mekanika fluida


P

ompa Centrifugal secara prinsip terdiri dari casing pompa dan impeller yang terpasang pada poros putar. Casing pompa berfungsi sebagai pelindung, batas tekan dan juga terdiri dari saluran- saluran yang untuk masukan ( suction ) dan keluaran ( discharge ). Casing ini memiliki vent dan drain yang berguna untuk melepas udara atau gas yang terjebak dalam casing selain untuk juga berguna perawatannya.

Gambar ilustrasi di bawah ini merupakan diagram sederhana daripada pompa sentrifugal yang menunjukkan lokasi dari suction pompa, impeller, volute dan discharge. Casing pompa sentrifugal menuntun aliran suatu cairan dari saluran suction menuju mata ( eye ) impeller. Vanes daripada impeller yang berputar meneruskan dan memberikan gaya putar sentrifugal kepada cairan ini sehingga cairan bergerak menuju keluar impeller dengan kecepatan tinggi. Cairan tersebut kemudian sampai dan mengumpul pada bagian terluar casing yaitu volute. Volute ini merupakan area atau saluran melengkung yang semakin lama semakin membesar ukurannya, dan seperti halnya diffusor, volute berperan besar dalam hal peningkatan tekanan cairan saat keluar dari pompa, merubah energi kecepatan menjadi tekanan. Setelah itu liquid keluar dari pompa melalui saluran discharge.

skema-pompa-sentrifugal

Pompa Sentrifugal juga bisa dibuat dengan dua volute. Pompa semacam ini biasa disebut double volute pumps, dimana discharge nya berbeda posisi 180°. Untuk aplikasinya bisa meminimaliskan gaya radial yang mengenai poros dan bantalan sehubungan dengan ketidakseimbangan tekanan di sekitar impeller. Perbandingan antara single dan double volute sentrifugal bisa dilihat di bawah ini :

single-and-double-volute

TURBIN GAS / TURBIN UAP

K

etika Anda mengunjungi sebuah airport dan memandang pesawat yang ada disana, mungkin Anda tidak menyangka bahwa komponen yang (relatif) kecil tersebut memiliki daya yang luar biasa besar sehingga mampu untuk menerbangkan sebuah pesawat komersial melalui gaya lift sayapnya. Mesin yang digunakan pesawat itu adalah turbofan engines, salah satu jenis daripada turbin gas.

Ada beberapa jenis turbin yang saya ketahui :

· Mungkin anda pernah mendengar tentang steam turbine. Hampir kebanyakan pembangkit atau power plant menggunakan batubara, gas alam, minyak atau reaktor nuklir untuk memproduksi uap / steam. Uap tersebut akan dialirkan melalui turbin bertingkat dengan ukuran yang sangat besar dan dengan desain yang rumit, untuk memutar poros output turbin dimana poros inilah yang biasa digunakan untuk memutar generator pembangkit.

· Turbin air digunakan PLTA dengan menggunakan prinsip yang hampir sama dengan turbin uap untuk membangkitkan listrik. Turbin air secara desain atau bentuk berbeda dengan apa yang terlihat pada turbin uap, dikarenakan fluida kerja yang berupa air ini memiliki densitas yang lebih besar ( bergerak lebih lambat ) dibandingkan uap, namun secara prinsip kerja adalah sama.

· Sedangkan turbin angin menggunakan angin sebagai tenaga penggeraknya. Nah, kalo turbin yang satu ini sama sekali berbeda dengan kedua turbin di atas karena angin yang digunakan angin alam yang bergerak sangat lambat, ringan , namun sekali lagi turbin angin juga menggunakan prinsip yang sama.

Di dalam turbin gas, gas bertekanan tinggi memutar turbin. Pada mesin turbin gas modern sekarang ini , mesin itu bisa memproduksi gas bertekanan sendiri dengan membakar bahan seperti propana, natural gas, kerosene atau bahan bakar jet. Panas yang dihasilkan dari pembakaran tersebuat akan mengembangkan udara sehingga udara panas dengan kecepatan sangata tinggi ini mampu memutarkan turbin.

Pernahkah Anda membayangkan kenapa kendaraan tank M-1 tidak menggunakan mesin diesel namun malahan memakai turbin gas bertenaga 1.500 horsepower ? Ada 2 hal utama yang menjadi alasan sekaligus merupakan keuntungan daripada turbin gas :

· Mesin turbin gas memiliki rasio power-to-weight yang besar dibandingkan dengan mesin diesel reciprocating. Sudah barang tentu ini sangat bermanfaat untuk meminimaliskan bobot daripada tank M-1 namun tetap memiliki tenaga yang besar.

· Mesin turbin gas memiliki ukuran yang relatif lebih kecil dibanding dengan mesin reciprocating dengan daya yang sama.

Namun bukan berarti turbin gas tidak memiliki kelemahan dibanding mesin reciprocating , kelemahan tersebut yaitu masih mahalnya biaya rakit dan material komponennya. Hal ini wajar mengingat bahwa turbin gas beroperasi pada kecepatan dan pada temperatur yang sangat tinggi sehingga diperlukan perencanaan yang rumit sekaligus proses produksinya yang tidak mudah. Selain itu turbin gas juga cenderung lebih banyak menghabiskan bahan bakar saat mesin idle karena memang lebih banyak beroperasi pada beban kontan daripada fluktuatif. Hal – hal yang telah saya kemukakan tadi membuat kenapa turbin gas lebih suka dipakai pada mesin jet pesawat terbang dan juga pada pembangkit listrik. Sekarang Anda mungkin bisa membuat jawaban kenapa di bawah kap mesin mobil Anda tidak memakai turbin gas saja? : )

Proses Singkat Pada Turbin Gas

Turbin gas secara teori tidak begitu rumit untuk menjelaskannya. Terdapat 3 komponen atau bagian utama yaitu :

1. Compressor

menaikkan tekanan udara yang masuk

2. Combustion Area

Membakar bahan bakar yang masuk dan menghasilkan tekanan yang sangat tinggi begitu pula dengan kecepatannya.

3. Turbin

Mengkonversi energi dari gas dengan tekanan dan kecepatan yang tinggi hasil dari combustion area menjadi energi mekanik berupa rotasi poros turbin.

turbin-bagian-utama

COMPRESSOR

COMBUSTION AREA

TURBIN

Pada Mesin Turbin seperti diatas, udara dengan tekanan normal masuk dihisap oleh compressor yang biasanya berbentuk silinder kerucut dengan beberapa fan blade yang terpasang berbaris ( 8 baris atau lebih ). Udara tersebut kemudian mengalami kompresi bertingkat, di beberapa mesin turbin kenaikan tekanan bisa mencapai faktor 30. Ada 2 macam kompressor yang digunakan yaitu axial flow dan radial flow.


radial-kompresor

RADIAL FLOW COMPRESSOR

aksial-kompressor

AXIAL FLOW COMPRESSOR

RADIAL FLOW

AXIAL FLOW

KEUNTUNGAN

· Efisien

· Rasio kompresi tinggi ( 20:1 )

· Simple dan tidak mahal

· Relatif ringan bobotnya.

KELEMAHAN

· Desain kompleks

· Mahal

· Kurang efisien

· Frontal Area yang besar

· Rasio Kompresi terbatas ( 4:1 )

combustion-areaUdara bertekanan yang dihasilkan oleh kompressor tadi lalu masuk ke bagian Combustian Area dimanasebuah ring bahan bakar menginjeksikan bahan bakar dengan aliran konstan. Bahan bakar yang biasa digunakan disini adalah karosene, jet fuel, propana dan gas alam. Jika Anda berpikir sangat mudah untuk memadamkan api dari lilin dengan meniupnya, maka hal itulah yang menjadi masalah dalam desain di area pembakaran ini. Udara yang memasuki area ini adalah udara bertekanan tinggi dan mempunyai kecepatan hampir pada 100 mil per jam, sedangkan kita tetap ingin mempertahankan nyala api secara kontinyu di area tersebut. Komponen yang menjadi solusi permasalahan tersebut adalah sebuah flame holder atau can. Can ini berupa komponen pelindung api yang terbuat dari baja berat yang bentuknya berlubang-lubang. Setengah bagian dari can dapat dilihat pada gambar pandangan cross section di atas, dimana Injector di sebelah kanan. Udara bertekanan tinggi masuk melalui lubang-lubang can. Gas keluar di sebelah kiri dan memasuki turbin. Turbin ini merupakan satu set / satu unit dengan kompresor dan poros.

turbines1

Di bagian paling kiri sendiri pada gambar di atas adalah yang disebut final turbine stage. Turbin ini memutarkan poros keluaran / output. Kedua bagian terakhir ini tidak terkoneksi dengan apapun, jadi unit bebas, tidak terkait dengan komponen turbin lainnya. Sedangkan pada kasus penggunaan turbin pada kendaraan tempur tank atau sebuah pembangkit listrik, gas buang tidak berguna sehingga akan dibuang melaui sebuah saluran pipa buang. Namun terkadang energi panas gas buang bisa berguna untuk alat penukar kalor atau untuk preheating sebelum udara masuk kompresor.

Penjelasan saya mengenai turbin gas di atas sebenarnya hanya merupakan penjelasan singkat dan simpel. Belum dibahas mengenai bantalannya, sistem pelumasan, struktur pendukung internal mesin, stator vane dan sebagainya. Semua topik itu menjadi permasalahan serius bagi perencana turbin mengingat turbin gas beroperasi pada tekanan, temperatur, dan kecepatan yang sangat tinggi.

Dalam bentuknya yang sudah disederhanakan, secara umum terdapat dua bentuk persamaan Bernoulli; yang pertama berlaku untuk aliran tak-termampatkan (incompressible flow), dan yang lain adalah untuk fluida termampatkan (compressible flow).

Aliran Tak-termampatkan

Aliran tak-termampatkan adalah aliran fluida yang dicirikan dengan tidak berubahnya besaran kerapatan massa (densitas) dari fluida di sepanjang aliran tersebut. Contoh fluida tak-termampatkan adalah: air, berbagai jenis minyak, emulsi, dll. Bentuk Persamaan Bernoulli untuk aliran tak-termampatkan adalah sebagai berikut:

 p + \rho g h + \frac{1}{2}\rho v^2 = konstan \,

di mana:

v = kecepatan fluida
g = percepatan gravitasi bumi
h = ketinggian relatif terhadapa suatu referensi
p = tekanan fluida
ρ = densitas fluida

Persamaan di atas berlaku untuk aliran tak-termampatkan dengan asumsi-asumsi sebagai berikut:

  • Aliran bersifat tunak (steady state)
  • Tidak terdapat gesekan

Dalam bentuk lain, Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai berikut:

 p_1 + \rho g h_1 + \frac{1}{2}\rho v_1^2 = p_2 + \rho g h_2 + \frac{1}{2}\rho v_2^2
Contoh soal :
Pada sebuah pesawat ketebalan sayap pesawat adalah 30 cm. Sedangkan kecepatan udara di atas sayap 300 m/s dan di bawah sayap 260 m/s. Massa jenis udara adalah 1,29 kg/m3 dan luas sayap pasawat masing-masing 100 m2.

berapakah gaya angkat pesawat? (g=10 m/s2; F=p.A)

Penerapan Asas Bernoulli

Bagaimana penerapan Asas Bernoulli ?
Dewasa ini banyak sekali penerapan asas Bernoulli demi meningkatkan kesejahteraan hidup manusia, diantaranya adalah :

  • Karburator, adalah alat dalam mesin kendaraan yang berfungsi untuk menghasilkan campuran bahan bakar dengan udara lalu campuran ini dimasukkan ke dalam silinder mesin untuk pembakaran.
  • Venturimeter, adalah alat untuk mengukur kelajuan cairan dalam pipa.
  • Tabung pitot, adalah alat untuk mengukur kelajuan gas dalam pipa dari tabung gas.
  • Alat penyemprot nyamuk / parfum

Karburator TSS (Vokum)     Karburator Asesoris

Bagaimana cara menghitung kelajuan cairan dalam pipa ?

Menghitung kelajuan cairan dalam pipa memakai venturimeter tanpa manometer
Persamaan Bernoulli adalah dan
kontinuitas A1.v1 = A2.v2
, maka

Cairan mengalir pada mendatar maka h1 = h2 sehingga P1 – P2 = ½ .ρ.(v22– v12 )

Maka

Pada tabung fluida diam, maka tekanan hidrostatisnya : P1 = ρ.g.hA dan P2 = ρ.g.hB maka
P1 – P2 = ρ.g(hA –hB ) =  ρ.g.h —– (2)

Substitusi persamaan (1) masuk ke (2) maka persamaan kecepatan fluida pada pipa besar:

v1 : kecepatan fluida pada pipa yang besar satuannya m/s
h : beda tinggi cairan pada kedua tabung vertikal satuannya m
A1 : luas penampang pipa yang besar satuannya m2
A2 : luas penampang pipa yang kecil (pipa manometer) satuannya m2

Menghitung kelajuan cairan dalam pipa memakai manometer

Persamaan Bernoulli adalah dan
kontinuitas A1.v1 = A2.v2
, maka

Cairan mengalir pada mendatar maka h1 = h2 sehingga P1 – P2 = ½ .ρ.(v22– v12 )

Maka

Tekanan hidrostatis pada manometer : P1 = ρ’.g.h  dan  P2 = ρ.g.h   maka

P1 – P2 = g.h(ρ’ – ρ)    ————- (2)

Substitusi persamaan (1)  ke  (2) maka persamaan kecepatan fluida pada pipa besar:

v : kecepatan fluida pada pipa yang besar satuannya m/s
h : beda tinggi cairan pada manometer satuannya m
A1 : luas penampang pipa yang besar satuannya m2
A2 : luas penampang pipa yang kecil (pipa manometer) satuannya m2
ρ : massa jenis cairan (fluida) yang mengalir pada pipa besar satuannya Kg/m3
ρ’ : massa jenis cairan (fluida) pada manometer satuannya Kg/m3

Bagaimana cara menghitung kelajuan gas dalam pipa ?

Persamaan Bernoulli adalah dan
kontinuitas A1.v1 = A2.v2, maka

Kelajuan gas dari lengan kanan manometer tegak lurus terhadap aliran gas maka kelajuan gas terus berkurang sampai ke nol di B (vB = 0 ) beda tinggi a dan b diabaikan ( ha = hb )
Maka Pa – Pb = ½.ρ.v2 ———– (1)
Tekanan hidrostatis cairan dalam manometer P – P = ρ’.g.h ——— (2)
Substitusi persamaan (1) ke (2) maka kecepatan gas pada pipa:

v : kelajuan gas, satuan m/s
h : beda tinggi air raksa, satuan m
A1 : luas penampang pipa yang besar satuannya m2
A2 : luas penampang pipa yang kecil (pipa manometer) satuannya m2
ρ : massa jenis gas, satuannya Kg/m3
ρ’ : massa jenis cairan pada manometer satuannya Kg/m3

Bagaimana cara kerja alat penyemprot  nyamuk / parfum ?

Cara kerja alat penyemprot nyamuk / parfum adalah :

Jika gagang pengisap (T) ditekan maka udara keluar dari tabung melalui ujung pipa kecil A dengan cepat, karena kecepatannya tinggi maka tekanan di A kecil, sehingga cairan insektisida di B terisap naik lalu ikut tersemprotkan keluar.

Ikuti

Get every new post delivered to your Inbox.