Kerugian Energi Akibat Belokan dan Sambungan Versi Abdul Gofur

Kerugian Energi Akibat Belokan dan Sambungan

A.      Tujuan Percobaan:
- Mengamati kerugian tekanan aliran melalui  belokan dan sambungan
- Membandingkan perbedaan antara kerugian tekanan pada belokan dan sambungan.
- Menjelaskan  pengaruh jari-jari belokan terhadap perubahan tekanan
- Menjelaskan  Karakteristik katup terhadap perubahan tekanan.
- Menjelaskan pengaruh angka Reynolds terhadap perubahan tekanan.

B.      Alat-alat yang digunakan
- Instalasi Losses in Bends and Fitting
- Stopwatch
- Basic Hydroulics Bench

C.    Teori

Aliran viskos di dalam pipa
Aliran fluida dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau aliran turbulen.  Untuk aliran pipa parameter tak berdimensi yang paling penting adalah bilangan Reynolds,Re yaitu perbandingan antara efek inersia dan viscous dalam aliran. Sehingga istilah laju aliran digantikan dengan bilangan Reynolds.
Setiap fluida yang mengalir dalam sebuah pipa harus memasuki pipa pada suatu lokasi. Daerah aliran di dekat lokasi fluida memasuki pipa disebut sebagai daerah masuk (entrance region) seperti diilustrasikan pada Gambar 1.
Sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 1 fluida biasanya memasuki pipa dengan profil kecepatan yang hampir seragam pada bagian (1). Sewaktu fluida bergerak melewati pipa, efek viskos menyebabkannya tetap menempel pada dinding pipa (kondisi lapisan batas tanpa slip).

Gambar 1. Daerah masuk aliran sedang berkembang dan aliran berkembang penuh di dalam sebuah sistem pipa. (Munson,et al, 2003)

Hal ini berlaku baik jika fluidanya adalah udara yang relatif inviscid ataupun minyak yang sangat viskos. Jadi, sebuah lapisan batas (boundary layer) di mana efek viskos menjadi penting timbul di sepanjang dinding pipa sedemikian hingga profil kecepatan awal berubah menurut jarak sepanjang pipa, x, sampai fluida mencapai ujung akhir dari panjang daerah masuk, bagian (2), di mana setelah di luar itu profil kecepatan tidak berubah lagi menurutx.
Lapisan batas telah tumbuh ketebalannya sehingga memenuhi pipa secara menyeluruh. Efek viskos sangat penting di dalam lapisan batas. Untuk fluida di luar lapisan batas [di dalam inti inviscid (inviscid core) yang mengelilingi garis sumbu dari (1) ke (2)], efek viskos dapat diabaikan. Medan aliran di mana tegangan geser diasumsikan dapat diabaikan dikatakan sebagai inviscid, nonviskosatau tanpa gesekan. Bentuk dari profil kecepatan di dalam pipa tergantung pada apakah alirannya laminar atau turbulen, sebagaimana pula panjang daerah masuk, le. Panjang masuk tak berdimensi, le/D, berkorelasi cukup baik dengan bilangan Reynolds. Panjang masuk pada umumnya dibebrikan oleh hubungan :
Le/D  = 0,06 Re  (untuk aliran laminar)
Le/D = 4,4 (Re)^1/6 ( untuk aliran turbulen)

Head Loss
Istilah Head Loss muncul sejak diawalinya percobaan-percobaan hidrolika abad ke sembilan belas, yang sama dengan energi persatuan berat fluida. Namun perlu diingat bahwa arti fisik dari head loss adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida. Sehingga satuan head loss adalah satuan panjang yang  setara dengan  satu satuan energi yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satuan panjang yang bersesuaian.
Headloss adalah suatu nilai untuk mengetahui seberapa besarnya reduksi tekanan total (total head) yang diakibatkan oleh fluida saat melewati sistem pengaliran. Total head, seperti kita ketahui merupakan kombinasi dari elevation head (tekanan karena ketinggian suatu fluida), Velocity head (tekanan karena Kecepatan alir suatu fluida) dan pressure head (tekanan normal dari fluida itu sendiri) . Headloss tidak dapat dihindarkan pada penerapan sistem pengaliran fluida dilapangan. Head loss dapat terjadi karena:
1. Gesekan antara fluida dengan dinding pipa
2. Gesekan antara sesama partikel pembentuk fluida
3. Turbulensi yang diakibatkan saat aliran di belokkan arahnya atau hal lain seperti misalnya perubahan akibat komponen perpipaan (valve, flow reducer, atau kran).

Kehilangan karena friksi/gesekan adalah bagian dari total headloss yang terjadi saat aliran fluida melewati suatu pipa lurus. Headloss pada suatu fluida pada umumnya berbanding lurus dengan panjang pipa , nilai kuadrat dari kecepatan fluida dan nilai friksi fluida yang disebut faktor friksi. dan juga nilai headloss berbandng terbalik dengan diameter pipa.

Instalasi Losses in bends and fittings

Kerugian tinggi-tekan terdiri atas kerugian tinggi-tekan mayor dan minor, atau head losses mayor danhead losses minor. Head losses mayor disebabkan karena kerugian gesek di dalam pipa-pipa, danhead losses minor disebabkan karena kerugian di dalam belokan-belokan, reduser, katup-katup, dan sebagainya (Sularso dan Tahara, 2006). Berikut ini penjelasan singkat tentang keduanya:

1. Head losses mayor

Untuk menghitung kerugian gesek antara dinding pipa dengan aliran fluida tanpa adanya perubahan luas penampang di dalam pipa dapat dipakai rumus Darcy yang secara matematis ditulis sebagai berikut:

dengan :

h_f  = head loss mayor (m)

f    = koefisien gesekan

L  = panjang pipa (m)

D = diameter dalam pipa (m)

v   = kecepatan aliran dalam pipa (m/s)

g   = percepatan gravitasi (m/s²)

Untuk aliran laminer dan turbulen terdapat rumus yang berbeda. Sebagai patokan apakah suatu aliran itu laminer atau turbulen, dipakai bilangan Reynolds:

dengan:

Re   = bilangan Reynolds

v     = kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)

D    = diameter dalam pipa (m)

ʋ    = viskositas kinematik cairan (m²/s)

untuk Re < 2300, aliran bersifat laminar

untuk 2300 < Re < 4000, aliran bersifat transisi

untuk Re > 4000, aliran bersifat turbulen

a. Aliran laminer.

b. Aliran tubulen

Untuk menghitung koefisien gesek f dapat dihitung dengan menggunakan rumus Darcy. Untuk mengetahui nilai f  harus diketahui kekasaran pipa (ε) dan diameter pipa (d). Haaland memberikan suatu formula yang menyempurnakan persamaan yang ditemukan oleh Colebrook untuk menentukan nilai f :

Persamaan di atas oleh Moody pada tahun 1944 digrafikkan yang terkenal dengan nama Diagram Moody untuk gesekan pipa. Dengan diagram inilah dapat diketahui nilai koefisien gesekan pipa (Incropera dan Witt, 1985).

Gambar 1. Diagram Moody

2. Head losses minor

Secara umum head losses minor dinyatakan secara umum dengan rumus:

dengan:

h   = head loss minor

K  = koefisien resistansi valve atau fitting berdasarkan bentuk dan ukuran

v   = kecepatan rata-rata aliran dalam pipa (m/s)

g   = percepatan gravitasi (m/s²)