Sifat fluida untuk teknisi: massa jenis, viskositas dinamis dan kinematik, pengaruh suhu, fluida non-Newton, bilangan Reynolds dan rezim aliran, dan akibatnya pada pompa dan selang dosis

Sebuah laundry hotel berganti pemasok bahan kimia. Deterjen cair yang baru lebih pekat, sehingga dosis per kilogram linen lebih kecil, dan teknisi pemasok menyetel ulang pompa peristaltik dispenser dengan uji gelas ukur pada siang hari. Dua minggu kemudian, supervisor laundry melapor bahwa linen yang dicuci pagi hari sering kurang bersih. Teknisi mengulang uji gelas ukur pukul tujuh pagi dan mendapat dosis sekitar sepertiga lebih sedikit dari hasil siang hari, dengan setelan pompa yang sama.

Penyebabnya tidak ada di pompa atau pengendalinya. Jeriken deterjen disimpan di gudang yang dingin pada malam hari, dan pada suhu pagi produk itu jauh lebih kental. Selang isap dari jeriken ke pompa panjangnya beberapa meter dengan lubang kecil, sehingga cairan kental tidak sempat mengalir masuk secepat yang diminta pompa. Produk itu juga mengental seperti gel ketika diam semalaman, lalu mengencer setelah diaduk atau dipompa beberapa menit. Bab ini menjelaskan sifat fluida yang menentukan kejadian seperti itu, dan cara menghitung akibatnya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sifat fluida dari sisi teknisi: massa jenis, viskositas, pengaruh suhu, fluida non-Newton, bilangan Reynolds, rezim aliran, rugi tekan aliran laminar, akibatnya pada pompa dan selang, dan pengukuran di lapangan. Nilai untuk produk tertentu diambil dari lembar data produk. Topik dasar dan penerapannya ada di bab lain:

1. Bab 1 tentang tekanan, debit, dan kontinuitas.
2. Bab 2 tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan, termasuk rugi tekan aliran turbulen.
3. Bab 3 tentang pompa, penukar panas, dan batas operasi.
4. Bab 9 · Fisika tentang fluida statis dan tekanan hidrostatis.
5. Bab 27 · Fisika tentang analisis dimensi dan bilangan tak berdimensi.
6. Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika tentang pelumasan dan tribologi, termasuk viskositas pelumas.
7. Bab 21 · Kimia tentang surfaktan, koloid, dan emulsi.
8. Bab 1 · Dispensing Kimia tentang dispenser peristaltik dan Bab 2 · Dispensing Kimia tentang dispenser venturi laundry.

Massa jenis dan berat jenis

Massa jenis (density) adalah massa per satuan volume suatu zat. Massa jenis air sekitar 998 kg/m³ pada 20 °C dan turun pelan menjadi sekitar 983 kg/m³ pada 60 °C. Bila fluidanya air, massa jenisnya dapat dianggap tetap sekitar $10^3$ kg/m³, anggapan yang cukup untuk sebagian besar hitungan lapangan.

Berat jenis (specific gravity) adalah massa jenis dibagi massa jenis air, sehingga tidak bersatuan. Deterjen cair pekat sering bermassa jenis sekitar 1,05 sampai 1,25 kg/L, dan larutan alkali atau garam pekat bisa lebih tinggi. Aliran mampat terjadi ketika massa jenis tidak tetap saat tekanan berubah. Cairan hampir tidak mampat; gas dan uap mampat.

Massa jenis penting bagi teknisi karena tiga hal: dosis yang ditakar dengan volume harus diubah ke massa bila dosis ditetapkan dalam gram, tekanan hidrostatis kolom cairan sebanding dengan massa jenisnya seperti di Bab 9 · Fisika tentang fluida statis, dan sensor level berbasis tekanan memerlukan massa jenis yang benar.

Viskositas dinamis dan kinematik

Mudahnya fluida dituang adalah petunjuk viskositasnya. Secara teknis, viskositas dinamis (dynamic viscosity) $\mu$ adalah perbandingan tegangan geser dengan laju geser di dalam fluida, dalam Pa·s; satuan yang sering dipakai di lembar data adalah mPa·s, yang sama dengan centipoise (cP). Air pada 20 °C sekitar 1 mPa·s.

Viskositas kinematik (kinematic viscosity) adalah viskositas dinamis dibagi massa jenis:

dalam m²/s, dengan $\mu$ dalam Pa·s dan $\rho$ dalam kg/m³; satuan lapangannya mm²/s, yang sama dengan centistokes (cSt). Air pada 20 °C sekitar 1 mm²/s. Sebagai contoh, viskositas 80 cP setara 62 cSt, yang berarti fluida itu bermassa jenis sekitar $80/62 = 1{,}29$ kg/L. Teknisi perlu memeriksa satuan mana yang dipakai lembar data sebelum membandingkan dua produk.

Pengaruh suhu

Viskositas cairan turun tajam bila suhu naik; viskositas gas justru naik sedikit. Analisis penukar panas untuk cairan kental memperhitungkan viskositas yang turun bila suhu naik. Untuk air, angkanya sekitar 1,00 mPa·s pada 20 °C, 0,65 pada 40 °C, 0,47 pada 60 °C, dan 0,35 pada 80 °C. Air panas mengalir sedikit lebih mudah, tetapi perbedaannya kecil dibanding produk kental.

Untuk deterjen pekat, pelembut, dan gel, perubahan karena suhu jauh lebih besar: produk yang sekitar 300 mPa·s pada suhu ruang yang hangat dapat menjadi dua kali atau lebih kental beberapa derajat lebih dingin, sedangkan angka untuk produk tertentu dibaca dari lembar data. Karena itu, uji dosis dilakukan pada suhu kerja yang paling dingin yang mungkin terjadi, tidak hanya pada siang hari.

Fluida Newton dan non-Newton

Fluida Newton (Newtonian fluid) adalah fluida yang viskositasnya tetap walaupun laju geser atau pengadukan berubah, seperti air, minyak tipis, dan sebagian besar larutan encer. Fluida non-Newton (non-Newtonian fluid) adalah fluida yang viskositasnya berubah menurut laju geser, lama diam, atau gaya yang diberikan. Banyak produk laundry dan dapur bukan fluida Newton:

1. Mengencer karena geser: viskositasnya turun saat dipompa atau diaduk. Banyak deterjen cair pekat, sabun cair, dan gel berperilaku seperti ini.
2. Tiksotropik: mengental bila diam lama dan mengencer setelah diaduk beberapa waktu; produk yang diam semalaman tampak seperti gel pada pagi hari.
3. Bertegangan luluh: tidak mengalir sama sekali sampai diberi gaya tertentu, seperti pasta dan beberapa krim; selang isap dapat tampak penuh tetapi produknya tidak bergerak.
4. Mengental karena geser: viskositas naik saat digeser cepat; lebih jarang di laundry, misalnya bubur pati yang pekat.

Untuk fluida non-Newton, satu angka viskositas tidak cukup; lembar data yang baik menyebut viskositas bersama suhu dan laju geser atau alat ukurnya. Sifat surfaktan dan emulsi yang menimbulkan perilaku ini dijelaskan di Bab 21 · Kimia tentang surfaktan, koloid, dan emulsi.

Bilangan Reynolds, rezim aliran, dan rugi tekan laminar

Bilangan Reynolds dan rezim aliran

Bilangan Reynolds (Reynolds number) adalah bilangan tak berdimensi yang membandingkan gaya inersia dengan gaya kental dalam aliran, seperti dijelaskan di Bab 27 · Fisika tentang analisis dimensi dan bilangan tak berdimensi:

dengan $v$ kecepatan rata-rata (m/s), $D$ diameter dalam pipa (m), $\rho$ massa jenis (kg/m³), $\mu$ viskositas dinamis (Pa·s), dan $\nu$ viskositas kinematik (m²/s), sehingga Re tidak bersatuan. Untuk bilangan Reynolds di bawah sekitar 2.000, aliran laminar, dan buku pegangan pompa memakai batas yang sedikit lain: bila Re kurang dari 2.300, aliran laminar. Di atas sekitar 4.000, aliran turbulen, dan di antaranya terdapat daerah peralihan.

Air di pipa gedung hampir selalu turbulen. Cairan kental di selang dosis kecil hampir selalu laminar. Perbedaan rezim ini mengubah cara rugi tekan dihitung: rumus aliran turbulen dengan faktor gesek dari diagram atau rumus empiris di Bab 2 tentang Bernoulli, rugi tekan, dan sistem perpipaan tidak berlaku untuk aliran laminar, dan sebaliknya.

Rugi tekan pada aliran laminar

Untuk aliran laminar dalam pipa lurus, rugi tekan dapat dihitung langsung:

dengan $\Delta p$ rugi tekan (Pa), $\mu$ viskositas dinamis (Pa·s), $L$ panjang selang atau pipa (m), $v$ kecepatan rata-rata (m/s), dan $D$ diameter dalam (m); atau, dengan faktor gesek Darcy, $f = 64/\text{Re}$. Karena kecepatan untuk debit yang sama berbanding terbalik dengan kuadrat diameter, rugi tekan laminar pada debit tetap berbanding terbalik dengan pangkat empat diameter. Memperbesar diameter selang dari 6 mm menjadi 10 mm menurunkan rugi tekannya menjadi sekitar $(6/10)^4 = 0{,}13$ kali.

Rugi tekan laminar juga berbanding lurus dengan viskositas dan panjang selang. Bagi selang isap, yang penting adalah batasnya: tekanan di sisi isap pompa tidak dapat turun di bawah tekanan uap cairan, dan dalam praktik jauh lebih tinggi dari itu, sehingga rugi tekan isap yang mendekati tekanan atmosfer membuat pompa tidak lagi terisi penuh.

Akibat pada pompa dan selang dosis

Akibat pada pompa

Pompa desak positif juga dipakai untuk memompa fluida yang sangat kental. Pada pompa desak positif, kebocoran balik di dalam pompa berkurang bila viskositas naik, kapasitasnya merupakan fungsi kecepatan yang berkaitan dengan tekanan dan viskositas, dan ada kehilangan daya karena gesekan fluida kental di dalam pompa. Akibat yang umum:

1. Pompa sentrifugal: debit, tinggi tekan, dan efisiensi turun bila viskositas naik, dan daya naik; produsen memberi faktor koreksi untuk cairan kental.
2. Pompa desak positif dan peristaltik: debit per putaran hampir tetap selama ruang pompa terisi penuh, tetapi pengisian itu dibatasi oleh aliran masuk dari selang isap.
3. Pompa diafragma dosis: katup isap dan buang yang kecil memperlambat pengisian; produk kental memerlukan katup dan langkah yang sesuai.
4. Venturi atau eduktor: daya isapnya kecil, sehingga produk kental mengurangi debit isap jauh lebih besar dari pompa desak positif, seperti di Bab 2 · Dispensing Kimia tentang dispenser venturi laundry.

Gejala pompa yang kekurangan isian mirip dengan gejala pompa yang aus: dosis kurang, bunyi berbeda, dan gelembung di selang buang. Perbedaannya, dosis karena kekurangan isian berubah menurut suhu dan tinggi isap, sedangkan dosis karena aus turun pelan dari minggu ke minggu dan tidak membaik pada siang hari. Mencatat suhu bersama hasil uji gelas ukur membantu membedakan keduanya. Cara memasang dan mengkalibrasi pompa peristaltik dispenser dijelaskan di Bab 1 · Dispensing Kimia tentang dispenser peristaltik.

Akibat pada selang dan pipa dosis

Hal yang paling menentukan untuk produk kental:

1. Selang isap pendek dan besar: jeriken diletakkan dekat dan, bila memungkinkan, lebih tinggi dari pompa.
2. Ujung isap di dasar jeriken dengan saringan yang tidak terlalu halus, dan pemberat yang mencegah ujung itu terangkat.
3. Suhu penyimpanan: produk disimpan di ruang yang tidak terlalu dingin, sesuai lembar data.
4. Pengadukan untuk produk tiksotropik: jeriken digoyang atau diaduk menurut petunjuk pemasok sebelum shift pertama.
5. Selang buang: panjang dan diameter juga menambah tekanan buang yang harus dilawan pompa.
6. Uji dosis pada keadaan terburuk: suhu paling dingin, jeriken hampir kosong, dan sesudah pompa diam semalam.

Instrumen, penggantian produk, dan pengukuran di lapangan

Sifat fluida dan pembacaan instrumen

Banyak instrumen dikalibrasi untuk air, sehingga pembacaannya bergeser bila fluidanya berbeda:

1. Sensor level berbasis tekanan: mengubah tekanan menjadi tinggi cairan dengan massa jenis yang disetel. Tangki larutan alkali bermassa jenis 1,2 kg/L yang disetel untuk air menunjukkan level sekitar 20 persen lebih tinggi dari sebenarnya.
2. Rotameter: skala dibuat untuk fluida dan massa jenis tertentu; cairan yang lebih kental atau lebih berat membaca berbeda.
3. Meter debit: sebagian jenis peka terhadap viskositas dan bilangan Reynolds, sehingga meter yang tepat untuk air dapat salah untuk cairan kental, seperti dibahas di Bab 5 tentang pengukuran debit.
4. Sensor konduktivitas untuk dosis: hubungan konduktivitas dengan kadar berubah bila produk berganti, karena susunan kimianya berbeda.

Setiap kali produk diganti, setelan instrumen yang memakai sifat fluida diperiksa ulang, tidak hanya setelan pompa.

Menyetel ulang saat produk berganti

Penggantian produk adalah saat yang paling sering menimbulkan masalah dosis. Urutan yang umum:

1. Baca lembar data produk baru: massa jenis, viskositas pada beberapa suhu, suhu penyimpanan, bahan selang dan pompa yang cocok, dan petunjuk pengenceran.
2. Bandingkan dengan produk lama: bila viskositas naik banyak, periksa selang isap, letak jeriken, dan jenis pompa sebelum produk dipakai.
3. Bilas sistem: produk lama dan baru dapat bereaksi atau mengendap bila bercampur; selang dan pompa dibilas menurut petunjuk pemasok.
4. Ubah setelan dosis dari massa, bila resep dalam gram: volume per dosis dihitung dari massa jenis produk baru.
5. Uji pada keadaan terburuk seperti diuraikan di atas, dan catat suhu, setelan, dan hasil gelas ukur.
6. Ulangi uji setelah beberapa hari, karena selang peristaltik dan katup dapat berubah perilakunya dengan produk baru.

Catatan penggantian produk disimpan bersama catatan servis dispenser, sehingga keluhan mutu cucian beberapa minggu kemudian dapat dihubungkan dengan perubahan itu.

Mengukur sifat fluida di lapangan

Teknisi jarang memiliki viskometer laboratorium, tetapi dapat memperoleh angka yang berguna:

1. Massa jenis: menimbang volume yang diketahui di gelas ukur, atau memakai hidrometer.
2. Viskositas relatif: mencatat waktu alir cairan dari corong atau gelas berlubang standar, dibandingkan dengan air dan dengan produk lama pada suhu yang sama.
3. Suhu: selalu dicatat bersama setiap uji, karena hasilnya tidak bermakna tanpa suhu.
4. Uji dosis: gelas ukur di ujung selang buang, pada setelan dan keadaan yang sebenarnya.
5. Lembar data produk: massa jenis, viskositas, suhu penyimpanan, dan petunjuk pompa.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: viskositas kinematik. Deterjen pekat bermassa jenis 1.050 kg/m³ dengan viskositas dinamis 300 mPa·s, yaitu 0,3 Pa·s. Viskositas kinematiknya $\nu = 0{,}3/1.050 = 2{,}86 \times 10^{-4}$ m²/s, yaitu sekitar 286 cSt.

Contoh 2: Reynolds deterjen di selang dosis. Deterjen pada Contoh 1 mengalir 0,1 m/s di selang berdiameter 6 mm. $\text{Re} = 0{,}1 \times 0{,}006/(2{,}86 \times 10^{-4}) = 2{,}1$, jauh di bawah 2.000, jadi laminar.

Contoh 3: rugi tekan selang isap. Untuk selang isap 2 m pada keadaan Contoh 2, $\Delta p = 32 \times 0{,}3 \times 2 \times 0{,}1/0{,}006^2 = 53.300$ Pa, sekitar 0,53 bar. Pada pagi hari, bila viskositas menjadi 600 mPa·s, rugi tekannya sekitar 1,07 bar, lebih dari tekanan atmosfer yang tersedia untuk mendorong cairan masuk. Pompa tidak terisi penuh, seperti pada kasus pembuka.

Contoh 4: dosis volume dan massa. Pompa menakar 100 mL produk bermassa jenis 1,2 kg/L. Massa yang terdosis $100 \times 1{,}2 = 120$ g. Bila resep pemasok menyebut 120 g per muatan, setelan 100 mL sudah tepat; bila produk diganti dengan massa jenis 1,05 kg/L, 100 mL hanya memberi 105 g.

Contoh 5: produk tiksotropik. Produk berviskositas sekitar 2.000 mPa·s saat diam dan sekitar 300 mPa·s saat mengalir di selang. Pada pagi hari, cairan di sekitar ujung isap belum bergerak, sehingga dosis pertama kurang. Menggoyang jeriken dan menjalankan pompa ke wadah sebentar sebelum shift pertama mengembalikan dosis normal.

Contoh 6: tinggi isap. Jeriken 1 m di bawah pompa dengan produk 1.200 kg/m³ menambah tekanan yang harus diatasi sebesar $1.200 \times 9{,}81 \times 1 = 11.800$ Pa, sekitar 0,12 bar, di atas rugi tekan selang. Meletakkan jeriken setinggi pompa menghilangkan beban itu.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyelia atau pemasok bila:

1. Produk akan dipanaskan untuk menurunkan viskositasnya tanpa petunjuk lembar data dan tanpa memeriksa bahayanya.
2. Selang atau pompa akan diganti dengan bahan yang tidak dinyatakan tahan terhadap produk.
3. Dosis tidak dapat dibuat tepat pada keadaan terburuk, padahal mesin tetap dijalankan.
4. Produk berbahaya harus dipindahkan atau diencerkan tanpa alat pelindung dan prosedur.
5. Lembar data tidak menyebut viskositas atau suhu penyimpanan untuk produk yang menimbulkan masalah dosis.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 memberi debit dan kontinuitas, Bab 2 rugi tekan aliran turbulen, Bab 3 pompa, Bab 9 · Fisika tekanan hidrostatis, Bab 27 · Fisika bilangan Reynolds dalam analisis dimensi, Bab 8 · Mekanikal & Mekatronika viskositas pelumas, Bab 21 · Kimia surfaktan dan emulsi, Bab 1 · Dispensing Kimia dispenser peristaltik, dan Bab 2 · Dispensing Kimia dispenser venturi. Bab 5 tentang pengukuran debit adalah bab berikutnya di rak ini.

Latihan dan pembahasan