COMPRESSIBLE FLOW revisi modul

COMPRESSIBLE FLOW
1. Pendahuluan
Pada percobaan aliran udadra kompresibel ada beberapa percobaan yang menggunakan
peralatan gabungan kompresor dan beberapa alternatif bentuk dan ukuran.
Gabungan motor-kompresor mempunyai spesifikasi sbb:
Jenis
: sentrifugal tingkat ganda
Jumlah tingkatan tekanan
: empat
Kecepatan poros
: 11500 rpm
Diameter lubang masuk udara
: 2 in (5,1 cm)
Diameter lubang keluar udara
: 2 in (5,1 cm)
Daya motor
: 0,75 hp (0,56 kW)
Kondisi kompresor
: drip-proof (tahan terhadap masuknya air)
Kecepatan poros motor
: bisa diatur pada speed 0 hingga 2800 rpm

Listrik pada operasi
: 230V, fasa tunggal, 50 Hz
Pemberat untuk putaran poros motor : 1 x 5 g, 1 x 10g, 2 x 20 g, 6 x 50 g
Jarak antara garis sumbu poros motor dan pemberat: 34,2 cm
Laju alir untuk seluruh eksperimen bisa dikontrol oleh pengaturan throttle valve
yang terpasang pada titik keluar pada kompresor. Dengan kompresor yang digerakkan
oleh dinamometer, pengaturan laju alir bisa pula dilakukan dengan pengaturan speed
motor.
Kompresor ditempatkan sebagai exhauster, di mana udara dari atmosfir masuk ke
saluran, baik berupa saluran konvergen-divergen, pipa dengan diameter tetap atau pipa
dengan orifice, dan ke luar dari saluran menuju titik masuk di kompresor.
Perhatian:
Tekanan-tekanan diferensial yang dihasilkan dalam percobaan bisa jauh melewati batas
terendah tekanan pada manometer tabung miring (inclined tube manometer)
Untuk menghindari masuknya cairan manometer ke dalam sistem, throttle harus ditutup
rapat sebelum menghidupkan kompresor.

2.
Eksperimen
Percobaan 1: Pengaruh kompresibilitas terhadap persamaan aliran

Tujuan
Untuk menunjukkan pengaruh kompresibilitas terhadap persamaan aliran untuk saluran
konvergen
Peralatan:
Pipa konvergen-divergen (lihat Gambar 1). Dua buah manometer tabung miring,
manometer air raksa.

1

Gambar 1.
Teori:
Bila aliran inkompresibel maka persamaan energi untuk aliran:
 p v2

&    c v .T   Q  Wshaft  Wfriction
m.
(1)
 2

Dengan mengabaikan kerja, panas dan rugi-rugi kerja, kita memperoleh:

2k  p 0  p1 
v1 
(2)
0
v2 

2k  p 0  p 2 
0

(3)

& .a.v  konstan , maka:
Dari persamaan kontinuitas m
a1v1=a2v2. Jadi p0-p2=(a1/a2)2.(p0-p1)

(4)

Prosedur:
1. Sambungkan salah satu manometer tabung miring dengan range 12,7 mm untuk
membaca p0-p1. Sambungkan manometer tabung miring lainnya (dengan range

25,4 mm) untuk membaca p2-p0. Aturlah aliran untuk mendapatkan penambahanpenambahan (p0-p1) yang hampir sama dan untuk masing-masing harga laju alir
bacalah kedua manometer tsb.
2. Ulangi dengan manometer tabung miring dengan range 50,8 mm dan dengan
sebuah manometer tabung air raksa untuk mengukur p0-p2.
3. Untuk masing-masing perangkat pembacaan, gambarlah grafik p0-p2 terhadap p0p1.
4. Berilah ulasan bagi berlakunya rumus aliran inkompresibel dengan
memperhatikan masing-masing perangkat pembacaan
Diameter seksi pengukuran aliran d1
Diameter kerongkongan d2
Diameter seksi keluar d3

: 24,0 mm
: 9,5 mm
: 24,0 cm

2

Percobaan 2: Karakteristik aliran-tekanan untuk saluran konvergendivergen
Tujuan:
Untuk menunjukkan fenomena penghambatan (choking)

Peralatan:
Saluran konvergen-divergen (Gambar 1)
Manometer tabung miring
Manometer air-raksa
Teori:
Dengan melihat Gambar 2, bila p2 mula-mula sama dengan p0 dan dikurangi dengan
cepat, tekanan kerongkongan p1 akan turun sehingga perbandingan p1/p0 menjadi kritis di
mana laju alir massa akan meningkat ke harga maksimum.
Bila p2 dikurangi lebih lanjut, p1 akan tetap pada harga rc.p0, di mana


cp
 2  1
&akan tetap pada harga maksimum. Tekanan p1 tidak dapat
, dan m
rc  
 ,
cv
  1 
turun di bawah rc.p0 karena harus memenuhi bilangan Mach = 1. untuk harga-harga p 2

lebih rendah dari tekanan yang mencapai harga maksimumnya, saluran dikatakan
mencapai hambatan (being choked).

Gambar 2.
Prosedur:
1. Lihat Gambar 1
2. Sambungkan manometer tabung miring untuk range 50 mm untuk membaca p0-p1
dan manometer air raksa untuk membaca p0-p2 dan p0-p3.
3. Aturlah laju alir untuk mendapatkan variasi p0-p3 pada perubahan yang hampir
sama (kira-kira 20 pembacaan). Untuk masing-masing laju alir, bacalah semua
manometer. Ambillah data p0 sebagai harga barometer (tekanan udara luar).
& a1 20 k  p 0  p1  . Buatlah tabelnya.
4. Hitung   p 0 /(RT0 ) dan m
&vs p0-p3 serta p0-p2 vs p0-p3.
5. Gambarlah m
6. Berikan pendapat anda tentang bentuk-bentuk grafik tersebut.
&dan r = p1/p0 dengan harga-harga teoritis yang
7. Bandingkan harga-harga batas m
diperoleh dari rumus:

3

2 p 0 2 /   1 / 
r r
  1 0
&mencapai harga maksimum jika
m



& 0 a1
m



(5)

 /  1

 2 

r = rc  

  1

(6)

Percobaan 3: Efisiensi difuser
Tujuan:
Menyelidiki tekanan sepanjang saluran divergen
Peralatan:
Saluran konvergen-divergen (Gambar 1)
Dua manometer tabung miring
Dua manometer air raksa
Teori:
Efisiensi dari saluran divergen atau difuser bisa didefinisikan sebagai
(p3 – p2)/(p1 – p2)
Prosedur:
1. Sambungkan manometer tabung miring untuk range 25,4 mm untuk membaca p1p2 dan p3-p2. Buatlah variasi laju alir dengan penambahan (p 1-p2) yang sama.
Untuk masing-masing laju alir, bacalah kedua manometer.
2. Ulangi dengan manometer air raksa untuk laju alir yang lebih tinggi.

3. Untuk masing-masing perangkat, gambarlah p3-p2 vs p1-p2 dan perkirakan
efisiensi difuser.
4. Berikan pendapat anda tentang pengaruh kompresibilitas terhadap efisiensi
difuser.

Percobaan 4: Hubungan antara koefisien friksi dengan bilangan
Reynolds pada pipa
Tujuan:
Untuk menyelidiki hubungan antara koefisien friksi dan bilangan Reynolds untuk pipa
yang diamati.

4

Gambar 3.
Peralatan:
Saluran pipa yang mempunyai gesekan (Gambar 3).
Dua manometer tabung miring.
Teori:
p 4.f.l.v12



2.d
p 2d
f
 4.l.v12
p  p 2  p 3 dan v1 
maka f 

d  p 2  p3 
4l k  p 0  p1 

(7)
(8)
2k  p 0  p1 
0

(9)
(10)

2k  p 0  p1 


Viskositas  gas tergantung hanya pada temperatur dan untuk udara
Padahal f =  (NRe) dan NRe =  v1 d / =  d /
3/ 2

 393    273 
2
  1, 71x10 x 

 N.s / m


393
273



o
di mana  = temperatur gas dalam C.
5

(11)

Prosedur:
1. Lihat Gambar 3
2. Sambungkan manometer tabung miring untuk membaca p0-p1 dan p2-p3. Gunakan
manometer tabung miring untuk range 58,8 mm dan 25,4 mm. Buatlah variasi
laju alir agar memberikan penambahan p0-p1 yang sama dan untuk masing-masing
laju alir bacalah kedua manometer tersebut. Gunakan pasangan bacaan
manometer hingga mendapat range maksimum.
3. Buatlah tabel f, NRe, log10 f, log10 NRe, 1/f dan log10 (NRe.f).
4. Gambarlah log10 f vs log10 NRe dan 1/f vs log10 (NRef)
1/ 4
5. Apakah hubungan empirik Blasius f  0, 079N Re dapat dipakai dan pada range
NRe berapa?
1
 4, 0 log10 N Re f  0,396 dapat
6. Apakah hubungan Nikuradse–von Karman
f
dipakai dan pada range berapa?
7. Hal-hal di atas dapat diulang untuk diameter lainnya.



5



Percobaan 5: Aliran melalui orifice
Tujuan:
1. Untuk menyelidiki pada aliran inkompresibel hubungan antara laju alir dan p
melalui orifice.
2. Untuk menentukan koefisien pelepasan (discharge coefficient) orifice.
Peralatan:
Perpipaan untuk orifice yang terdiri dari 2 bagian.
Pelat orifice berdiameter 25,4 mm
Dua manometer tabung miring
Orifice ditempatkan diantara 2 bagian perpipaan untuk orifice, kemudian memperkuat
koneksi kedua bagian tersebut dengan clamping. Jika perlu gunakan vaselin pada karet
sekatnya.
Teori:
Aliran yang melalui jalur pipa dapat dinyatakan sebagai
22  p 2  p 3 
(12)
& C.a
m
1 n2
di mana: a = luas orifice; n = perbandingan luas = (d/d2)2; d = diameter orifice; C =
koefisien pelepasan yang tergantung pada harga n dan hampir tak tergantung NRe.
Untuk aliran kompresibel, C dipengaruhi oleh (p2-p1)/p2.
Persamaan 2 dapat digunakan untuk menghitung laju alir massa sebagai berikut
& a1. 20 k  p 0  p1 
m
(13)
sehingga kuadrat harga m di Persamaan 12 menjadi
a2
2
2
(14)
2 a1 0 k  p0  p1   C
2 2  p 2  p3 
1 n2
Untuk diferensial tekanan yang rendah, perbedaaan 0 dan 2 akan cukup rendah,
sehingga Persamaan 14 menjadi
1 a2
k  p0  p1   C2 .
.  p 2  p3 
(15)
1  n 2 a 12
Prosedur:
1. Lihat Gambar 4
2. sambungkan manometer tabung miring untuk membaca p0-p1 dan p2-p3. Buatlah
variasi laju alir agar memberikan penambahan p0-p1 yang sama. Bacalah
manometer untuk tiap laju alir.
3. Gambarlah k(p0-p1) vs p2-p3. Tentukan harga C dari kemiringan grafik.
4. Mengapa harga C pada orifice sangat kecil dibanding harga C pada venturi di
mana Pers 15 juga berlaku?
5. Apakah bilangan Reynolds juga berpengaruh terhadap harga C?

6

Gambar 4

Percobaan 6: Kompresor
Tujuan:
Untuk menyelidiki efek variasi p=p3-p2, input daya dan efisiensi isotermal
(termodinamika dan keseluruhan) terhadap laju alir massa pada speed konstan.
Peralatan:
Kompresor
Manometer air raksa, manometer tabung miring
Termometer (2 buah untuk pengukuran temperatur masuk dan keluar kompresor)
Tachometer

Gambar 5
Prosedur:
1. Lihat Gambar 5.
2. Sambungkan manometer tabung miring untuk mengukur leher saluran (p 0-p1) dan
sambungkan manometer air raksa untuk mengukur tekanan pada kompresor (p 3p2) .
3. Dapatkan rpm poros (speed) terbesar yang bisa dijaga konstan pada range harga
laju alir yang dipilih dan operasikan kompresor pada kecepatan nominal terdekat
di bawah rpm maksimum.

7

4. Aturlah laju alir agar memberikan perubahan-perubahan

p 0  p1 yang sama, dan

untuk masing-masing laju alir, bacalah p0-p1, p3-p2, 2, 3 dan torsi poros Tr.
Bacalah tekanan atmosfir p0 dan temperatur atmosfir 0.
p0
5. Hitunglah 0 
dan buatlah tabel
R 0
& a1. 20 k  p0  p1 
a. m
b. p3-p2
c.  Tr
d. Efisiensi isotermal termodinamika
p 3  p 2  p3  p 2 
1 

0 
2p 0 
(16)
 it

R  3   2 
 1
e. Efisiensi isotermal keseluruhan
p  p 2  p3  p 2 
& 3
m
1 

0 
2p 0 
(17)
i o 
Tr
&, yaitu
6. Gambarlah hasil tabulasi di atas versus m
&
a. p3-p2 vs m
&
b.  Tr vs m
&
c. it vs m
&
d. io vs m
7. Bahas bentuk-bentuk kurva karakteristik yang anda peroleh. Terangkan alasanalasan perbedaan it dan io.

8