Laporan Praktikum Aliran Fluida Teknik K

BAB I
PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang
Transportasi fluida merupakan salah satu operasi teknik kimia yang sering
digunakan dalam industri, karena bahan baku dalam industri banyak yang berupa
fluida. Sistem perpipaan digunakan untuk tempat mengalirnya suatu fluida. Fluida
merupakan suatu zat yang tidak dapat menahan perubahan

bentuk secara

permanen, dimana bila diberikan sedikit gaya terhadapnya tidak bisa
mempertahankan bentuknya. Fluida cair yang mengalir dalam sistem perpipaan
dalam industri akan mengalami kehilangan energi karena adanya gesekan antara
fluida dengan fluida dan fluida dengan pipa. Hilangnya energi pada fluida dalam
sistem perpipaan dapat pula disebabkan karena adanya gesekan, belokan,
kontraksi, ekspansi.

1.2. Tujuan Praktikum
Untuk mempelajari kehilangan energi akibat dari suatu sistem perpipaan dan
menentukan hubungan antara efisiensi pompa dengan laju alir fluida.

1

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Fluida
Fluida adalah suatu zat yang tidak dapat menahan bentuk secara permanen
yang dapat mengalami perubahan bentuk mengikuti ruang yang ditempatinya.
Terdapat dua jenis fluida, yakni : fluida termampatkan dan fluida tak
termampatkan. Fluida mampu termampatkan (compressible) ialah ketika densitas
fluida mudah dipengaruhi oleh perubahan temperatur dan tekanan. Fluida tak
termampatkan (incompressible) ialah ketika densitas fluida tersebut tidak
terpengaruh oleh banyaknya perubhan tekanan dan suhu. Fluida yang bergerak
(mengalir) akan membentuk suatu pola aliran tertentu.
Jenis aliran fluida jika dibedakan dari jenis pola alirannya, dapat menjadi:
1.

Aliran laminar (aliran berlapis)
Aliran dengan fluida yang bergerak seperti berbentuk lapisan – lapisan, yang

tidak saling campur. Aliran ini terjadi pada kecepatan aliran fluida yang
lambat, densitas fluida yang rendah, dan viskositas yang tinggi.

2.

Aliran Turbulen (aliran bergolak)
Alirran dengan partikel-partikel bergerak tidak menentu karena terjadi
pencampuran dan eddies dalam aliran.

3.

Aliran Transisi
Aliran peralihan dari laminar ke turbulen.
Jenis aliran fluida dapat dibedakan menurut Bilangan Reynoldnya (N Re),

Bilangan Reynold (NRe) merupakan fungsi dari : kecepatan fluida (v), viskositas
(µ), rapat massa (ρ), dan diameter pipa (D). Bilangan Reynold secara sistematis
dapat dirumuskan menjadi persamaan :
ρ vD
N ℜ=

µ

(2.1)

2

Dengan;
-

ρ = berat jenis fluida (kg/m3)

-

v = kecepatan linier fluida (m/s)

-

D = diameter pipa (m)

-

μ = viskositas fluida (kg/m.s)

Jenis aliran bila dibedakan menurut bilangan reynoldnya pada pipa lurus
berbentuk tabung:
NRe< 2100, aliran laminar
NRe> 4000, aliran turbulen
2100 < NRe> 4000 aliran transisi

2.2. Neraca Massa
Persamaan umum neraca massa dapat dituliskan sebagai berikut :
akumulasi = Laju massa − Laju massa + Laju massa − Laju massa
( Lajumassa
) ( masuk ) ( keluar ) ( terbentuk ) ( terkonversi )

(2.2)

Apabila :
 Neraca massa tanpa reaksi :
-

Laju massa yang terbentuk = 0

-

Laju massa yang terkonversi = 0

Maka, persamaan neraca massa menjadi :
akumulasi = Laju massa − Laju massa
( Lajumassa
) ( masuk ) ( keluar )

(2.3)

 Neraca massa keadaan tunak :
-

Laju akumulasi massa = 0

-

Laju massa masuk sama dengan laju massa keluar

Maka, persamaan neraca massa menjadi :
massa = Laju massa
( Lajumasuk
) ( keluar )

(2.4)

Dari persamaan 2.4 dapat dibuat model seperti Gambar 2.1.

3

Proses

M out

M¿

Gambar 2.1 Neraca massa sistem aliran fluida
Maka persamaan neraca massa menjadi :
Min = Mout

(2.5)

( ρ .Q)in = ¿Q)out

(2.6)

Jika tidak ada perubahan densitas, maka persamaannya menjadi :
Ain . vin = Aout . vout
π 2
π
D v = D 2v
4 ¿ out 4 ¿ out

(2.7)
(2.8)

D 22
v= 2 v out
D1

(2.9)

Dengan;
-

Q = laju alir volumetrik fluida (m3/s)

-

ρ = berat jenis fluida (kg/m3)

-

A = luas penampang pipa (m2)

-

D = diameter pipa (m)

-

v = laju alir linier fluida (m/s)

2.3. Neraca Energi
Heater

Proses

V2ρ2
P2

Q
V1ρ1
P1
Z1

Ws

Z2

Gambar 2.2. Contoh sistem perpipaan
4

Dari Gambar 2.2 dapat dibuat model matematis sebagai berikut :
Laju energi masuk = laju energi keluar + selisih energi yg tersedia dalam sistem
Q = W + (E2 –E1)

(2.10)

Sedangkan:

E2 –E1 = (U2-U1) +

1
2
2

v 2  v1
2
+ (Z2 – Z1)g





(2.11)

Dari persamaan 2.10 dan 2.11 diperoleh:

(U2-U1) +

1
2
2
v 2  v1
2
+ (Z2 – Z1)g = Q – W

(U2-U1) +

1
2
2
v 2  v1
2
+ (Z2 – Z1)g = Q –(P2V2 – P1V1) - Ws









(U2 + P2V2 ) - (U1 + P1V1) +

H2 - H1+

1
2
2
v 2  v1
2
+ (Z2 – Z1)g = Q - Ws





1
2
2
v 2  v1
2
+ (Z2 – Z1)g = Q - Ws



(2.12)



(2.13)

Pada gambar sistem aliran fluida :
 Isotermal (∆T = 0)
 Tidak ada gesekan antara fluida terhadap dinding pipa → ∑F = 0
 Tidak ada kerja (Ws = 0)
 Tidak ada panas yang masuk maupun yang keluar (Q = 0)
Persamaan neraca energinya menjadi:

P2V2 - P1V1 +

1
2
2
v 2  v1
2
+ (Z2 – Z1)g = 0





(2.14)

Bila V = volume fluida per-satuan massa (1/ρ) :

5

P2(1/ρ) 2 - P1(1/ρ) 1 +

1
2
2
v 2  v1
2
+ (Z2 – Z1)g = 0





P

1
1 2
2
2
(v 2  v1 )  g ( Z 2  Z 1 )  dP   F  Ws  0
2
 P1

P  P1
1
2
2
(v 2  v1 )  g ( Z 2  Z 1 )  2
0
2


(2.15)

Dengan ;
-

v = kecepatan linier fluida (m/s)

-

g = percepatan gravitasi (m/s2)

-

α = faktor koreksi, dimana :
Aliran laminer

= 0.5

Aliran transis

=1

Aliran turbulen

=1

-

Z = ketinggian (m)

-

P = tekanan (N/m2)

-

ρ = berat jenis fluida (kg/m3)

2.4. Orifice Meter
Orifismeter adalah alat pengukuran laju alir yang didasarkan kepada beda
tekan. Penurunan penampang arus aliran melalui orifis itu menyebabkan head
kecepatan meningkat tetapi head tekanan menurun, dan penurunan tekanan antara
kedua titik sadap diukur dengan manometer, hal ini dapat dilihat pada Gambar
2.3.

6

Gambar 2.3. (a) Orifice meter (b) Orifice
Persamaan Bernoulli memberikan dasar untuk mengkorelasi peningkatanpeningkatan head kecepatan dengan penurunan head tekanan. Persamaan
Bernoulli yang dapat diterapkan pada orifice meter ini adalah:
½ ( v2 2 – v1 2 ) + g (Z2 – Z1) + 1/ (P2 – P1) = hL

(2.16)

dimana :
-

Δv

= perbedaan kecepatan (m/s)

-

ΔZ

= perbedaan ketinggian (m)

-

ΔP

= perbedaan tekanan (N/m2)

-

g

= percepatan gravitasi (m/s2)

-



= densitas fluida (kg/m3)

-

hL

= energi yang tidak termanfaatkan (head loss), J/kg

2.4.1. Kalibrasi Orifice Meter
Prinsip kalibrasi orifice meter ialah mengukur waktu yang dibutuhkan untuk
menampung fluida sampai mencapai volume tertentu pada setiap ∆h orifice yang
berbeda, ∆h orifice dapat dilihat seperti pada Gambar 2.3.
Laju alir fluida dalam orifice adalah sebagai berikut:
Q = V/t

(2.17)

Dengan ;
-

Q = laju alir volumetrik (m3/s)

7

-

V = volume fluida (m3)

-

t = waktu (s)

Beda ketinggian pada orifice meter dapat di gunakan untuk menentukan beda
tekan yang terjadi dalam orifice meter. Beda tekan yang terjadi dalam orifice
meter adalah sebagai berikut:
Po = .g. ho

(2.18)

Dengan ;
-

∆Po

= beda tekan pada orifice meter (N/m2)

-

ρ

= berat jenis fluida (kg/m3)

-

g

= percepatan gravitasi (m/s2)

-

∆ ho

= beda ketinggian pada orifice meter (m)

Untuk mengukur selisih tekanan P

pada orifismeter dilengkapi dengan

manometer, biasanya menggunakan manometer pipa seperti pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4. Manometer U
Dari statika fluida, tekana dititik 1 sama dengan tekanan dititik 2.
P1=P2
Pa + ρ.g. h1 = Pb +ρ.g.h2 +ρ2.g.Δh
Pa + ρ.g (h2 + Δh) = Pb + ρ1 g h2 + ρ2 g Δh
Pa – Pb = ρ.g.h2 +ρ2.g.Δh – ρ.g (h2 + Δh)
8

Pa – Pb = ρ2.g.Δh – ρ.g.Δh
Pa – Pb = (ρ2-ρ)g.Δh

(2.19)

Q = k (Pa – Pb)0.5

(2.20)

Q = k' (Δh)0,5

(2.21)

Persamaan 2.21 belum dapat diketahui karena harga k', harga k' ditentukan
dengan cara mengkalibrasi orifismeter tersebut. Jika kita mengalirkan fluida
melalui orifis dengan mengubah-ubah laju alir, maka beda tinggi cairan dalam
manometer (Δh) pun akan berubah-ubah. Laju alir diplot terhadap h sehingga
diperoleh kurva kalibrasi sepeti pada Gambar 2.5. Pangkat dari Δh idealnya 0,5
tetapi tidak harus 0,5 bisa sedikit lebih besar maupun lebih kecil yakni 0  n  1.

Q

∆h

Gambar 2.5. Contoh kurva kalibrasi orifismeter

2.5. Hilang Tekan
Hilang tekan adalah jumlah energi yang diperlukan untuk mempertahankan
aliran fluida dimana selalu ada gaya geser yang bekerja terhadap fluida dengan
penambahan energi dari luar. Dalam suatu aliran fluida terjadi gesekan antara
fluida dengan pipa. Gesekan yang timbul tersebut menyebabkan kehilangan energi
atau friction loss (F) .
 Hilang energi karena kontraksi (penyempitan)

9

A 2 2 v 22
Hc=0.55 A . 2α
1

( )

(2.22)

 Hilang energi karena ekspansi (pelebaran)
A1 2 v2
Hc= A . 2 α
2

( )

(2.23)

 Hilang energi karena pipa lurus
∆ L v2
F f =4 . f . D . 2 α

(2.24)

 Hilang energi karena hambatan lain seperti ellbow, tee, kerangan, sambungan
dll
v2
H f =K f . 2 α

(2.25)

2.6. Pompa
Pompa sentrifugal berguna untuk memberikan atau menambah kecepatan
pada cairan dan merubahnya menjadi tinggi tekan (head) . Pompa terdiri dari :
-

Baling-baling (blade)

-

Rumah (casing) tempat baling-baling bekerja

-

Stuffing box, yang merupakan penghubung casing dengan motor

Pompa sentrifugal memiliki dua perangkat utama, yaitu :
-

Impeler, yang bekerja untuk meningkatkan energi kinetik fluida pada tekanan
tetap.

-

Diffuser, berfungsi untuk mengubah energi kinetik dengan tujuan
meningkatkan tekanan.

Untuk efisiensi pompa dapat dicari dengan persamaan :
ɳ=

m.(−W s )
Wp

(2.26)

Dengan ;
-

ɳ

= efisiensi pompa

-

m

= laju alir massa

-

ws

= kerja pompa

-

wp

= daya pompa

10

BAB III
METODELOGI PERCOBAAN
Pada praktikum kali ini, bertujuan untuk mencari hubungan head loss
dengan laju alir atau kecepatan fluida untuk komponen-komponen sistem
perpipaan seperti pada pipa lurus, kerangan sambungan belokan. Dan mencari
hubungan efisiensi pompa terhadap laju alir fluida.
3.1. Alat dan Bahan Percobaan
Alat- alat dan bahan yang digunakan pada praktikum ini ialah :
1. Rangkaian alat seperti pada Gambar 3.1
2. Gelas ukur
3. Stopwatch
4. Orifismeter
5. Manometer pipa U
6. Manometer gondok
7. penggaris
8. Meteran
9. CCl4
10. Raksa
11. Air

11

2

C B

A

D

E
1

Gambar 3.1 Skema alat

12

3.2. Cara Kerja
3.2.1. Kalibrasi Alat Ukur Laju Alir
Kalibrasi alat ukur laju alir dalam praktikum ini alat ukur laju alir yang
digunakan ialah orifice meter, dengan prinsip megukur waktu yang diperlukan
untuk mencapai volume tertentu pada ∆h orifice meter yang berbeda-beda dengan
arah aliran seperti pada Gambar 3.1. Untuk diagram alir kalibrasi alat ukur laju
alir dapat dilihat pada Gambar 3.2.
Mengisi manometer U dengan air
raksa
Mengisi air pada tangki 1 dari
sumber air ± ½tangki
Membuka kerangan sehingga air
mengalir dari tangki 1 menuju tangki
2, kemudian menyalakan pompa
Membuka kerangan dari tangki 2
supaya fuida mengalir menuju
tangki 1
Menyambungkan selang orifie
dengan manometer U
Mengatur kerangan keluaran tangki
2 hingga ∆h orifie tertentu pada
manometer U
Mengukur waktu yang dibutuhkan
untuk menampung fuida sampai
volume tertentu pada stiap ∆h orifie
yang berbeda

13

Membuat kurva kalibrasi dengan
memplot laju alir terhadap ∆h orifie

Gambar 3.2. Diagram alir kalibrasi alat ukur laju alir
3.2.2. Pengukuran Beda Tekan
Prinsip yang digunakan untuk pengukuran beda tekan ialah mengukur beda
tekan disetiap komponen perpipaan pada beda tekan orifice berbeda untuk
mendapatkan head loss dengan arah aliran seperti pada Gambar 3.1. Diagram alir
pengukuran beda tekan dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Mengisi manometer gondok dengan
CCl4
Menyambungkan selang dari
komponen dengan manometer
gondok
Mengukur ∆h manometer gondok
pada setiap ∆h orifie yang
berbeda-beda
Menghitung Head loss pada setiap
∆h CCl4 yang berbeda

Gambar 3.3. Diagram alir pengukuran beda tekan
3.2.3. Pengukuran Efisiensi pompa
Prinsip pengukuran efisiensi pompa ialah dengan mengukur waktu yang
diperlukan untuk menampung fluida untuk mencapai volume tertentu pada ∆h
orificemeter yang berbeda dengan arah aliran seperti pada Gambar 3.4. Dan
mengukur panjang pipa pada sistem perpipaan yang dilewati fluida, menghitung

14

jumlah belokan, sambungan, dan kerangan pada sistem perpipaan yang dilewati
fluida. Diagram alir pengukuran efisiensi pompa dapat dilihat pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5. Skema alat

15

Mengisi manometer U dengan air
raksa
Mengisi air pada tangki 1 dari
sumber air ± ½tangki
Menutup kerangan yang menuju
tangki 2 dari tangki 1, membuka
kerangan supaya fuida mengalir dari
tangki 1 menuju keluaran
Menyambungkan selang orifie
dengan manometer U
Mengatur kerangan keluaran tangki
1 hingga ∆h orifie tertentu pada
manometer U
Mengukur waktu yang dibutuhkan
untuk menampung fuida sampai
volume tertentu pada stiap ∆h orifie
yang berbeda
Membuat kurva kalibrasi dengan
memplot laju alir terhadap ∆h orifie
Mengukur panjang pipa lurus,
menghitung jumlah belokan,
sambungan dan kerangan yang
dilewati fuida dari tangki 1 menuju
keluaran, dan meniatat daya pompa
Membuat kurva kalibrasi dengan
memplot laju alir terhadap ∆h orifie
yang berbeda
Menghitung efsiensi pompa

16

Gambar 3.5. Diagram alir mengukur efisiensi pompa

BAB IV
HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

4.1. Kurva Kalibrasi Orifice Meter
Pada saat kalibrasi alat ukur laju alir yang digunakan pada percobaan kali
ini ialah orifice didapat hubungan semakin besar beda tekan maka laju alir fluida
semakin besar juga hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.1 yang menyatakan
hubungan laju alir fluida dengan beda tekan pada orifice meter pada kurva ini
didapat persamaan Q = 5x10-5 Δh0,5356 maka didapat nilai parameter k= 5x10-5 dan
nilai n= 0.5356.

17

Gambar 4.1 kurva kalibrasi orifice meter

4.2. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir
4.2.1. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir pada Pipa Lurus
Pada komponen pipa lurus dikarenakan jenis aliran fluida pada percobaan
ini ialah turbulen dapat dilihat pada Tabel C.2 Perhitungan head loss pada pipa
lurus. Maka hanya ada satu kurva hubungan headloss terhadap laju alir dan
didapat hubungan semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head
loss pada komponen pipa lurus hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.2 dari kurva
tersebut didapat persamaan head loss = 0,8727 v2/2 dimana friction loss pada pipa
lurus dengan panjang pipa 3.505m ialah 1.2449x10-3.

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada pipa lurus
0.14
0.12

f(x) = 0.87 x
R² = 1

0.1
0.08
head loss (j/kg) 0.06

Linear ()

0.04
0.02
0
0

0.05

0.1

0.15

0.2

v2/2 (m/s)

Gambar 4.2 kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada pipa lurus

18

4.2.2. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir pada Sambungan
Pada komponen sambungan hubungan head loss dengan laju alir berbanding
lurus karena semakin besar laju alir maka semakin besar juga head loss pada
komponen sambungan hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.3 dari kurva hubungan
head loss pada komponen sambungan terhadap laju alir didapat persamaan head
loss = 0,1625 v2/2 maka nilai koefisien gesek pada komponen sambungan ialah
0.1625.

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada sambungan
0.03
0.02

f(x) = 0.16 x
R² = 0.99

0.02
head loss (j/kg) 0.01
0.01

kurva hubungan head
loss terhadap laju alir
pada sambungan
Linear (kurva
hubungan head loss
terhadap laju alir
pada sambungan)

0
0 0.05 0.10.15 0.2
v2/2 (m/s)

Gambar 4.3 kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada sambungan

4.2.3. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir pada Belokan
Pada komponen belokan hubungan head loss dengan laju alir berbanding
lurus karena semakin besar laju alir maka semakin besar juga head loss pada
komponen belokan hal ini dapat dilihan pada Gambar 4.4 dari kurva hubungan
head loss pada komponen belokan terhadap laju alir diperoleh persamaan head

19

loss = 0,276 v2/2 maka nilai koefisien gesek pada komponen belokan ialah 0.276.

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada belokan
0.05
0.04
0.04
0.03
0.03
head loss (j/kg) 0.02
0.02
0.01
0.01
0

f(x) = 0.28 x

kurva hubungan head
loss terhadap laju alir
pada belokan
Linear (kurva
hubungan head loss
terhadap laju alir
pada belokan )

0 0.05 0.1 0.15 0.2
v2/2 (m/s)

4.2.4. Kurva Hubungan Head Loss Terhadap Laju Alir pada Kerangan
Pada komponen kerangan hubungan head loss dengan laju alir berbanding
lurus, dapat dilihat pada Gambar 4.5 laju alir semakin besar maka head loss pada
komponen kerangan semakin besar juga dari kurva hubungan head loss pada
komponen kerangan terhadap laju alir diperoleh persamaan head loss = 0,0642
v2/2 maka koefisien gesek pada kerangan ialah 0.0642.

20

kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada kerangan
0.01
0.01

f(x) = 0.06 x

0.01
head loss (j/Kg) 0
0

kurva hubungan head
loss terhadap laju alir
pada kerangan
Linear (kurva
hubungan head loss
terhadap laju alir
pada kerangan)

0
v2/2 (m/s)

Gambar 4.5 kurva hubungan head loss terhadap laju alir pada kerangan

4.3. Kurva Hubungan Efisiensi Pompa Terhadap Laju Alir
Pada hubungan efisiensi pompa terhadap laju alir fluida diperoleh hubungan
yang berbanding lurus karena semakin besar laju alir maka semakin besar juga
efisiensi pompa hal ini dapat dilihat pada Gambar 4.6.

21

kurva hubungan efsiensi pompa terhadap laju alir
1.8
1.6
1.4
1.2
1
efsiensi (%i) 0.8
0.6
0.4
0.2
0

kurva hubungan
efsiensi pompa
terhadap laju alir

0

0.2

0.4

0.6

laju alir (m/s)

Gambar 4.6 kurva hubungan efisiensi pompa terhadap laju alir

22

BAB V
KESIMPULAN

Kesimpulan yang dapat diambil dari percobaan aliran fluida ini adalah :
Semakin besar beda tekan pada orifice meter maka semakin besar juga laju alir
fluida
Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada
komonen pipa lurus
Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada
komponen kerangan
Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada
komponen sambungan
Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga head loss pada
komponen belokan
Semakin besar laju alir fluida maka semakin besar juga efisiensi pompa.

23

DAFTAR PUSTAKA

Buku Petunjuk Praktikum Laboratorium Teknologi Kimia I.Laboratorium
Teknologi Kimia-Jurusan Teknik Kimia. Cimahi: UNJANI
Buku Petunjuk Praktikum Pengenalan Laboratorium Teknologi
Kimia.Laboratorium Teknologi Kimia-Jurusan Teknik Kimia.Cimahi:
UNJANI
Nugroho, Adi Febrianto.Diktat Operasi Teknik Kimia I.Cimahi: Jurusan Teknik
Kimia UNJANI.
Geankoplis, Christie J.,2003. Transport Process and Unit Operations, 4th Edition,
PT R Prentice- Hall Inc, America

24