Pengertian Aliran Fluida
Fluida adalah zat yang tidak dapat menahan perubahan bentuk (distorsi) secara permanen. 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. Jika densitas hanya sedikit terpengaruh oleh perubahan yang suhu dan tekanan yang relatif besar, fluida tersebut bersifat incompressible. Tetapi jika densitasnya peka terhadap perubahan variabel temperatur dan tekanan, fluida tersebut digolongkan compresible. Zat cair biasanya dianggap zat yang incompresible, sedangkan gas umumnya dikenal sebagai zat yang compresible.
Perilaku zat cair yang mengalir sangat bergantung pada kenyataan apakah fluida itu berada di bawah pengaruh bidang batas padat atau tidak. Di daerah yang pengaruh gesekan dinding kecil, tegangan geser dapat diabaikan dan perilakunya mendekati fluidaideal, yaitu incompresible dan mempunyai viskositas 0. Aliran fluida ideal yang demikian disebut aliran potensial. Pada lairan potensial berlaku prinsip-prinsip mekanika Newton dan hukum kekekalan massa. Aliran potensial mempunyai 2 ciri pokok:
1. tidak terdapat sirkulasi ataupun pusaran sehingga aliran potensial itu disebut aliran irotasional
2. tidak terjadi gesekan sehingga tidak ada disipasi (pelepasan) dari energi mekanik menjadi kalor.
Prinsip-prinsip dasar yang paling berguna dalam penerapan mekanika fluida adalah persamaan-persamaan neraca massa atau persamaan kontinuitas; persamaanpersamaan neraca momentum linear dan neraca momentum angular (sudut), dan neraca energi mekanik. Persaman-persamaan itu dapat dituliskan dalam bentuk diferensial yang menunjukkan kondisi pada suatu titik di dalam elemen volume fluida, atau dapat pula dalam bentuk integral yang berlaku untuk contoh volume tertentu atau massa tertentu.
Pipa dan Tabung
Fluida dapat dialirkan dalam pipa atau tabung yang berpenampang bundar dan dijual dipasaran dengan berbagai ukuran, tebal dinding, dan bahan konstruksi. Pada umumnya pipa berdinding tebal, berdiameter relatif besar, dan tersedia dalam panjang antara 20-40 ft. Sedangkan tabung berdinding tipis dan biasa tersedia dalam bentuk gulungan yang panjangnya sampai beberapa ratus kaki. Ujung pipa logam biasanya berulir. Dinding pipa umumnya kesat, sedangkan dinding tabung licin. Potonganpotongan pipa disambung dengan menggunakan ulir (screw), flens (flange), atau las (weld), sedangkan tabung disambung dengan sambungan kompresi (compression fitting), flare fitting, atau sambungan solder (soldered fitting). Tabung biasanya dibuat dengan teknik ekstrusi atau cold drawn, sedangkan pipa logam biasanya dibuat dengan teknik las, cor (casting), dan piercing. Pipa dan tabung dapat dibuat dengan berbagai material seperti logam, alloy, keramik, gelas, dan polimer. Untuk praktikum ini digunakan pipa dari PVC dan logam. Pada indsutri kimia umumnya digunakan pipa dari baja berkarbon rendah.
Ukuran pipa ditentukan oleh diameter dan tebal dindingnya. Tebal pipa ditunjukkan dengan schedule number. Hal ini berkatitan dengan allowabel stress dan ultimate strength-nya. Ukuran pipa yang optimum ditentukan oleh biaya relatif untuk investasi, daya, pemeliharaan, persediaan dan fleksibilitas sambungan.Untuk instalasi kecil, umumnya kecepatan rendah lebih menguntungkan terutama dalam aliran gravitasi dari tekanan tinggi.
Valve
Sistem instalasi pipa biasanya terdiri dari banyak sekali valve dengan ukuran dan bentuk yang beragam. Beberapa jenis valve sangat cocok untuk membuka dan menutup penuh aliran, ada valve yang cocok untuk mengurangi tekanan dan laju aliran fluida, ada pula valve yang berfungsi mengatur agar aliran fluida terjadi pada satu arah saja.
Dua jenis valve yang paling dikenal adalah gate valve dan globe valve. Pada gate valve, bukaan tempat aliran fluida hampir sama besar dengan pipa sehingga aliran fluida tidak berubah. Akibatnya, gate valve yang terbuka penuh hanya menyebabkan penurunan tekanan sedikit. Dalam gate valve terdapat piringan tipis yang berada pada dudukan yang tipis pula. Bila gate valve dibuka, piring naik ke selongsong atas, sehingga seluruhnya berada di luar lintasan fluida. Valve ini tidak cocok digunakan sebagai pengendali aliran, dan biasanya dipakai dalam keadaan terbuka atau tertutup penuh.
Sebaliknya, globe valve banyak digunakan sebagai pengendali aliran. Bukaannya bertambah secara hampir linear menurut posisi batang valve, sehingga keausan di sekeliling piringan terdistribusi secara seragam. Fluida mengalir melalui bukaan yang terbatas dan berubah arah beberapa kali. Akibatnya, penurunan tekanan pada globe valve cukup besar. Untuk suhu di bawah 250 C, tipe plug cock yang terbuat dari logam banyak digunakan dalam sistem pipa pengolahan bahan kimia. Seperti tipe stop cock yang biasa terdapat di laboratorium, tipe plug cock dapat berubah dari posisi terbuka penuh sampai tertutup sempurna dengan memutar batang seperempat putaran. Pada posisi terbuka penuh, saluran di dalam plug cock dapat sebesar penampang pipa sehingga penurunan tekanan kecil sekali. Pada ball valve, elemen penutup ini berbentuk bola. Daerah kontak antara elemen yang bergerak dan dudukannya biasanya besar, dan valve ini dapat digunakan untuk menurunkan laju alir fluida atau mengendalikan tekanan.
Check valve menyebabkan aliran hanya berlangsung pada satu arah saja. Valve terbuka oleh tekanan fluida pada arah yang dikehendaki, bila aliran berhenti atau akan berbalik, valve menutup otomatis karena gravitasi atau dengan bantuan pegas yang menekannya ke piringan.
Beberapa rule of thumb yang penting dalam penyusunan aliran pipa, antara lain:
1. Pipa-pipa harus sejajar dengan belokan-belokan tegak lurus pipa-pipa disusun sedemikian sehingga dapat dibuka bila perlu untuk mengganti pipa yang rusak atau membersihkannya.
2. Dalam sistem aliran gravitasi, pipa harus dibuat lebih besar daripada seharusnya dan belokan dirancang sesedikit mungkin. Pengotoran saluran sangat mengganggu bila aliran berlangsung dengan gravitasi saja, karena tinggi tekan fluida tidak dapat ditambah untuk meningkatkan laju aliran saat pipa mengecil karena fouling.
3. Kebocoran valve harus selalu diperhtungkan. Valve harus dipasang vertikal dengan batangnya ke atas. Valve harus mudah dicapai, dan didukung tanpa mengalami regangan, dan diberi allowance untuk menampung ekspansi termal pipa di sebelahnya.
Pompa
Pemindahan fluida melalui pipa, peralatan, atau udara terbuka dilakukan dengan pompa, kipas, blower, dan kompresor. Alat-alat tersebut berfungsi meningkatkan energi mekanik fluida. Tambahan energi itu lalu digunakan untuk meningkatkan kecepatan, tekanan, atau elevasi fluida. Metoda yang umum untuk penambahan energi tersebut adalah dengan positive displacement dan aksi sentrifugal yang diberikan dengan gaya dari luar. Kedua metoda tersebut menyebabkan ada 2 jenis utama peralatan pemindah fluida, yaitu menggunakan tekanan langsung pada fluida dan menggunkaan momen puntir untuk membangkitkan rotasi Pompa digunakan untuk mengalirkan fluida (umumnya cair) dari satu unit operasi ke unit operasi yang lain. Fluida mengalir akibat terjadinya perpindahan energi. Driving force yang umum digunakan untuk mengalirkan fluida adalah gravitasi, displacement, gaya sentrifugal, gaya elektromagnetik, perpindahan momentum, impuls mekanik, atau kombinasinya. Saat ini, yang paling umum diaplikasikan adalah gaya sentrifugal dan gravitasi. Ada 2 kelompok utama pompa:
1. Positive Displacement Pump
Pada pompa jenis ini, volume tertentu zat cair terperangkap di dalam satu ruang yang berganti-ganti diisi melalui pemasuk dan dikosongkan pada tekanan yang lebih tinggi melalui pembuang. Ada 2 jenis positive displacement pump. Pada reciprocating pump ruang tersebut adalah silinder stasioner yang berisi piston atau plunger. Pada pompa putar ruangnya bergerak dari pemasuk sampai pembuang dan masuk lagi ke inlet. Contoh reciprocating pump antara lain pompa piston, pompa plunger, dan pompa diafragma. Sedangkan jenis-jenis pompa putar antara lain gear pump, lobe pump, screw pump, cam pump, dan vane pump.
2. Pompa Sentrifugal
Pada jenis pompa ini energi mekanik zat cair ditingkatkan dengan aksi sentrifugal. Pompa ini paling banyak digunakan dipabrik.
Pada pompa, densitas fluida konstan dan besar. Perbedaan tekanan biasanya cukup besar dan konstruksinya harus kuat. Pompa dipasang untuk memberikan energi yang diperlukan untuk menarik zat cair dari sumber dan membuatnya mengalir dengan laju alir volumetrik yang konstan pada waktu keluar pada ketinggian tertentu di atas pompa. Hal ini ditunjukkan pada Gambar Pada pompa zat cair masuk melalui sambuangan isap (a) dan keluar melalui sambungan buangan (b). Persamaan Bernoulli dapat digunakan untuk kedua titik tersebut. Gesekan hanya terjadi pada dinding pompa sendiri, dan dapat dihitung dalam efisiensi mekanik η dan hf = 0. Dengan penyederhanaan tersebut, persamaan Bernoulli menjadi:
Jumlah kerja yang dihasilkan oleh pompa atau kompresor bergantung pada kapasitas dan head. Kapasitas adalah laju alir massa atau volume fluida yang dialirkan, sedangkan head adalah perbedaan total tekanan masuk dan keluar alat, yang biasanya dinyatakan dalam tinggi kolom fluida dalam kondisi adiabatik.
