Analisa Pengaruh Penambahan Serat Bambu dan Serat Kelapa Terhadap Nilai Minor Losses pada Pipa Spiral Lengkung

Transkripsi

1 Analisa Pengaruh Penambahan Serat Bambu dan Serat Kelapa Terhadap Nilai Minor Losses pada Pipa Spiral Lengkung Andhika Bramida H. Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok Indonesia Abstrak Dalam sistem perpipaan di perusahaan-perusahaan besar, misalnya perusahaan minyak, fluida dialirkan menggunakan pipa yang sangat panjang. Semakin panjang pipa maka akan semakin besar daya pompa yang dibutuhkan. Untuk sistem perpipaan lainnya, fluida yang dialirkan pun memiliki karakterisitik yang berbedabeda, dan dibutuhkan perlakuan yang berbeda-beda juga karena tidak selamanya fluida yang dialirkan adalah air. Fluida yang terlalu kental dapat menyebabkan gaya gesek yang sangat besar. Dari alasan tersebut maka dilakukan penelitian untuk menganalisa nilai jatuh tekanan minor (minor losses) dan drag reduction pada pipa spiral lengkung. Pada pengujian ini campurang yang diuji adalah campuran serat alami. Nilai bilangan ynold yang diuji berada di antara sampai dengan Karakteristik pipa spiral lengkung pun dipilih untuk menganalisa nilai rugi tekanan minornya, sedangkan penambahan serat alami dilakukan untuk menganalisa nilai koefisien rugi tekanan minornya. Beberapa kadar serat tertentu memiliki koefisien rugi tekanan minor yang kecil di nilai bilangan ynold tertentu, sehingga bisa menjadi acuan bagi fluida tertentu untuk meminimalkan rugi tekanan. Kata kunci : Pipa spiral lengkung, minor losses, serat alami, drag reduction 1. PENDAHULUAN Fluida merupakan hal yang tidak bisa lepas dari kehidupan kita sehari-hari, di mana pun dan kapan pun kita berada fluida selalu mempengaruhi berbagai kegiatan kita baik itu dalam wujud liquid ataupun gas. Aliran fluida di dalam pipa pada kenyataannya mengalami penurunan tekanan di sepanjang pipa yang dilalui fluida tersebut. Menurut teori dalam mekanika fluida, hal ini disebabkan oleh fluida yang mengalir memiliki salah satu sifat yaitu viskositas. Viskositas menyebabkan timbulnya gaya geser yang sifatnya menghambat. Untuk melawan gaya geser tersebut diperlukan energi sehingga membuat adanya energi yang hilang pada aliran fluida. Energi yang hilang ini mengakibatkan penurunan tekanan aliran fluida atau disebut juga rugi tekanan (losses). Dalam perpipaan juga tidak mungkin jalur alirannya hanya menggunakan pipa lurus, pasti ada belokan di beberapa titik. Belokan-belokan ini juga dapat menyebabkan jatuh tekanan minor (minor losses). Selain perpipaan itu sendiri, fluida yang dialirkan di dalam pipa juga memiliki karakterisitik yang berbeda-beda. Tidak selamanya fluida yang dialirkan adalah air, banyak fluida lain yang dapat dialirkan seperti minyak, lumpur, gas dimana tiap-tiap fluida memiliki sifat-sifat yang berbeda dan dibutuhkan perlakuan yang berbeda-beda. Dibutuhkan analisa untuk menghitung rugi tekanan yang disebabkan perpipaan dan fluida yang dialirkan itu sendiri. Sehingga kerja pompa tidak akan terlalu berat dan memakan daya yang besar. 2. LANDASAN TEORI Aliran Fluida Aliran fluida terbagi atas beberapa kategori, dibagi berdasarkan sifat-sifat yang paling dominan dari aliran tersebut, atau berdasarkan jenis dari fluida yang terkait. Berdasarkan gaya yang bekerja pada fluida tersebut, fluida terdiri dari : a. Aliran Laminar Aliran laminar adalah suatu aliran jika partikelpartikel fluida yang bergerak mengikuti garis lurus yang sejajar dengan pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran laminar dapat ditandai dengan nilai ynold yang kurang dari Gambar 1 Aliran fluida berdasarkan gaya yang bekerja b. Aliran Turbulen Aliran turbulen adalah suatu aliran jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya gerakan rataratanya saja yang mengikuti sumbu pipa. Aliran turbulen dapat ditandai dengan nilai ynold yang lebih dari 4000.

2 c. Aliran Transisi Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. Nilai ynold untuk aliran transisi adalah berada di antara 2000 sampai Nilai bilangan ynold itu sendiri bisa dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini : Dimana D i adalah diameter rata-rata pipa spiral lengkung. (1) Untuk tahapan pengujiannya sesuai dengan diagram alir berikut ini. Mulai Pencampuran Kadar Serat Mengisi servoir Menghidupkan Pompa Mengatur Bukaan Katup Mengukur Debit Fluida Gambar 2 Penampang pipa spiral Aliran Pipa Spiral Untuk menentukan nilai minor losses coefficient pada pipa spiral digunakan rumus berikut ini : 3. METODOLOGI PENGUJIAN (2) Menghitung Ketinggian Manometer Mencatat Hasil Pengujian Mengolah Data Selesai Gambar 4 Diagram alir tahapan pengujian Fluida Kerja Fluida yang digunakan sebagai fluida kerja adalah air dan campuran. Campuran yang digunakan adalah campuran air dengan serat alami yang kadarnya sudah ditentukan. Serat alami yang dicampurkan berukuran sangat kecil, disini digunakan serat bambu dan serat kelapa. Kadar campuran yang diuji ada dua; dengan kandungan 500 dan Gambar 3 Skema alat pengujian Set-up Alat Ada dua reservoir air yang digunakan. servoir pertama diletakkan di bawah yang terhubung langsung dengan pompa. Fluida di dalam reservoir pertama diaduk agar tercampur sempurna dan dihisap pompa dan masuk ke reservoir kedua. Pada reservoir kedua, dibuat selang by-pass agar tidak terjadi kepenuhan. Fluida yang sudah terlalu banyak dialirkan kembali masuk ke reservoir pertama yang ada di bawah. Kemudian fluida mengalir masuk ke pipa spiral lengkung dengan aturan katup.

3 Fluida yang masuk ke spiral lengkung mengalir ke selang-selang manometer dengan ketinggian yang berbeda-beda. Selang manometer dipasang sebanyak sembilan titik di mana jarak antar selang kira-kira 18 cm. Setelah itu fluida mengalir keluar kembali masuk ke reservoir pertama yang ada di bawah. Prosedur Pengambilan Data Fluida di reservoir pertama diaduk terlebih dahulu agar campurannya merata. Yang dilakukan terlebih dahulu adalah mengukur debit fluida. Fluida yang keluar dari pipa spiral lengkung ditampung dengan gelas ukur dan diukur dalam satuan waktu. Kemudian dengan membagikan volume gelas ukur dengan waktu yang dicapai bisa didapat debit fluida. Untuk meminimalkan error yang terjadi, pengukuran dilakukan berkali-kali. Variasi kecepatan dilakukan dengan mengatur derajat katup. Pengaturan katup diambil sebanyak 6 variasi, mulai dari 0 o sampai 90 o. Pengambilan data pertama diawali dengan penggunaan fluida air murni. Setelah fluida mengalir seragam, dilakukan pengukuran ketinggian manometer di dua titik. Setelah didapatkan, data diolah untuk mendapatkan nilai bilangan ynold dan minor losses. Percobaan dilakukan dengan menggunakan fluida air murni. Dilanjutkan dengan campuran air dan serat alami dengan kandungan 500 dan Di semua fluida tersebut dilakukan pengujian dengan variasi kecepatan hingga 6 variasi. 4. HASIL DAN ANALISA Pengujian Fluida pertama yang diuji adalah air. Pengujian dilakukan untuk mendapatkan nilai bilangan ynold dan minor losses coefficient. Dan setalah didapat, data dibuat ke dalam Dan bisa dilihat nilai minor losses turun cukup signifikan untuk fluida dengan bilangan ynold di bawah Pengujian Fluida Campuran Serat Bambu 500 Setelah air, pengujian selanjutnya menambahkan serat alami ke dalam fluida. Pilihan serat pertama adalah serat bambu dengan konsentrasi 500. Pengujian yang dilakukan sama dengan pada pengujian air. Data-data yang didapat dibuat ke dalam Gambar 6 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan ynold fluida campuran serat bambu konsentrasi 500 Pengujian Fluida Campuran Serat Bambu 1000 Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam Bambu 500 Gambar 5 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan ynold air Bisa disimpulkan dari grafik di atas bahwa semakin besar bilangan ynold suatu fluida akan menyebabkan nilai rugi jatuh tekanan yang semakin kecil. Ini disebabkan kecepatan fluida yang tinggi membuat pola aliran fluida semakin teratur. Gambar 6 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan ynold fluida campuran serat bambu konsentrasi 1000 Dari kedua grafik di atas dapat disimpulkan bahwa untuk bilangan ynold yang berdekatan, fluida campuran dengan konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida campuran dengan konsentrasi 500. Contohnya pada percobaan kelima, dengan nilai bilangan ynold yang berkisar sebesar 29000, fluida

4 konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekakan yang lebih kecil dari fluida konsentrasi 500. Data-data di atas dibandingkan dengan air dan dibuat ke dalam grafik di bawah ini Bambu 500 Bambu 500 DR % Gambar 9 Grafik persentase kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan Gambar 7 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan ynold antara fluida campuran serat bambu dan air Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa fluida yang dicampur dengan serat alami memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida air murni. Dan fluida campuran dengan konsentrasi serat yang lebih besar memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil. Drag duction Fluida Campuran Serat Bambu Data yang ada pada gambar 7 diambil nilai rataratanya dan dibuat dalam grafik trend-line untuk dianalisa nilai minor losses coefficient pada bilangan ynold yang sama. Grafiknya disajikan seperti berikut ini. Bambu 500 Kedua grafik diatas menunjukkan kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan pada bilangan reynold yang sama. Fluida dengan campuran bambu konsentrasi 500 dan 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil daripada air. Artinya fluida ini memiliki karakteristik yang lebih baik daripada air. Sedangkan perbandingan unuk kedua serat konsentrasi 500 dan 1000, fluida dengan konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih baik dari fluida dengan konsentrasi 500 hampir di semua titik. Untuk bilangan fluida dengan bilangan ynold dibawah 20000, fluida konsentrasi 500 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida konsentrasi 1000, sedangkan untuk fluida dengan bilangan ynold diatas 20000, fluida konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil. Fluida dengan konsentrasi 500 memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 7-23%, sedangkan untuk fluida dengan konsentrasi 1000 memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 19-34%. Pengujian Fluida Campuran Serat Kelapa 500 Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam Gambar 8 Grafik perbandingan nilai rugi jatuh tekanan antara air dengan fluida campuran serat bambu

5 Kelapa 500 Data-data di atas dibandingkan dengan air dan dibuat ke dalam grafik di bawah ini. Kelapa 500 Gambar 10 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan ynold fluida campuran serat kelapa konsentrasi 500 Pengujian Fluida Campuran Serat Kelapa 1000 Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam Gambar 12 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan ynold antara fluida campuran serat kelapa dan air Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa fluida yang dicampur dengan serat alami memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida air murni. Dan fluida campuran dengan konsentrasi serat yang lebih besar memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil. Drag duction Fluida Campuran Serat Kelapa Data yang ada pada gambar 12 diambil nilai rataratanya dan dibuat dalam grafik trend-line untuk dianalisa nilai minor losses coefficient pada bilangan ynold yang sama. Grafiknya disajikan seperti berikut ini. Gambar 11 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan ynold fluida campuran serat kelapa konsentrasi 1000 Dari kedua grafik di atas dapat disimpulkan bahwa untuk bilangan ynold yang berdekatan, fluida campuran dengan konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida campuran dengan konsentrasi 500. Contohnya pada percobaan pertama, dengan nilai bilangan ynold yang berkisar sebesar 17000, fluida konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida konsentrasi 500. Kelapa 500 Gambar 13 Grafik perbandingan nilai rugi jatuh tekanan antara air dengan fluida campuran serat kelapa

6 30 Kelapa DR % 20 DR % Gambar 14 Grafik persentase kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan Kedua grafik diatas menunjukkan kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan pada bilangan reynold yang sama. Fluida dengan campuran kelapa konsentrasi 500 dan 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil daripada air. Artinya fluida ini memiliki karakteristik yang lebih baik daripada air. Sedangkan perbandingan unuk kedua serat konsentrasi 500 dan 1000, fluida dengan konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih baik dari fluida dengan konsentrasi 500. Fluida dengan konsentrasi 500 memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 12-19%, sedangkan untuk fluida dengan konsentrasi 1000 memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 20-28% Fluida Terbaik Dari semua data yang sudah disajikan di atas, maka semua fluida diatas dibandingkan untuk melihat fluida mana yang paling baik digunakan dan menghasilkan minor losses yang paling kecil bila dibandingkan dengan fluida air. Fluida yang dibandingkan adalah fluida serat bambu 1000, serat kelapa 1000 dan fluida air murni itu sendiri. Nilai minor losses ditampilkan pada grafik berikut : 15 Gambar 16 Grafik persentase kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan Dari kedua grafik diatas dapat disimpulkan bahwa untuk nilai bilangan reynold yang berkisar antara sampai fluida campuran serat kelapa konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang paling kecil. Sedangkan untuk nilai bilangan ynold yang berkisar antara sampai fluida campuran serat bambut dengan konsentrasi 1000 memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang paling baik. Fluida campuran serat kelapa konsentrasi 1000 memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 20-28%, sedangkan untuk fluida campuran serat bambu konsentrasi 1000 memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 19-34%. 5. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Dari pengujian ini dapat disimpulkan beberapa hal, antara lain : 1. Campuran serat ternyata benar-benar berpengaruh terhadap nilai jatuh tekanan (minor losses). Semakin banyak konsentrasi serat yang digunakan maka akan semakin menunjukkan nilai jatuh tekanan yang semakin kecil. 2. Fluida dengan campuran serat memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil daripada fluida air murni. Semakin besar konsentrasi serat nilai rugi jatuh tekanan semakin kecil. 3. Dari pengujian yang sudah dilakukan, untuk aliran dengan nilai bilangan ynold antara sampai fluida yang paling baik digunakan adalah fluida campuran serat kelapa konsentrasi Sedangkan untuk aliran dengan nilai bilangan ynold antara sampai 4000 fluida yang paling baik digunakan adalah fluida campuran serat bambu dengan konsentrasi Gambar 15 Grafik perbandingan nilai minor losses coefficient untuk semua fluida

7 Saran Dari penelitian ini ada beberapa saran yang dapat digunakan untuk pengujian selanjutnya, antara lain adalah sebagai berikut : 1. Pengujian yang dilakukan adalah pada aliran fluida dengan nilai bilangan ynold antara sampai dengan Perlu dicoba untuk aliran fluida dengan nilai bilangan ynold yang lebih kecil atau bahkan yang lebih besar. 2. Serat yang diuji kali ini adalah bambu dan kelapa. Untuk itu perlu dicoba dengan menggunakan serat-serat alami lainnya. 3. Pengujian yang dilakukan adalah pada pipa spiral lengkung. Untuk pengujian selanjutnya bisa dibandingkan dengan aliran pada pipa spiral lurus, dan bisa juga pada aliran pipa bulat lurus. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada Prof. DR. Ir. Yanuar M.Eng., M.Sc selaku dosen pembimbing yang sudah meluangkan waktu memberikan pengarahan, diskusi dan bimbingan, Gunawan S.T. M.T. yang telah ikut membantu dan membimbing pembuatan jurnal ini dan seluruh teman-teman satu bimbingan skripsi; Frans Enriko Siregar, Julyanto Leonardo, Bintang Lazuardi, Winda Wulandari, Kartika Zuhra, dan Erwita Ivana. DAFTAR ACUAN 1. Munson, Bruce R., Young, Donald F. and Okiishi, Theodore H Mekanika Fluida edisi keempat, John Willey & Sons, Inc. 2. Holman, J. P Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga 3. Gunawan Kerugian Jatuh Tekanan (Minor Losses) Aliran Lumpur Lapindo pada Pipa Spiral Lengkung. Skripsi. 4. Suhariyono, Edi Analisa Head Loss dan Koefisien Gesek pada Pipa 5. Siswantara, Ahmad Indra. Analisa Aliran Fluida Pipa Spiral dengan Variasi Diameter Menggunakan Metode Computational Fluid Dynamics (CFD). Indonesia 6. Bujang, I. Z., Awang, M. K., and Ismail, A. E Study on The Dynamic Characteristic of Coconut Fiber inforced Composites 7. Li, Long-Jiao., Wang, Yue-Ping., Wang, Ge., dkk Evaluation of Properties of Natural Bamboo Fiber for Application in Summer Textitles.