bilangan reynold - E-learning UPN JATIM

PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA II
MODUL 5
BILANGAN REYNOLD
LABORATORIUM RISET DAN OPERASI TEKNIK KIMIA
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UPN”VETERAN” JAWA TIMUR
SURABAYA
BILANGAN REYNOLD
TUJUAN
Menentukan Bilangan Reynold ( Nre) kritits untuk air yang mengalir secara
vertical berdasarkan pengamatan langsung ( observasi visual) dan pengukuran
laju alir
TEORI
Perilaku zat cair yang mengalir sangat tergantung pada kenyataan apakah
fluida itu berada dibawah pengaruh bidang batas atau tidak. Daerah dimana
pengaruh dinding itu kecil, tegangan geser mungkin dapat diabaikan dan perilaku
fluida
itu mendekati
fluida ideal, yaitu tidak mampu mampat dan mempunyai
viskositas = 0 . Aliran fluida demikian itu disebut aliran potensial.
Fluida didefinisikan sebagai zat yang tidak dapat
menahan perubahan
bentuk (distorsi) secara permanen. Bila kita coba mengubah bentuk massa
fluida, maka didalam fluida itu terbentuk lapisan-lapisan dimana satu lapisan
meluncur diatas lapisan yang lain, hingga mencapai bentuk baru.
Tekanan
sebagai gaya
dikenal sebagai sifat dasar dari fluida
statik, tekanan dikenal
permukaan yang diberikan oleh fluida terhadap dinding bejana.
Tekanan terdapat pada suatu titik didalam volume fluida. Tekanan pada setiap
penampang yang sejajar dengan permukaan bumi
Keturbulenan
Fluida dapat mengalir di dalam pipa atau saluran menurut dua cara yang
berlainan. Pada laju aliran rendah, penurunan tekanan didalam fluida itu
bertambah
secara
langsung
menurut
kecepatan
fluida,
pada
laju
tinggi,
pertambahan itu jauh lebih cepat lagi. Perbedaan antara kedua jenis aliran
pertama kali ditunjukkan dalam percobaan klasik Osborne Reynolds, tahun 1883.
Sebuah tabung gelas dibenamkan didalam tangki berdinding gelas y ang penuh
dengan air. Aliran air yang terkendali kemudian dilarutkan dalam tabung itu
dengan membuka suatu katup. Pintu masuk ke dalam tabung dilebarkan dan
disediakan pula suatu fasilitas untuk memasukkan suatu filamen air berwarna
dari suatu labu, yang ditempatkan diatas. Ke dalam arus pada lubang masuk
tabung, pada laju aliran rendah, air berwarna mengalir tanpa gangguan bersama
dengan aliran umum dan tidak terlihat adanya campur silang. Perilaku pita warna
ini menunjukkan dengan jelas bahwa air itu meng alir menurut garis-garis lurus
yang sejajar dan bahwa aliran itu laminar. Bila laju aliran ditingkatkan akan
dicapai suatu kecepatan yang disebut kecepatan kritis dimana benang merah itu
menjadi bergelombang dan berangsur-angsur hilang karena zat warna itu
tersebar dan berada didalam keseluruhan penampang alairan air. Perilaku air
berwarna itu menunjukkan bahwa air itu tidak lagi mengalir menurut gerakan
laminar, tetapi bergerak kemana-mana dalam bentuk aliran silang dan pusaran.
Gerakan jenis ini dinamakan aliran turbulen.
Angka Reynold dan Transisi Dari Aliran Laminer ke Aliran Turbulen
Reynold mempelajari kondisi dimana satu jenis aliran berubah
menjadi
aliran jenis lain, dan menemukan bahwa kecepatan kritis, dimana aliran laminer
berubah menjadi aliran turbulen, bergantung pada empat variable yaitu ;
diameter tabung / pipa (D), viskositas fluida ( ), densitas fluida () dan
kecepatan linear fluida (V). Lebih jauh ia menemukan bahwa empat faktor itu
dapat digabungkan menjadi satu gugus, dan bahwa p erubahan macam aliran
berlangsung pada suatu nilai tertentu gugus itu. Pengelompokan variabel
menurut penemuannya itu adalah :
N Re 
DV

(1)
dimana : D = Diameter tabung
V = kecepatan linier fluida
 = Densitas zat cair
 = Viskositas zat cair
Gugus variabel tanpa dimensi itu dinamakan angka reynold (Reynolds Number)
Nre. Gugus ini merupakan salah satu
gugus tidak berdimensi yang besarnya
tidak tergantung pada satuan yang digunakan. Pada transisi laminer menjadi
aliran turbulen dapat berlangsung pada suatu kisaran angka reynold yang cukup
luas aliran laminar selalu ditemukan pada angka reynold dibawah 2.100, tetapi
bisa terdapat pada angka reynold sampai beber apa ribu yaitu dalam kondisi
khusus dimana lubang masuk tabung sangat baik kebundarannya dan zat cair
didalam tangki sangat tenang. Pada kondisi aliran biasa, aliran itu turbulen pada
angka reynold diatas kira-kira 4.000. Antara 2.100 dan 4.000, terdapat suatu
daerah transisi dimana jenis aliran itu mungkin laminar atau turbulen.
Aliran Laminer Dalam Pipa
Hubungan umum aliran fluida ditunjukkan bahwa langkah yang menentukan
dalam penurunan hubungan-hubungan itu adalah berkaitan antara kecepatan
lokal u dengan posisi didalam tabung arus, persamaan yang dipakai :
u

 w gc 2
rw  r 2
2rw 

(2)
Sedangkan nilai maksimum yang berada di pusat pipa :
u max 
 w g c rw
2
(3)
Dari pers. (2) dan pers. (3) diperoleh hubungan :
u
u max
 r 
 1   
 rw 
2
(4)
Bentuk persamaan (2-7) itu menunjukkan bahwa dalam aliran laminer, distribusi
kecepatan terhadap jari-jari ialah berupa parabola dengan puncaknya terletak
pada garis pusat pipa.
Untuk kecepatan rata-rata menghasilkan persamaan :
V
 w gc
3
rw 
 r
rw
0
2
w

 r 2 rdr 
 w g c rw
4
(5)
Perbandingan dengan u m ax menunjukkan bahwa :
V
 0,5
u max
(6)
Dengan menggunakan persamaan Hagen-Poiseuille ditransformasikan dengan
mengeliminasi  w dan menggantinya dengan menggunakan Ps, yaitu dengan
bantuan persamaan (4) dan mengganti jari-jari pipa dengan menggunakan
diameter pipa :
Penyelesaian untuk Ps menghasilkan
Ps 
32LV
gc D2
(7)
karena Ps = 4 w /DL
w 
8V
gc D
(8)
Substitusi dari persamaan (12) ke persamaan ( 3) menjadi
f 
16
16

DV N Re
(9)
Aliran Turbulen Dalam Pipa
Dalam
aliran
turbulen,
sebagaimana
dalam
aliran
laminer,
gradien
kecepatan adalah nol pada garis pusat. Pusaran pada inti turbulen itu biasanya
besar, didalam zona transisi kecil, tetapi intensitasnya tinggi.
Distribusi kecepatan didalam aliran turbulen biasanya tidak dinyatakan
sebagai kecepatan vs jarak, tetapi malah dengan parameter tanpa dimensi yang
didefinisikan pada persamaan berikut :
u*  V
u 
y 
f
2
 w gc


(10)
u
(11)
u max
yu * 


y

 w gc 
dimana : u* = kecepatan gesek
u + = koefisien kecepatan, tanpa dimensi
y + = jarak, tanpa dimensi
y = jarak dari dinding tabung
Hubungan antara y, r dan r w , jari-jari tabung adalah :
rw = r + y
(12)
Sedangkan hubungan antara angka reynold dengan hukum faktor gesek untuk
tabung licin, persamaannya adalah :

yc 
rwV
v
f
2

DV f 2 N Re

2v
2
f
2
 N Re
f
8
(13)
maka persamaan dituliskan dalam bentuk yang lebih berguna, yang dikenal
sebagai persamaan Von Karman
1
f


 4,07 log N Re f  0,60
(14)
PROSEDUR
Alat percobaan terdiri dari sebuah pipa gelas vertical yang dilengkapi dengan pipa jarum
untuk aliran zat cair berwarna. Selain itu disediakan dua tangki penampung umpan masingmasing untuk air dan zat cair berwarna, dan satu tangki penampung aliran keluar dari pipa
vertical. Laju alir air dan cairan berwarna diatur melalui masing-masing kran yang berada
diatas kolom.
6
4
8
1
5
5
2
Keterangan :
1. Tangki penampung air
2. Tabung kaca
3. Tangki pembuangan
4. Tangki zat warna
5. Kran
6. Air masuk
7. Overflow
8. Pipa zat warna
7
5
3
5
5
Cara melakukan Percobaan.
1. Alirkan air kedalam tangki T2 pada laju tertentu dengan membuka kran V2 dan
tunggu hingga aliran konstan, selanjutnya buka kran V1 dan atur laju zat warna
hingga tidak mengganggu pola aliran air (laju aliran zat warna lebih rendah
atau maksimal sama dengan laju aliran air).
2. Catat kecepatan volumetric air.
3. Amati pola aliran yang diindikasikan oleh pola aliran zat warna (laminar atau
turbulensi).
4. Ulangi percobaan dengan variasi laju volumetric air.
Tugas.
1. Hitung Bilangan Reynold (Nre) dan factor friksi untuk tiap run percobaan
2. Taksirlah harga Bilangan Reynold kritis dan bandingkan harga tersebut dengan
literature.
DAFTAR PUSTAKA
Geankoplis, C, J, 1997, “transport Process And Unit Operation”, Prentice
Hall of India, New Delhi.
McCabe,W.L., Smith,J.C., and Harriot,P., 1993, “Unit Operation of
Chemical Engineering”, p.42-59, 83-104, 5 th Ed., McGraw Hill Co.,
Singapore.