BAB II

11

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA2.1Laju Alir Fluida

Laju alir dan sifat dari fluida sangat penting pada beberapa proses pemisahan dalam teknik proses. Fluida dapat didefinisikan sebagai substansi yang tidak tahan terhadap distorsi dan oleh karena itu bentuknya dapat berubah. Dalam hal ini gas, cairan dan uap dianggap mempunyai karakteristik dari fluida menurut beberapa hukum. Dalam proses industri, beberapa material adalah bentuk fluida dan harus disimpan, diurus, dipompa dan diproses jadi kita harus terbiasa dengan prinsip yang mengatur laju alir dari fluida dan juga peralatan yang digunakan. Jenis-jenis fluida yang sering dijumpai adalah air, udara, karbondioksida, minyak, slurry dan sirup kental (Geankoplis, 2003).Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah fluida itu berada di bawah pengaruh bidang-batas padat atau tidak. Di daerah dimana pengaruh dinding itu kecil, tegangan geser mungkin dapat diabaikan dan perilaku fluida itu mungkin mendekati perilaku fluida ideal yaitu incompressible dan mempunyai viskositas nol. Aliran fluida ideal demikian disebut aliran potensial dan dapat diberikan secara lengkap dengan menggunakan prinsip-prinsip mekanika Newton dan hukum kekekalan massa. Teori matematik aliran potensial sudah sangat berkembang. Aliran potensial mempunyai dua ciri pokok yaitu :

1. Dalam aliran itu tidak terdapat sirkulasi ataupun pusaran, sehingga aliran potensial itu biasa disebut aliran irotasional

2. Dalam aliran itu tidak ada gesekan, sehingga tidak ada disipasi atau pelepasan energi mekanik menjadi kalor

Aliran potensial bisa terdapat pada jarak yang tidak terlalu jauh dari bidang batas padat. Suatu prinsip fundamental dari mekanika fluida yang dirumuskan pertama kali oleh Prandtl pada tahun 1904 ialah bahwa kecuali pada fluida yang bergerak pada kecepatan rendah atau yang mempunyai viskositas tinggi pengaruh bidang batas padat terhadap aliran biasanya terbatas pada suatu lapisam fluida yang berdekatan dengan dinding padat itu. Lapisan ini disebut lapisan batas atau boundary layer dimana geseran dan gaya geser terdapat pada fluida di dalam lapisan itu. Aliran potensial terdapat di luar lapisan batas itu. (Mc Cabe, 1999).Aliran viskos dapat dibedakan menjadi 2 (dua) tipe yaitu aliran laminar dan tubulen. Dalam aliran laminar partikel-partikel zat cair bergerak teratur mengikuti lintasan yang saling sejajar. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil dan atau kekentalan besar. Pengaruh kekentalan adalah sangat besar sehingga dapat meredam gangguan yang dapat menyebabkan aliran menjadi turbulen. Dengan berkurangnya kekentalan dan bertambahnya kecepatan aliran maka daya redam terhadap gangguan akan berkurang, yang sampai pada suatu batas tertentu akan menyebabkan terjadinya perubahan aliran dari laminer ke turbulen. Pada aliran turbulen gerak partikel-partikel zat cair tidak teratur. Aliran ini terjadi apabila kecepatan besar dan kekentalan zat cair kecil (Selpan, 2011).2.2Media Pemindahan Fluida

Fluida biasanya ditransportasi di dalam pipa atau tabung yang penampangnya bundar, dan terdapat di pasaran dalam berbagai ukuran, tebal dinding dan bahan konstruksi. Sebenarnya tidak ada perbedaan antara istilah pipa (pipe) dan tabung (tubing). Pada umumnya pipa berdinding tebal, diameternya relatif besar, dan ada pula yang berukuran panjang dan besar. Sedangkan tabung berdinding tipis dan biasanya tersedia dalam bentuk gulungan yang panjangnya sampai beberapa ratus kaki. Pipa dan tabung dibuat dengan menggunakan berbagai bahan, antara lain logam, paduan (alloy), kayu, keramik, gelas dan bermacam-macam plastik. Polivinil Klorida (PVC), banyak digunakan sebagai pipa air. Dalam pabrik-pabrik pengolahan, bahan yang paling umum digunakan adalah baja karbon rendah, yang dibuat menjadi pipa yang terkenal dengan nama pipa besi hitam (black iron pipe). Pipa besi tempa (wrought iron) dari besi cor banyak juga digunakan untuk tujuan-tujuan khusus.Pipa dan tabung ditentukan dengan menyebutkan diameter dan tebal dindingnya. Untuk pipa baja, diameter nominal standar, di Amerika Serikat, berkisar antara sampai 30 in. Tebal dinding pipa ditentukan dengan angka skedul (schedule number), yang bilangannya bertambah besar maka semakin besar pula tebal pipa. Ada 10 angka skedul yang digunakan yaitu 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 dan 160, tetapi untuk pipa yang diameternya kurang dari 8 in. Ukuran tabung ditunjukkan oleh diameter luar sebenarnya, dengan toleransi yang sangat kecil. Tebal dinding pipa biasanya dinyatakan dengan angka BWG (Birmingham Wire Gauge) yang berkisar antara 24 sampai 7 (McCabe, 1999).2.3Mesin-mesin Pemindah Fluida

Pemindahan fluida melalui pipa, peralatan, ataupun udara terbuka dilakukan dengan bantuan pompa, kipas, atau blower (penghembus), dan kompresor. Alat-alat tersebut fungsinya ialah untuk meningkatkan energi mekanik fluida. Tambahan energi itu lalu dapat digunakan untuk meningkatkan kecepatan, tekanan, atau elevasi (ketinggian) fluida. Pada umumnya, pompa ialah alat untuk memindahkan zat cair, sedangkan kipas, blower atau kompresor menambahkan energi pada gas. Kipas membuang gas (biasanya udara) dalam volume besar ke ruang terbuka atau talang besar, biasanya merupakan mesin putar kecepatan rendah dan tekanan yang dibangkitkan hanya sekitar beberapa inci air saja. Blower adalah peranti putar kecepatan tinggi dan membangkitkan tekanan sampai kira-kira 2 atm. Kompresor membuang pada tekanan 2 sampai beberapa ribu atmosfer.1. Pompa

Pada pompa, densitas fluida konstan dan besar. Perbedaan tekanan biasanya cukup besar, dan konstruksinya perlu berat. Pompa dipasang pada jalur pipa guna memberikan energi yang diperlukan untuk menarik zat cair dari reservoar dan membuangnya dengan laju aliran volumetrik yang konstan pada waktu keluar dari jalur pipa.2. Kipas

Kipas besar biasanya sentrifugal, operasinya berdasarkan prinsip yang persis sama dengan pompa sentrifugal. Akan tetapi, daun-daun impelernya biasanya dilengkungkan ke depan. Pada pompa hal ini menyebabkan ketakstabilan. Impeler ini dipasang di dalam rumahan yang terbuat dari lembaran logam tipis. Ruang bebas (clearance) dibuat besar, dan tinggi-tekan buangan rendah, yaitu 5-60 in.H2O (McCabe, 1999).3. Blower dan Kompresor

Pada blower, rasio kompresi biasanya kurang dari 3 atau 4, kenaikan suhu adiabatik tidak besar, dan tidak perlu diperkecil lagi. Pada kompresor, sebaliknya, dimana rasio kompresi bisa sampai 10 atau lebih, dan suhu isentropik itu bisa besar sekali. Jenis-jenis blower secara umum adalah Blower anjakan-positif contohnya dua-cuping dan Blower sentrifugal contohnya sentrifugal satu isapan. Sama halnya dengan blower, jenis-jenis kompresor secara umum yaitu kompresor anjakan-positif dan kompresor sentrifugal (McCabe, 1999).2.4Pengukuran aliran fluida

Agar dapat melakukan pengendalian atas proses-proses industri, kuantitas bahan yang masuk dan keluar dari proses itu perlu diketahui. Oleh karena kebanyakan bahan ditransportasi dalam keadaan fluida bilamana mungkin, maka penting sekali mengukur laju aliran fluida di dalam pipa atau saluran. Berbagai jenis meteran digunakan untuk itu di industri, termasuk di antaranya (1) meteran yang didasarkan atas penimbangan langsung atau pengukuran volume, (2) meteran dengan tinggi-tekan variabel, (3) meteran penampang aliran, (4) meteran arus, (5) meteran anjakan positif, (6) meteran magnetik, dan (7) meteran ultrasonik (McCabe, 1999).1. Meteran Venturi

Dalam meteren venturi, kecepatan fluida bertambah, dan tekanannya berkurang di dalam kerucut sebelah hulu. Penurunan tekanan di dalam kerucut hulu itu lalu dimanfaatkan untuk mengukur laju aliran melalui instrumen itu.(McCabe, 1999).2. Meteran Orifis

Meteran venturi mempunyai kelemahan tertentu dalam praktek pabrik pada umumnya. Alat ini cukup mahal, mengambil tempat cukup besar, dan rasio diameter leher terhadap diameter pipa tidak dapat diubah-ubah. Meteran orifis dapat mengatasi keberatan-keberatan terhadap venturi, tetapi konsumsi dayanya lebih tinggi (McCabe, 1999).

Gambar 2.2 Orifice Meter

(McCabe, 1999)3. Tabung Pitot

Tabung pitot ialah suatu peranti untuk mengukur kecepatan lokal di sepanjang garis arus. Perbedaan jelas antara tabung pitot dengan meteran venturi dan meteran orifis adaah bahwa meteran venturi dan meteran orifis mengukur kecepatan rata-rata dari keseluruhan arus fluida, tabung pitot hanya mengukur kecepatan pada satu titik saja. Kelemahan tabung pitot adalah tidak memberikan kecepatan rata-rata secara langsung dan bacaannya untuk gas sangat kecil. Bila digunakan untuk mengukur gas tekanan rendah, alat ini perlu dibantu dengan sesuatu pengukur multiplikator (McCabe, 1999).

4. Meteran Penampang Aliran : Rotameter

Meteran penampang aliran yang terpenting adalah Rotameter yang gambarnya sebagai berikut :

Gambar 2.3 Rotameter

(McCabe, 1999)

Alat ini pada dasarnya terdiri atas tabung gelas yang agak tirus yang dipasang secara vertikal di dalam suatu rangka dengan menempatkan penampang yang luas di sebelah atas. Rotameter dapat digunakan untuk pengukuran zat cair maupun gas (McCabe, 1999).2.5Bilangan Reynold

Studi-studi penelitian telah memperlihatkan bahwa peralihan dari aliran laminar ke turbulen dalam pipa tidak hanya merupakan fungsi dari kecepatan,tetapi juga massa jenis dan viskositas dari fluida dan diameter pipa. Variabel-variabel ini dikombinasikan ke dalam bilangan Reynold yang tidak memiliki satuan:Ketidak stabilan aliran yang menyebabkan aliran terganggu atau turbulen ditentukan oleh rasio daya kinetik atau momen inersia dalam aliran fluida. Momen inersia sebanding dengan PV2 dan daya viskous dengan v/D dan rasio PV2/( V/d) adalah bilangan Reynold dv/ (Geankoplis, 2003).Pengamatan-pengamatan selanjutnya menunjukkan bahwa transisi dari aliran laminar menjadi aliran turbulen dapat berlangsung pada suatu kisaran angka Reynold yang cukup luas. Aliran laminar selalu ditemukan pada angka Reynold di bawah 2100, tetapi bisa terdapat angka Reynold sampai beberapa ribu yaitu dalam kondisi khusus dimana lubang masuk tabung sangat baik kebundarannya dan zat cair di dalam tangki sangat tenang. Pada kondisi aliran biasa, aliran itu turbulen pada angka Reynold di atas kira-kira 4000. Antara 2100 dan 4000 terdapat suatu daerah transisi, dimana jenis aliran itu mungkin laminar dan mungkin pula turbulen, bergantung pada kondisi di lubang masuk tabung dan jaraknya dari lubang masuk itu (McCabe, 1999).2.5Aplikasi Aliran Fluida dengan Penampang Berubah

2.5.1Analisa Pengaruh Variasi Sudut Sambungan Belokan Terhadap Head Losses Aliran Pipa

Penerapan pinsip-prinsip mekanika fluida dapat dijumpai pada bidang industri, transportasi maupun bidang keteknikan lainnya. Namun dalam penggunaannya selalu terjadi kerugian energi. Dengan mengetahui kerugian energi pada suatu sistem yang memanfaatkan fluida mengalir sebagai media, akan menentukan tingkat efisiensi penggunaan energi.

Bentuk-bentuk kerugian energi pada aliran fluida antara lain dijumpai pada aliran dalam pipa. Kerugian-kerugian tersebut diakibatkan oleh adanya gesekan dengan dinding, perubahan luas penampang, sambungan, katup-katup, belokan pipa, percabangan pipa dan kerugian-kerugian khusus lainnya. Dengan mengetahui kehilangan atau kerugian energi dalam suatu sistem atau instalasi perpipaan yang memanfaatkan fluida mengalir sebagai media, efisiensi penggunaan energi dapat ditingkatkan sehingga diperoleh keuntungan yang maksimal. Salah satu bagian dari instalasi perpipaan yang dapat menyebabkan kerugian-kerugian adalah gesekan pada dinding pipa dan sambungan belokan pipa.Pada pendistribusian air sambungan belokan pipa sangat banyak ditemukan baik di industri ataupun di perumahan. Dilihat dari jenis belokannya terdapat dua jenis belokan dalam sambungan pipa, yaitu sambungan belokan patah dan sambungan belokan yang berjari-jari. Dari kedua jenis belokan tersebut yang sering dan paling banyak ditemukan adalah sambungan belokan berjari-jari. Besarnya head losses pada sambungan belokan pipa tersebut dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti: diameter, debit, viskositas, dan sudut pada sambungan belokan pipa tersebut (Nuarsa dkk, 2012).

Gambar 2.4 Analisa Pengaruh Variasi Sudut Sambungan Belokan Terhadap Head Losses Aliran Pipa(Nuarsa dkk, 2012)

A

Dihubungkan instalasi pipa dengan pompa dan sumber air

Dipasang instalasi pipa (PVC) sesuai dengan yang direncanakan

Disambung semua sudut yang telah dipotong menggunakan resin dan serat

Dipotong dua belokan 45o dengan sudut masing-masing 45o yang digunakan untuk membuat belokan 90o

Dipotong dua belokan 45o dengan sudut masing-masing 30o yang digunakan untuk membuat belokan 60o.

Dipotong dua belokan 45o dengan sudut masing-masing 22,5o yang digunakan untuk membuat belokan 45o

Dipotong dua belokan 45o dengan sudut masing-masing 15o yang digunakan untuk membuat belokan 30o

Disiapkan minimal delapan sambungan belokan 45o

Direncanakan instalasi pengujian

Disiapkan alat dan bahan

Mulai

Selesai

Dicatat ulang debit dan perbedaan tekanan setiap perubahan sudut sambungan belokan

Dicatat perbedaan tekanan sebelum dan setelah sambungan belokan yang terbaca pada manometer

Diukur debit menggunakan tabung ukur dalam meter kubik per satuan waktu

Sebelum diambil data instalasi dioperasikan kurang lebih satu menit

Dipasang manometer diferensial sebelum dan setelah sambungan belokan

A

3