BAB I Impact of Jet Kel 20 PDF

Preview

Summary

1BAB IIMPACT OF JET1 PENDAHULUANPancaran (jet) dari suatu fluida selalu memiliki kecepatan. Oleh karena itu jet juga memiliki energy kinetic. Jika ada penghalang yang berada lintasan pancaran tersebut maka akan menerima gaya dinamis yang disebut impact of jet. (Teknik Mesin UGM, 2010) Impact of jet ...

Description

BAB I IMPACT OF JET 1.1

PENDAHULUAN Pancaran (jet) dari suatu fluida selalu memiliki kecepatan. Oleh karena itu jet

juga memiliki energy kinetic. Jika ada penghalang yang berada lintasan pancaran tersebut maka akan menerima gaya dinamis yang disebut impact of jet. (Teknik Mesin UGM, 2010) Impact of jet sangat erat kaitannya dengan pemanfaatan prinsip kerja nozzle. Di mana perubahan tekanan menjadi kecepatan sering dimanfaatkan untuk kerja mesin yang menggunakan fluida sebagai fluida kerjanya. Aliran nozzle mengenai sudu-sudu turbin yang mana turbin dikopel dengan generator, pada sudu turbin menggunakan prinsip momentum dan impuls. Penggunaan aplikasi impact of jet dalam kehidupan manusia sangatlah beragam. Mulai dari kehidupan sehari-hari, industri dan teknologi tinggi. Dalam kehidupan sehari-hari, impact of jet dimanfaatkan pada selang semprot dan mesin kapal. Dalam industry impact of jet dimanfaatkan untuk sand blasting dan water jet cutting. Dalam penerapan teknologi tinggi, impact of jet digunakan pada roket. Pada eksperimen ini gaya yang dibangkitkan oleh semburan nozzle dikenakan pada plat diukur dan dibandingkan dengan momentum dalam nozzle. (Jobsheet Praktikum Fenomena Dasar Termal, 2017) 1.1.1 Tujuan Praktikum Pengujian Impact of Jet pada praktikum Fenomena Dasar Termal adalah sebagai berikut. 1. Mengetahui prinsip kerja nozzle yaitu mengubah tekanan menjadi kecepatan. 2. Mengukur besarnya gaya tolak yang diakibatkan oleh semburan air yang keluar dari nozzle. 3. Mengetahui pengaruh bentuk permukaan vane terhadap besarnya gaya yang ditimbulkan oleh semburan air melalui nozzle. (Jobsheet Praktikum Fenomena Dasar Termal, 2017)

1

1.2

DASAR TEORI

1.2.1 Pengetahuan Umum Impact of Jet Impact of jet adalah peristiwa tumbukan yang didasari oleh teori momentum untuk fluida. Fluida pada impact of jet dialirkan melalui nozzle. Aliran fluida yang melalui nozzle akan mengalami pertambahan kecepatan akibat reduksi luas penampang aliran. Impact of jet berhubungan dengan tiga prinsip fisis, yaitu momentum, kontinuitas, dan Bernoulli. a.

Momentum Impact of jet adalah peristiwa tumbukan yang didasari oleh teori momentum

untuk fluida. Fluida pada impact of jet dialirkan melalui nozzle. Aliran fluida yang melalui nozzle akan mengalami pertambahan kecepatan akibat reduksi luas penampang aliran. Pertambahan kecepatan tersebut juga memperbesar momentum yang dihasilkan oleh fluida karena kecepatan (v) berbanding lurus dengan momentum (P). (Prakarsa, 2015) P  m.v

(1.1)

Dimana: P : momentum (kg.m/s) m : massa (kg) v : kecepatan (m/s) ( Jobsheet Praktikum Fenomena Dasar Thermal, 2017)

b.

Kontinuitas Persamaan kontinuitas adalah persamaan yang menghubungkan kecepatan fluida

dalam dari satu tempat ke tempat lain. Sebelum menurunkan hubungan, Anda harus memahami beberapa istilah dalam aliran fluida. Garis aliran (stream line) diartikan sebagai jalur aliran fluida ideal (aliran lunak). Garis singgung di suatu titik pada garis memberikan kita arah kecepatan aliran fluida. Garis alir tidak berpotongan satu sama lain. Tabung air adalah kumpulan dari garis-garis aliran. Dalam aliran tabung, fluida masuk dan keluar melalui mulut tabung. Untuk itu, semua fluida tidak boleh dimasukkan dari sisi tabung karena dapat menyebabkan persimpangan/perpotongan garis-garis aliran. Hal ini akan menyebabkan aliran tidak tunak lagi. Berikut rumus dari persamaan kontinuitas. (Prakarsa, 2015)

1 A1v1  2 A2v 2 Di bawah ini persamaan kontinuitas antara nozzle dan plat dimana titik referensinya adalah sumbu x.

  Q  AV m Q in  Q out V1 A1  V2 A2

(1.2)

Dimana: _

_

 m1 ,  m 2

: massa alir 1, 2 (kg/s)

ρ1, ρ2

: massa jenis (kg/m3)

A1, A2

: luas penampang (m2)

v1, v2

: kecepatan (m/s)



: massa jenis (kg/m3)

V1, V2

: volume masuk, keluar (m3)

v

:kecepatan (m/s)

Qin, Qout

: debit masuk, keluar (m3/s)

A1, A2

: luas permukaan (m2)

ṁ

: laju aliran massa (kg/s)

c.

Bernoulli Prinsip Bernoulli adalah sebuah istilah di dalam mekanika fluida yang

menyatakan bahwa pada suatu aliran fluida, peningkatan pada kecepatan fluida akan menimbulkan penurunan tekanan pada aliran tersebut. Prinsip ini sebenarnya merupakan penyederhanaan dari Persamaan Bernoulli yang menyatakan bahwa jumlah energi pada suatu titik di dalam suatu aliran tertutup sama besarnya dengan jumlah energi di titik lain pada jalur aliran yang sama(Wikipedia, 2017). Momentum yang besar mengakibatkan gaya yang besar pula saat tumbukan terjadi. Dalam impact of jet ini, gaya yang terjadi adalah gaya tumbuk fluida terhadap vane. Berikut adalah rumus dari hukum bernoulli.

𝑝

𝑉2

𝑧 + 𝜌𝑔 + = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛 2𝑔

(1.3)

Dimana: z: elevasi 𝑝 𝜌𝑔 𝑉2 2𝑔

: tinggi tekanan : tinggi kecepatan

(Fissik, 2013) Bila diilustrasikan, persitiwa tumbukan fluida pada pengujian impact of jet ini dapat dilihat pada gambar 1.1 di bawah ini.

Gambar 1.1 Ilustrasi peristiwa tumbukan air pada Hemispherical vane dan Flat Vane (Cooles, 2017) Secara umum, prinsip kerja impact of jet adalah pompa menghisap air pada tangki penampung untuk dialirkan menuju nozzle melalui flow control valve, flowmeter, dan water supply hose. Skema bagian impact of jet dapat dilihat pada gambar 1.2 di bawah ini.

Gambar 1.2 Skema bagian impact of jet (Cooles, 2017)

Di dalam nozzle, tekanan fluida diubah menjadi kecepatan, kemudian aliran flida disemprotkan ke vane. Fluida yang menumbuk vane akan menyebabkan naiknya weight beam. Kenaikan tersebut kemudian diseimbangkan dengan jockey weight. Dari angka yang ditunjukan saat penyeimbangan tersebut, dapat diketahui momentum yang menumbuk vane. 1.2.2 Nozzle Nozzle adalah sebuah alat untuk mengubah tekanan fluida menjadi kecepatan. Hal tersebut terjadi akibat reduksi luas penampang, dimana kita ketahui bahwa 𝑣2 =

𝐴1 𝑣1 𝐴2

Keterangan: v2 = kecepatan fluida yang keluar dari nozzle (m/s) v1 = kecepatan fluida yang keluar dari nozzleI (m/s) A1= luas penampang inlet (m2) A2= luas penampang outlet (m2) Pada nozzle luas penampang inlet lebih besar dari outlet (A1> A2), sehingga kecepatan fluida pada outlet menjadi lebih besar dari inlet. Jenis nozzle secara umum dapat dibagi menjadi 3 (tiga), yaitu konvergen, divergen, dan konvergen-divergen. (Hall, 2015) a.

Nozzle Konvergen Nozzle konvergen adalah nozzle yang memiliki luas penampang masuk lebih

besar daripada luas penampang keluarnya (Ain > Aout) dan pada nozzle konvergen dapat menggunakan compressible fluid dan incompressible fluid. Aplikasi dari nozzle konvergen ini ada pada turbin impuls karena memiliki prinsip kerja yang meningkatkan kecepatan fluida untuk member impuls pada turbin. Sehingga Vin < Vout seperti yang diperlihatkan Gambar 1.3

Gambar 1.3 Nozzle Konvergen (Cengel, 2006)

b.

Nozzle Divergen Nozzle divergen adalah dimana luas penampang masuk lebih kecil daripada luas

penampang keluarnya (A1 < A2) dan pada nozzle divergen hanya dapat menggunakan compressible fluid, sehingga Vin < Vout. Bentuk ini sering disebut dengan diffuser. Aplikasi pada diffuser ini ada pada nozzle selang pemadam kebakaran untuk api tersebar. Dimana prinsip kerjanya adalah menaikkan tekanan tetapi menurunkan kecepatan. Bentuk nozzle divergen di perlihatkan pada Gambar 1.4 dibawah ini.

Gambar 1.4 Nozzle Divergen (Cengel, 2006) c.

Nozzle Konvergen-Divergen Nozzle konvergen-divergen adalah nozzle yang memiliki luasan variable. Pada

nozzle ini, aliran lebih dulu masuk melalui bagian konvergen lalu berkumpul pada minimum area atau throat, kemudian dikembangkan melalui bagian divergen dan keluar disebelah kanan. Aplikasi Nozzle konvergen-divergen terdapat pada mesin jet atau pendorong roket dimana prinsip kerjanya adalah untuk mendapatkan kecepatan dan tekanan yang tinggi agar pesawat ataupun roket dapat mendapatkan gaya lift untuk mengudara (Hall, 2015). Bentuk nozzle konvergen-divergen di perlihatkan pada Gambar 1.5 dibawah ini.

Gambar 1.5 Nozzle Konvergen-Divergen (Cengel, 2006)

1.2.3 Rumus Perhitungan Impact of Jet Dalam pengujian Impact of Jet dibutuhkan beberapa data standar yang didapatkan sesuai dengan spesfikasi dari

property air dan peralatan impact of jet. Data-datanya

sebagai berikut. (Jobsheet Praktikum Fenomena Dasar Termal, 2017) Massa jenis air ()

: 103 kg/m3

Diameter nozzle (d)

: 10 mm

Luas penampang nozzle (A)

: 78, 5 mm2

Massa dari jockey weight

(m)

: 0,6 kg

Jarak antara pusat vane dengan daerah batas : 0,15 m Tinggi vane diatas nozzle (s)

: 35 mm

Rumus perhitungan yang digunakan pada pengujian impact of jet adalah sebagai berikut: 1. Laju aliran massa (𝑚 ) 𝑚

=

𝜌xV 𝑡

(𝑘𝑔/𝑠)

(1.4)

2. Kecepatan fluida keluar dari nozzle(u) 𝑢=

𝑚 𝜌𝐴

(𝑚/𝑠)

(1.5)

3. Kecepatan fluida sebelum terdefleksi (u0) 𝑢0 =

𝑢 2 − 2𝑔𝑠

(1.6)

4. Momentum masuk sistem (J) 𝐽 = 𝑢𝑜 x m (kg.m/s2)

(1.7)

5. Momentum meninggalkan sistem (J’) 𝐽′ = 𝑢𝑜 x m x cos β(kg.m/s2)

(1.8)

6. Gaya pada vane(F) 𝐹 = 4. 𝑔. 𝑦 (N) dimana: ṁ : laju aliran massa (kg/s) V

: volume bench (m3)

t

: waktu (sekon)

u0 : kecepatan fluida sebelum terdefleksi (m/s)

(1.9)

u1 : kecepatan fluida setelah terdefleksi (m/s) A

: luas permukaan (m2)

g

: percepatan gravitasi (m/s2)

s

: ketinggian (m)

J

: momentum masuk system (kg m/s2)

Jl

: momentum meninggalkan sistem (kg m/s2)

F

:gaya fluida yang keluar dari nozzle (N)



:sudut defleksi (0)

y

: posisi jockeyweight dari titik 0 (m)

(Jobsheet Praktikum Fenomena Dasar Termal, 2017) 1.2.4 Aplikasi Impact of Jet Prinsip-prinsip dalam impact of jet dimanfaatkan dalam berbagai sisi kehidupan manusia. Mulai dari kehidupan sehari-hari sampai dunia industri. Berikut adalah contoh-contohnya. a.

Aplikasi dalam Kehidupan Sehari-hari

1.

Turbin Impuls Dalam sebuah turbin impuls, cairan tersebut dikirim melalui nozzle sehingga

sebagian besar energi mekanik yang tersedia yang diubah menjadi energi kinetik. The highspeed jet kemudian pengaruh pada ember berbentuk baling-baling yang mentransfer energi ke poros turbin, seperti yang digambarkan pada gambar 1.6.

Gambar 1.6 Turbin Impuls (Cengel, 2006)

2.

Selang Pemadam Kebakaran Pada ujung selang petugas pemadam, dipasang nozzle yang berfungsi sebagai

pengarah air bertekanan yang berasal dari instalasi jaringan pipa, maupun yang berasal dari tangki penampungan air di dalam mobil petugas pemadam kebakaran. Pada dasarnya, terdapat beragam macam nozzle dengan bentuk dan ukuran yang berbedabeda. Namun, semua jenis nozzle kebakaran tersebut umumnya memiliki kemampuan beroperasi yang sama, yaitu dengan menggunakan sebuah katup penutup atau Shut-Off Valve yang berfungsi sebagai pengontrol air. (Muntoha, 2015)

Gambar 1.7 Selang Pemadam Kebakaran (Maxima Protektama, 2015) b.

Aplikasi Dalam Dunia Industri

1.

Abrasive Blasting Abrasive blasting adalah operasi paksa mendorong aliran bahan abrasif terhadap

permukaan di bawah tekanan tinggi untuk menghaluskan permukaan kasar, mengasarkan

permukaan

halus,

membentuk

permukaan, atau

menghilangkan

kontaminan permukaan. Sebuah cairan bertekanan, biasanya udara, atau roda sentrifugal yang digunakan untuk mendorong bahan blasting (sering disebut media). (Wikipedia, 2010)

Gambar 1.8 Mekanisme Abrasive Blasting (Ormer, 2017) 2.

Water Jet Cutting

Water jet cutting ini memanfaatkan high-pressure water jet technology. Di mana teknologi ini dapat mengatasi kekurangan-kekurangan alat permesinan konvensional, seperti peralatan yang mudah aus, permasalahan akibat beban termal, dan kualitas permukaan. (Azhari, 2012)

Gambar 1.9 Water Jet Cutter (WardJet, 2017) 1.2.5 Peralatan dan Prosedur Pengujian Impact of Jet Pengujian Impact of jet pada praktikum fenomena dasar mesin bagian termal ini dilaksanakan di Laboratorium Thermofluida, Kampus Teknik Mesin, Universitas Diponegoro. Pengujian ini dilakukan menggunakan peralatan dan prosedur sebagai berikut. 1.2.5.1 Peralatan Pengujian Impact of Jet a. Rangkaian uji Impact Of Jet Impact of Jet

Hydraulic Bench

Pulsemeter

Load Cell Motor Listrik Pompa Sentrifugal Gambar 1.10 Rangkaian peralatan uji Impact of Jet (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017).

b. Impact of Jet Peralatan pengujian dalam praktikum fenomena dasar mesin bagian termal pos Impact of Jet. Jockey Weight Adjusting Nut Spring

Weight Beam

Plastic Strip

Tally

Cover Plate Nozzle

Drain Pipe Supply Hose

Gambar 1.11 Impact of Jet (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). Bagian-bagian dari Impact of Jet adalah sebagai berikut. 1. Nozzle Nozzle berfungsi untuk mempercepat laju aliran air dan mengarahkan air agar menumbuk vane.

Nozzle

Gambar 1.12 Nozzle (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). 2. Vane Vane cekung dan datar berfungsi untuk mengetahui variasi gaya akibat bentuk pancaran balik aliran yang berbeda.

a

b

Gambar 1.13 (a) Vane datar (b) Vane cekung

3. Supply Hose Supply hose berfungsi untuk menyediakan suplai air yang berasal dari pompa sentrifugal untuk disalurkan ke nosel.

Supply Hose

Gambar 1.14 Supply Hose (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). 4. Drain Pipe Drain pipe berfungsi untuk mengalirkan air keluar alat uji impact of jet ke hydraulic bench.

Drain Pipe

Gambar 1.15 Drain Pipe (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017).

5. Cover Plate Cover plate berfungsi untuk menutup alat percobaan agar air tidak keluar saat pengujian impact of jet.

Cover Plate

Gambar 1.16 Cover Plate (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). 6. Plastic Strip Plastic strip berfungsi untuk menghubungkan cover plate dengan weight beam.

Plastic Strip

Gambar 1.17 Plastic Strip (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). 7. Weight Beam Weight beam yang bersama-sama jockey weight berfungsi untuk mengukur gaya semprot dari nosel.

Weight Beam

Gambar 1.18 Weight Beam (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017).

8. Jockey Weight Jockey Weight berfungsi sebagai pemberat sekaligus penunjuk skala pada weight beam. Jockey weight memiliki berat 0.6 kg

Jockey Weight

Gambar 1.19 Jockey Weight (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). 9. Adjusting Nut dan Spring Adjusting nut berfungsi untuk menyeting nol posisi awal dari weight beam. Spring sebagai tahanan gaya dorong yang dihasilkan.

Adjusting Nut

Spring

Gambar 1.20 Adjusting Nut (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). 10. Tally Tally berfungsi untuk mengindikasikan posisi horizontal weight beam pada tiap waktu pembacaan dibutuhkan.

Tally

Gambar 1.21 Tally (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017).

c. Hydraulic Bench Tempat menampung air untuk pengujian Impact of jet. Hydraulic Bench

Gambar 1.22 Hydraulic Bench (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). Bagian-bagian dari hydraulic bench adalah sebagai berikut. 1. Volumemeter Volumemeter berfungsi untuk mengukur volume air yang ditampung oleh hydraulic bench.

Gambar 1.23 Volumemeter (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). 2. Valve Valve berfungsi untuk mengatur variasi laju aliran air masuk, baik bukaan penuh, 2/3 dan 1/3.

Gambar 1.24 Valve (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017).

d. Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal berfungsi untuk memompa air masuk ke dalam sistem.

Pompa Sentrifugal

Gambar 1.25 Pompa Sentrifugal (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). e. Motor Listrik Motor listrik berfungsi untuk memberkan daya pada pompa sentrifugal.

Motor Listrik

Gambar 1.26 Motor Listrik (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). f. Pulse meter Pulse meter berfungsi untuk mengatur jumlah putaran motor listrik.

Gambar 1.27 Pulse Meter (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017).

g. Load Cell Load cell berfungsi untuk mengukur kecepatan massa yang masuk ke dalam sistem.

Gambar 1.28 Load Cell (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). h. Stopwatch Stopwatch berfungsi untuk mengukur waktu untuk air dalam hydraulic bench mencapai 5 liter

Gambar 1.29 Stopwatch (Laboratorium Thermofluida Teknik Mesin Universitas Diponegoro, 2017). 1.2.5.2 Produser Pengujian Impact of Jet Percobaan yang dilakukan adalah sebagai berikut. 1. Meletakkan impact of jet di atas hydraulic bench. 2. Menyambung pipa air ke supply hose. 3. Memasang vane datar 4. Meletakkan jockey weight pada posisi nol. 5. Memutar pengatur pegas sehingga weight beam dalam kondisi kesetimbangan 6. Mengatur variasi bukaan penuh, 2/3, dan 1/3. 7. Mengatur rpm motor 1500 dan 1800. 8. Mengatur jockey weight sehingga posisi weight beam setimbang, mencatat berapa skala yang terbaca pada weight beam dari posisi nol. 9. Mencatat waktu yang dibutuhkan hingga volume pada hydraulic bench mencapai 5 liter.

10. Mencatat nilai y dan massa. 11. Lakukan kembali langkah nomor 5 sampai 8 dengan menggunakan vane cekun g. 12. Matikan motor dan memasukkan data hasil pengujian ke tabel. (Jobsheet Praktikum Fenomena Dasar Termal, 2017)

1.2.5.3 Diagram Alir Pengujian Impact of Jet Mulai

Meletakkan impact of jet di atas hydraulic bench

Menyambung pipa air ke supply hose

Memasang vane datar

Meletakkan jockey weight pada posisi nol

Mengatur adjusting nut dan spring sehingga weight beam dalam kondisi kesetimbangan Mengatur variasi bukaan penuh, 2/3, dan 1/3 pada delivery valve

Mengatur rpm motor 1250 dan 1500 rpm

Mengatur jockey weight sehingga posisi weight beam konsisinya setimbang, mencatat berapa skala yang terbaca pada weight beam dari posisi

B

A

B

A

Mencatat waktu yang dibutuhkan untuk hingga volume pada hydraulic bench mencapai 5 liter sebanyak 3 kali

Atur kecepatan ke 0 rpm

Posisikan jockey weight ke titik nol

Mengganti bentukvane?

YA TIDAK Matikan motor dan memasukkan data hasil pengujian ke

Selesai Gambar 1.30 Diagram Alir Pengujian Impact of jet

1.3

PENGOLAHAN DATA

1.3.1 Dat...