Dasar-dasar Mekanika Fluida

PT PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN

DASAR-DASAR MEKANIKA FLUIDA

1. DASAR-DASAR MEKANIKA FLUIDA 1.1 Menjelaskan Dimensi dan Satuan Pompa dan kompresor mempunyai satuan-satuan tertentu yang sering digunakan. Satuan adalah cara khusus melekatkan angka-angka pada dimensi kuantitatif. Dimensi adalah ukuran untuk menjelaskan variabel fisik secara kuantitatif. Dimensi dikelompokkan dalam dimensi primer (lihat Tabel 1.1) dan dimensi sekunder atau turunannya (lihat Tabel 1.2). Tabel 1.1: Dimensi-dimensi primer dalam sistem SI (Sistem Internasional) dan sistem Inggris [White, 2000] Besaran primer

Dimensi primer

Satuan SI

Satuan Inggris

Faktor konversi

Massa

{M }

Kilogram (kg)

Slug, lbm

1 slug = 14.6 kg

Panjang, Length

{L}

Meter (m)

Foot (ft)

1 ft = 0.3048 m

Waktu, Time

{T }

Second (s)

Second (s)

1s=1s

Temperatur

{Θ}

Kelvin (K)

Rankine (°R)

1 K = 1.8 °R

Tabel 1.2: Dimensi-dimensi sekunder dalam sistem SI dan sistem Inggris (BG unit) [White, 2000]

Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan

1



Tabel 1.3 di bawah ini memuat daftar satuan-satuan dari besaran-besaran SI dan sistem Inggris beserta faktor konversi satuannya. Tabel 1.3: Faktor konversi satuan SI dan sistem Inggris [White, 2000]


2




3



Tidak kalah pentingnya untuk menjelas- Tabel 1.4: Awalan-awalan untuk satuan kan satuan, orang sering menggunakan [White, 2000] awalan satuan untuk menyederhanakan penulisan angka di depan satuan. Tabel 1.4 memperlihatkan awalan-awalan satuan yang dikenal umum. Awalan ini lebih sering digunakan pada satuan SI. Beberapa awalan sudah banyak dikenal seperti M untuk Mega yang bernilai 1.000.000 seperti pada MegaWatt atau MW. Dengan cara demikian, maka penulisan satuan akan lebih cepat dan sederhana. Akan tetapi penulisan ini harus berhati-hati, contohnya untuk MegaWatt (MW) dengan miliWatt (mW) dimana kedua satuan menggunakan huruf simbol awalan yang sama namun berbeda sebagai huruf besar atau kecil. 1.1.1 Temperatur dan tekanan Temperatur dan tekanan adalah sifat-sifat penting yang dimiliki fluida (cairan dan gas). Sifat-sifat ini berhubungan dengan alat-alat ukur yang sering dijumpai di lapangan. Temperatur dan tekanan adalah sifat-sifat yang dapat digunakan untuk menunjukkan jumlah energi yang terkandung di dalam massa suatu zat. Temperatur Temperatur (T) adalah sifat zat yang berhubungan erat dengan energi dalam (internal

energy )

zat-nya.

Temperatur

merupakan

petunjuk

perpindahan

kalor/panas dari daerah bertemperatur tinggi ke daerah bertemperatur rendah. Satuan temperatur adalah: Standar Internasional : °C (derajat Celcius), K (Kelvin) Sistem Inggris

: °F (derajat Fahrenheit), R (Rankine)

Dimensi

:Θ

Merubah temperatur dalam °C ke temperatur dalam K dapat menggunakan rumus, K = °C + 273. Sedangkan R = °F + 460 digunakan untuk merubah temperatur dalam °F ke temperatur dalam R. Titik beku air menurut skala Celcius adalah 0 °C


4



dan menurut skala Fahrenheit adalah 32 °F. Titik didih air diskalakan sebagai 100 °C dan 180°F. Oleh sebab itu diperoleh °F = 9/5 x °C + 32 atau °C=(°F-32) x 5/9.

Tabel 1.5 menampilkan kekentalan ( µ) beberapa jenis cairan dan gas pada 1 atm dan 20 °C. Secara umum, karena jarak antar molekul yang lebih besar, cairan mempunyai kekentalan atau viskositas yang lebih tinggi dari pada gas. Terlihat bahwa perbandingan µudara : µair : µoli-SAE-30 adalah 2,1 : 114 : 33.000. Viskositas kinematik ( ν) adalah perbandingan viskositas dengan massa jenis fluidanya ( ρ). Tabel 1.5: Viskositas (µ) berbagai fluida pada 1 atm dan 20 °C [White, 2000]

Perubahan temperatur dapat mempengaruhi kekentalan fluida baik cairan maupun gas, namun perilakunya berbeda. Umumnya, apabila temperatur naik, maka kekentalan gas akan meningkat, sedangkan kekentalan cairan akan turun (Gambar 1.1).


5



Gambar 1.1: Viskositas cairan air ( water ) dan gas udara (air ) tergantung temperatur [-, -] Gambar 1.2 memperlihatkan kekentalan berbagai cairan dan gas yang merupakan fungsi dari temperatur. Perhatikan perilaku kekentalan air, udara, minyak SAE 10 dan SAE 30 yang sering ditemui dalam pengoperasian unit PLTD. Kekentalan SAE 30 lebih tinggi dari pada SAE 10. Keduanya lebih kental dari pada air (H 2O) cair dan jauh lebih kental dari pada udara. Dibandingkan dengan air, penurunan kekentalan oli tersebut lebih besar dengan peningkatan temperatur, sehingga efek pelumasan akan sangat berkurang.


6



Gambar 1.2: Viskositas berbagai cairan dan gas fungsi temperatur [White, 2000]


7



Tekanan Tekanan (p) adalah tegangan normal pada bidang yang diteruskan fluida pada saat diam; tegangan normal adalah gaya dibagi luas. Satuan tekanan adalah: Sistem Internasional : Pascal (Pa), N/m2, kg/(ms2), bar, atm, mH2O, mmHg Sistem Inggris

: psi (pound per square inch ) atau lbf/in2, lbf/ft2, atm

Dimensi

: M /(LT 2)

Tekanan didefinisikan sebagai gaya yang diterapkan dibagi luas permukaan yang mengalami gaya tersebut (lihat Gambar 1.3) dan dihitung dengan persamaan: p = F / A = Force / Area = Gaya / Luas

[Johnson, 2002]

Gambar 1.3: Tekanan Zat cair


8



Gambar 1.4 : Tekanan Statistik terjadi pada kedalaman maksimal

Tekanan statik pada fluida diam (Gambar 1.4) didefenisikan sebagai: p = ρ g h dimana p=tekanan, ρ=massa jenis atau densitas fluida, g=percepatan gravitasi (9,8 m/s2), h=ketinggian atau kedalaman fluida. Tabel 1.6: Ketinggian dan tekanan atmosfir

Ketinggian (m) Tekanan atmosfir (mH2O)

0

500

1000

1600

2000

10,33

9,73

9,16

8,51

8,10

Contoh: Danau Singkarak: 365 m DPL (dari permukaan laut) Semakin besar ketinggian suatu tempat, tekanan atmosfir akan semakin rendah (Tabel 1.6). Tekanan statik atmosfir di permukaan laut berharga 1 atm. Harga ini hampir sama dengan tekanan maksimal pada ketinggian air (H 2O, ρ≈1000 kg/m3) sebesar 10 meter atau lebih tepatnya 10,33 meter dan ketinggian air raksa (Hg, 3

ρ≈13.200 kg/m ) sebesar 76 cm (lihat Gambar 1.5). Tekanan 1 atm ini sama

dengan tekanan 1,013 bar atau 101.300 Pascal.


9


Gambar 1.5


: Tekanan Atmosfir diatas atmosfir sebanding dengan ketinggian 10 meter air ( H2O ) atau 0,76 Meter air raksa ( Hg )

Sebagai ilustrasi (Gambar 1.6), dengan pengukuran tekanan pelumas pada sistem pemipaan adalah 4,5 bar, maka kedalaman tekanan yang dapat dicapai fluida kerja dari pompa tersebut bisa mencapai 45 mtr dari kedudukan pompa dengan densitas fluida kerja

(ρ) 1.000 kg/m3, dan percepatan gravitasi (g ) sekitar 10

m/s2 sehingga head yang bisa dicapai pompa 45 meter

adalah:

h = p/ ρ g

= 4,5 bar/(1.000 kg/m3x10 m/s2) = 4.500.000 Pa / (1.000 kg/m3x10 m/s2) = 45 m.


10



White [2000] Gambar 1.6 :

7

8

Cara Kerja Alat Ukur tekanan

9

6 1 3 5

10 2

4

1. 2.

Pegas lendut Penyangga pegas lendut 3. Ujung pegas lendut 4. Segmen 5. Stang pendorong 6. Roda gigi 7. Zeigerwelle 8. Pegas spiral 9. Jarum penunjuk 10. Permukaan skala

PIS-TU-Braunschweig [2000] Gambar 1.7 : Bahagian dari Alat ukur tekanan


11



Gambar 1.8 : Pengukuran tekanan untuk mengetahui kerja pompa Tekanan yang diukur oleh alat ukur disebut juga tekanan ukur atau gage pressure (pg,). Sedangkan tekanan sebenarnya adalah tekanan absolut (p abs) yang merupakan tekanan ukur ditambah tekanan atmosfir lokal (pa), pabs=pg+pa. Tekanan vakum adalah selisih antara tekanan atmosfir lokal dan tekanan absolut yang lebih rendah dari tekanan atmosfir. 1.1.2 Aliran Fluida Aliran fluida dapat dibagi pada berbagai cara pngelompokan, antara lain: 1. Tergantung tempat aliran: –

Aliran saluran tertutup (mis.: aliran dalam pipa)

–

Aliran saluran terbuka (mis.: aliran sungai)

2. Tergantung pada viskositas (kekentalan) fluida: –

Aliran sekitar benda (mis.: aliran tanpa gesekan lewat sudu turbin)

–

Aliran lapisan batas (mis.: aliran bergesekan lewat sudu-sudu turbin)

3. Tergantung pada volume/massa jenis fluida: –

Aliran inkompresibel (taktermampatkan)

–

Aliran kompresibel (termampatkan)


12



4. Tergantung jenis fluida: –

Aliran cairan

–

Aliran gas.

Aliran dalam pompa, umumnya, inkompresibel dengan fluida cairan, sedangkan aliran dalam kompresor, umumnya, kompresibel, dengan fluida berbentuk gas atau uap. Aliran inkompresibel terjadi pada fluida yang densitasnya tidak berubah, sedangkan aliran kompresibel terjadi pada fluida yang densitasnya berubah. Inkompresibel (incompressible ) berarti tak-mampu-mampat (in =tidak, compress = mampat, able =mampu, dapat).

V

Aliran laminar (berlapis): Re= ρVd/µ < 2300

Profil distribusi kecepatan

V

Aliran turbulen (berolak): Re= ρVd/µ > 4000

Gambar 1.8: Profil kecepatan rejim aliran laminar dan turbulen dalam pipa

Gambar 1.9: Aliran pipa laminar dan turbulen [White, 2000] Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan

13



Aliran fluida mempunyai rejim aliran laminar dan turbulen seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1.8 yang menunjukkan distribusi kecepatan aliran dalam pipa/saluran tertutup. Distribusi kecepatan aliran laminar terlihat berbentuk seperti peluru, sedangkan aliran turbulen menyebabkan fluida seperti teraduk sehingga distribusi kecepatan menjadi lebih merata di tengah pipa. Rejim aliran dalam saluran tersebut dapat diketahui dengan bilangan Reynolds yang dihitung dengan persamaan: Rejim aliran:

Repipa = ρ V d / µ

dimana:

- laminar

Re < 2300

- transisi

2300 < Re < 4000

- turbulen

Re > 4000

Re = bilangan Reynolds [-] ρ = massa jenis

[kg/m3]

V = kecepatan aliran

[m/s]

d = diameter pipa

[m]

µ = viskositas fluida

[kg/(m.s)].

Aliran laminar dalam saluran pipa dapat diketahui apabila Re<2300, sedangkan aliran turbulen terjadi pada Re>4000. Bilangan Reynolds antara 2300 dan 4000 menunjukkan adanya aliran transisi dari aliran laminar menuju aliran turbulen. Gambar 1.9 memperlihatkan aliran laminar dan turbulen yang keluar dari suatu pipa. Aliran laminar biasanya terjadi dalam pipa besar, dengan kecepatan rendah, dan viskositas tinggi. Sebaliknya, aliran turbulen terjadi pada pipa kecil, kecepatan aliran tinggi dan viskositas rendah.

Persamaan Kontinuitas Aliran fluida diatur oleh hukum kekekalan massa, momentum dan energi. Hukum kekekalan

massa

untuk

aliran

inkompresibel

menghasilkan

persamaan

kontinuitas, yaitu:


14



Gambar 1.9: Pengecilan penampang pipa

Q = A V = A1V1 = A2V2 = konstan dimana: - Q = debit atau kapasitas aliran [m3 /s] - A = luas penampang saluran

[m2]

- V = kecepatan (velocity )

[m/s]

- Indeks 1 dan 2 menunjukkan dua posisi berlainan di dalam saluran.

Persamaan ini berarti bahwa pengecilan penampang pipa menyebabkan peningkatan kecepatan. Dari persamaan kontinuitas diperoleh V 1 /V2=A2 /A1. Karena A1 > A2, maka V1 < V2. Gambar 1.9 menunjukkan penampang saluran yang mengecil sehingga kecepatan bertambah. Sebaliknya, apabila penampang saluran membesar, maka kecepatan aliran akan turun.


15



White [2000]

Gambar 1.10: Persamaan Bernoulli pada aliran inkompresibel saluran pendek

Persamaan Bernoulli Hukum kekekalan momentum menghasilkan persamaan Bernoulli. Persamaan ini berlaku pada aliran inkompresibel tanpa gesekan seperti aliran air dalam pipa pendek (Gambar 1.10). Persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk head yaitu:

p1 V 12 p2 V 22 + + z1 = + + z2 =konst ρ g 2g ρ g 2g


16



dimana: -p

= tekanan (pressure )

[Pa atau N/m2]

- V = kecepatan (velocity ) [m/s] -z

= ketinggian

[m]

-ρ

= massa jenis fluida

[kg/m3],

-g

= percepatan gravitasi [9,8 m/s2] [N/m3],

- ρg = γ = berat jenis

ρair≈1000 kg/m

3

γ air≈9800 N/m3

- Indeks 1 dan 2 menunjukkan dua posisi berlainan dalam saluran

Seperti diperlihatkan pada Gambar 1.9, pengecilan penampang menyebabkan kecepatan aliran naik. Berdasarkan persamaan Bernoulli dapat diketahui bahwa, jika kecepatan naik, maka tekanan statik turun. Demikian pula sebaliknya, apabila penampang saluran membesar, maka kecepatan turun dan tekanan naik. Perubahan tekanan ini dapat dihitung dengan persamaan:

p1 ρ g

+

V 12 2g

p1 − p 2

+ z1 =

=

p2 ρ g

+

V 22 2g

+ z 2 = konstan

V 22 − V 12

ρ

2

Ket: Jika A1 > A2, maka V1 < V2, sehingga p1 > p2

Persamaan Energi Aliran Hukum kekekalan energi menyebutkan, bahwa energi itu lestari, tidak dapat dibinasakan atau diciptakan. Oleh sebab itu energi tidak hilang melainkan dapat berubah dari suatu bentuk ke bentuk energi lain. Telah diketahui bahwa energi dimiliki oleh setiap benda termasuk fluida. Energi setiap benda diketahui dari persamaan:

E = U + Ek + Ep + Elain dimana U=energi dalam, Ek=½mV=energi kinetik, E p=mgh=energi potensial dan Elain=energi lain-lain yang berasal dari reaksi kimia, reaksi nuklir, medan elektrostatik, medan magnetik, dsb. Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan

17



Energi dapat berpindah sebagai kerja dan panas/kalor. Perpindahan energi dalam bentuk panas disebut perpindahan panas yaitu melalui konduksi, konveksi dan radiasi. Panas berpindah karena perbedaan temperatur dari daerah bertemperatur tinggi ke temperatur rendah. Satuan energi antara lain Joule, N.m, kWh, Btu (British thermal unit ), ft.lbf, dan kalori. Daya adalah energi per satuan waktu. Daya dapat dihitung dengan persamaan P=E/t. Satuan daya antara lain Watt, J/s (Joule/detik), N.m/s, HP ( horsepower ), PK (pferdekraft ), PS, Btu/s, ft.lbf/s dan kalori/s. Daya pompa yang dipindahkan ke cairan seperti air dan minyak dapat dihitung dengan persamaan :

Ppompa = ρ g Q hp , dimana hp adalah head pompa. Sedangkan daya pompa yang diperoleh dari energi mekanis yang menggerakkannya adalah Ppompa=Tω=2πnT/60, dimana T adalah torsi pada poros dan ω adalah kecepatan sudut putaran dan n adalah jumlah putaran per menit (rpm, rotation per minute ).

Secara umum, daya kompresor untuk uap dan gas dapat dihitung dengan persamaan Pkompresor = m (hout-hin), Dengan ketetapan m=laju aliran massa fluida, hout=entalpi keluar kompresor dan hin=entalpi masuk kompresor. Untuk gas yang didekati sebagai gas ideal, daya kompresor dapat diketahui dengan persamaan Pkompresor= mcp(Tout-Tin)


18



Dengan ketetapan cp=panas jenis gas, Tout=temperatur keluar kompresor Tin=temperatur masuk kompresor. Head pompa (hp) untuk menentukan daya pompa di atas dapat dihitung dari persamaan energi aliran pompa (Gambar 1.11) yang berbentuk:

 p1 V 12   p2 V 22   + + z1 +h p = + + z2 +h f ρ ρ 2 2 g g g g    

atau

 p2 p1   V 22 V 12  h p = − + − +( z2 − z1) +hf  ρ g ρ g   2g 2g  dimana: - p = tekanan (pressure ),

[Pa atau N/m2]

- V = kecepatan (velocity ),

[m/s]

- z = ketinggian,

[m]

- ρ = massa jenis fluida,

[kg/m3]

- g = percepatan gravitasi,

[9,8 m/s2]

- hf = head gesekan (friction ),

[m]

- hp = head pompa,

[m]


19



Gambar 1.11: Pompa yang digunakan untuk mengalirkan air dalam pipa yang melewati berbagai aksesoris pipa seperti katup dan belokan. Gate valve

Gambar 1.12 :,Katup atau valve a. Gate Valve, b Globe valve, c.Angle valve, d Chek valve dan e Disk type gate valve.


20



Head gesekan diakibatkan oleh adanya panjang dan kekasaran permukaan pipa serta adanya kerugian aliran melewati aksesoris pipa seperti katup-katup, belokan dan lain-lain. Berbagai katup pada saluran pipa dapat dilihat pada Gambar 1.12.

1.1.3 Pengukuran Besaran & Parameter Fluida Pengukuran parameter-parameter fisik dan analisisnya adalah sangat penting untuk memonitor dan mengevaluasi karakteristik sistem terutama sistem-sistem termal dan fluida (Gambar 1.13 dan 1.14). Akurasi pengukuran tidak hanya dipengaruhi oleh jenis alat ukur yang digunakan, namun juga ditentukan oleh cara dan kemampuan para operatornya dalam membaca dan mengartikan nilai-nilai pengukuran yang ditampilkan. Data pengukuran yang kurang akurat dapat menghasilkan informasi yang tidak tepat untuk pengambilan suatu tindakan atau keputusan. Pengukuran sistem termal dan fluida meliputi temperatur, tekanan, kecepatan aliran, kapasitas (laju massa/volume), laju perpindahan panas, dan lain-lain seperti level permukaan.


21



Gambar 1.13: Berbagai alat ukur terpasang pada instalasi kompresor untuk suplai udara bertekanan pada PLTD


22



Gambar 1.14: Pengukuran debit aliran dengan alat ukur ultrasonik


23



Pengukuran Temperatur: Temperatur dapat menunjukkan energi dalam suatu zat. Umumnya untuk zat padat, cairan inkompresibel dan gas ideal, semakin tinggi temperatur, maka semakin tinggi energi dalamnya. Dengan temperatur, parameter-parameter lain dapat diketahui seperti energi dalam, entalpi, laju perpindahan panas, dsb. Alat ukur temperatur yang banyak ditemui antara lain: termometer (Gambar 1.15), termokopel (Gambar 1.16), termistor, resistance-temperature detector , pirometer dan bimetal.

Tropea [2002] Gambar 1.15 : termomer Hg


24



Gambar 1.16 : Termomer bimetal Pengukuran Tekanan: Tekanan suatu cairan atau gas dapat diukur dengan alat-alat ukur seperti barometer, manometer, pressure gauge tabung Bourdon (Gambar 1.17), dan pressure transducer . Dengan pengukuran tekanan, parameter-parameter lain

dapat juga ditentukan seperti gaya, kerja, tekanan total aliran, dan kecepatan aliran.

Pengukuran Debit/Kapasitas Aliran: Banyak alat ukur laju aliran massa dan volume digunakan untuk mengetahui berapa besar debit atau kapasitas aliran. Prinsip sederhana pengukuran debit adalah dengan mengukur jumlah massa atau volume fluida yang dialirkan dan dibagi dengan waktu yang dilewati untuk itu. Alat ukur lain menggunakan prinsip penentuan kecepatan aliran rata-rata dan kemudian dikalikan dengan luas penampang salurannya. Berbagai alat ukur laju aliran massa dan volume antara lain: penghalang Bernoulli (Orifismeter, Venturimeter, Noselmeter), meteran turbin (Gambar 1.18), Nutating disk flowmeter (Gambar 1.19), meteran-aliran vorteks, meteran-aliran ultrasonik, rotameter, dan weirmeter. Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan

25



Gambar 1.18: Turbine flowmeter


26



Gambar 1. 19 Nutating Disk Flow meter

Gambar 1.20 : Nutating disk flow meter. Berbagi dan menyebarkan ilmu pengetahuan serta nilai-nilai perusahaan

27

Dasar-dasar Mekanika Fluida

Recommend Documents