LAPORAN PRAKTIKUM UOP I Compressible Flow Kelompok-5K Adinda Sofura Azhariyah1306370505 I Gede Eka Perdana Putra 1306370676 Prita Tri Wulandari 1306370455 Rayhan Hafidz Ibrahim 1306409362 Aulia Rahmi 1306370631 Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
LAPORAN PRAKTIKUM UOP I
Compressible Flow
Kelompok-5K
Adinda Sofura Azhariyah 1306370505
I Gede Eka Perdana Putra 1306370676
Prita Tri Wulandari 1306370455
Rayhan Hafidz Ibrahim 1306409362
Aulia Rahmi 1306370631
Departemen Teknik Kimia
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow
Fakultas Teknik
Universitas Indonesia
Depok
2015
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Fluida didefinisikan sebagai suatu substansi yang terus menerus mengalami
deformasi atau mengalir ketika diberikan tegangan geser. Jika tidak ada tegangan
geser yang diberikan maka fluida tidak akan mengalir (diam) sehingga tidak ada
tegangan geser yang terjadi pada fluida. Hal demikian dikatakan statika fluida dimana
yang bekerja hanya tegangan normal saja. Bila kita mencoba mengubah bentuk suatu
massa fluida, maka di dalam fluida tersebut akan terbentuk lapisan-lapisan, di mana
lapisan yang satu akan mengalir di atas lapisan yang lain, sehingga tercapai bentuk
baru. Selama perubahan bentuk tersebut, terdapat tegangan geser (shear stress), yang
besarnya bergantung pada viskositas fluida dan laju alir fluida relatif terhadap arah
tertentu. Bila fluida telah mendapatkan bentuk akhirnya, semua tegangan geser
tersebut akan hilang sehingga fluida berada dalam keadaan kesetimbangan. Pada
temperatur dan tekanan tertentu, setiap fluida mempunyai densitas tertentu.
Dalam percobaan kali ini, kita akan mempelajari jenis aliran fliuda
termampatkan (compressible flow), dimana fluida yg mengalir dalam pipa akan
mengalami hambatan berupa gesekan dengan dinding pipa hal ini mengakibatkan
berkurangnya laju aliran dan penurunan tekanan.
Suatu aliran disebut aliran kompresibel jika perbedaan densitas dari aliran
yang dipengaruhi oleh tekanan tidak bernilai nol sepanjang streamline. Pada
umumnya, hal ini terjadi pada mach number melebihi 0,3 untuk semua bagian aliran.
Walaupun nilai mach ini cenderung menghasilkan aliran yang berubah-ubah, akan
tetapi nilai ini sering digunakan. Hal ini dikarenakan aliran gas yang memiliki mach
number kurang dari 0.3 akan terjadi perubahan densitas yang menyebabkan perubahan
tekanan sekitar 5%. Selain itu, perbedan densiti sekitar 5% ini terjadi pada titik stag
dari suatu objek yang besar pada suatu aliran gas dan densitas disekitar objek tersebut
akan menjadi lebih rendah. Pada nilai mach yang cukup tinggi, aliran memiliki
kecepatan yang cukup tinggi sehingga efek dari kompresibilitas tidak dapat diabaikan.
Faktor yang membedakan apakah suatu aliran kompresibel atau inkompresibel
adalah perubahan kecepatan, terjdinya choking, perubahan tekanan dan temperatur.
Pada aliran kompresibel, perubahan kecepatan dari suatu aliran yang menyebabkan
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 1
perubahan temperatur menjadi tidak dapat diabaikan. Pada aliran kompresibel dapat
terjadi choking dan memiliki perubahan temperatur dan tekanan yang cukup besar
pada sepanjang aliran. Selain itu, pada aliran inkompresibel perubahan dari energi
dalam seperti temperatur dapat diabaikan bahkan jika energi kinetiknya berubah
menjadi energi dalam sekalipun.
Pada aliran kompresibel terdapat dua jenis aliran yaitu aliran subsonic dan
aliran supersonic. Aliran supersonic akan menyebabkan shock waves.Shock
wavesadalah aliran suatu fluida ketika nilai mach numbernya mendekati satu atau
lebih dari satu. Shock waves ini akan menyebabkan perubahan kecepatan, tekanan,
dan temperatur secara tiba-tiba pada suatu aliran. Perubahan suatu fluida secara tiba-
tiba dapat diilustrasikan dengan aliran dalam suatu tabung yang konvergen–divergen.
Pada aliran subsonic, kecepatan fluida menurun setelah ekspansi. Pada aliran
supersonic kecepatan fluida naik setelah ekspansi.
Aliran adiabatis pada suatu pipa dapat terjadi apabila pipa tersebut diinsulasi.
Kondisi ini menyebabakan aliran gas yang masuk pada suatu pipa pada tekanan,
temperatur, dan laju tertentu ditentukan oleh panjang dan diameter dari pipa dan
tekanan pada downstream. Pipa yang semakin panjang akan menyebabkan friction
loss yang semakin besar dan terjadi berbagai fenomena perubahan-perubahan yang
terjadi seperti:
Penurunan tekanan
Penurunan densitas
Penurunan kecepatan
Penurunan entalphi
Penurunan entropi
Kecepatan maksimum terjadi pada ujung suatu pipa dan secara kontinu naik
seiring dengan penurunan tekanan hingga mencapai mach number = 1. Kecepatan
fluida ini tidak dapat melewati rintagan sonic dalam aliran adiabatik yang melalui
suatu pipa dengan cross section yang konstan. Jika usaha ini dilakukan untuk
menurunkan tekanan di downstream, maka kecepatan, suhu, tekanan, dan densitas
konstan pada ujung pipa saat mach number =1. Jika panjang pipa diperpanjang, maka
pressure drop akan semakin besar dan flux masa akan menurun sehinga mach number
satu tetap pada ujung suatu pipa.
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 2
1.2. Tujuan
Percobaan Compressible Flow ini memiliki tujuan percobaan dalam
pelaksanaannya, sebagai berikut :
1. Untuk menunjukan pengaruh kompresi pada aliran udara di dalam saluran
konvergen-divergen.
2. Untuk menunjukan suatu fenomena dari penghambatan (chocking)
3. Menyelidiki tekanan sepanjang saluran divergen.
4. Untuk menyelidiki hubungan antara koefisien friksi dengan bilangan Reynold
untuk sebuah pipa yang diberikan.
5. Menentukan hubungan antara laju aliran dengan beda tekanan pada orifice.
6. Menentukan koefisien pelepasan (discharge coefficient) dari orificemeter.
7. Untuk menyelidiki variasi kenaikan tekanan, input daya, dan efisiensi (isotermal
dan keseluruhan) terhadap laju alir massa pada kecepatan konstan.
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 3
BAB II
TEORI
2.1. Percobaan 1: Pengaruh Proses Kompresi Pada Aliran
Pada percobaan ini, gas yang merupakan fluida mampu mampat di hubungkan
dengan kompresor melalui pipa. Pipa yang digunankan memiliki bagian konvergen,
bagian yang mengecil dan divergen bagian yang membesar.
Penggunaan bagian konvergen dalam suatu aliran adalah untuk meningkatkan
kecepatan gas dan menurunkan tekanannya. Sedangkan bagian divergen, tujuan
penggunaannya berbeda sesuai subsonik (dibawah kecepatan suara) maupun
supersonik (diatas kecepatan suara). Dalam aliran subsonik, tujuan penggunaan
bagian divergen adalah untuk menurunkan kecepatan dan mendapatkan kembali
tekanan sesuai persamaan Bernoulli. Dalam aliran supersonik, tujuan penggunaan
bagian divergen adalah untuk mendapatkan bilangan Mach yang lebih dari satu.
Pada percobaan pertama ini kita menggunakan kecepatan aliran yang subsonik
sehingga penjelasannya mengenai bagian divergen dibatasi untuk aliran subsonik.
Persamaan neraca energi untuk aliran adalah
dengan mengabaikan kerja, panas dan rugi kerja karena friksi kita dapatkan
dan
dari persamaan kontinuitas m = A.V = konstan, maka :
sehingga
2.2. Percobaan 3: Efisiensi Difuser
Penggunaan bagian konvergen dalam suatu aliran adalah untuk meningkatkan
kecepatan gas dan menurunkan tekanannya. Sedangkan dalam bagian divergen, aliran
itu bisa subsonik maupun supersonik. Tujuan penggunaan bagian divergen pada kedua
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 4
jenis aliran tersebut berbeda. Dalam aliran subsonik, tujuan penggunaan bagian
divergen adalah untuk menurunkan kecepatan dan mendapatkan kembali tekanan
sesuai persamaan Bernoulli. Dalam aliran supersonik, tujuan penggunaan bagian
divergen adalah untuk mendapatkan bilangan Mach yang lebih dari satu. Pada
dasarnya, bilangan Mach digunakan untuk mengekspresikan kecepatan relatif suatu
pesawat terbang terhadap kecepatan suara. Dengan Mach number, kecepatan dibagi
menjadi empat wilayah yaitu:
1. Subsonik (Mach < 1)
2. Sonik (Mach = 1)
3. Transonik (0.8 < Mach < 1.3)
4. Supersonik (Mach > 1)
5. Hypersonik (Mach < 5)
Persamaan neraca energi untuk aliran adalah:
Dengan mengabaikan kerja, panas dan rugi kerja kita dapatkan :
V 1=√2(P0−P1)
ρ0 dan V 2=√2
(P0−P2 )ρ0
Dari persamaan kontinuitas m = A.V = konstan, maka :
A1 . V 1=A2 .V 2
Jadi :
P0−P2=( A1
A2)2
. (P0−P1)
Diffuser merupakan suatu cara untuk memperlambat laju fluida, sedangkan
kebalikannya adalah nozzle yaitu suatu cara untuk mempercepat laju fluida.
Gambar x. Skema Alat Diffuser
Persamaan Bernoulli:
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 5P2−P1
ρ+
V 22−V 1
2
2=−ℑ
Δ ( Pρg
+z+ V 2
2 g )=−dW a,0
gdm−ℑ
g
Peningkatan tekanan yang disertai dengan penurunan kecepatan disebut
pressure recovery. Energi kinetik diubah sebagian menjadi injection work (ditunjukan
dengan bertambahnya tekanan) dan sebagian diubah menjadi friction heating.
Sangatlah mungkin unutk membuat diffuser dengan friction heating sekitar 1/10 dari
penurunan energi kinetik atau seperti yang telah diketahui, pressure recovery menjadi
90% dari kemungkinan terbesar membuat frictionless diffuser.
Konsep dari diffuser analog dengan cara memberhentikan sebuah mobil yang
bergerak cepat, pertama dengan cara membiarkannya terus melaju sampai puncak
teratas lalu mengubah energi kinetiknya menjadi sebuah energi potensial yang
berguna, kemudian memberhentikannya dengan menginjak rem yang akan mengubah
energi kinetik menjadi energi internal yang tidak begitu berguna.
Dari persamaan Bernoulli dapat dilihat bahwa aliran fluida yang bergerak
sangat cepat dapat mengubah energi kinetik menjadi energi potensial dengan
memanjat “gravity hill” menjadi injection work dengan memanjat “pressure hill” atau
menjadi energi internal dengan friction heating. Pada persamaan Bernoulli berlaku:
- Perubahanketinggiandan V1diabaikan
- Dengan asumsi kehilangan energy karena friksi diabaikan, walaupun
P2 lebih besar dari P1 tapi bagian ini sangat kecil dibandingkan dengan energy
kinetik.
Maka :
Pompa tidak melakukan kerja pada fluida ketika fluida telah meninggalkan ujung
blades sehingga
−dW a, 0
dm=0
Efisiensi dari saluran divergen atau diffuser boleh didefinisikan sebagai :
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 6
V 22
2=
−dW a, 0
dm
P2−P1
ρ=
V 22
2
η=C p
C pi
dimana
dan
Dalam percobaan, dengan mengkorelasikan Cp3 dengan Cp1 ,maka efisiensi
diffuser dapat didefinisikan sebagai :
Cpi merupakan koefisien pressure recovery untuk aliran ideal satu dimensi.
Persamaan di atas seringkali digunakan untuk mendefinisikan keadaan referensi
terhadap keadaan dimana performa diffuser nyata diukur.
2.3. Percobaan 4: Hubungan antara Koefisien Fraksi dengan Bilangan Reynold pada
Pipa
Bilangan Reynold merupakan bilangan tak berdimensi yang menyatakan
perbandingan gaya inersia terhadap gaya viskos pada suatu aliran fluida. Bilangan
Reynold juga menunjukkan karakteristik suatu aliran, yaitu laminar atau turbulen.
Besarnya bilangan Reynold suatu aliran di dalam pipa ditentukan oleh massa jenis
fluida, kecepatan aliran, viskositas, dan diameter pipa. Hubungan keempat besaran
tersebut terhadap nilai bilangan Reynold dinyatakan dengan persamaan
(2.3.1)
dengan Re : bilangan Reynold,
ρ : massa jenis,
η : viscositas/kekentalan,
v : kecepatan aliran,
D : diameter pipa.
Viskositas (μ) dari gas bergantung hanya pada suhu, dan berikut akan
diberikan viskositas yang berlaku untuk udara :
μ=1. 171 x 10−5 x (393θ+393 )( θ+273
273 )3/2
N . s/m2
(2.3.2)
di mana θ adalah suhu dalam oC.
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 7
C p=P2−P1
1/2 ρV 2
C pi=1−( A1
A2)2
( P3−P2
P1−P2)
Bilangan tak berdimensi lainnya yang berhubungan dengan karakterisitik
aliran fluida faktor friksi. Faktor friksi untuk aliran dalam pipa/sakuran ditentukan
dengan persamaan
f =14 ( D
L ) ( P0−PL)1
2 ρV 2 (2.3.3)
Gambar ___. Aliran Udara Melalui Pipa
Untuk aliran fluida melalui pipa seperti pada gambar di atas, faktor friksi dapat
dihitung dengan persamaan
f =d ( P2−P3 )
4 lk ( P0−P1 ) (2.3.4)
sementara bilangan Reynold dapat ditentukan dengan persamaan
Re=ρd /μ√ 2 k (P0−P1)ρ (2.3.5)
Faktor friksi merupakan fungsi dari bilangan Reynold. Hubungan empirik
antara faktor friksi dan bilangan Reynold ditemukan oleh beberapa ilmuwan melalui
percobaan, diantaranya oleh Blasius yang mendapatkan hubungan
f =0 , 079( Re)−0 , 25(2.3.6)
yang dapat digunakan hingga bilangan Reynold sekitar 105. Selain oleh Blasius,
hubungan empirik lainnya juga ditemukan oleh Nikuradse-von-Karman yaitu
1√ f
=4,0⋅log10(Re⋅√ f )−0 ,396(2.3.7)
2.4. Percobaan 5: Aliran Melalui Orifice
Orifice adalah alat yang digunakan untuk mengukur laju alir. Selain orifice
terdapat juga venturimeter. Venturimeter juga dapat digunakan untuk mengukur laju
alir. Alat ini lebih dahulu digunakan untuk keperluan pengukuran aliran. Orifice
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 8
merupakan flowmeter yang mempunyai beberapa keunggulan praktis dibanding
dengan venturi. Di antaranya adalah karena biayanya rendah, sederhana, mempunyai
ukuran fisik yang kecil, dan fleksibilitas untuk mengubah rasio throat terhadap
diameter pipa sehingga dapat mengukur laju alir dengan rentang cukup lebar. Namun,
orifice mengkonsumsi lebih banyak energi dalam bentuk pressure loss. Hal ini
ditunjukkan oleh nilai koefisien discharge yang kecil (C berkisar 0,6 – 0,7)
dibandingkan koefisien pelepasan venturi yang berkisar antara 0,94 – 0,99 (Perry’s
Chemical Engineer’s Handbook).
Orifice lebih banyak diapakai karena meteran venturi mempunyai kelemahan
tertentu dalam praktek pabrik pada umumnya. Venturimeter cukup mahal, mengambil
tempat cukup besar, dan rasio diameter leher terhadap diameter pipa tidak fleksibel
untuk diubah-ubah. Untuk ukuran meteran tertentu dengan sistem manometer tertentu
pula, rentang laju alir yang dapat diukur terbatas. Apabila laju aliran berubah menjadi
lebih kecil, diameter leher menjadi terlalu besar untuk memberikan bacaan yang teliti.
Atau sebaliknya, jika laju alir diperbesar maka diameternya menjadi terlalu kecil
untuk dapat menampung laju aliran maksimum yang baru. Orifice dapat mengatasi
kelemahan meteran venturi, sehingga orifice lebih disukai pada praktek industri pada
umumnya.
Instalasi orifice sangat mudah, yaitu dengan memasangnya di antara flanges.
Rentang laju alir yang bisa diukur oleh orifice sangat lebar, karena kita bisa
menyesuaikan perbandingan antara diameter lubang orifice dengan diameter pipa.
Penyadap tekanan, satu di hulu dan satu di hilir orifice tersebut dipasang dan
dihubungkan dengan manometer atau peralatan pengukuran tekanan lainnya. Posisi
lubang sadap dapat dipasang sembarang, dan koefisien meteran tersebut bergantung
pada letak lubang sadap itu. Tiga cara yang biasa digunakan untuk menempatkan
lubang sadap disajikan pada tabel berikut
Jenis
sadap
Jarak penyadap
dari hulu orifice dari hilir orifice
Flens 1 in. 1 in.
Vena
kontrakta
1 diameter pipa (inside
diameter sebenarnya)
0,3 sampai 0,8
diameter pipa,
bergantung pada
Pipa 2,5 kali diameter nominal 8 kali diameter
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 9
pipa nominal pipa
Jenis penyadapan yang paling baik adalah pada daerah vena kontrakta karena
pada vena kontrakta terjadi pressure drop yang paling besar. Seperti ditunjukkan pada
gambar berikut, penurunan tekanan terjadi dengan sangat drastis ketika aliran fluida
melewati orifice. Namun, masih terjadi penurunan tekanan sampai mencapai
minimumnya di daerah vena kontrakta. Kemudian terjadi pemulihan tekanan secara
perlahan sampai akhirnya tekanan menjadi relatif konstan. Tekanan terakhir ini
nilainya berada di bawah tekanan awal sebelum fluida melewati orifice. Pressure loss
yang terjadi ini karena orifice ini relatif besar, sehingga ini menjadi kelemahan dari
orifice dibanding flowmeter lain seperti venturi dan nozzle.
Gambar 5.1. Orificemeter Dengan Ilustrasi Perbedaan Tekanan Didalamnya.
Kadangkala laju alir yang diukur dengan perhitungan sedikit lebih besar
daripada yang diamati. Hal ini terjadi karena faktor friksi dalam meter yang seringkali
kita anggap 0 dan fakta bahwa aliran tidak seluruhnya melewati bidang perpotongan
pipa. Oleh karena itu, untuk mendapatkan nilai yang lebih benar, digunakanlah suatu
koefisien empiris yaitu koefisisen pelepasan (coefficient of discharge, Cv) yang
nilainya tergantung hanya pada bilangan Reynold. Hubungan Cv dan tekanan sebagai
berikut:
ΔP=ρV
22
2Cv 2 (1− A22
A12)
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 10
Koefisien Pelepasan
Koefisien pelepasan sering digunakan untuk mencari hubungan antara
piringan orifice dan nozzle. Koefisien pelepasan ini juga dapat diaplikasikan pada
venturimeter. Koefisien pelepasan ini menyatakan perbandingan antara aliran aktual
dengan aliran ideal. Nilai koefisien pelepasan yang rendah menandakan bahwa aliran
aktual lebih kecil jika dibandingkan dengan nilai teoritisnya. Nilai koefisien pelepasan
dari orificemeter adalah 0,63 dan nilai koefisien pelepasan untuk venturimeter adalah
0,98. Perbedaan nilai koefisien pelepasan ini dikarenakan pressure drop yag tinggi
pada orificemeter yang disebabkan oleh perbedaan luas penampang secara tiba-tiba.
Gambar 5.2. Grafik perbandingan koefisien pelepasan dengan diameter pipa.
Aliran yang melalui jalur pipa dapat dinyatakan dalam persamaan yang digunakan
yaitu rumus koefisien pelepasan, yaitu
m.=C . a√ 2ρ (P2−P3 )
1−n2...................(2.4.1)
dimana,
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
Untuk menghitung laju alir massa dapat digunakan persamaan:
m.=a1 .√2 ρ0 k (P0−P1) ................... (2.4.2)
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 11
sehingga kuadrat harga m di persamaan 5.1 menjadi
2 . a12 . ρ0 . k ( P0−P1 )=C2 a2
1−n2 2 . ρ2( P2−P3 )................... (2.4.3)
Untuk diferensial tekanana yang rendah, perbedaan ρ0 dan ρ2 akan cukup rendah,
sehingga persamaan 5.3 menjadi
k (P0−P1 )=C2 11−n2
a2
a12 (P2−P3)
................... (2.4.4)
2.5. Percobaan 6: Kompresor
Kompresor adalah alat yang digunakan untuk menaikkan tekanan suatu fluida/
gas dengan menurunkan volume dari fluida tersebut. Cara kerja kompresor
miripdengan pompa yaitu mengalirkan fluida dan menaikan temperatur dari fluida
tersebut.
Beberapa Jenis Kompresor
A. Reciprocating compressors . Kompresor ini menggunakan piston yang
digerakan oleh crankshaft. Piston-piston ini dapat bergerak atau diam, single
stage atau multi staged, dan dapat bekerja dengan bantuan mesin internal atau
motorelektronik. Kompesor ini sering ditemukan pada aplikasi otomotif.
B. Rotary compressors. Kompresor jenis ini memiliki beberapa kelemahan seperti
rumit, berat, mahal, dan hanya bisa digunakan untuk laju alir rendah. Dengan
adanya kenaikan tekanan dan gesekan antara fluida dengan dinding pipa maka
suhu fluida akan naik. Kenaikan suhu akan menimbulkan beberapa kerugian. Hal
ini dikarenakan volume spesifik dari fluida akan menjadi lebih besar.
Bertambahnya volume spesifik akan membuat kerja yang dibutuhkan untuk
memampatkan fluida per satuan massa akan menjadi lebih besar, dibandingkan
jika kompresi tersebut dilakukan secara isotermal.
C. Centrifugal compressors. Kompresor ini menggunakan piringan yang berputar
atau impeller untuk menaikkan kecepatan dari gas. Kompresor ini biasanya
digunakan pada industri petrokimia, pengilangan minyak, proses pengolahan gas
alam.
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 12
D. Axial-flow compressors. Kompresor ini merupakan dinamic rotating kompresor
yang digunakan seperti kipas angin untuk mengkompres fluida kerja. Kompresor
ini digunakan untuk aliran yang tinggi dan design yang rapat.
Efisiensi
Efisiensi kompresor secara umum didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja
kompresor isentropik dibandingkan dengan kerja kompresor nyata. Efisiensi terdiri
dari dua bagian yaitu efisiensi isotermal dan efisiensi secara total. Efisiensi isotermal
termodinamika hanya dipengaruhi oleh kondisi termodinamik yaitu suhu dan tekanan,
dan dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
ηtermo=( P3−P2
ρ0)(1− P3−P2
P0)
( γγ−1 )(R (θ3−θ2 ))
……(2.5 .1)
Sedangkan efisiensi isotermal keseluruhan dipengaruhi oleh laju alir massa dan
kecepatan poros kompresor, massa beban dan dapat dihitung dengan menggunakan
rumus:
ηtotal=m
P3−P2
ρo(1−
P3−P2
2 Po)
ωTr ……(2.5 .2)
dengan
m=a1√2 ρo k (P0−P1¿)……(2.5 .3)¿
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 13
BAB III
PROSEDUR PERCOBAAN
3.1. Percobaan 1: Pengaruh Proses Kompresi Pada Aliran
1. Memyambungkan pipa kovergen-divergen ke kompresor.
2. Pada percobaan pertama, laju alir udara diatur pertama-tama pada 15 kg/s
3. Mengukur beda tekanan pada P1 (P0-P1) dan P2 (P0-P2) pada pipa dengan
menggunakan manometer digital
4. Memvariasikan laju alir udara menjadi 15, 17, 19, 21, dan 23 kg/s
5. Pada percobaan kedua, laju alir udara diatur pertama-tama 30 kg/s
6. Mengukur beda tekanan pada P1 (P0-P1) dan P2 (P0-P2) pada pipa dengan
menggunakan manometer digital
7. Memvariasikan laju alir udara menjadi 30, 35, 40, 45, dan 50 kg/s
3.2. Percobaan 3: Efisiensi Difuser
1. Memasang alat-alat sesuai dengan urutan yang benar.
2. Menggunakan manometer untuk pengukur P0-P1; P0-P2; dan P0-P3 dengan cara
memasukkan selang ke lubang pada titik 1, 2, dan 3.
3. Membuat variasi laju udara yaitu 15, 17, 19, 21, 23, 30, 35, 40, 45, 50 (semua
dalam satuan kg/s).
4. Mencatat tekanan yang terukur pada setiap titik.
3.3. Percobaan 4: Hubungan antara Koefisien Fraksi dengan Bilangan Reynold pada
Pipa
1. Mengatur laju alir udara 32 kg/s, kemudian mengukur beda tekanan antara P0 –
P1, P0 – P2, dan P0 – P3 menggunakan manometer digital.
2. Mengulangi langkah di atas dengan memvariasikan laju alir udara sebesar 34
kg/s, 36 kg/s, 38 kg/s, dan 40 kg/s.
3. Membuat tabel f, Re, log (f), log (Re), 1/√f dan log (Nre . √f).
4. Menggambar grafik log f vs log Re dan 1/Öf vs log (ReÖf)
5. Mencari tahu apakah hubungan empirik Blasius f = 0,079Re-1/4 dapat dipakai
dan pada range Ree berapa?
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 14
6. Mencari tahu apakah hubungan Nikuradse–von Karman 1/√f = 4 log (Nre . √f) –
0,396 dapat digunakan dan pada range berapa?
3.4. Percobaan 5: Aliran Melalui Orifice
1. Menyambungkan 2 pipa yang terdapat orifice di bagian sambungannya dan
memasangkannya ke kompresor
2. Menyiapkan manometer digital dengan mengalibrasinya, lalu mengatur satuan
tekanan yaitu psi
3. Mengatur laju alir sebesar 36 kg/s lalu menunggu selama 1 menit
4. Mengukur P0-P1, P0-P2 dan P0-P3 dengan manometer digital
5. Menulangi langkah 3-4 dengan memvariasikan laju alirnya yaitu 36, 38, 40, 42,
44 kg/s.
6. Menggambarkan grafik hubungan antara (P0-P1) terhadap P2-P3. Lalu
menentukan harga C dari kemiringan grafik tersebut.
3.5. Percobaan 6: Kompresor
1. Memasang pipa pada output kompresor dengan baik dan memastikan
pemasangan dilakukan dengan tepat dan kencang
2. Mengatur aliran udara pada 34 m/s, 36 m/s, 40 m/s, 44 m/s, 46 m/s, dan 48 m/s
agar memberikan perubahan-perubahan P0-P1yang sama
3. Memberikan beban yang bervariasi pada pangkal pipa (output kompresor), yaitu
34 kg/s, untuk beban 60 gram laju alir udaranya yaitu 36 kg/s, untuk 70 gram
yaitu 40 kg/s, untuk beban 80 gram yaitu 44 kg/s, untuk beban 90 gram yaitu 46
kg/s, dan untuk beban 100 gram laju udaranya yaitu 48 kg/s
4. Menyambungkan manometer digital untuk mengatur tekanan pada ujung pipa
(P0-P1), tekanan pada tengah pipa (P0-P2), dan tekanan pada pangkal pipa(P0-
P3), dan megukur suhu input dan output kompresor dengan termometer digital
5. Membaca P0-P1,P0-P2,P0-P3, θ1(suhu masuk), θ2(suhu keluar), dan rpmpada
masing-masing laju alir udara
6. Menghitung efisiensi termodinamika dan efisiensi total
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 15
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 16
BAB IV
DATA PENGAMATAN
4.1. Percobaan 1: Pengaruh Proses Kompresi Pada Aliran
Tabel 4.1. Data Pengamatan Percobaan 1
Percobaan I bagian 1 Percobaan I bagian 2
Laju Udara
(kg/s)
Manometer (psi) Laju Udara
(kg/s)
Manometer (psi)
P0-P1 P0-P2 P0-P1 P0-P2
15 0 0.08 30 0 0.44
17 0 0.12 35 0 0.63
19 0 0.16 40 0.01 0.83
21 0 0.21 45 0.01 1.12
23 0 0.28 50 0.01 1.34
4.2. Percobaan 3: Efisiensi Difuser
Tabel 4.2. Data Pengamatan Percobaan 3
LajuUdara
(kg/s)
Manometer (psi)
P0-P1 P0-P2 P0-P3
15 0 0.08 0.02
17 0 0.12 0.03
19 0 0.16 0.04
21 0 0.21 0.05
23 0 0.28 0.06
30 0 0.44 0.1
35 0 0.63 0.15
40 0.01 0.83 0.21
45 0.01 1.12 0.27
50 0.01 1.34 0.34
4.3. Percobaan 4: Hubungan antara Koefisien Fraksi dengan Bilangan Reynold pada
Pipa
Tabel 4.3. Data Pengamatan Percobaan 4
Laju Udara Beda Tekanan (psi)
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 17
(kg/s) P0 – P1 P0 – P2 P0 – P3
32 0,04 0,08 0,11
34 0,05 0,09 0,13
36 0,05 0,10 0,15
38 0,06 0,12 0,18
40 0,07 0,13 0,18
4.4. Percobaan 5: Aliran Melalui Orifice
Tabel 4.4. Data Pengamatan Percobaan 4
Laju Udara (kg/s)Manometer (psi)
P0-P1 P0-P2 P0-P3
36 0.007 0.007 0.014
38 0.009 0.009 0.017
40 0.01 0.01 0.019
42 0.012 0.012 0.02
44 0.014 0.014 0.023
Diameter pipa dalam = 3.4 cm
Diameter pipa luar = 3.9 cm
Diameter orifice dalam = 1.9 cm
Diameter orifice luar = 3.9 cm
4.5. Percobaan 6: Kompresor
Tabel 4.5. Data Pengamatan Percobaan 5
Beban
(g)
Laju Udara
(kg/s)RPM Tin (0C) Tout (0C)
Manometer (psi)
P0-P1 P0-P2 P0-P3
50 34 1082 33,4 31,1 0,01 0,68 0,15
60 36 2310 33,5 31 0,01 0,75 0,17
70 40 2589 33,6 31,1 0,01 0,87 0,21
80 44 2882 33,7 30,8 0,01 1,10 0,28
90 46 3024 33,6 30,6 0,01 1,23 0,31
100 48 4707 33,5 30,8 0,02 1,35 0,33
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 18
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 19
BAB V
PENGOLAHAN DATA
5.1. Percobaan 1: Pengaruh Proses Kompresi Pada Aliran
Dari data-data percobaan tersebut dapat dibuat grafik antara P0-P2 vs P0-P1
pada kedua percobaan.
Grafik 5.1.1. P0-P1 vs P0-P2 pada Percobaan I bagian 1.
Grafik 5.1.2. P0-P1 vs P0-P2 pada Percobaan I bagian 2.
Kecepatan aliran udara di setiap titik dapat ditentukan berdasarkan percobaan
ataupun secara teoritis. Kecepatan di titik 1 dan titik 2 untuk percobaan dapat
menggunakan persamaan neraca energi:
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 20
Persamaan neraca energi diatasdapat disederhanakan dengan mengabaikan
kalor, kerja dan rugi kerja. Hasil penyederhanaannya adalah:
Menggunakan rumus tersebut, data-data di atas dapat digunakan untuk
menghitung kecepatan di masing-masing titik uji v1 dan v2. Massa jenis (ρ) fluida
yang beruba udara dapat ditentukan dengan menentukan Mr udara terlebih dahulu.
1 mol udara = 0.79 mol N2 + 0.21 mol O2
0.79 mol N2 = 22.12 gr
0.21 mol O2 = 6.72 gr
Mr udara = 22.12 gr/mol + 6.72 gr/mol
Mr udara = 28.84 gr/mol
Massa jenis udara didapatkan dengan mengasumsikan udara berada pada
kondisi ideal.
Setelah mendapatkan nilai kecepatan di masing-masing titik uji dari
percobaan, nilai P0-P2 teoritis dapat dievaluasi menggunakan persamaan least-square
pada grafik di atas. Persamaan least-square pada grafik di atas diturunkan dari
persamaan kecepatan di tiap titik dari neraca energi
dan
Persamaan kontinuitas m = A.v = konstan sehingga:
, dari kedua persamaan tersebut menghasilkan:
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 21
Dengan memplot P0-P2 sebagai sumbu y dan P0-P1 sebagai sumbu x seperti
grafik di atas maka gradien dari grafik tersebut merupakan perbandingan .
Nilai tersebut dapat digunakan mencari nilai v2 teoritis dengan
menggunakan persamaan kontuinitas di atas. Selanjutnya kita bisa menghitung
kesalahan relative kecepatan percobaan di titik 2 dengan persamaan
Hasil perhitungan v2 teoritis dan persen kesalahan relatif v2 percobaan di di
tiap laju udara ditampilkan pada tabel berikut.
Tabel 5.1.1. Pengolahan Data Percobaan 1
Bagian 1
Laju Udara
(kg/s)
Manometer (Pa)v1 (m/s) v2 (m/s)
P0-P2 teoritis
(Pa)
v2 teoritis
(m/s)% error
P0-P1 P0-P2
15 0 551.6 0 30.58935 0.08 0.368385976 -
17 0 827.4 0 37.46415 0.12 0.451178835 -
19 0 1103.2 0 43.25987 0.16 0.520976443 -
21 0 1447.95 0 49.56041 0.21 0.596853497 -
23 0 1930.6 0 57.22743 0.28 0.689187054 -
Bagian 2
Laju Udara
(kg/s)
Manometer (Pa)v1 (m/s) v2 (m/s)
P0-P2 teoritis
(pa)
v2 teoritis
(m/s)% error
P0-P1 P0-P2
30 0 3033.8 0 71.73838 0 0 ~
35 0 4343.85 0 85.84115 0 0 ~
40 68.95 5722.85
10.8149
7 98.52905 3872.71465 81.05239355 21.56217
45 68.95 7722.4
10.8149
7 114.4549 3872.71465 81.05239355 41.21096
50 68.95 9239.3
10.8149
7 125.1923 3872.71465 81.05239355 54.45849
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 22
5.2. Percobaan 3: Efisiensi Difuser
Pada percobaan ini menggunakan manometer untuk membaca P0-P1; P0-P2; dan
P0-P3 di mana efisiensi saluran divergen/diffuser adalah rasio perbedaan tekanan
antara titik masuk dan titik keluar diffuser sehingga persamaan efisiensi diffuser yang
digunakan pada percobaan ini adalah:
η=P3−P2
P1−P2
dengannilai (P3-P2) dan (P1-P2) didapatkandari:
( P3−P2)=( P0−P2)−( P0−P3 )
( P1−P2 )=( P0−P2 )−( P0−P1)
Berikutadalahhsilpengolahan data daripercobaan 3:
Tabel 5.2.1. Pengolahan Data Percobaan 3
LajuUdara
(kg/s)
Manometer (psi)P3-P2 P1-P2
Efisiensi
(%)P0-P1 P0-P2 P0-P3
15 0 0.08 0.02 0.06 0.08 75.00%
17 0 0.12 0.03 0.09 0.12 75.00%
19 0 0.16 0.04 0.12 0.16 75.00%
21 0 0.21 0.05 0.16 0.21 76.19%
23 0 0.28 0.06 0.22 0.28 78.57%
30 0 0.44 0.1 0.34 0.44 77.27%
35 0 0.63 0.15 0.48 0.63 76.19%
40 0.01 0.83 0.21 0.62 0.82 75.61%
45 0.01 1.12 0.27 0.85 1.11 76.58%
50 0.01 1.34 0.34 1 1.33 75.19%
Efisiensi rata-rata 76.06%
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 23
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.40
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
f(x) = 0.756178696357942 x + 0.00229943528658633R² = 0.999769439266499
P1-P2 vs P3-P2
P1-P2 vs P3-P2 Linear (P1-P2 vs P3-P2)
P1-P2 (psi)
P3-P
2 (p
si)
Grafik 5.2.1. P1-P2 vs P3-P2
Berdasarkan grafik di atas, didapatkan persamaan garis:
y=0.7562 x+0.0023
Dengan menganalogikan persamaan efisiensi diffuser menjadi:
( P3−P2)=η ( P1−P2 )
Untuk mendapatkan nilai efisiensinya dapat merata-ratakan antara η rata-rata
dengan η yang didapatkan dari grafik sehingga:
η=76.06 %+75.62 %2
η=75.84 %
5.3. Percobaan 4: Hubungan antara Koefisien Fraksi dengan Bilangan Reynold pada
Pipa
Beda tekanan pada data hasil percobaan di atas harus dikonversi dulu
satuannya menjadi Pascal. Kemudian dapat dihitung variabel-variabel yang
diperlukan menggunakan persamaan berikut:
1. Perhitungan koefisien friksi
dengan:
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 24
2. Perhitungan bilangan Reynold
dengan:
3. Persamaan Blasius
4. Persamaan Nikuradse von Karman
Tabel 5.3.1. Hasil Pengolahan Data untuk Korelasi Empirik oleh Blasius
Laju
Alir
(kg/s)
Beda Tekanan (Pa)(P2-P3) Re
f
(Blasius)log Re log f
(P0-P1) (P0-P2) (P0-P3)
32 275,79 551,58 758,42 206,84 40060,260,00559
14,6027 -2,2525
34 344,74 620,53 896,32 275,79 44788,730,00543
74,6512 -2,2646
36 344,74 689,48 1034,21 344,74 44788,730,00543
74,6512 -2,2646
38 413,69 827,37 1241,06 413,69 49063,590,00531
54,6908 -2,2745
40 482,63 896,32 1241,06 344,74 52994,74 0,00521
34,7242 -2,2829
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 25
Tabel 5.3.2. Hasil Pengolahan Data untuk Korelasi Empirik von Karman
Laju
Alir
(kg/s)
Beda Tekanan (Pa)(P2-P3) Re
log (Re
)(P0-P1) (P0-P2) (P0-P3)
32 275,79 551,58 758,42 206,84 40060,260,00148
46,701029 1,7743
34 344,74 620,53 896,32 275,79 44788,730,00158
37,006964 1,8507
36 344,74 689,48 1034,21 344,74 44788,730,00197
97,394604 1,9477
38 413,69 827,37 1241,06 413,69 49063,590,00197
97,552967 1,9872
40 482,63 896,32 1241,06 344,74 52994,740,00141
47,102348 1,8746
Grafik 5.3.1. Hubungan log(Re) versus log(f)
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 26
Grafik 5.3.2. Hubungan
5.4. Percobaan 5: Aliran Melalui Orifice
Untuk mencari nilai discharge coefficient (C) pada orifice adalah dengan
menggunakan persamaan Bernoulli sebagai berikut:
12
ρ2 v22+P2=
12
ρ3 v32+P3 … (5.4 .1 )
Persamaan Kontinuitas:
ρ2 A2 v2=ρ3 A3 v3 …(5.4 .2)
Dengan mengasumsikan ρ2=ρ3, maka persamaan (5.4.2) menjadi:
v2=v3A3
A2=v3
d32
d22 … (5.4 .3)
Bila persamaan (5.4.3) disubstitusikan ke dalam persamaan (5.4.1), maka didapatkan
persamaan:
P2−P3=12 ρ3 v3
2(1−d32
d22 )
v3=√ 2 ( P2−P3 )
ρ(1−d32
d22 )
…(5.4 .4)
Bila dikembalikan ke persamaan kontinuitas untuk area setelah orifice, persamaan
menjadi:
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 27
y m x
m=Cp A3 v3=C A3 √ 2 ρ ( P2−P3 )
(1−d3
2
d22 )
=C A3 √ 2 ρ (P2−P3 )(1−n2 )
… (5.4 .5)
Di sisi lain, persamaan Bernoulli untuk area sebelum orifice (yang mencakup area
sebelum dan sesuadah masuk pipa) adalah sebagai berikut:
P0=12
ρ1 v12+P1
P0−P1=12
ρ1 v12
v1=√ 2ρ ( P0−P1 ) …(5.4 .6)
Maka persamaan Kontinuitasnya adalah:
m=ρ 1 A1 v1=A1 √2ρ1 ( P0−P1) … (5.4 .7)
Bila kedua persamaan laju alir massa yang telah ditemukan ini disamakan (asumsi
steady state), dan nilai densitas udara dianggap sama di segala tempat, maka didapat
persamaan berikut:
A1 √2 ρ1 ( P0−P1 )=C A3 √ 2 ρ ( P2−P3 )(1−n2 )
A12 ( P0−P1 )=C2 A3
2 ( P2−P3 )(1−n2 )
( P0−P1)=C2 A32
A12 (1−n2 )
( P2−P3 ) …(5.4 .8)
Plot persamaan (5.4.8) sebagai persamaan linear, dimana (P0-P1) sebagai y, (P2-P3)
sebagai nilai x, dan nilai C2 A32
A12 (1−n2 )
sebagai slope.
Berikut table data yang akan diplot pada grafik:
Tabel 5.4.1. Pengolahan Data Percobaan 5
Laju Udara (kg/s)Manometer (Pa)
P0-P1 P0-P2 P0-P3 P2- P3
36 48.26332 48.26332 96.52664 48.26332
Laporan Praktikum UOP I: Compressible Flow 28
38 62.05284 62.05284 117.2109 55.15808
40 68.9476 68.9476 131.0004 62.05284
42 82.73712 82.73712 137.8952 55.15808
44 96.52664 96.52664 158.5795 62.05284
20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
10
20
30
40
50
60
70
f(x) = 0.226027397260273 x + 40.3296235616439R² = 0.532778864970645