Komposisi 100 PPM ..................................................... 27
4.1.3 Perhitungan Data Menggunakan Campuran air dan PVA
dengan Komposisi 250 PPM ..................................................... 28
4.1.4 Perhitungan Data Menggunakan Campuran air dan PVA
dengan Komposisi 400 PPM ..................................................... 30
4.2 ANALISIS DATA ................................................................................. 31
5. KESIMPULAN DAN SARAN..................................................................... 35
KESIMPULAN ............................................................................................. 35
SARAN ......................................................................................................... 35
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 36
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Tabel 4.2.
Tabel 4.3.
Tabel 4.4
Tabel 4.5
Data Perhitungan Untuk Air Murni ...........................................
Data Perhitungan Untuk Air Murni dan PVA 100 ppm .............
Data Perhitungan Untuk Air Murni dan PVA 250 ppm .............
Data Perhitungan Untuk Air Murni dan PVA 400 ppm .............
Data Perhitungan Drag Reduction.............................................
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
26
28
29
31
34
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Gambar 2.2
Gambar 2.3
Gambar 2.4
Gambar 2.5
Gambar 2.6
Gambar 2.7
Gambar 3.1
Gambar 3.2
Gambar 3.3
Gambar 3.4
Gambar 3.5
Gambar 3.6
Gambar 3.7
Gambar 3.8
Gambar 3.9
Gambar 4.1
Hubungan shear stress – shear rate pada fluida non-newtonian .
Distribusi Kecepatan bingham plastic fluid pada pipa ...............
Shear stress (τ)-shear rate (γ) pada thixotropic dan rheopectic ..
Kerugian head yang disebabkan belokan ..................................
Aliran pipa sedang berkembang - aliran berkembang penuh .....
Diagram Moody .......................................................................
Distribusi Kecepatan Laminer dan Turbulen pada pipa bulat ....
Instalasi alat uji pipa bulat ........................................................
Pompa Air ...............................................................................
Tangki Air ................................................................................
Valve / Katup ..........................................................................
Manometer ...............................................................................
Gelas Ukur ...............................................................................
Stop Watch...............................................................................
Timbangan ...............................................................................
Termometer Air Raksa .............................................................
Grafik Hasil Percobaan Air Murni Dengan Polyvinyl
Alcohol (PVA) 100 Ppm...........................................................
Gambar 4.2 Grafik Hasil Percobaan Air Murni Dengan Polyvinyl
Alcohol (PVA) 250 Ppm...........................................................
Gambar 4.3 Grafik Hasil Percobaan Air Murni Dengan Polyvinyl
Alcohol (PVA) 400 Ppm...........................................................
Gambar 4.4 Persamaan Linear Dengan Polyvinyl Alcohol (PVA) ................
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
6
6
8
10
11
13
17
18
19
19
20
20
20
21
21
22
22
22
22
22
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN 1 PROPERTI FISIKA DARI AIR
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Penghematan energi adalah suatu hal yang sangat penting pada saat ini.
Drag Reducing Agent (DRA) atau yang lebih kita kenal sebagai Drag Reduction
(DR), adalah suatu jenis bahan kimia yang berfungsi untuk meminimalkan atau
menurunkan drag atau frictional pressure loss/drop dalam aliran fluida. Penurunan
drag reduction ini dapat dimanfaatkan untuk penghematan energi yang dibutuhkan
untuk mengalirkan aliran fluida.
Penurunan gaya drag (Drag Reduction = DR) pada aliran turbulen adalah
fenomena turun drastisnya gesekan permukaan (skin friction) pada suatu fluida
akibat penambahan sejumlah kecil aditif pada fluida tersebut. Drag Reducer tidak
bekerja pada aliran fluida yang bersifat laminar. Hal ini disebabkan karena drag
reduction terjadi karena adanya interaksi dari molekul-molekul drag reduction
dengan formasi turbulen dalam aliran fluida.
Dengan berkurangnya rugi tekanan (pressure loss), maka kita dapat
memperoleh bermacam aplikasi dari drag reduction seperti menaikkan kapasitas
pemompaan (flow increase), jika kapasitas pemompaan (rate) tetap maka kita
dapat menurunkan tekanan pemompaan dan hal ini berarti kita dapat menghemat
daya (power saving) untuk pemompaan, menghemat daya, energi dan
pemeliharaan (maintenance) dan lain sebagainya.
Polimer merupakan aditif yang sangat menarik, karena hanya dengan
beberapa ppm (part per million – bagian per sejuta) polimer berberat molekul
tinggi, aditif ini bisa menimbulkan DR yang sangat besar. Minimnya tulisan yang
menyelidiki fenomena DR pada larutan polimer (baik pada larutan aquous
ataupun organik) dan juga keterkaitan antara sifat larutan dengan DR-nya menarik
untuk ditindak lanjuti
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Aliran fluida di dalam pipa selalu mengalami hambatan gesek, hal ini
dapat diketahui dengan adanya penurunan tekanan antara dua titik dengan jarak
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
tertentu pada pipa tersebut. Hambatan gesek ini dipengaruhi oleh faktor internal
yaitu viskositas (kekentalan) dan jenis fluida, sedangkan faktor eksternalnya
adalah kekasaran permukaan pipa.
Fluida yang mengalir melalui benda diam akan mendapatkan gaya. Gaya
ini disebutkan oleh tekanan dari fluida terhadap permukaan benda tersebut dan
gaya gesekan fluida terhadap permukaan benda tersebut. Aliran fluida yang
mengalir melalui permukaan halus dan kasar akan mengalami perubahan tekanan
pada alirannya. Pada dinding silinder akan terdapat distribusi tekanan yang
mempengaruhi lapisan batas yang terbentuk pada permukaan silinder. Penelitian
ini akan menganalisa pengaruh additive terhadap permukaan pipa akrilik jika
dialiri fluida terhadap penambahan viskositas.
1.3 TUJUAN STUDI
Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu:
1. Untuk memberikan informasi tentang data eksperimen koefisien gesek untuk
aliran larutan polyvinyl alcohol (PVA).
2. Data-data ini secara umum dapat digunakan untuk meneliti koefisien gesek
pada pipa akrilik dengan diameter dalam 12 mm.
1.4 BATASAN MASALAH
Dalam penelitian ini, masalah hanya terbatas pada karakteristik drag
reduction (DR) pada pipa akrilik dengan diameter dalam 12 mm, dan campuran
polyvinyl alcohol (PVA) 100 ppm, 250 ppm dan 400 ppm.
1.5 METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di laboratorium dengan menggunakan pengujian
yang dilakukan meliputi pengujian langsung dan pengujian tidak langsung.
Pengujian langsung adalah pengujian dimana variable yang diukur dapat langsung
diketahui nilainya dari pengujian tersebut, pengujian ini meliputi perbedaan
tekanan pada manometer, debit aliran, berat jenis fluida. Sedangkan pengujian
tidak langsung adalah pengujian dimana variable yang diperoleh dari pengujian
harus diolah dulu dengan rumus-rumus yang telah ada baru kemudian diperoleh
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
suatu hasil. Penelitian tidak langsung ini meliputi : Kapasitas aliran, kecepatan,
bilangan Reynolds, koefisien gesek, power low index dan apparent buku yang
membahas tentang penelitian ini ataupun dari jurnal-jurnal yang telah
dipublikasikan yang berkaitan dengan penelitian ini.
1.6 METODE PENULISAN
Dalam penulisan skripsi ini penulis melakukan beberapa metode yaitu :
1. Konsultasi dengan dosen pembimbing
Tujuan dari konsultasi dengan dosen pembimbing adalah untuk
merumuskan tema yang akan dibahas dalam skripsi serta alat uji yang harus
dibuat untuk mendukung penelitian pada tema skripsi tersebut dan
memperoleh informasi mengenai dasar teori yang digunakan dalam
pengolahan data yang akan dilakukan serta hasil yang hendak diperoleh dari
penelitian tersebut.
2. Membuat alat uji di laboratorium
Membuat alat uji di laboratorium sesuai dengan rancangan awal yang telah
dengan dosen pembimbing, serta mengenai bahan-bahan yang akan digunakan
dalam penelitian tersebut.
3. Pengumpulan Data
Data yang diperoleh dari penelitian tersebut selanjutnya dibandingkan
dengan dasar teori yang telah dijelaskan oleh dosen pembimbing, data-data
dan keterangan didapat dari studi percobaan (data percobaan), studi literatur
(dari sumber-sumber yang berhubungan dengan penelitian) serta melakukan
diskusi dengan dosen pembimbing.
4. Pengolahan Data
Data mentah dari penelitian kemudian dimasukkan ke dalam persamaanpersamaan yang terdapat pada dasar teori sehingga didapat data yang
dibutuhkan yang kemudian digunakan untuk melakukan analisis dan proses
selanjutnya
5. Analisa Data
Data-data dari hasil pengolahan digunakan untuk menganalisis hubungan
antara tegangan geser dan gradient kecepatan serta hubungan antara friction
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
faktor dan bilangan Reynolds, dari hubungan antara tegangan geser dan
gradient kecepatan maka dapat diketahui karakteristik dari fluida nonNewtonian tersebut.
1.7 SISTEMATIKA PENULISAN
Penulisan skripsi ini meliputi beberapa bab yaitu :
BAB I
PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan latar belakang yang melandasi penulisan skripsi,
perumusan masalah, tujuan penulisan, pembatasan masalah, metodologi
penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB II
LANDASAN TEORI
Bab ini menjelaskan tentang landasan teori, jenis-jenis fluida, jenis aliran
dalam pipa, sifat-sifat fluida, persamaan umum mekanika fluida.
BAB III DESKRIPSI ALAT UJI DAN PROSEDUR PENGUJIAN
Bab ini menjelaskan tentang alat pengujian yang digunakan, metode
persiapan, metode pengambilan data dan metode pengujian yang dilakukan.
BAB IV PENGOLAHAN DAN ANALISIS
Bagian ini berisikan data-data dan analisa dari hasil yang diperoleh dari
proses pengambilan data dan pengujian.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini berisi kesimpulan dari hasil data dan analisa percobaan dan
saran yang diberikan untuk perbaikan pada percobaan selanjutnya.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 KLASIFIKASI FLUIDA
Fluida merupakan suatu zat yang tidak mampu menahan gaya geser yang
bekerja sehingga akan mengalami deformasi. Fluida dapat diklasifikasikan
menjadi beberapa bagian tetapi secara garis besar fluida dapat diklasifikasikan
menjadi dua bagian, yaitu :
2.1.1 Fluida Newtonian
Fluida Newtonian adalah suatu jenis fluida yang memiliki kurva shear stress
dan gradient kecepatan yang linier, seperti air, udara, ethanol, benzene, dll. Fluida
Newtonian akan terus mengalir dan viskositas fluida tidak berubah sekalipun
terdapat gaya yang bekerja pada fluida. Viskositas fluida akan berubah jika terjadi
perubahan temperature. Pada dasarnya fluida Newtonian adalah fluida yang
mengikuti hukum Newton tentang aliran dengan persamaan :
τ =µ
∂u
…………………………………….. (1)
∂y
Dimana :
τ = Tegangan geser pada fluida
µ = Viskositas dinamik fluida
∂u
= Gradient kecepatan fluida
∂y
2.1.2 Fluida Non-Newtonian
Fluida Non-Newtonian adalah fluida yang tidak tahan terhadap tegangan
geser (shear stress), gradient kecepatan (shear rate), dan temperature seperti cat,
minyak pelumas, darah, bubur kertas, obat-obatan cair, dll. Viskositas fluida NonNewtonian merupakan fungsi dari waktu dimana gradient kecepatannya tidak
linier dan tidak mengikuti hukum Newton tentang aliran.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 2.1 Hubungan antara shear stress – shear rate pada fluida non-newtonian
Ada beberapa model pendekatan untuk fluida Non-Newtonian, antara lain :
a) Bingham plastic
Bingham plastic adalah suatu model pendekatan fluida Non-Newtonian
dimana viskositasnya sangat bergantung pada shear stress dari fluida tersebut,
dimana semakin lama viskositasnya akan menjadi konstan. Persamaan untuk
model ini sebagai berikut :
τ= τ y + µ p
Dimana :
∂u
…………………………………….. (2)
∂y
τ < τy = zat padat
τ > τy = fluida Newton
Gambar 2.2 Distribusi Kecepatan bingham plastic fluid pada pipa
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
b) Pseudoplastic (plastic semu)
Pseudoplastic adalah suatu model pendekatan fluida Non-Newtonian dimana
viskositasnya cenderung menurun tetapi shear stress dari fluida ini akan semakin
meningkat, misalnya vinil acetate/vinylpyrolidone co-polymer (PVP/PA).
Persamaan untuk model ini sebagai berikut :
n
 ∂u 
τ K   , n < 1 …………………………………….. (3)
=
 ∂y 
c) Dilatant
Dilatant adalah suatu model pendekatan fluida Non-Newtonian dimana
viskositas dan shear stress dari fluida ini akan cenderung mengalami peningkatan,
misalnya pasta. Persamaan untuk model ini sebagai berikut :
n
 ∂u 
τ K   , n > 1…………………………………….. (4)
=
 ∂y 
d) Penggolongan lain
• Thixotropic (shear thining), fluida dimana viskositasnya berubah
tergantung pada waktu dimana seolah-olah semakin lama semakin
berkurang meskipun laju gesernya tetap. Apabila terdapat gaya yang
bekerja pada fluida ini maka viskositasnya akan menurun, misalnya cat,
campuran tanah liat (clay), dan berbagai jenis gel.
• Rheopectic (shear thickening), fluida dimana viskositasnya berubah
tergantung pada waktu dimana seolah-olah semakin lama semakin besar,
misalnya minyak pelumas dimana viskositasnya akan bertambah besar saat
minyak pelumas tersebut mengalami guncangan. Dalam hal ini fluida
rheopectic jika ada suatu gaya yang akan bekerja padanya maka
viskositasnya akan bertambah.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 2.3 Hubungan shear stress (τ) - shear rate (γ) pada thixotropic (a) dan
rheopectic (b) yang tergantung pada waktu
Pada fluida Non-Newtonian secara umum hubungan tegangan geser (shear
stress) dan gradient kecepatan (shear rate) dapat dituliskan sebagai berikut :
n
 ∂u 
n
τ K=
=
 ∂y  K ( γ ) …………………………………….. (5)
 
Dimana :
K= Indeks konsistensi
τ = Tegangan geser
n = Indeks perilaku aliran (power law index)
∂u
= γ = Laju aliran
∂y
Dengan :
τ=
D∆P
…………………………………….. (6)
4L
γ=
8V
……………………………………….. (7)
D
2.2 ALIRAN FLUIDA
Dalam suatu aliran yang melewati sistem atau instalasi pipa maka terjadi
suatu hambatan aliran, hambatan tersebut disebabkan oleh faktor-faktor bentuk
instalasi. Hambatan tersebut dapat menyebabkan turunnya energi dari fluida
tersebut yang sering disebut dengan kerugian tinggi tekanan (head loss) atau
penurunan tekanan (pressure drop) yang disebabkan oleh pengaruh gesekan fluida
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
(friction losses) dan perubahan pola aliran terjadi karena fluida harus mengikuti
bentuk dari dindingnya.
2.2.1 Klasifikasi Aliran Fluida
Berdasarkan pengujian yang dilakukan oleh HGL.Hagen (1839) penurunan
tekanan berubah secara linier dengan kecepatan sampai kira-kira 0,3 m/s. namun,
diatas sekitar 0,66 m/s penurunan tekanan hampir sebanding dengan kecepatan
kuadrat
kecepatan ( ∆P ≈ V
1,75
). Pada tahun 1883 Osborne Reynolds
menunjukkan bahwa penurunan tekanan tergantung pada parameter : kerapatan
(ρ), kecepatan aliran (V), diameter (D), dan viscositas absolute (µ) yang
selanjutnya dikenal dengan bilangan Reynolds, penurunan tekanan merupakan
fungsi dari faktor gesekan (λ) dan kekerasan relative dari dinding pada (ε/D) [4],
jadi :
(
)
λ = f Re, ε D ……………………………………….. (8)
Menurut Henry Darcy (1857) yang melakukan eksperimen aliran dalam
pipa menyatakan kekasaran mempunyai efek sehingga didapatkan faktor gesekan
darcy (λ) atau disebut dengan formulasi Darcy-Weisbach sebagai berikut:
…………………………….. (9)
Dari persamaan di atas didapat beberapa bentuk fungsi dari (λ) atau (f).
Persamaan fanning umumnya digunakan untuk menghitung faktor gesekan
dimana zat kimia penyusunnya lebih diperhatikan (untuk fluida lebih dari satu
phase). Nilai faktor gesekan dapat dikonversi ke formula Darcy menjadi sebagai
berikut :
 f Darcy = 4 × f fanning  …………………………………….. (10)
Pada pola aliran dalam pipa horizontal terdapat efek gravitasi dimana fluida
yang lebih berat akan berada dibagian bawah dan yang lebih ringan berada di atas,
hal ini dimungkinkan karena perbedaan berat jenis dari fluida tersebut. Bentuk
lain dari pola ini dapat berubah karena efek ini dimana aliran akan terbagi menjadi
dua lapisan.
Pada pipa juga terjadi kerugian head pada aliran yang disebut minor loses.
Dimana kerugian ini terjadi pada siku, sambungan, katup, belokan yang
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
disebabkan oleh pembesaran mendadak yang menyebabkan terjadinya perbedaan
kecepatan dan tekanan sehingga terjadi loses pada system pipa.
Gambar 2.4 Salah satu kerugian head yang disebabkan oleh belokan
Metode yang paling umum digunakan untuk menentukan kerugian head
ataupun tekanan dengan menentukan kerugian gesek lengkung pada pipa
lengkung adalah:
 v2 
ξ = ( ∆h ) /   …………………………………….. (11)
 2g 
2.2.2 Aliran Laminar dan Turbulen
Aliran laminar didefinisikan sebagai aliran fluida yang bergerak dalam
lapisan-lapisan atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancar
pada lapisan yang bersebelahan dengan saling bertukar momentum secara
molekuler saja. Kecenderungan ke arah ketidakstabilan dan turbulensi diredam
habis oleh gaya-gaya geser viskos yang memberikan tahanan terhadap gerakan
relatif lapisan-lapisan fluida yang bersebelahan.
Dalam aliran turbulen, partikel-partikel fluida bergerak dalam lintasanlintasan yang sangat tidak teratur, dengan mengakibatkan pertukaran momentum
dari satu bagian fluida ke bagian fluida yang lain. Aliran turbulen dapat berskala
kecil yang terdiri dari sejumlah besar pusaran-pusaran kecil yang cepat yang
mengubah energi mekanik menjadi ketidakmampubalikan melalui kerja viskos,
atau dapat berskala besar seperti pusaran-pusaran besar yang berada di sungai atau
hempasan udara. Pusaran-pusaran besar membangkitkan pusaran-pusaran yang
kecil yang pada gilirannya menciptakan turbulensi berskala kecil. Aliran turbulen
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
berskala kecil mempunyai fluktuasi-fluktuasi kecil kecepatan yang terjadi dengan
frekuensi yang tinggi. Pada umumnya, intensitas turbulensi meningkat dengan
meningkatnya Bilangan Reynolds.
Ketika aliran melewati awal ujung pipa, distribusi kecepatan didalam pipa
mempunyai bentuk yang tidak teratur yang disebut aliran sedang berkembang.
Kondisi ini akan semakin berubah seiring bertambahnya panjang dari inlet.
Distribusi kecepatan yang terjadi masing mengalami perubahan bentuk kontur.
Setelah aliran mengalami fully developed flow atau berkembang penuh, maka
distribusi kecepatan akan seragam untuk jarak dari inlet semakin panjang. Untuk
aliran laminar, panjang hidrodinamik untuk mencapai keadaan fully developed
flow adalah kurang lebih 120 kali diameter dalam pipa.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 2.5 Perilaku aliran dalam pipa dari aliran sedang berkembang hingga
aliran berkembang penuh
Dalam suatu aliran yang melewati sistem atau instalasi pipa maka terjadi
suatu hambatan aliran. Hambatan tersebut disebabkan oleh faktor-faktor bentuk
instalasi. Hambatan tersebut dapat menyebabkan turunnya energi dari fluida yang
sering disebut dengan kerugian tekanan (head loss) atau penurunan tekanan
(pressure drop) yang disebabkan oleh pengaruh gesekan fluida (friction losses)
dan perubahan pola aliran. Pada kondisi aliran laminar, hambatan gesek tersebut
hanya dipengaruhi oleh kekentalan fluida. Namun, pada aliran turbulent hambatan
tersebut dipengaruhi oleh kekentalan fluida dan kekasaran permukaan pipa.
Pada tahun 1883 Osborne Reynolds menunjukkan bahwa penurunan tekanan
tergantung pada parameter : kerapatan (ρ), kecepatan aliran (V), diameter (D), dan
viskositas dinamik (µ) yang selanjutnya dikenal dengan bilangan Reynolds,
penurunan tekanan merupakan fungsi dari faktor gesekan (f) dan kekerasan relatif
dari dinding (ε/D).
(
f = φ Re, ε
D
) ……………………………………. (12)
Hambatan gesek menyebabkan kerugian jatuh tekanan, ∆h. Nilai ∆h ini
didapatkan dari persamaan Darcy dan Weisbach (1806-1871):
2
Lv
∆h =
f 
………………………………………..(13)
 D  2g
Dimana f adalah koefisien gesek Darcy dan dapat ditentukan dengan rumus
f =
64
untuk aliran laminar. Terlihat hubungan yang linear antara koefisien
Re
gesek dengan bilangan Reynolds, sedangkan untuk aliran turbulent nilai koefisien
gesek tersebut banyak dipengaruhi oleh faktor-faktor lain misalnya kekasaran
permukaan pipa. Kekasaran permukaan pipa menjadi faktor yang dominan dalam
menentukan besarnya koefisien gesek yang terjadi. Nilai kekasaran permukaan
dinotasikan dengan simbol e dapat ditentukan dengan rumus:
∈=
e
………………………………………..(14)
D
Dimana : ∈ adalah kekasaran relatif.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Pengaruh kekasaran permukaan pipa diteliti secara luas pertama kali oleh
Nikuradse. Hasil dari percobaannya menunjukkan bahwa kekasaran permukaan
sangat mempengaruhi aliran pada bilangan Reynolds tinggi, nilai koefisien gesek
tergantung pada bilangan Reynolds. Von Karman menurunkan rumus untuk aliran
turbulent dengan memasukkan kekasaran permukaan. Hasil dari penurunan rumus
tersebut adalah:
1
D
= 1.14 + 2 log ………………………………………..(15)
e
f
Persamaan Blasius juga menggambarkan nilai koefisien gesek untuk aliran
turbulent yaitu:
………………………………….. (16)
Lewis F. Moody (1880-1953) mengembangkan hasil percobaan Nikuradse ke
dalam bentuk model matematika dan berhasil memplot sebuah grafik hubungan
koefisien gesek dengan bilangan Reynolds pada aliran turbulent dengan variasi
kekasaran permukaan. Grafik tersebut dikenal dengan nama diagram Moody.
Gambar 2.6 Diagram Moody
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
2.3 SIFAT-SIFAT FLUIDA
Ada beberapa sifat fluida yang perlu diketahui, antara lain :
2.3.1 Density
Density adalah jumlah zat yang terkandung di dalam suatu unit volume.
Semua fluida memiliki sifat ini. Sifat ini terbagi menjadi tiga bentuk, yaitu :
2.3.1.1 Densitas Massa
Densitas massa adalah perbandingan jumlah massa dan jumlah volume
dengan persamaan sebagai berikut :
ρ=
m
……………………………………….. (17)
v
Dimana m adalah massa dan v adalah volume dengan unit density adalah
kg/m3 dan dengan dimensi ML-3 dimana standar tekanan P = 1.013 x 105 N/m2
dan temperature T = 288.15 K, misalnya ρ air = 1000 kg/m3.
2.3.1.2 Berat Spesifik
Berat spesifik adalah nilai densitas massa dikalikan dengan gravitasi dengan
persamaan sebagai berikut :
γ = ρ g ...…………………………………….. (18)
Dimana unit berat spesifik adalah N/m3 dan dengan dimensi ML-3T-2 dengan
nilai γ air adalah 9.81 x 103 N/m3.
2.3.1.3 Densitas Relatif
Densitas relative atau spesifik gravity (s.g) adalah perbandingan antara
densitas massa dengan berat spesifik suatu zat terhadap densitas massa atau berat
spesifik dari suatu zat standar, dimana yang dianggap memiliki nilai zat standar
adalah air pada temperature 40C dimana densitas relative tidak memiliki satuan.
Pada fluida Non-Newtonian khususnya slurry dimana densitas dari fluida ini
dinyatakan dalam bentuk persentase konsentrasi padatan (Cw) dengan persentase
antara padatan dengan air sebagai pelarutnya seperti pada persamaan sebagai
berikut :
Cw
=
Cv ρ s
Cv ρ s
=
Cv ρ s + (100 − C )
ρm
………………………………….(19)
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
2.3.2 Viskositas
Viskositas (kekentalan) adalah ukuran ketahanan fluida terhadap tegangan
geser pada dinding dimana fluida tersebut mengalir. Hukum viskositas pada fluida
Newtonian menyatakan bahwa laju aliran dikalikan dengan viskositas berbanding
lurus terhadap tegangan geser.
Pada dasarnya viskositas disebabkan karena kohesi dan pertukaran
momentum molekuler diantara lapisan layer fluida pada saat fluida tersebut
mengalir. Viskositas fluida ini dipengaruhi oleh banyak hal, misalnya
temperature, konsentrasi larutan, bentuk partikel, dll. Viskositas dinyatakan dalam
dua bentuk, antara lain :
a) Viskositas dinamik
Viskositas dinamik adalah perbandingan tegangan geser dengan laju
perubahannya, besar nilai viskositas dinamik tergantung dari faktor seperti yang
dijelaskan sebelumnya. Untuk viskositas dinamik air pada temperature lingkungan
T = 27 0C adalah 8.6 x 10-4 kg/ms.
b) Viskositas kinematik
Viskositas kinematik adalah perbandingan viskositas dinamik terhadap
density (kerapatan) massa jenis dari fluida tersebut. Viskositas ini terdapat dalam
beberapa penerapan antara lain dalam bilangan Reynolds yang merupakan
bilangan tak berdimensi. Nilai viskositas kinematik air pada temperature standar T
= 27 0C adalah 8.7 x 10-7 m2/s.
Pada fluida Non-Newtonian viskositasnya ditentukan oleh Apperant
Viscosity (kekentalan sesaat) karena fluida Non-Newtonian tersebut memiliki
suatu sifat histerisis, hal ini disebabkan sulitnya mencari viskositas aslinya.
2.3.3 Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds adalah bilangan yang tak berdimensi yang digunakan
untuk menentukan sifat pokok aliran, apakah laminar atau turbulen, serta posisi
relatifnya pada skala yang menunjukan pentingnya secara relatif kecenderungan
turbulen terhadap kecenderungan laminar. Reynolds menemukan bahwa aliran
selalu menjadi laminar bila kecepatannya diturunkan sedemikian sehingga
bilangan Re lebih kecil dari 2000. Untuk instalasi pipa biasa, aliran akan berubah
dari laminar menjadi turbulen dalam daerah bilangan Re dari 2000 sampai 4000
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
(Steeter, V.L., 1996). Di atas nilai 4000 akan menghasilkan aliran turbulen dan
intensitas turbulensi meningkat dengan meningkatnya Bilangan Reynolds. Untuk
pipa bundar yang mengalir penuh berlaku persamaan :
……...…………………………..
(20)
Dimana :
V = Kecepatan rata-rata aliran [m/s]
d = Diameter dalam pipa [m]
v = viskositas kinematik fluida [m2/s]
µ = viskositas dinamik fluida [kg/ms]
Analisis lebih lanjut terhadap persamaan Bilangan Reynolds dapat dijelaskan
bahwa untuk nilai Re yang besar atau dengan kata lain semua suku dalam
pembilang adalah besar dibandingkan penyebut, ini secara tidak langsung
menyatakan adanya fluida yang meluas, kecepatan yang tinggi, kerapatan yang
besar, viskositas yang sangat kecil atau gabungan hal-hal ekstrim ini. Suku-suku
pembilang mempunyai kaitan dengan gaya inersia atau gaya yang diakibatkan
oleh percepatan atau perlambatan fluida. suku penyebut merupakan penyebab
gaya geser viskos. Jadi parameter Bilangan Reynolds juga dipandang sebagai
perbandingan gaya inersia terhadap gaya viskos.
2.4 PERSAMAAN FLUIDA
2.4.1 Laju Aliran Volume
Laju aliran volume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran
per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut :
………………………………….. (21)
Dimana :
V = Kecepatan aliran [m/s]
A = Luas penampang pipa [m2]
Q = Debit aliran [m3/s]
µ = viskositas dinamik fluida [kg/ms]
Selain persamaan di atas dapat juga menggunakan persamaaan sebagai
berikut :
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
………………………………….. (22)
Dimana :
vol = Volume aliran [m3]
Q = Debit aliran [m3/s]
t = waktu aliran [s]
2.4.2 Distribusi Kecepatan
Distribusi kecepatan adalah distribusi aliran dalam pipa antara jarak aliran
terhadap permukaan pipa. Distribusi aliran ini berbeda antara aliran laminar dan
aliran turbulent. Distribusi aliran digunakan untuk melihat profil aliran kecepatan
dalam pipa.
Gambar 2.7 Distribusi Kecepatan laminar dan turbulent pada pipa bulat
Untuk aliran laminar maka berlaku persamaan sebagai berikut :
1
V = vc ………………………………….. (23)
2
 ( R − y )2 

r2 
v = vc 1 −  = vc 1 −
 ……………….. (24)


R
 R2 


Dimana :
V = Kecepatan rata-rata aliran [m/s]
vc = Kecepatan aliran pada pusat pipa [m/s]
v = Kecepatan aliran dalam jarak r atau y waktu aliran [m/s]
r = Jarak 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]
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
BAB III
DESKRIPSI ALAT UJI DAN PROSEDUR PENGUJIAN
3.1 RANCANGAN ALAT UJI
Pada penelitian ini alat uji dirancang berdasarkan dasar teori dan
pengalaman dari dosen pembimbing. Alat uji ini dirancang sebagai alat uji dengan
skala laboratorium, yaitu penggunaan alat yang hanya ditunjukkan untuk
penelitian dan pengambilan data dari sampel fluida yang akan dilakukan
penelitian.
Gambar 3.1 Alat Uji
Rancangan alat uji seperti terlihat pada gambar 3.1 dimana alat uji adalah
sebuah pipa akrilik dengan panjang pipa 2 m, diameter luar 16 mm, dan diameter
dalam 12 mm. Pipa ini dihubungkan dengan pompa, dimana pompa digunakan
untuk menyedot air yang ada didalam tangki untuk dialirkan dalam pipa bulat
akrilik. Pada alat uji dipasang 2 buah manometer, dimana manometer pertama
terpasang pada jarak 120 kali diameter dalam untuk menjaga aliran berkembang
penuh (fully developed) , pressure gauge kedua 120 kali diameter dalam ditambah
1000 mm.
3.2 PERALATAN PENDUKUNG
Pada alat uji ini terdapat beberapa komponen yang digunakan antara lain :
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
3.2.1 Pompa Air
Pada prinsipnya pompa air ini digunakan untuk mensirkulasikan campuran
polimer dan fluida air murni dari tangki penampungan kedalam test section pada
pengujian. Oleh karena itu, pertimbangan pemilihan spesifikasi pompa didasarkan
pada aliran campuran polimer dan fluida air murni yang dibutuhkan dalam proses
pengujian. Adapun spesifikasi dari pompa adalah sebagai berikut :
SPESIFIKASI
Kapasitas maksimum
30 liter/menit
Total head
30 meter
Input – Output
1 Inchi x 1 Inchi
Daya
125 Watt
Gambar 3.2 Pompa Air
3.2.2 Tangki Penampung Air
Tangki ini berfungsi untuk menghisap dan menampung fluida yang akan di
uji. Fluida yang mengalir melalui pipa saluran akan kembali ke tangki melalui
keluaran pipa.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 3.3 Tanki Penampung Air
3.2.3 Valve / Katup
Valve / Katup ini digunakan untuk mengatur jumlah debit yang mengalir. Jenis
valve yang digunakan adalah Ball valve. Tujuannya agar dapat diatur variasi
pembukaan yang sangat banyak, pada valve ini terdapat busur derajat yang
fungsinya untuk menentukan berapa derajat pembukaan dari valve tersebut.
Gambar. 3.4 Katup
3.2.4 Manometer
Manometer digunakan untuk mengukur beda ketinggian (∆h) yang terjadi antara
tiga titik manometer pada pipa penguji.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 3.5 Manometer
3.2.5 Gelas Ukur
Gelas ukur digunakan untuk mengukur volume dan berat fluida yang keluar dari
pipa uji dalam waktu tertentu.
Gambar 3.6 Gelas Ukur
3.2.6 Stop Watch
Stopwatch digunakan untuk menghitung berapa waktu yang diperlukan oleh
sebuah fluida untuk memenuhi suatu volume tertentu.
Gambar 3.7 Stop Watch
3.2.7 Timbangan Digital
Timbangan digunakan untuk mengukur massa dari fluida yang digunakan
untuk pencampuran. Timbangan yang digunakan pada pengujian ini adalah
timbangan digital.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 3.8 Timbangan
3.2.8 Thermometer Air Raksa
Thermometer digunakan untuk mengukur temperatur dari fluida yang
dialirkan dalam alat uji. Pada percobaan ini digunakan termometer air raksa.
Gambar 3.9 Thermometer Air Raksa
3.3 PROSEDUR PENGAMBILAN DATA
Saat aliran sudah steady pada pembukaan penuh katup, dan pada
manometer sudah tidak ada gelembung dan ketinggian dari head yang terbaca
sudah stabil kita bisa memulai pengambilan data.
Variasi kecepatan aliran diperoleh dengan cara mengatur pembukaan atau
penutupan pada katup utama yang berada di ujung awal pipa acrylic, dimana
variasi buka-tutup katup yang digunakan adalah penutupan dari 900 (valve
membuka penuh) sampai dengan 100 (valve hampir menutup) dan dari 200
membuka ke 900. Variasi pembukaan valve adalah sebesar 50, hal ini bertujuan
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
untuk mendapatkan variasi data yang lebih banyak. Dan untuk ketepatan
penutupan atau pembukaan katup ini dipasangkan busur derajat.
Konsentrasi penambahan cairan dilakukan dalam tiga variasi konsentrasi,
dimana untuk yang pertama adalah pencampuran sebanyak 100 ppm dan yang
kedua adalah sebanyak 250 ppm dan ketiga adalah sebanyak 400 ppm. Tujuan
dari pembedaan penambahan ini adalah untuk melihat seberapa signifikan
pengaruh Polimer polyvinyl alcohol (PVA) sebagai agent dalam fluida sebagai
accelerator aliran. Dalam percobaan ini temperature tiap menit selalu di
monitoring.
TAHAP PENGUJIAN
Tahap pengujian dalam pengambilan data adalah sebagai berikut :
1. Mengisi tanki dengan fluida air murni
2. Memasang termometer pada tangki untuk mengetahui temperatur fluida
3. Campurkan Polimer polyvinyl alcohol (PVA) sebanyak 100 ppm, 250 ppm,
dan 400 ppm secara bertahap dan pastikan campuran polimer polyvinyl
alcohol (PVA) sudah diaduk dan tercampur secara merata
4. Membuka semua katup agar fluida bisa mengalir dan mencapai keadaan stabil
5. Menghidupkan pompa dan biarkan sampai aliran stabil
6. Melihat temperatur pada termometer yang dipasang pada tangki
7. Pastikan tidak ada udara yang terjebak pada pipa kapiler dan ketinggian head
sudah tidak berubah lagi (sudah steady) agar pembacaan tidak terganggu
8. Data pertama yang dibaca adalah perbedaan ketinggian dari manometer
9. Lalu dilanjutkan dengan mengukur waktu yang didapatkan menggunakan
stopwatch untuk mendapatkan air sebanyak 4 liter dengan menggunakan gelas
ukur.
10. Setelah data didapat, valve diputar menutup sebesar 5o dan menunggu kembali
sampai aliran stabil.
11. Lalu kita ulangi kembali pengukuran di langkah ke 8 dan 9 sampai valve
menutup di 10o.
12. Setelah valve menutup sampai pada 20 o, lalu valve di buka kembali sebesar 5 o
untuk data pembukaan
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
13. Langkah-langkah diatas dilakukan kembali dengan fluida yang sudah
dicampur PVA 100, 250 dan 400 ppm.
14. Setelah semua data dicatat di lakukan pengolahan data serta di analisa hasil
dari pencatat data, dan tidak lupa alat – alat dibereskan dan pompa dimatikan
kembali.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
BAB IV
PENGOLAHAN DAN ANALISIS DATA
4.1 Perhitungan Data
4.1.1
Perhitungan Data Menggunakan Air Murni
Untuk menunjukkan hubungan antara faktor gesekan,
, bilangan
Reynolds, Re, dihitung dengan persamaan untuk aliran turbulen, kemudian diplot
terhadap Re fluida air murni.
Adapun data yang digunakan sebagai perameter perhitungan adalah
sebagai berikut :
1) Waktu aliran
2) Massa fluida
3) Jarak titik manometer : 1000 mm
4) Temperatur fluida : 29 0C
Untuk fluida Newton pengolahan data hasil pengujian adalah sebagai
berikut:
a. Untuk mendapatkan nilai density (ρ) pada temperature 290C, maka nilai pada
tabel lampiran 1 diinterpolasikan. Adapun nilai density (ρ) tersebut adalah
sebagai berikut:
Density @ 200C = 998,2 Kg/m3
Density @ 300C = 995,7 Kg/m3
Density @ 290C = 995,7+
(998,2 − 995,7) x(29 − 20)
= 997,95 Kg/m3
30 − 20
b. Untuk mendapatkan nilai viskositas dinamik (μ) pada temperature 290C,maka
nilai pada table lampiran 1 diinterpolasikan. Adapun nilai viscosity (μ)
tersebut adalah sebagai berikut:
Viscosity @ 200C = 1,002 x 10-3 N-s/m2
Viscosity @ 300C = 7,975 x 10-4 N-s/m2
(1,002 x10 −3 − 7,975 x10 −4 ) x(29 − 20)
Viscosity @ 29 C = 7,975 +
30 − 20
0
= 9,8155 x 10 -4 N-s/m2
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
c. Untuk mendapatkan kecepatan aliran fluida dapat diselesaikan sebagai berikut
= 0,9301 m/s
d. Besarnya bilangan Reynolds untuk fluida Newton pada kecepatan V adalah :
= 11.349
e. Maka besarnya koefisien gesek pada pipa kasar diselesaikan berdasarkan
persamaan Darcy adalah sebagai berikut:
= 3,0722 x 10-2
f. Maka besarnya koefisien gesek berdasarkan persamaan blasius adalah sebagai
berikut:
= 3,0616 x 10-2
Bukaan
katup
h1
(mm)
h2
(mm)
T
∆h
(mm)
d (m)
L (m)
A
V
Re
f darcy
f blasius
1
2
3
4
5
6
7
8
140
360
560
780
960
1.150
1.310
1.530
0
0
30
110
175
240
320
450
38,12
22,26
18,24
15,56
14,21
13,09
12,53
11,85
140
360
530
670
785
910
990
1.080
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,93018
1,59292
1,94399
2,27882
2,49531
2,70882
2,82988
2,99227
11.349
19.434
23.718
27.803
30.444
33.049
34.526
36.507
0,03072
0,02694
0,02663
0,02450
0,02394
0,02355
0,02347
0,02290
0,030616
0,026764
0,025464
0,024472
0,023923
0,023437
0,023182
0,022861
Tabel 4.1 Data Perhitungan untuk Air Murni
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
4.1.2
Perhitungan Data Menggunakan campuran air dan PVA dengan komposisi
100 ppm
Hasil dari percobaan air murni pada suhu T = 290C didapatkan data
sebagai berikut:
a. Untuk mendapatkan nilai density (ρ) pada temperature 290C, maka nilai pada
tabel lampiran 1 diinterpolasikan. Adapun nilai density (ρ) tersebut adalah
sebagai berikut:
Density @ 200C = 998,2 Kg/m3
Density @ 300C = 995,7 Kg/m3
Density @ 290C = 995,7+
(998,2 − 995,7) x(29 − 20)
= 997,95 Kg/m3
30 − 20
b. Untuk mendapatkan nilai viskositas dinamik (μ) pada temperature 290C,maka
nilai pada table lampiran 1 diinterpolasikan. Adapun nilai viscosity (μ)
tersebut adalah sebagai berikut:
Viscosity @ 200C = 1,002 x 10-3 N-s/m2
Viscosity @ 300C = 7,975 x 10-4 N-s/m2
(1,002 x10 −3 − 7,975 x10 −4 ) x(29 − 20)
Viscosity @ 29 C = 7,975 +
30 − 20
0
= 9,8155 x 10 -4 N-s/m2
c. Untuk mendapatkan kecepatan aliran fluida dapat diselesaikan sebagai berikut
= 1,0056 m/s
d. Besarnya bilangan Reynolds untuk fluida Newton pada kecepatan V adalah :
= 12.269
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
e. Maka besarnya koefisien gesek pada pipa kasar diselesaikan berdasarkan
persamaan Darcy adalah sebagai berikut:
= 2,629 x 10-2
Bukaan
katup
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
h1
(mm)
140
310
490
730
850
1.022
1.197
1.350
1.460
1.550
1.570
1.590
h2
(mm)
0
0
0
150
178
230
350
450
500
510
530
540
t
∆h
(mm)
d (m)
L (m)
A
V
Re
f darcy
35,26
22,17
17,37
15,32
14,1
12,59
12,09
11,28
10,45
10,34
10,23
10,2
140
310
490
580
672
792
847
900
960
1.040
1.040
1.050
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
1,00563
1,59939
2,04136
2,31452
2,51478
2,81639
2,93287
3,14347
3,39315
3,42925
3,46612
3,47631
12.269
19.513
24.906
28.238
30.682
34.361
35.782
38.352
41.398
41.839
42.288
42.413
0,02629
0,02301
0,02233
0,02056
0,02018
0,01896
0,01870
0,01729
0,01583
0,01679
0,01644
0,01650
Tabel 4.2 Data Perhitungan Untuk Air Murni dan PVA 100 ppm
4.1.3
Perhitungan Data Menggunakan campuran air dan PVA dengan komposisi
250 ppm
Hasil dari percobaan air murni pada suhu T = 290C didapatkan data
sebagai berikut:
a. Untuk mendapatkan nilai density (ρ) pada temperature 290C, maka nilai pada
tabel lampiran 1 diinterpolasikan. Adapun nilai density (ρ) tersebut adalah
sebagai berikut:
Density @ 200C = 998,2 Kg/m3
Density @ 300C = 995,7 Kg/m3
Density @ 290C = 995,7+
(998,2 − 995,7) x(29 − 20)
= 997,95 Kg/m3
30 − 20
b. Untuk mendapatkan nilai viskositas dinamik (μ) pada temperature 290C,maka
nilai pada table lampiran 1 diinterpolasikan. Adapun nilai viscosity (μ)
tersebut adalah sebagai berikut:
Viscosity @ 200C = 1,002 x 10-3 N-s/m2
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Viscosity @ 300C = 7,975 x 10-4 N-s/m2
Viscosity @ 290C = 7,975 +
(1,002 x10 −3 − 7,975 x10 −4 ) x(29 − 20)
30 − 20
= 9,8155 x 10 -4 N-s/m2
mendapatkan kecepatan aliran fluida dapat diselesaikan sebagai berikut
= 1,02867 m/s
c. Besarnya bilangan Reynolds untuk fluida Newton pada kecepatan v adalah :
= 12.550
d. Maka besarnya koefisien gesek pada pipa kasar diselesaikan berdasarkan
persamaan Darcy adalah sebagai berikut:
= 2,512 x 10-2
Bukaan
katup
h1
(mm)
h2
(mm)
t
∆h
(mm)
d (m)
L (m)
A
V
Re
f darcy
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
140
310
480
730
890
1.060
1.210
1.350
1.450
1.545
1.570
1.590
0
0
0
140
180
250
350
450
500
515
525
540
34,47
21,64
17,01
14,93
13,24
12,18
11,79
11,55
11,06
10,71
10,61
10,48
140
310
480
590
710
810
860
900
950
1.030
1.045
1.050
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
1,02867
1,63856
2,08456
2,37498
2,67813
2,91120
3,00750
3,06999
3,20600
3,31077
3,34198
3,38343
12.550
19.991
25.433
28.976
32.674
35.518
36.693
37.455
39.115
40.393
40.774
41.280
0,0251207
0,0219228
0,0209735
0,0198606
0,0187955
0,0181468
0,0180529
0,0181312
0,0175491
0,0178417
0,0177651
0,0174154
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Tabel 4.3 Data Perhitungan Untuk Air Murni dan PVA 250 ppm
4.1.4
Perhitungan Data Menggunakan campuran air dan PVA dengan komposisi
400 ppm
Hasil dari percobaan air murni pada suhu T = 290C didapatkan data
sebagai berikut:
a. Untuk mendapatkan nilai density (ρ) pada temperature 290C, maka nilai pada
tabel lampiran 1 diinterpolasikan. Adapun nilai density (ρ) tersebut adalah
sebagai berikut:
Density @ 200C = 998,2 Kg/m3
Density @ 300C = 995,7 Kg/m3
Density @ 290C = 995,7+
(998,2 − 995,7) x(29 − 20)
= 997,95 Kg/m3
30 − 20
b. Untuk mendapatkan nilai viskositas dinamik (μ) pada temperature 290C,maka
nilai pada table lampiran 1 diinterpolasikan. Adapun nilai viscosity (μ)
tersebut adalah sebagai berikut:
Viscosity @ 200C = 1,002 x 10-3 N-s/m2
Viscosity @ 300C = 7,975 x 10-4 N-s/m2
Viscosity @ 290C = 7,975 +
(1,002 x10 −3 − 7,975 x10 −4 ) x(29 − 20)
30 − 20
= 9,8155 x 10 -4 N-s/m2
mendapatkan kecepatan aliran fluida dapat diselesaikan sebagai berikut
= 1,17218 m/s
c. Besarnya bilangan Reynolds untuk fluida Newton pada kecepatan v adalah :
= 14.301
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
d. Maka besarnya koefisien gesek pada pipa kasar diselesaikan berdasarkan
persamaan Darcy adalah sebagai berikut:
= 2,073 x 10-2
Bukaan
katup
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
h1
h2
(mm) (mm)
150
0
220
0
450
0
740
150
1.000 280
1.200 390
1.330 460
1.370 470
1.500 540
1.550 560
1.570 570
1.590 580
T
∆h
(mm)
d (m)
30,25
23,89
16,87
14,76
13,12
12,03
11,67
11,26
11,00
10,54
10,76
10,60
150
220
450
590
720
810
870
900
960
990
1.000
1.010
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
0,012
L
(m)
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
1,240
A
V
Re
f darcy
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
0,00011304
1,17218
1,48424
2,10186
2,40233
2,70262
2,94750
3,03842
3,14906
3,22349
3,36417
3,29539
3,34513
14.301
18.108
25.644
29.310
32.973
35.961
37.070
38.420
39.328
41.045
40.205
40.812
0,02073
0,01896
0,01934
0,01941
0,01872
0,01770
0,01789
0,01723
0,01754
0,01661
0,01748
0,01714
Tabel 4.4 Data Perhitungan Untuk Air Murni dan PVA 400 ppm
4.2 ANALISIS DATA
Dari data tabel air dan larutan PVA 100, 250 dan 400 ppm diatas dilakukan
analisa dengan melakukan plot hasil dari percobaan dengan F darcy weisbach dan
bilangan reynold (Re) yang didapatkan.
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 4.1 Grafik Hasil Percobaan Air Murni Dengan Polyvinyl Alcohol (PVA)
100 ppm
Gambar 4.2 Grafik Hasil Percobaan Air Murni Dengan Polyvinyl Alcohol (PVA)
250 ppm
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 4.3 Grafik Hasil Percobaan Air Murni Dengan Polyvinyl Alcohol (PVA)
400 ppm
Bila kita membandingkan dengan faktor gesekan (f) yang didapat dari hasil
percobaan air murni dengan percobaan penambahan larutan polyvinyl alcohol
(PVA) pada Bilangan Reynolds (Re) yang hampir mendekati sama, maka faktor
gesekan dari hasil percobaan air murni mempunyai drag reduction sebagai
berikut:
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Gambar 4.4 Persamaan Linear Dengan Polyvinyl Alcohol (PVA)
x (Re)
y air
y100
10.000 0,0316
12.000 0,0302
14.000 0,0291
16.000 0,0281
18.000 0,0273
20.000 0,0266
22.000 0,0260
24.000 0,0254
26.000 0,0249
28.000 0,0245
30.000 0,0240
32.000 0,0237
34.000 0,0233
36.000 0,0230
38.000 0,0227
40.000 0,0224
RATA-RATA
EFISIENSI
0,0267
0,0261
0,0254
0,0248
0,0241
0,0235
0,0229
0,0222
0,0216
0,0209
0,0203
0,0196
0,0190
0,0183
0,0177
0,0170
Drag
Reduction
16%
14%
13%
12%
12%
12%
12%
13%
13%
15%
16%
17%
19%
20%
22%
24%
15%
y250
0,0249
0,0244
0,0239
0,0234
0,0229
0,0224
0,0219
0,0214
0,0209
0,0204
0,0199
0,0194
0,0189
0,0184
0,0179
0,0174
Drag
Reduction
21%
19%
18%
17%
16%
16%
16%
16%
16%
16%
17%
18%
19%
20%
21%
22%
y400
0,0210
0,0207
0,0205
0,0203
0,0200
0,0198
0,0195
0,0193
0,0190
0,0188
0,0186
0,0183
0,0181
0,0178
0,0176
0,0174
18%
Tabel 4.5 Data Perhitungan Drag Reduction
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
Drag
Reduction
34%
31%
30%
28%
27%
26%
25%
24%
24%
23%
23%
23%
22%
22%
22%
22%
25%
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari penelitian ini dapat disimpulkan beberapa hal antara lain :
1. Dengan menambahkan Larutan polyvinyl alcohol (PVA) kedalam air
murni terjadi Drag Reduction dengan konsentrasi 100 ppm sebesar 15%,
250 ppm sebesar 18%, dan 400 ppm sebesar 25%.
2. Semakin ditambahkan konsentrasi larutan polyvinyl alcohol (PVA)
kedalam air murni maka Drag Reduction (DR) makin bertambah juga
dalam aliran turbulen.
SARAN
Dari penelitian ini ada beberapa saran yang dapat digunakan untuk penelitian
selanjutnya apabila suatuhari nanti penelitian ini akan dilanjutkan atau
dikembangkan atau disempurnakan antara lain sebagai berikut :
1. Sebaiknya dalam penelitian kedepannya, untuk mengalirkan fluida tidak
secara langsung didapat dari pompa. Dikarenakan aliran langsung dari
pompa tidak stabil, sebaiknya menggunakan alat yang kestabilan alirannya
sudah stabil, misalnya air dari pompa ditampung dahulu kedalam tangki,
lalu tangki yang sudah dilubangi sampingnya dialirkan kedalam pipa bulat
acrylic.
2. Faktor dalam pembuatan manometer sebaiknya dilakukan dengan sangat
hati – hati karena akan berpengaruh pada pembacaan perbedaan head yang
terjadi.
3. Perhitungan
debit,
serta
penambahan
campuran
untuk
larutan
menggunakan alat yang lebih presisi.
4. Dalam pengambilan data sebaiknya tidak ada lagi udara didalam
manometer.
5. Katup yang digunakan selanjutnya menggunakan katup ball valve
sehingga pengukuran lebih baik
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
DAFTAR PUSTAKA
1.
Munson, B.R., Fundamentals of Fluid Mechanics 4th Ed, John Wiley & Sons,
Inc. 2000
2.
Smits, A.J., A, Physical Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley & Sons,
Inc. 2000
3.
Kumar, K.L., Engineering Fluid Mechanics, Eurasia Publishing House Ltd.,
2000
4.
Gerhart M Philip, Fundamentals of Fluid Mechanics. Addison Wesley
Publishing Company. 1985. P.443.
5.
Watanabe, K., Yanuar., and H Udagawa, “Drag Reduction of Newtonian
fluid in a Circular Pipe with Highly Water-Repellent Wall.” Journal of Fluid
Mech., P. 225. 1999.
6.
Yanuar. “Pengurangan Hambatan Turbulen Dengan Aditif Polimer” Journal
Teknologi, Edisi No. 1. Tahun XXI. Maret 2007, P. 32-38.
7.
Yanuar. “Kurva Aliran Dengan Pipa Kapiler” Proceding Seminar Nasional ke
13, KPTU FT UGM. Juni 2007. P. 4-55.
8.
Tom’s B.A., 1948, “Some Observations on the Flow of Linear Polymer
Solution Through Straight Tubes at Large Reynold Numbers”, Proc. Int.
Conger Rheol. P. 135,1948,7. Scheveningen, Holland.
9.
White A, Turbulent Drag Reduction With PolymerAdditives, “Journal
Mechanical Engineering Science, Vol 8. No. 4, 1966.
10. Virk, P. S., 1971, “Drag Reduction in Rough Pipes”, Jounal of Fluid 11.
Mechanics. Vol. 45. P. 225
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012
LAMPIRAN 1
PROPERTI FISIKA DARI AIR
Pengurangan nilai..., Freddy Satriyo, FT UI, 2012