Compressible Fluid Flow

BAB III

HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN

III.1 Hasil Perhitungan

Dari percobaan yang telah dilakukan, diperoleh hasil perhitungan sebagai berikut :

Tabel III.1.1. Hasil Perhitungan Untuk Reducer Titik 1 ke 0

v (m/s) M0=Me M1 ΔP (N/m2) f τ7,96 0,13312781 0,1141819 331,41771 17,74934 644,478.23 0,13764345 0,118834 341,16529 15,76083 611,719710,77 0,18012393 0,1661549 341,16529 4,642459 308,569611,63 0,19450709 0,1808717 360,66045 3,532142 273,734713,32 0,22277166 0,2099568 389,90319 2,134098 216,9166

Σ = 43,81886 2055,411

Tabel III.1.2. Hasil Perhitungan Untuk Ducting Lurus Titik 5 ke 1

v (m/s) M1 M5 ΔP (N/m2) L1 max L5 max f τ7,96 0,114 0,114 9,747 14075,09 14072,17 0,0072 0,02648.23 0,118 0,118 87,728 1556,72 1553,80 0,0060 0,234110,77 0,166 0,166 107,223 1202,37 1199,45 0,0056 0,245811,63 0,180 0,181 194,951 648,65 645,73 0,0037 0,436313,32 0,209 0,210 136,466 888,36 885,44 0,0028 0,2922

Σ = 0,0255 1,2349

Tabel III.1.3. Hasil Perhitungan Untuk Enlarger Titik 6 ke 5

v (m/s) M6 M5 ΔP (N/m2) f τ7,96 0,1123721 0,1141929 29,242739 0,721863 26,166328.23 0,11659963 0,1189368 38,990319 0,823715 31,9381310,77 0,16297847 0,1663306 77,980638 0,425362 28,2438411,63 0,18045501 0,1812196 19,49516 0,072722 5,6360813,32 0,20825455 0,2102392 58,485479 0,120187 12,20556

Σ = 2,163849 104,1899



Σ = 0,0222 1,136

Laboratorium Teknik Kimia FTI-ITS

BAB III HASIL PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN III-2

Tabel III.1.5. Hasil Perhitungan Untuk Elbow Titik 10 ke 9


Σ = 0,1726 8,842



Σ = 0,0243 1,1144

Tabel III.1.7. Hasil Perhitungan Friksi dan Energy Loses Untuk Fitting

Jenis fitting Reducer (1 ke 0) Enlarger (6 ke 5) Elbow (10 ke 9) Totalf 0.41394 0.93880 0.75 2.10274

h (J/kg) 592,3939657 1340,938984 1071,056034 3004,389

Tabel III.1.8. Hasil Perhitungan Untuk Friksi Total

v (m/s) ftotal τtotal

7,96 18,5671293 673,865928.23 16,6508217 646,2216210,77 5,1042267 339,223911,63 3,6278821 281,1514513,32 2,2774357 231,46653

III.2 Pembahasan

Percobaaan Frictional Isothermal Compressible Flow adalah untuk menghitung friksi

konduit aliran fluida kompresibel isothermal dan mengukur kehilangan energi pada berbagai

fitting.

Fluida yang digunakan dalam percobaan ini adalah udara. Udara merupakan fluida

kompresibel. Dalam aliran kompresibel, friksi mempengaruhi perubahan tekanan yang

mengakibatkan perubahan densitas yang menjadi penyebab perubahan flow rate fluida.

Percobaan ini mengukur kecepatan keluar (Voutput) dengan mengatur variabel bukaan intake



(tirai) pada blower. Proses adiabatis dan isotermal terjadi pada aliran di saluran yang

penampangnya tetap. Proses ini merupakan proses irreversible dan entropi gas bertambah.

Namun karena Q = 0, suhu stagnasi konstan di seluruh saluran. Sedangkan proses isentropis

terjadi pada ekspansi dan reduksi dari conduit.

(Geankoplis, 108-110)

Langkah selanjutnya mengukur Δh pada tiap titik lubang dengan manometer U air

sederhana dan air sebagai fluida pengisi manometer, dengan cara menempelkan saluran bebas

dari alat ke lubang-lubang di titik-titik tersebut. Nilai Δh ini nantinya akan digunakan untuk

menghitung nilai P pada masing-masing titik, menggunakan rumus P = Patm + air.g.Δh. Lalu

mengukur kecepatan angin yang keluar dari blower menggunakan anemometer dan suhunya

menggunakan termometer ruangan. Anemometer seharusnya diletakkan di penghujung pipa

keseluruhan, yakni selepas titik 0 (titik output). Namun pada percobaan ini pengukuran

kecepatan udara dilakukan pada jarak 100 cm dari ujung pipa keluaran. Jika dilakukan tepat di

titik 0 dari ujung pipa keluaran, pengukuran tidak bisa akurat karena udara tidak dapat

menggerakkan baling-baling anemometer secara merata dan dapat merusak baling-baling

anemometer. Percobaan dilakukan dengan variasi penutup intake atau bukaan tirai yang

berbeda–beda dan variabel yang digunakan adalah tiap kenaikan sudut 15o, mulai dari tertutup

penuh (120o), sudut 135o, sudut 150o, sudut 165o, sampai terbuka penuh (180o) dan

menghasilkan kecepatan udara keluaran (Voutlet) yaitu 7,96 m/s, 8,23 m/s, 10,77 m/s, 11,63

m/s, dan 13,32 m/s. Setelah mendapatkan data-data percobaan semua variabel, dilakukan

perhitungan friksi pada tiap reducer, enlarger, elbow, dan fitting.

Pada percobaan ini digunakan 11 titik lubang pada perpipaan (saluran) udara dimulai

dari blower yaitu titik 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, dan 0 yang dapat dilihat pada gambar

II.4.1. Pada titik 11 ke 10 terjadi friksi ducting lurus, titik 10 ke 9 terjadi friksi elbow 900, titik

9 ke 6 terjadi friksi ducting lurus, titik 6 ke 5 terjadi friksi enlarger, titik 5 ke 1 terjadi friksi

ducting lurus, dan titik 1 ke 0 terjadi friksi reducer. Setiap friksi pada tiap titik dihitung

dengan cara yang berbeda seperti pada Appendiks dan hasil perhitungannya dapat dilihat pada

Tabel III.1.1 hingga tabel III.1.6. Kemudian dibuat grafik antara friksi (f) tiap titik terhadap

kecepatan udara (V) seperti berikut :



Gambar III.2.1. Grafik f vs V Untuk Reducer Titik 1 ke 0

Gambar III.2.2. Grafik f vs V Untuk Ducting Lurus Titik 5 ke 1

Gambar III.2.3. Grafik f vs V Untuk Enlarger Titik 6 ke 5




Gambar III.2.5. Grafik f vs V Untuk Elbow Titik 9 ke 10




Gambar III.2.7. Grafik ftotal vs V pada masing-masing kecepatan

Dari grafik di atas, dapat dilihat bahwa nilai f semakin kecil dengan semakin

meningkatnya kecepatan udara, meskipun ada yang meningkat nilai f di beberapa titik

kecepatan. Kecepatan udara dipengaruhi oleh kondisi terbuka-tertutupnya katup blower,

sehingga jumlah udara yang masuk ke blower semakin banyak apabila blower terbuka penuh.

Hal ini mengakibatkan kecepatan udara semakin meningkat pada pipa saluran sehingga nilai

friksi (f) semakin kecil. Hal ini sesuai dengan literatur di mana kecepatan udara (V)

berbanding terbalik dengan nilai f. Hal lain yang mempengaruhi besarnya friksi pada

perpipaan yaitu perbedaan diameter. Hal ini dapat dilihat perbandingan tabel perhitungan

untuk ducting lurus kecil yaitu tabel III.1.4 dan untuk ducting lurus besar yaitu tabel III.1.2.

Dapat dilihat bahwa semakin besar diameter ducting maka nilai friksi (f) semakin kecil. Hal

ini sesuai dengan literatur bahwa diameter berbanding terbalik terhadap friksi.

Pada Reducer titik 1 ke 0 di tabel III.1.1, dapat dilihat bahwa bilangan Mach semakin

meningkat karena pengaruh kenaikan kecepatan diperoleh bilangan Mach yang diperoleh M <

1, sehingga diperoleh subsonic. M0 > M11 karena terjadi ekspansi sehingga kecepatan menjadi

lebih lambat saat udara mengalir dari pipa ukuran kecil menuju pipa ukuran besar.

Pada Enlarger titik 6 ke 7 di tabel III.4.3, dapat dilihat bahwa bilangan Mach semakin

meningkat karena pengaruh kenaikan kecepatan diperoleh bilangan Mach yang diperoleh M <

1, sehingga diperoleh subsonic. M7 > M6 karena terjadi ekspansi sehingga kecepatan menjadi

lebih lambat saat udara mengalir dari pipa ukuran kecil menuju pipa ukuran besar.

Untuk Elbow 90o titik 2 ke 3 di tabel III.2.5, untuk memperoleh pressure drop sama

dengan faktor friksi menunjukkan bahwa meningkatnya kecepatan terjadi penurunan ∆L,



tetapi dari tabel ternyata mengalami peningkatan lalu penurunan, faktor yang berpengaruh

adalah pengamatan data yaitu ∆h yang tidak presisi untuk pengambilan data.

Berikut ini adalah sebagian data dari Fitting terhadap panjang ekivalen yaitu :

Tabel III.2.1. Data Tipe Fitting dengan Panjang Ekivalennya

Tipe L/D f (Kf)Elbow 90 0 30 0,75Elbow 45 0 16 0,35Tee (Th Run) 20 1Tee (Branch) 60 1,5

(http://chemical-engineer.digitalzones.com/length.html.)

Rumus untuk menghitung panjang ekivalen (Le) yaitu :

(3.1)

Untuk menghitung friksi dan kehilangan energi akibat berbagai fitting hal ini

ditunjukkan dengan persamaan dalam buku Geankoplis untuk fluida kompresibel dimana

telah ditetapkan nilai friksi (f) atau Kf. Berdasarkan tabel perhitungan III.2.7 terdapat

berbagai macam fitting (penyambungan) diantaranya pada percobaan ini yaitu enlarger,

reducer, dan elbow 900. Perhitungan friksi akibat fitting untuk semua variabel kecepatan udara

nilainya sama karena faktor luas penampang pipa (A) tetap dan sesuai pada tabel III.2.1.

Selain itu ada juga yang disebut dengan shear stress (τ) pada dinding pipa dengan

rumus pada persamaan (1.5) yang menunjukkan bahwa kecepatan aliran udara (V) berbanding

lurus dengan shear stress. Namun pada hasil perhitungan tidak sesuai dengan literatur karena

faktor f sangat kecil sehingga faktor V2 tidak terlalu berpengaruh pada perhitungan shear

stress.

Berdasarkan percobaan, untuk friksi yang diperoleh berbanding terbalik terhadap

kecepatan, hal ini sesuai dengan teori dimana kecepatan berbanding terbalik friksi yang

dihasilkan. Perbedaan fluida kompresibel dan fluida inkompresibel pada kondisi tertentu

diantaranya adalah faktor pengaruh tekanan dan temperatur. Pada fluida kompresibel,

headloss yang terjadi dapat bernilai tidak seragam, penurunan energi, penurunan tekanan

menyebabkan penurunan kerapatan massa. Sehingga perhitungan aliran fluida kompresibel

lebih kompleks dari fluida inkompresibel. Untuk mempermudah perhitungan, sejumlah



asumsi umumnya digunakan, seperti halnya gas diasumsikan sebagai fluida ideal, satu

dimensi, perubahan ketinggian diabaikan, dan tidak ada usaha eksternal pada dan dari fluida

kompresibel yang mengalir.

Fluida kompresibel adalah fluida yang dapat dimampatkan, karena memiliki jarak

antar molekul yang lebih renggang Dalam kondisi fluida kompresibel atau inkompresibel

dapat ditunjukkan melalui suatu bilangan non dimensional yaitu bilangan Mach. Untk fluida

kompresibel memiliki besar bilangan Mach diatas 0,3. Dengan kecepatan yang bisa mencapai

kecepatan suara maka friksi yang dihasilkan lebih kecil dari fluida inkompresibel. Meskipun

perhitungan lebih rumit, seharusnya kehilangan energi juga lebih kecil. Contoh : Udara

Fluida inkompresibel adalah fluida yang tidak dapat dimampatkan, karena memiliki

jarak antar molekul yang rapat. Artinya fluida tersebut memiliki besar densitas yang konstan

dan dapat juga ditunjukkan dengan Bilangan Mach dimana nilainya kecil dari 0,3. Dengan

kecepatan yang rendah dan tidak mencapai kecepatan suara, maka friksi yang dihasilkan lebih

besar dari fluida kompresibel. Meskipun perhitungan lebih mudah, seharusnya kehilangan

energi juga lebih besar. Contoh : Air

(Geankoplis, 107)

Compressible Fluid Flow

Documents

Transcript of Compressible Fluid Flow