Mekanika Fluida ( Tekkim)

Fluida adalah zat yang dapat mengalami perubahan bentuk secara kontinu bila terkena tegangan geser walaupun relatif kecil. Gaya geser adalah komponen gaya yang menyinggung permukaan dan jika dibagi dengan luas permukaan tersebut menjadi tegangan geser rata-rata pada permukaan itu.

Transportasi fluida dalam teknik kimia jauh lebih mudah daripada padatan. Karena itu ahli teknik kimia berupaya sedapat mungkin untuk dapat melakukan transportasi bahan dalam bentuk cairan, larutan atau suspensinya. Bila hal itu tidak mungkin barulah mereka melakukan pengangkutan bahan padat dalam bentuk padat. Walaupun begitu masih diusahakan cara tambahan untuk memudahkan pengangkutan, misalnya menghaluskan padatan lalu diangkut dengan aliran gas atau cairan seperti operasi fluidisasi.

Hidrodinamika yang menjadi dasar aliran fluida dalam Operasi Teknik Kimia, dibagi menjadi tiga pokok bahasan :

a.yang berhubungan dengan aliran fluida dalam saluran sehingga aliran terarah mengikuti bentuk saluran (internal flow), misalnya : pemompaan cairan, kompresi gas dan aliran fluida dalam kanal terbuka.

b.Yang membahas masalah aliran fluida lewat di sekitar benda padat (eksternal flow), misalnya : sedimentasi dan pemisahan dengan sentrifugasi dan pencampuran.

c.Masalah campuran dari kedua hal diatas, seperti fluidisasi dan aliran dua fase gas-cair.

Selama fluida bergerak, harus selalu ada gaya geser yang bekerja terhadap fluida. Hal ini dilakukan dengan penambahan energi dari luar. Tanpa penambahan energi dari luar, aliran fluida akan terhenti. Jumlah energi yang diperlukan untuk mempertahankan aliran ini dianggap sebagai energi yang hilang, karena tidak dapat diambil sebagai energi yang bermanfaat. Dalam aliran fluida di dalam saluran, energi yang hilang disebut Head loss.

Pada dasarnya faktor-faktor yang mempengaruhi aliran fluida adalah yang menyangkut dengan sifat fisik dari fluida yang dapat didefinisikan pada :

a. tekanan

b. temperatur

c. densitas

d. viskositas

Transformasi dalam sistem perpipaan yang kompleks akan mengikuti hukum kekekalan energi.

Viskositas Fluida

Fluida adalah benda yang dapat mengalami perubahan bentuk secara terus menerus karena gaya gesek yang bekerja terhadapnya. Sifat yang erat hubungannya dengan definisi ini adalah viskositas. Harga viskositas fluida mungkin dipengaruhi oleh besar dan lama aksi gaya yang bekerja terhadapnya.

Viskositas fluida juga dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur.

Densitas Fluida

Disamping viskositas, sifat fluida yang penting lainnya adalah densitas (masa persatuan volume). Seperti viskositas, karakteristik gas dan cairan dalam sifat densitas ini bebeda satu dengan lainnya. Densitas gas sangat dipengaruhi oleh tekanan dan temperaturnya, karena itu gas juga disebut fluida termampatkan (compressible fluid). Hubungan antara densitas dengan tekanan dan temperatur gas banyak dibahas dalam bidang termodinamika, misalnya Hukum Gas Ideal dan persamaan Van Der Waals.

Densitas cairan sedikit sekali dipengaruhi oleh tekanan dan temperatur, karena itu cairan disebut juga fluida tak termampatkan (incompressible fluid). Bedasarkan sifat kemampatan ini, aliran fluida dibagi menjadi dua, yaitu aliran fluida termampatkan dan tak termampatkan. Seringkali bila perubahan temperatur dan tekanan relatif kecil, permasalahan aliran gas diselesaikan dengan cara untuk fluida tak termampatkan.

Neraca Massa

Fluida dinamik adalah fluida bergerak. Umunya fluida bergerak dari satu tempat ke tempat yang lain dengan suatu alat mekanik seperti pompa atau blower, oleh perbedaan gravitasi, atau dengan tekanan, dan mengalir melalui sistem perpipaan atau alat proses.

Neraca Energi mekanik keseluruhan

Suatu tipe neraca energi sangat berguna bagi fluida mengalir dan didapatkan neraca energi total dengan perlakuan seperti energi mekanis. Para insinyur teknik sering berhadapan dengan jenis energi ini yang disebut energi mekanis, yang meliputi kerja energi kinetik, energi potensial dan kerja aliran sebagai bagian dari entalpy. Energi mekanik adalah bentuk lain dari kerja atau suatu bentuk energi yang secara langsung dapat dirubah menjadi kerja. Pertimbangan lain pada persamaan neraca energi (2.8), panas dan internal energi, tidak dapat dirubah secara sederhanamenjadi kerja karena Hukum II termodinamika dan efisiensi konversinya, yang tergantung pada temperatur. Pembahasan energi mekanis tidak terbatas dan dapat dikonversi dengan hampir sempurna menjadi kerja. Energi yang dikonversi menjadi panas atau energi dalam merupakan kerja yang hilang atau kehilangan energi mekanik yang disebabkan tekanan gesekan aliran.

Energi Hilang Gesekan

Tidak seperti bentuk-bentuk lainnya yang sangat diperhatikan di titik awal dan akhir suatu sistem, energi hilang gesekan terjadi disepanjang aliran. Energi ini terjadi dari perubahan energi mekanik menjadi energi panas yang tidak dapat diubah kembali menjadi bentuk energi asalnya atau energi lain.

Energi hilang gesekan dapat terjadi antar elemen fluida dan antara fluida dengan dinding sepanjang saluran. Energi hilang gesekan disebut ‘skin friction” atau “frictional resistance”. Peranan gesekan antar elemen dan gesekan antara elemen dengan dinding tergantung pada pola aliran. Pada laju alir relatif rendah, gesekan antar elemen (viscous section) sangat berperan. Bila laju alir meningkat, adanya arus gejolak (eddy current) menambah besarnya energi hilang gesekan. Gesekan antara elemen fluida dan dinding pun sangat berperan pada laju alir tinggi.

Bila aliran mengalami pemisahan elemen-elemen, maka energi hilang gesekan bertambah besar. Hal ini terjadi misalnya pada belokan, penyempitan maupun pelebaran, kran, sambungan, adanya padatan yang menghalangi aliran dan sebagainya.

Besarnya energi hilang gesekan merupakan jumlah dari kedua hal diatas :

F = F_fr + F_lr(2.13)

Dengan F_fr dan F_lr masing masing menyatakan energi hilang gesekan karena separation of boundary layers.

Besarnya frictional resistance tergantung pada laju alir (energi kinetik), sifat fluida dan sifat permukaan dinding, panjang dan diameter saluran.

Pompa

Daya dan kerja yang dibutuhkan

Energi mekanik yang diberikan W_s dalam J/kg yang diberikan ke fluida sering digambarkan sebagai Head pompa dalam m dari fluida yang dipompakan dimana ;

-W_S = H.g(2.19)

Banyak faktor yang menentukan efisiensi aktual dan karakteristik unjuk kerja pompa. Unjuk kerja suatu pompa digambarkan oleh kurva yang disebut kurva karakteristik , biasanya menggunakan fluida air. Head (H) yang dihasilkan akan sama untuk setiap cairan yang memiliki viskositas sama.

Pada kebanyakan pompa, kecepatan umumnya bervariasi. Kurva karakteristik untuk pompa sentrifugal tahap tunggal yang bekerja pada kecepatan konstan, kebanyakan laju pompa berbasis pada head dan kapasitas pada titik efisiensi puncak. Efisiensi mencapai puncak pada laju alir kurang lebih 50 galon/menit, sementara bila harga laju alir meningkat head yang dihasilkan akan menurun.

Sistem perpipaan

Sudden Enlargment

Suatu sudden enlargment pada daerah alir fluida membesar tiba-tiba sehingga kecepatannya menurun. Saat fluida memasuki pipa besar, suatu pancaran terbentuk disaat fluida terpisah dari dinding tabung kecil. Karena tidak ada dinding pipa yang mengendalikan pancaran fluida yang dihasilkan dari pipa kecil, maka pancaran itu akan berekspansi sehingga mengisi seluruh permukaan. Sebagian kecil fluida terpisah dari pancarannya dan bersirkulasi diantara dinding dan pancaran. Pengaruh pusaran dan expansi fluida sesuai dengan tiga perubahan pada profil kecepatan . Ada

Sudden Contraction

Suatu pengecilan tiba-tiba sering juga disebut reduksi. Fenomena aliran pada kasus kontraksi sangat berbeda dari pada ekspansi. Profil kecepatan adalah profil fluida yang mengalir pada bagian yang besar. Kontraksi menyebabkan fluida berakselerasi saat memasuki daerah yang lebih kecil.

Fitting dan Valve

Valve dan fitting dapat meningkatkan penurunan tekanan pada sistem perpipaan aliran fluida bila dibandingkan dengan pipa lurus tanpa valve dan fitting. Bahkan suatu sambungan ynag menggabungkan dua pipa yang panjang, mengganggu profil kecepatan pada aliran turbulen sehingga cukup untuk meningkatkan penurunan tekanan.

Ada dua prosedur standar untuk menentukan pressure loss dalam aliran turbulen dengan adanya fitting. Prosedur pertama ialah menggunakan tabel panjang ekivalen, cara kedua dengan menggunakan koofisien kehilangan (k) untuk setiap tipe fitting.

Alat Ukur Fluida

Pengukuran fluida merupakan suatu aplikasi penting pada neraca energi. Dasarnya flow meter dirancang untuk menyebabkan penurunan tekanan yang dapat diukur dan dihubungkan dengan laju alir. Penurunan tekanan ini diakibatkan oleh perubahan energi kinetik, oleh gesekan dan lain-lain.

Manometer

karena kebanyakan fluid meter dapat menyebabkan perbedaan tekanan sepanjang bagian pengukuran, suatu alat ukur sederhana dapat digunakan untuk menentukan perbedaan ini. Salah satu alat yang sederhana adalah manometer pipa U.

Pitot Tube

Tabung pitot digunakan untuk mengukur kecepatan lokal pada suatu titik tertentu dalam arus aliran dan bukan kecepatan rata-rata pada pipa. Salah satu tabung, yaitu tabung inpeact, memiliki bukaan yang sejajar terhadap arah aliran dan tabung statif memiliki bukaan paralel terhadap arah aliran.

Fluida mengalir kedalam bukaan, terjadilah tekanan dan kemudian menjadi tetap pada disebut titik stagnasi. Perbedaan pada tekanan stagnasi ini dan tekanan statis yang diukur dengan tabung statif menggambarkan kenaikan tekanan dengan deselarasi fluida. Manometer mengukur kenaikan kecil pada tekanan ini. Bila fluida non kompressible, kita dapat menuliskan persamaan Bernoulli antara kecepatan V_1­ adalah kecepatan sebelum fluida terdeselarasi dan kecepatan V₂ adalah 0

Ventury Meter

Sebuah ventury meter selalu diletakkan pada perpipaan. Sebuah manometer atau peralatan lain dihubungkan terhadap 2 kran tekanan dan mengukur beda tekanan antara titik 1 dan titik 2. Kecepatan rata-rata pada titik 1 adalah V₁ dan diameter d₁, dan pada titik 2 kecepatan adalah V₂ dan diameter d₂. Penyempitan dari d₁ ke d₂ dan ekspansi balik dari d₂ ke d₁ berlangsung secara perlahan-lahan. Friction loss yang kecil selama kontraksi dan ekspansi dapat diabaikan.

Untuk menurunkan persamaan pada ventury meter, friksi diabaikan dan pipa diasumsikan horizontal. Asumsi aliran turbulen dan persamaan neraca energi mekanik antara titik 1 dan 2 untuk fluida incompressible

Orifice Meter

Pada instalasi-instalasi diproses plant penggunaan ventury meter memiliki beberapa kerugian. Ventury memerlukan ruangan yang luas dan juga mahal. Juga diameter throat yang tetap, sehingga laju alir berubah drastis maka pembacaan perbedaan tekanan menjadi tidak akurat. Ventury dapat diganti dengan suatu orifice meter walaupun menimbulkan head loss yang lebih besar.

Suatu plat yang memiliki lubang dengan diameter d₀ diletakkan diantara dua plat pipa dengan diameter d₁. Lubang pengukur tekanan pada titik 1 dan titik 2 akan mengukur P₁ – P₂. Arus fluida melewati plat orifice membentuk suatu vena kontrakta atau arus pancar bebas.