aliran dalam pipa
DESCRIPTION
aliran fluida dalam pipaTRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang semakin modern pada saat
sekarang ini, kemudian berbagai perusahaan membutuhkan tenaga kerja yang sangat ahli
dan terampil dalam bekerja terutama di bidang permesinan. Dengan adanya teknologi
yang serba canggih pada saat ini juga sangat membantu dan mempermudah manusia
dalam melakukan setiap pekerjaannya termasuk mengoperasikan sistem aliran dalam
pipa.
Fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari benda padat karena
kemampuannya untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena kemampuannya
untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena ikatan molekul dalam fluida jauh
lebih kecil dari ikatan molekul dalam zat padat, akibatnya fluida mempunyai hambatan
yang relatif kecil pada perubahan bentuk karena gesekan.
Pada umumnya setiap mahasiswa jurusan teknik mesin harus dapat memahami
dan menguasai prinsip-prinsip dasar dalam mengoperasikan sistem aliran dalam pipa.
Dengan melakukan sebuah praktikum aliran dalam pipa diharapkan mahasiswa jurusan
teknik mesin akan mengetahui proses, mengetahui alat-alat yang digunakan pada saat
praktikum aliran dalam pipa, memperoleh skill dan sikap yang profesional serta
mengetahui faktor-faktor keamanan pada proses aliran dalam pipa.
Dengan mengetahui prinsip-prinsip dasar mengoperasikan aliran dalam pipa,
diharapkan agar setiap mahasiswa jurusan teknik mesin mempunyai keahlian dan
keterampilan sehingga mampu berfikir kreatif dan dinamis dalam memecahkan berbagai
persoalan yang dihadapi di dunia kerja secara efektif dan efisien.
1.2 Maksud dan Tujuan
1
2
1. Mahasiswa dapat menjelaskan mengenai aliran dalam pipa.
2. Mahasiswa dapat mengetahui jenis-jenis aliran dan kegunaannya.
3. Mahasiswa dapat mengetahui bagaimana prinsip kerja dari praktikum aliran
dalam pipa.
4. Mahasiswa dapat mengetahui alat-alat ukur yang digunakan dalam praktikum
aliran dalam pipa.
5. Mahasiswa mampu menerapkan K3 dalam pengoperasian aliran dalam pipa.
1.3 Sistematika Penulisan
Dalam laporan praktikum aliran dalam pipa ini terdapat sistematika penulisan sebagai
berikut :
BAB I Pendahuluan
Bab ini terdiri dari latar belakang, maksud dan tujuan, serta sistematika penulisan.
BAB II Teori Dasar
Bab ini terdiri dari teori-teori dasar yang mengenai aliran dalam pipa.
BAB III Jurnal Praktikum
Bab ini terdiri dari maksud dan tujuan, alat dan bahan, langkah kerja dari setiap
percobaan dan kesimpulan.
BAB IV Pembahasan Soal
Bab ini terdiri dari soal-soal yang berkaitan dengan aliran dalam pipa beserta
jawabannya.
BAB V Penutup
Bab ini berisikan tentang kesimpulan-kesimpulan yang dapat ditarik dari praktikum
yang telah dilaksanakan.
BAB II
TEORI DASAR
2.1 Pengertian Aliran Dalam Pipa
Aliran dalam pipa adalah aliran zat cair atau fluida pada saluran tertutup yang
biasanya berpenampang lingkaran yang digunakan untuk mengalirkan fluida dengan
tampang aliran penuh. Fluida atau zat cair (termasuk uap air dan gas) dibedakan dari
benda padat karena kemampuannya untuk mengalir. Fluida lebih mudah mengalir karena
ikatan molekul dalam fluida jauh lebih kecil dari ikatan molekul dalam zat padat,
akibatnya fluida mempunyai hambatan yang relatif kecil pada perubahan bentuk karena
gesekan. Zat padat mempertahankan suatu bentuk dan ukuran yang tetap, sekalipun suatu
gaya yang besar diberikan pada zat padat tersebut, zat padat tidak mudah berubah bentuk
maupun volumenya, sedangkan zat cair dan gas, zat cair tidak mempertahankan bentuk
yang tetap, zat cair mengikuti bentuk wadahnya dan volumenya dapat diubah hanya jika
diberikan padanya gaya yang sangat besar dan gas tidak mempunyai bentuk dan maupun
volume yang tetap, gas akan berkembang mengisi seluruh wadah. Karena fase cair dan
gas tidak mempertahankan suatu bentuk yang tetap, keduanya mempunyai kemampuan
untuk mengalir. Dengan demikian kedua-duanya sering secara kolektif disebut sebagai
fluida.
Gambar 2.1 Aliran dalam pipa3
4
Fluida yang di alirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas dan tekanan bisa
lebih besar atau lebih kecil dari tekanan atmosfer. Apabila zat cair di dalam pipa tidak
penuh maka aliran termasuk dalam aliran saluran terbuka atau karena tekanan di dalam
pipa sama dengan tekanan atmosfer (zat cair di dalam pipa tidak penuh), aliran temasuk
dalam pengaliran terbuka. Karena mempunyai permukaan bebas, maka fluida yang
dialirkan dalah zat cair. Tekanan dipermukaan zat cair disepanjang saluran terbuka adalah
tekanan atmosfer.
2.2 Jenis-Jenis Aliran Dalam Pipa
2..2.1 Aliran Laminer
Laminer bersal dari bahasa latin thin plate yang berarti plate tipis atau aliran
sangat halus. Pada aliran laminer, gaya viscous (gesek) yang relatif besar
mempengaruhi kecepatan aliran sehingga semakin mendekati dinding pipa,
semakin rendah kecepatannya. Secara teori, aliran ini berbentuk parabola dengan
bagian tengah mempunyai kecepatan paling pinggir mempunyai kecepatan paling
rendah akibat adanya gaya gesekan.
Gambar 2.2 Aliran Laminer
5
2.2.2 Aliran Turbulen
Pada aliran turbulen, gaya momentum aliran lebih besar dibandingkan gaya
gesekan dan pengaruh dari dinding pipa menjadi kecil. Karenanya aliran turbulen
memberikan profil kecepatan yang lebih seragam dibandingkan aliran laminer,
walaupun pada lapisan fluida dekat dinding pipa tetap laminer. Profil kecepatan
pada daerah transisi antara laminer dan turbulen dapat tidak stabil dan sulit untuk
diperkirakan karena aliran dapat menunjukkan sifat dari daerah aliran laminer
maupun turbulen atau osilasi antara keduanya. Pada beberapa tempat, aliran
turbulen dibutuhkan untuk pencampuran zat cair
Gambar 2.3 Aliran Turbulen
Untuk pipa-pipa halus dan kasar hukum-hukum tahanan universal dapat
diturunkan dari :
f = ...............................................................................................(2.1)
Keterangan: f = faktor gesek.
0 τ = tegangan geser pada dinding pipa.
= kerapatan air (density).
V = kecepatan aliran.
6
Untuk menentukan tegangan geser yang ditimbulkan oleh turbulensi,
dipandang aliran zat cair melalui suatu elemen dengan luas dA.
2.2.3 Aliran Transisi
Aliran transisi yaitu merupakan salah satu aliran-aliran peralihan dari aliran
laminar ke aliran yang turbulen.
Gambar 2.4 Aliran Transisi
Jenis aliran fluida didalam pipa tergantung pada beberapa faktor, yaitu :
1. Kecepatan fluida (V) didefinisikan besarnya debit aliran yang mengalir persatuan
luas.
V = .......................................................................(2.2)
2. Debit (Q) didefinisikan suatu kecepatan aliran fluida yang memberikan banyaknya
volume fluida dalam pipa.
Q = A х V [ m3.detik ].......................................................................(2.3)
Dimana : V = kecepatan aliran (m)
Q = laju aliran (m3)
7
A = luas pipa (m2)
2.3 Sifat-Sifat Dasar Fluida
Cairan dan gas disebut fluida, sebab zat cair tersebut dapat mengalir. Untuk
mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida. Adapun sifat –
sifat dasar fluida yaitu; kerapatan (density), berat jenis (specific gravity), tekanan
(pressure), kekentalan (viscosity).
2.3.1 Kerapatan (Density)
Kerapatan atau density dinyatakan dengan ρ (ρ adalah huruf kecil Yunani yang
dibaca “rho”), didefinisikan sebagai massa per satuan volume.
...................................................................................(2.4)
Dimana : = kerapatan (kg/m3)
m = massa benda (kg)
v = volume (m3)
Pada persamaan 2.2 diatas, dapat digunakan untuk menuliskan massa dengan
persamaan sebagai berikut :
m = x v ...................................................................................(2.5)
Dimana : = kerapatan (kg/m3)
m = massa benda (kg)
v = volume (m3)
Kerapatan adalah suatu sifat karakteristik setiap bahan murni. Benda tersusun
atas bahan murni, misalnya emas murni, yang dapat memiliki berbagai ukuran ataupun
massa, tetapi kerapatannya akan sama untuk semuanya. Satuan SI untuk kerapatan
adalah kg/m3. Kadang kerapatan diberikan dalam g/cm3. Dengan catatan bahwa jika
kg/m3 = 1000 g/(100 cm)3, kemudian kerapatan yang diberikan dalam g/cm3 harus
dikalikan dengan 1000 untuk memberikan hasil dalam kg/m3. Dengan demikian
kerapatan air adalah 1,00 g/cm3, akan sama dengan 1000 kg/m3. Berbagai kerapatan
bahan diunjukkan pada tabel 1.1. Dalam tabel 1.1 tersebut ditetapkan suhu dan
8
tekanan karena besaran ini akan dipengaruhi kerapatan bahan (meskipun pengaruhnya
kecil untuk zat cair).
Tabel 2.1 Berbagai Kerapatan (Density) Bahan
Bahan Kerapatan (kg/m3)
Cair
Air pada suhu 40C 1.00 x 103
Darah, plasma 1.03 x 103
Darah seluruhnya 1.05 x 103
Air laut 1.025 x 103
Raksa 13.6 x 103
Alkohol, alkyl 0.79 x 103
Bensin 0.68 x 103
Gas
Udara 1.29
Helium 0.179
Karbon dioksida 1.98
Uap air pada suhu 1000C 0.598
2.3.2 Berat Jenis (Specific Gravity)
Berat jenis suatu bahan didefinikan sebagai perbandingan kerapatan bahan
terhadap kerapatan air. Berat jenis (specific gravity disingkat SG) adalah besaran
murni tanpa dimensi maupun satuan, dinyatakan pada persamaan 2-3 dan 2-4
sebagai berikut:
Untuk fluida cair SGc = ...........................................................(2.6)
9
Untuk fluida cair SGg = ...........................................................(2.7)
Dimana : ρc = massa jenis cairan (g/cm3)
ρw= massa jenis air (g/cm3)
ρg = massa jenis gas (g/cm3)
ρa = massa jenis udara (g/cm3)
2.3.3 Tekanan (Pressure)
Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, dengan gaya F
dianggap bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan A, maka :
P = [N/m2] ...................................................................................(2.8)
Dimana : P = tekanan (N/m2)
F = gaya (N)
A = luas permukaan (m2)
Satuan tekanan dalam SI adalah N/m2. Satuan ini mempunyai nama resmi
Pascal (Pa), untuk penghormatan terhadap Blaise Pascal dipakai 1 Pa = 1 N/m2.
Namun untuk penyederhanaan, sering menggunakan N/m2. Satuan lain yang
digunakan adalah dyne/cm2, lb/in2, (terkadang disingkat dengan “psi”) dan kg/cm2
(apabila kilogram adalah gaya : yaitu 1 kg/cm2 = 10 N/cm2). Sebagai contoh
perhitungan tekanan, seorang dengan berat 60 kg yang kedua kakinya menutupi
luasan 500 cm2 akan menggunakan tekanan sebesar : F/A = m.g/A = (60 kg х 9,8
m/det2) / 0,050 m2 = 11760 kg/m2 = 12 х 104 N/m2 terhadap tanah. Jika orang
10
tersebut berdiri dengan satu kaki atau dua kaki dengan luasan yang lebih kecil,
gayanya akan sama tetapi karena luasannya menjadi 1⁄2 maka tekanannya akan
menjadi dua kali yaitu 24 х 104 N/m2.
Konsep tekanan sangat berguna terutama dalam berurusan dengan fluida.
Sebuah fakta eksperimental menunjukkan bahwa fluida menggunakan tekanan ke
semua arah. Hal ini sangat dikenal oleh para perenang dan juga penyelam yang
secara langsung merasakan tekanan air pada seluruh bagian tubuhnya. Pada titik
tertentu dalam fluida diam, tekanan sama untuk semua arah. Ini diilustrasikan
dalam gambar 2.5. Bayangan fluida dalam sebuah kubus kecil sehingga kita dapat
mengabaikan gaya gravitasi yang bekerja padanya. Tekanan pada suatu sisi harus
sama dengan tekanan pada sisi yang berlawanan. Jika hal ini tidak benar, gaya netto
yang bekerja pada kubus ini tidak akan sama dengan nol, dan kubus ini akan
bergerak hingga tekanan yang bekerja menjadi sama..
Gambar 2.5 Sebuah kubus
Tekanan adalah sama di setiap arah dalam suatu fluida pada kedalaman
tertentu jika tidak demikian maka fluida akan bergerak. Tekanan dalam cairan yang
mempunyai kerapatan seragam akan bervariasi terhadap kedalaman. Bayangan
sebuah titik yang terletak pada kedalaman h dibawah permukaan cairan. Bayangan
sebuah titik yang terletak pada kedalaman h dibawah permukaan cairan. Tekanan
yang disebabkan oleh cairan pada kedalaman h ini disebabkan oleh berat kolom
cairan di atasnya.
Dengan demikian gaya yang bekerja pada luasan tersebut adalah
F = mg = ρAhg .......................................................................(2.9)
Dimana : m adalah massa dari suatu benda (kg)
11
F adalah gaya yang bekerja (N)
Ah adalah volume kolom tersebut (m3)
ρ adalah kerapatan cairan (kg/m3)
g adalah percepatan gravitasi (m/s2)
Kemudian tekanan P adalah
P = = ....................................................................(2.10)
P = x g x h .....................................................................(2.11)
Dengan demikian, tekanan berbanding lurus dengan kerapatan cairan dan
kedalaman cairan tersebut. Secara umum, tekanan pada kedalaman yang sama
dalam cairan yang seragam sama. Persamaan 2.8, berlaku untuk fluida yang
kerapatannya konstan dan tidak berubah terhadap kedalaman yaitu, jika fluida
tersebut tak dapat dimampatkan (incompressible). Ini biasanya merupakan
pendekatan yang baik untuk fluida (meskipun pada kedalaman yang sangat dalam
didalam lautan, kerapatan air naik terutama akibat pemampatan yang disebabkan
oleh berat air dalam jumlah besar diatasnya). Dilain pihak, gas dapat mampat dan
kerapatannya dapat bervariasi cukup besar terhadap perubahan kedalaman. Jika
kerapatannya hanya bervariasi sangat kecil, persamaan 2.9 berikut dapat digunakan
untuk menentukan perbedaan tekanan Δp pada ketinggian yang berbeda,
persamaannya dapat dituliskan seperti dibawah ini :
Δp = ρ g Δh [ mmHg ] .........................................................(2.12)
Dimana : Δp = perbedaan tekanan (mmHg)
ρ = kerapatan (kg/m3)
g = gravitasi (m/det2)
Δh = pertambahan kedalaman (m)
2.3.4 Kekentalan (Viscosity)
Kekentalan (Viscosity) didefinisikan sebagai gesekan internal atau gesekan
fluida terhadap wadah dimana fluida itu mengalir. Ini ada dalam cairan atau gas,
12
dan pada dasarnya adalah gesekan antar lapisan fluida yang berdekatan ketika
bergerak melintasi satu sama lain atau gesekan antara fluida dengan wadah tempat
ia mengalir. Dalam cairan, kekentalan disebabkan oleh gaya kohesif antara
molekul-molekulnya sedangkan gas, berasal tumbukan diantara molekul-molekul
tersebut. Kekentalan fluida yang berbeda dapat dinyatakan secara kuantatif dengan
koefisien kekentalan, η yang didefinisikan seperti fluida diletakkan diantara dua
lempengan datar. Salah satu lempengan diam dan yang lain dibuat bergerak. Fluida
yang secara langsung bersinggungan dengan masing-masing lempengan ditarik
pada permukaanya oleh gaya rekat diantara molekul-molekul cairan dengan kedua
lempengan tersebut. Dengan demikian permukaan fluida sebelah atas bergerak
dengan laju v yang seperti lempengan atas, sedangkan fluida yang bersinggungan
dengan lempengan diam bertahan diam.
Kenaikan kecepatan dibagi oleh jarak dengan perubahan ini dibuat – sama
dengan v/I disebut gradien kecepatan. Untuk menggerakkan lempengan diatas
memerlukan gaya, yang dapat dibuktikan dengan menggerakkan lempengan datar
melewati genangan fluida. Untuk fluida tertentu, diperoleh bahwa gaya sebagai
berikut:
F = ] .....................................................................................(2.13)
Untuk fluida yang berbeda, fluida yang kental, diperlukan gaya yang lebih
besar. Tetapan kesebandingan untuk persamaan ini didefinisikan sebagai koefisien
kekentalan, η :
η = .....................................................................................(2.14)
Dimana : F = gaya (kg/m2)
13
A = luasan fluida yang bersinggungan dengan setiap lempengan (m2)
V = kecepatan fluida (m/detik2)
L = Jarak lempengannya (m2)
η = koefisien kekentalan (pa.s)
Penyelesaian untuk η, kita peroleh η = FI/vA. Satuan SI untuk η adalah
N.s/m2 = Pa.s (pascal.detik). Dalam sistem cgs, satuan ini adalah dyne.s/cm2 dan
satuan ini disebut poise (P). Kekentalan sering dinyatakan dalam centipoises (cP),
yaitu 1/100 poise. Tabel 2.2 menunjukkan daftar koefisien kekentalan untuk
berbagai fluida. Suhu juga dispesifikasikan, karena mempunyai efek yang
berpengaruh dalam menyatakan kekentalan cairan seperti minyak motor, sebagai
contohnya, menurun dengan cepat terhadap kenaikan suhu.
Tabel 2.2 Koefisien kekentalan untuk berbagai fluida
Fluida Suhu Koefisien kekentalan η (Pa.s)
Air
0 1,8 x 10-3
20 1,0 x 10-3
100 0,3 x 10-3
Darah seluruh tubuh 37 4 x 10-3
Plasma darah 37 1,5 x 10-3
Alkohol ethyl 20 1,2 x 10-3
Mesin-mesin 30 200 x 10-3
Gliserin 20 1500 x 10-3
Udara 20 0,018 x 10-3
Hidrogen 0 0,009 x 10-3
Uap air 100 0,013 x 10-3
14
2.4 Aliran Dalam Tabung
Jika fluida tidak mempunyai kekentalan, ia dapat mengalir melalui tabung atau
pipa mendatar tanpa memerlukan gaya. Oleh karena itu adanya kekentalan, perbedaan
tekanan antara kedua ujung tabung diperlukan untuk aliran mantap setiap fluida nyata,
misalnya air atau minyak didalam pipa. Laju alir dalam tabung bulat bergantung pada
kekentalan fluida, perbedaan tekanan, dan dimensi tabung. Seorang ilmuan Perancis J.L
Poiseuille (1977-1869), yang tertarik pada fisika sirkulasi darah (yang menamakan
“poise”), menentukan bagaimana variabel yang mempengaruhi laju aliran fluida yang tak
dapat mampat yang menjalani aliran laminar dalam sebuah tabung silinder. Hasilnya
dikenal sebagai persamaan Poiseuille sebagai berikut : Jika arus lewat pada suatu
konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah medan magnet ditentukan
oleh arah aliran arus pada konduktor.
Q = .................................................................................(2.15)
Dimana : r = jari-jari dalam tabung (m)
L = panjang tabung (m)
P1-P2 = perbedaan tekanan pada kedua ujung (atm)
η = kekentalan (P.s/m2)
Q = laju aliran volume (m3/detik)
2.4.1 Persamaan Kontuinitas
Gerak fluida didalam suatu tabung aliran haruslah sejajar dengan dinding
tabung. Meskipun besar kecepatan fluida dapat berbeda dari suatu titik ke titik lain
didalam tabung. Pada gambar II-4 menunjukkan tabung aliran untuk membuktikan
persamaan kontinuitas.
15
Gambar 2.6 Tabung aliran membuktikan persamaan kontuinitas
Pada gambar 2.6, misalkan pada titik P besar kecepatan adalah V1, dan pada
titik Q adalah V2. Kemudian A1 dan A2 adalah luas penampang tabung aliran
tegak lurus pada titik Q. Didalam interval waktu Δt sebuah elemen fluida mengalir
kira-kira sejauh VΔt.
Maka massa fluida Δm1 yang menyeberangi A1 selama interval waktu Δt adalah
Δm = ρ1 A1 V1 Δt .....................................................................(2.16)
Dengan kata lain massa Δm1/Δt adalah kira-kira sama dengan ρ1A1V1.
Kita harus mengambil Δt cukup kecil sehingga didalam interval waktu ini baik V
maupun A tidak berubah banyak pada jarak yang dijalani fluida, sehingga dapat
ditulis massa di titik P adalah ρ1A1V1 massa di titik Q adalah ρ2A2V2, dimana ρ1
dan ρ2 berturut-turut adalah kerapatan fluida di P dan Q. Karena tidak ada fluida
yang berkurang dan bertambah maka massa yang menyeberangi setiap bagian
tabung per satuan waktu haruslah konstan. Maka massa P haruslah sama dengan
massa di Q, sehingga dapatlah ditulis;
ρ1A1V1 = ρ2A2V2 .....................................................................(2.17)
atau
ρ A V = konstan .....................................................................(2.18)
Persamaan (2-19) berikut menyatakan hukum kekekalan massa didalam fluida. Jika
fluida yang mengalir tidak termampatkan, dalam arti kerapatan konstan maka
persamaan (2-19) dapat ditulis menjadi :
16
A1 V1 = A2 V2 .....................................................................(2.19)
atau
A V = konstan .....................................................................(2.20)
Persamaan diatas dikenal dengan persamaan kontinuitas.
2.5 Pengenalan Alat Ukur
Didalam pabrik-pabrik pengolahan dilengkapi dengan berbagai macam alat
pengoperasian. Setiap peralatan saling mendukung antara satu peralatan dengan peralatan
lainnya. Untuk mencapai hasil yang diinginkan maka diperlukan peralatan pendukung.
Salah satu peralatan pendukung yang penting dalam suatu pabrik adalah peralatan
instrument pabrik. Peralatan instrument merupakan bagian dari kelengkapan
keterpasangan peralatan yang dapat dipergunakan untuk mengetahui dan memperoleh
sesuatu yang dikehendaki dari suatu kegiatan kerja peralatan mekanik. Salah satu
peralatan instrument yang penting adalah alat ukur. Penggunaan alat ukur dalam pabrik
sangat banyak digunakan, ini bertujuan untuk menjaga agar hasil yang diinginkan sesuai
dengan kebutuhan sehingga perlu adanya peliharaan/perawatan dari alat ukur.
Alat-alat ukur instrument yang dipergunakan untuk mengukur dan menunjukkan
besaran suatu fluida disebut sebagai alat ukur aliran fluida, yaitu ;
1. Alat Ukur Primer
Yang dimaksud dengan alat ukur primer adalah bagian alat ukur yang berfungsi
sebagai alat perasa.
2. Alat Ukur Sekunder
Alat ukur sekunder adalah bagian yang mengubah dan menunjukkan besaran aliran
yang dirasakan alat perasa supaya dapat dibaca. Alat ukur yang sering kita jumpai di
dalam pabrik dibagi menurut fungsinya yaitu;
a. Alat Pengukur Aliran
Alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan aliran dari fluida yang mengalir.
b. Alat pengukur tekanan
Alat yang digunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran tekanan dari
fluida.
c. Alat pengukur tinggi permukaan cairan
17
Alat yang digunakan untuk mengukur ketinggian permukaan fluida.
d. Alat pengukur temperatur
Alat yang digunakan untuk mengukur dan menunjukkan besaran temperatur.
2.6 Mengatur Kecepatan Pada Armateur
Jika fluks Φ tetap dijaga konstan, dan kecepatannya berubah berdasarkan
armature voltage (Es). Dengan naiknya atau turunnya Es, kecepatan motor akan naik atau
turun sesuai dengan perbandingannya.
Pada gambar di atas dapat dilihat bahwa Es dapat divariasikan dengan
menghubungkan motor armature M ke excited variable voltage dc generator G yang
berbeda. Field excitation dari motor tetap dijaga tetap kosntan, tetapi generator Ix bisa
divariasikan dari nol sampai maksimum dan bahkan sebaliknya. Oleh sebab itu generator
output voltage Es bisa divariasikan dari nol sampai maksimum, baik dalam polaritas
positif maupun negatif. Oleh karena itu, kecepatan motor dapat divariasikan dari nol
sampai maksimum dalam dua arah. Metode speed control ini, dikenal sebagai sistem
Ward-Leonard, ditemukan di pabrik baja (steel mills), lift bertingkat, pertambangan, dan
pabrik kertas.
Dalam instalasi modern, generator sering digantikan dengan high power
electronic converter yang mengubah ac power dari listrik ke dc. Ward-Leonard sistem
lebih dari sekadar cara sederhana dengan menerapkan suatu variabel dc ke armature dari
motor dc. Hal tersebut benar-benar dapat memaksa motor utnuk mengembangkan torsi
dan kecepatan yang dibutuhkan oleh beban.
Contohnya, misalkan Es disesuaikan dengan sedikit lebih tinggi daripada Eo dari motor.
Arus akan mengalir dengan arah sesuai dengan gambar di atas, dan motor
mengembangkan torsi yang positif. Armature dari motor menyerap power karena I
mengalir ke terminal positif.
Sekarang, misalkan kita mengurangi Es dengan mengurangi excitation ΦG.
Segera setelah Es menjadi kurang dari Eo, arus I berbalik. Hasilnya, torsi motor berbalik
dan armature dari motor menghantarkan daya ke generator G. Akibatnya, motor dc
18
mendadak menjadi generator dan generator G mendadak menjadi motor. Maka, dengan
mengurangi Es, motor tiba-tiba dipaksa untuk memperlambat.
Saat generator menerima daya listrik, generator beroperasi sebagai motor
mengendalikan motor ac sendiri sebagai asynchrounous generator. Hasilnya, ac power
memberikan kembali ke rangkaian yang biasanya memberikan motor ac. Kenyataannya
daya bisa diperoleh kembali, cara ini membuat Ward-Leonard sistem menjadi sangat
efisien.
Kecepatan dari motor dan dihubungkan ke beban mekanis akan cepat jatuh
dibawah pengaruh electromechanical braking torque.
Cara lain untuk mengontrol kecepatan dari motor dc adalah menempatkan rheostat yang
diserikan dengan armature. Arus dalam rheostat menghasilkan voltage drop jika
dikurangi dari fixed source voltage Es, menghasilkan tegangan suplai yang lebih kecil
dari armature. Metode ini memungkinkan kita untuk mengurangi kecepatan dibawah
kecepatan nominalnya. Ini hanya direkomendasikan untuk motor kecil karena banyak
daya dan pasa yang terbuang dalam rheostat, dan efisiensi keseluruhannya rendah. Di
samping itu, pengaturan kecepatan lemah, bahkan untuk rheostat yg diatur fixed.
Akibatnya, IR drop sedangkan rheostat meningkat sebagaimana arus armature
meningkat. Hal ini menghasilkan penurunan kecepatan yang
besar dengan naiknya beban mekanis.
2.7 Mengatur Kecepatan Dengan Field
Berdasarkan persamaan di atas kita juga dapat memvariasikan kecepatan motor dc
dengan memvariasikan field fluks Φ. Tegangan armature Es tetap dijaga konstan agar
numerator pada persamaan di atas juga konstan. Oleh sebab itu, kecepatan motor
sekarang berubah perbandingannnya ke fluks Φ; jika kita menaikkan fluksnya, kecepatan
akan jatuh dan sebaliknya.
Metode dari speed control ini seringkali digunakan saat motor harus dijalankan
diatas kecepatan rata-ratanya disebut base speed. Untuk mengatur fluks (dan
kecepatannya), kita menghubungkan rheostat Rf secara seri dengan field-nya.
19
Untuk mengerti metode speed control, awalnya berjalan pada kecepatan konstan.
Counter emf Eo sedikit lebih rendah dari tegangan suplai armature Es, karena penurunan
IR armature. Jika tiba-tiba hambatan dari rheostat ditingkatkan, baik exciting current Ix
dan fluks Φ akan berkurang. Hal ini segera mengurangi emf Eo, menyebabkan arus
armature I melonjak ke nilai yang lebih tinggi. Arus berubah secara dramatis karena
nilainya tergantung pada perbedaam yang sangat kecil antara Es dan Eo.
Meskipun field-nya lemah, motor mengembangkan torsi yang lebih besar dari
sebelumnya. Itu akan mempercepat sampai Eo hampir sama dengan Es.
Untuk lebih jelasnya, untuk mengembangkan Eo yang sama dengan fluks yang
lebih lemah, motor harus berputar lebih cepat. Oleh karena itu kita dapat meningkatkan
kecepatan motor di atas nilai nominal dengan memperkenalkan hambatan di dalam seri
dengan field. Untuk shunt wound motors, metode dari speed control memungkinkan high
speed/base speed rasio setinggi 3 : 1. Range broader speed cenderung menghasilkan
ketidakstabilan dan miskin pergantian.
Di bawah kondisi-kondisi abnormal tertentu, fluks mungkin akan drop ke nilai
rendah yang berbahaya. Sebagai contoh, jika arus exciting dari motor shunt sengaja
diputus, satu-satunya fluks yang tersisa adalah remanent magnetism (residual
magnetism) di kutub. Fluks ini terlalu kecil bagi motor untuk berputar pada kecepatan
tinggi yang berbahaya untuk menginduksi yang diharuskan. Perangkat keamanan
diperkenalkan untuk mencegah kondisi seperti pelarian.
2.8 Shunt Motor Under Load
Mempertimbangkan sebuah motor dc berjalan tanpa beban. Jika beban mekanis
tiba-tiba diterapkan pada poros, arus yang kecil tanpa beban tidak menghasilkan torsi
untuk membawa beban dan motor mulai perlahan turun. Ini menyebabkan cemf
berkurang, menghasilkan arus yang lebih tinggi dan torsi lebih tinggi. Saat torsi
dikembangkan oleh motor adalah sama dengan torsi yang dikenakan beban mekanik,
kemudian, kecepatan akan tetap konstan. Untuk menyimpulkan, dengan meningkatnya
beban mekanis, arus armature akan naik dan kecepatan akan turun. Kecepatan motor
shunt akan tetap relatif konstan dari tidak ada beban ke beban penuh. Pada motor yang
kecil, itu hanya turun sebesar 10-15 persen saat beban penuh ditambahkan. Pada mesin
yang besar, drop-nya bahkan berkurang, sebagian ke hambatan armature yang paling
20
rendah. Dengan menyesuaikan field rheostat, kecepatan harus dijaga agar benar-benar
konstan sesuai dengan perubahan beban.
2.9 Series Motor
Motor seri identik dalam kosntruksi untuk motor shunt kecuali untuk field. Field
dihubungkan secara seri dengan armature. Oleh karena itu, membawa arus armature
seluruhnya. Field seri ini terdiri dari beberapa putaran kawat yang mempunyai
penampang cukup besar untuk membawa arus. Meskipun konstruksi serupa, properti dari
motor seri benar-benar berbeda dari motor shunt / dalam motor shunt, fluks Φ per pole
adalah konstan pada semua muatan karena field shunt dihubungkan ke rangkaian. Tetapi
motor seri, fluks per pole tergantung dari arus armature dan beban. Saat arusnya besar,
fluksnya besar dan sebaliknya.
Meskipun berbeda, prinsip dasarnya dan perhitungannya tetap sama. Pada motor
yang mempunyai hubungan seri jumlah arus yang melewati angker dinamo sama besar
dengan yang melewati kumparan. Jika beban naik motor berputar makin pelan. Jika
kecepatan motor berkurang maka medan magnet yang terpotong juga makin kecil,
sehingga terjadi penurunan EMF kembali dan peningkatan arus catu daya pada kumparan
dan angker dinamo selama ada beban. Arus lebih ini mengakibatkan peningkatan torsi
yang sangat besar.
Catatan :
Contoh keadaan adalah pada motor starter yang mengalami poling (angker dynamo
menyentuh kutub karena kurang lurus atau ring yang aus). Arus yang tinggi akan
mengalir melalui kumparan dan anker dinamo karena kecepatan angker dynamo menurun
dan menyebabkan turunnya EMF kembali.
21
Gambar 2.17 Motor dengan kumparan seri
EMF kembali mencapai maksimum jika kecepatan angker dinamo maksimum.
Arus yang disedot dari catu daya menurun saat motor makin cepat karena EMF kembali
yang terjadi melawan arus catu daya.
EMF kembali tidak bisa sama besar dengan arus EMF yang diberikan pada motor
dc sehingga akan mengalir searah dengan EMF yang diberikan. Karena ada dua EMF
yang saling berlawanan EMF kembali menghapuskan EMF. Yang diberikan, maka arus
yang mengalir pada angker dinamo menjadi jauh lebih kecil jika ada EMF kembali.
Karena EMF kembali melawan tegangan yang diberikan maka resistansi angker
dynamo akan tetap kecil sementara arus angker dinamo dibatasi pada nilai yang aman.
2.10 Pengereman Regeneratif
Bagan rangkaian di bawah ini menjelaskan mengenai rangkaian pemenggal yang
bekerja sebagai pengerem regeneratif. Vo adalah gaya gerak listrik yang dibangkitkan
oleh mesin arus searah, sedangkan Vt adalah tegangan sumber bagi motor sekaligus
merupakan baterai yang diisi. Ra dan La masing-masing hambatan dan induktansi
jangkar.
22
Gambar 2.18 Bagan Pengereman Regeneratif
Prinsip kerja rangkaian ini sebagai berikut :
Ketika saklar pemenggal dihidupkan, maka arus mengalir dari jangkar,
melewati scalar dan kembali ke jangkar. Ketika skalar pemenggal dimatikan, maka
energi yang tersimpan pada induktor jangkar akan mengalir melewati dioda, baterai
dengan tegangan Vt dan kembali ke jangkar. Analogi rangkaian sistem pengereman
regeneratif dari gambar di atas dapat dibagi menjadi dua mode. Mode 1 ketika saklar on
dan mode ke-2 ketika saklar off seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.19 Rangkaian ekuivalen untuk a) saklar on; b) saklar off
23
dengan :
Vo = gaya gerak listrik
La = induktansi jangkar
Ra = resistansi jangkar
Vt = tegangan batería
i1 = kuat arus jangkar ketika pemenggal on (arus tidak melewati baterai)
i2 = kuat arus jangkar ketika pemenggal off ( arus melewati baterai)
Sedangkan Gambar di bawah ini menunjukkan arus jangkar yang kontinyu dan yang
tidak kontinyu.
Gambar 2.20 Arus jangkar a). Kontinu; b). Arus terputus
dengan:
I1o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai on.
I2o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai off.
ton = lama waktu pemenggal on.
toff = lama waktu pemenggal off.
td = lama waktu dimana i2 tidak nol.
Tp = perioda pemenggal, Tp = ton + off.
24
2.11 Reaksi Jangkar
Terjadinya gaya torsi pada jangkar disebabkan oleh hasil interaksi dua garis
medan magnet. Kutub magnet menghasilkan garis medan magnet dari utara ke selatan
melewati jangkar. Interaksi kedua magnet berasal dari stator dengan magnet yang
dihasilkan jangkar mengakibarkan jangkar mendapatkan gaya torsi putar berlawanan arah
jarum jam. Karena medan utama dan medan jangkar terjadi bersama sama hal ini akan
menyebabkan perubahan arah medan utama dan akan mempengaruhi berpindahnya garis
netral yang mengakibatkan kecenderungan timbul bunga api pada saat komutasi. Untuk
itu biasanya pada motor DC dilengkapi dengan kutub bantu yang terlihat seperti gambar
dibawah ini:
Gambar 2.21 kutub bantu (interpole) pada motor DC
Kutub bantu ini terletak tepat pada pertengahan antara kutub utara dan kutub
selatan dan berada pada garis tengah teoritis. Lilitan penguat kutub ini dihubungkan seri
dengan lilitan jangkar, hal ini disebabkan medan lintang tergantung pada arus jangkarnya.
Untuk mengatasi reaksi jangkar pada mesin-mesin yang besar dilengkapi dengan lilitan
kompensasi. Lilitan kompensasi itu dipasang pada alur-alur yang dibuat pada sepatu
kutub dari kutub utama. Lilitan ini seperti juga halnya dengan lilitan kutub bantu
dihubungkan seri dengan lilitan jangkar. Arah arusnya berlawanan dengan arah arus
kawat jangkar yang berada dibawahnya.
BAB III
JURNAL PRAKTIKUM
3.1 Maksud dan Tujuan
1. Agar mahasiswa dapat mengetahui semua hambatan kecepatan air yang ada dalam
pipa.
2. Agar mahasiswa bisa mengetahui alat ukur orifice dan venturimeter.
3. Agar mahasiswa dapat menghitung nilai aktual dan membandingkan hitungan teori.
4. Agar mahasiswa dapat mendesain plumbing secara tepat.
3.2 Alat dan Bahan
1. Pompa air 125 kw 1 unit.
2. Tangki air 1 unit.
3. Meteran atau penggaris 1 unit.
4. Valve kuning.
5. Selang.
6. Stopwacth.
7. Gelas ukur.
3.3 Langkah Kerja
A. Percobaan I
Menentukan karakteristik oriface meter :
1. Isi tangki air sebanyak 50 sampai 55 liter.
2. Buka katup 44, 45 dan 50, katup yang lain dibuka sehingga air keluar melalui
katup 49 dan 51 lalu hidupkan pompa.
3. Hubungkan pipa karet ke manometer ke kutup 40, 41, lalu buka katup.
4. Tutup katup 52 dan buka katup 45 secara perlahan mulai dari ¼, ½, ¾, dan
buka penuh sebagai pengatur debit air yang keluar dari pipa 46 ketangki air.
5. Tutup katup 45.
6. Ukurlah dan amati debit air pada tangki penampang.
7. Lakukan 4 kali pengambilan data.
25
26
B. Percobaan II
Menentukan karakteristik venturi meter :
1. Lakukan prosedur yang sama seperti percobaan I.
2. Hubungkan pipa karet dititik 38 dan 39.
3. Catat data percobaan II.
Percobaan In Out Debit air
Pertama (oriface) 97 92 840 ml/detik
Kedua (venturi) 100 93 860 ml/detik
Ketiga
Pipa 1 inchi
Pipa ¾ inchi
Pipa ½ inchi
125
176
178
95
173
174
C. Percobaan III (Diameter pipa 1 inchi)
1. Lakukan percobaan sesuai dengan percobaan I, katup 46 ditutup dan 52
dibuka.
2. Nyalakan motor untuk mengalirkan fluida.
3. Tutup semua katup kecuali katup yang mengalir melalui pipa 1.
4. Pasang sambungan selang pengatur tekanan fluida pada masing-masing keran
in dan out pipa Ø 1.
5. Ukur tekanan yang tertera pada alat ukur dan catat hasilnya.
D. Percobaan IV (Diameter pipa ¾ inchi)
1. Lakukan percobaan sesuai dengan percobaan sebelumnya, buka katup 46 dan
52.
2. Tutup semua katup kecuali katup yang mengalir pada pipa ¾ dan katup 52.
3. Nyalakan motor untuk mengalirkan fluida.
4. Pasang selang pengukuran tekanan fluida pada masing-masing keran.
5. Ukur tekanan yang tertera pada alat ukur dan catat hasilnya.
E. Percobaan V (Diameter pipa ½ inchi)
1. Lakukan percobaan sebelumnya, katup 45 ditutup dan 52 dibuka.
2. Tutup semua katup kecuali katup yang mengalir pada pipa diameter ½ inchi
dan katup 52.
27
3. Nyalakan motor untuk mengalirkan fluida.
4. Palang selang pengukur tekanan pada fluida masing-masing keran in dan out.
5. Ukur tekanannya dan catat hasilnya.
3.4 Kesimpulan
1. Fluida memiliki beberapa sifat seperti menyesuaikan dengan tempatnya dan
mengarahkan tekanan ke segala arah.
2. Sebuah rangkaian hidrolik terdiri dari tangki, pipa, saringan dan hambatan.
3. Terdapat 2 jenis aliran fluida yaitu aliran laminer dan turbulen.
4. Terdapat 2 jenis hambatan yaitu oriface dan venturi.
5. Tekanan fluida dipengaruhi oleh aliran cepat pertukaran luas permukaan dan jarak
tempuh.
BAB IV
PEMBAHASAN SOAL
4.1 Pertanyaan
1. Buatlah skema dari motor DC yang sederhana dan tulis nama-nama bagiannya !
2. Bagaimana prinsip kerja dari motor DC ?
3. Jelaskan mekanisme kerja dari seluruh jenis motor secara umum !
4. Jelaskan cara mengukur kecepatan putaran motor menggunakan tachometer !
28
29
4.2 Jawaban
1. Bagian-bagian dari motor DC.
2. Prinsip kerja dari motor DC yaitu :
Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar
konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor.
(http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211077alpinarief/2013/05/02/motor-dc-2/)
30
Aturan genggaman tangan kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis
fluks di sekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol
mengarah pada arah aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis
fluks.
Catatan :
Medan magnet hanya terjadi di sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir pada
konduktor tersebut.
3. Mekanisme kerja dari seluruh jenis motor secara umum yaitu:
1. Arus listrik yang mengalir dalam medan magnet akan memberikan gaya.
2. Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran / loop,
maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet akan mendapatkan
gaya pada arah yang berlawanan.
3. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar / torque untuk memutar kumparan.
4. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga
putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan
elektromagnetik yang disebut kumparan medan.
5. Kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang
melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu.
31
4. Cara mengukur kecepatan putaran motor menggunakan tachometer
a. Nyalakan motor yang akan diukur putarannya.
b. Nyalakan tachometer untuk mengukurnya, kemudian dekatkan dan arahkan
tachometer sampai inframerahnya bertepatan dengan diporos motor yang akan di
ukur.
c. Lihat pada tachometer angka yang muncul.
d. Catat setiap percobaan.
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari hasil praktikum yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa motor DC
adalah salah satu motor listrik yang arusnya searah dalam mengubah energi
elektromagnetis ke energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk memutar
impeller pompa, blower, menggerakan kompresor, dan mengangkat bahan.
Praktikum yang telah dilaksanakan pada akhirnya memperoleh data pengamatan
kecepatan putaran motor beserta tegangannya. Semakin besar tegangannya maka semakin
besar juga RPM-nya dan semakin kecil tegangannya maka semakin kecil juga RPM-nya.
Dalam pengoperasiannya, layaknya motor listrik lainnya operator disarankan
untuk menjaga kesehatan dan keselamatan kerja terutama bagi para pemula agar tetap
selalu berada dalam pengawasan pembimbingnya.
32