Pengaruh Serat ( Fiber ) Daun Nanas Terhadap Koefisien Gesek Aliran Dalam Pipa Spiral

Transkripsi

1 Pengaruh Serat ( Fiber ) Daun Nanas Terhadap Koefisien Gesek Aliran Dalam Pipa Spiral Kartika Zuhra Department Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok Tel : (021) Fax : (021) kartikazuhra@ymail.com ABSTRAK Pengurangan hambatan serat dalam larutan air telah dipelajari sebagai fungsi konsentrasi dengan menggunakan pipa spiral. Percobaan dilakukan dengan mengukur pressure drop. Tujuan penelitian ini untuk meneliti pressure drop dalam pipa spiral dengan penambahan serat dalam larutan air. Pipa Spiral dengan diameter yang berbeda yaitu 25 mm dan 27 mm digunakan dalam penelitian ini dengan variasi serat daun nanas konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm. Ditemukan bahwa serat daun nanas mengalami pengurangan hambatan pada aliran Percobaan dilakukan dari bilangan Reynolds rendah sampai tertinggi yaitu Penulis mengamati rasio penurunan hambatan maksimum yaitu 16.5 % pada bilangan Reynolds dengan konsentrasi larutan serat 1000 ppm. Penurunan koefisien gesek mengindikasikan keefektifan fluida uji sebagai drag reduction agent. Kata Kunci : pengurangan hambatan; serat daun nanas; koefisien gesek; drag reduction agent ; aliran turbulen 1. PENDAHULUAN Isu lingkungan adalah topik utama yang menarik dipelajari terutama dalam efisiensi energi. Salah satu topik menarik adalah pengurangan hambatan pada sistem transportasi fluida. Penambahan sedikit suspensi aditif seperti polimer, surfaktan, dan serat untuk aliran fluida turbulen Newtonian dapat mengakibatkan pengurangan hambatan yang muncul pada beberapa jenis aliran dan telah mendapatkan banyak perhatian. Fenomena ini sudah dilakukan dan dipublikasikan oleh Toms [1]. Penggunakan surfaktan [2,3] untuk pengurangan hambatan pada aliran turbulen sangat efektif dan degradasi mekanik sangat rendah. Namun, surfaktan yang mengandung bahan kimia sintetis sangat berbahaya bagi lingkungan. Selain itu, polimer aman bagi lingkungan, tetapi polimer tidak praktis karena degradasi mekanik yang signifikan. Yanuar dan kawan kawan [4,5] juga telah meneliti pengaruh solusi biopolimer untuk pengurangan hambatan aliran internal dan eksternal. Penelitian menunjukkan bahwa biopolimer dapat mengurangi hambatan gesek hingga 30% tetapi degrasi mekanik terjadi secara cepat. Ogata, Numakawa, dan Kubo [6] melaporkan bahwa solusi serat dari selulosa bakteri yang dialirkan pada aliran turbulen dalam pipa memerlukan penurunan tekanan yang rendah untuk mempertahankan laju aliran volumetrik yang sama. Penambahan sedikit serat ke dalam cairan yang mengalir dapat menunjukkan efek yang signifikan pada banyak jenis aliran. Telah ditemukan bahwa suspensi selulosa bakteri menyebabkan pengurangan hambatan aliran Penurunan ratio hambatan maksimal 11% dan ditemukan bahwa hal ini dapat meningkatkan konsentrasi suspensi serat dari selulosa bakteri. Serat suspensi lainnya juga diselidiki oleh peneliti-peneliti lain [7,8,9] seperti serat asbes atau nilon. Penelitian ini menyatakan bahwa nilon dan serat abses yang efektif untuk mengurangi hambatan, namun membutuhkan konsentrasi yang tinggi dan memiliki kelemahan yang berkaitan dengan masalah beban lingkungan. Dari permasalahan ini, maka dilakukan penelitian menggunakan serat daun nanas yang dianggap memiliki beban lingkungan yang rendah dan secara alami berasal dari tanaman nanas. Dimana akan dilakukan peninjauan lebih mendalam permasalahan tersebut. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari pengurangan dari penurunan hambatan yang terjadi pada pipa spiral dengan penambahan serat ke dalam air. Pipa spiral yang digunakan dalam penelitian ini adalah pipa spiral dengan diameter 25 mm dan 27 mm. Sementara konsentrasi larutan serat yang digunakan adalah konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm. Penelitian dilakukan pada bilangan Reynolds hingga Maksimum

2 rasio pengurangan hambatan sekitar 16.5% pada bilangan Reynolds Ditemukan bahwa pengurangan hambatan meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan pada aliran. 2. ALAT PENELITIAN Gambar 1: Setup alat penelitian Gambar 1 merupakan set up dari alat penelitian dimana larutan serat daun nanas dialirkan dalam pipa spiral menggunakan pompa turbin daya 125 watt. Variasi diameter pipa spiral yaitu 25 mm dan 27 mm. Untuk mengukur perbedaan tekanan dalam pipa spiral menggunakan manometer jenis pipa kapiler dengan diameter pipa kapiler 2 mm dan jarak antar manometer 1080 mm. Flowmeter digunakan untuk mengambil data debit fluida yang masuk ke pipa spiral yang diukur dengan mengikatkan transduser flowmeter pada pipa masukan. Variasi konsentrasi larutan serat daun nanas yaitu 500 ppm dan 1000 ppm. Temperatur fluida adalah 27 C. Serat daun nanas diambil dari tanaman nanas yang digunakan sebagai tanaman hias. Kemudian daun nanas diserut lapisan lilin dan daging daunnya hingga serta daun terlihat. Untuk mempermudah pengambilan serat, terlebih dahulu daun yag telah diserut dikeringkan. Setelah semua serat terkumpul cukup untuk dibuat larutan dengan konsentrasi yang ingin diteliti, maka serat dikeringkan. Kemudian di buat menjadi serbuk dengan ukuran kurang lebih 0.5 mm dengan mesin potong. Shear Stress dan Shear Rate dapat dihitung dengan mengukur perbedaan tekanan dan kecepatan aliran. 3. LANDASAN TEORI Hubungan antara shear stress (τ) & shear rate proposional terhadap gradien kecepatan aliran, dapat di lihat dari model persamaan fluida Newtonian, yaitu : du τ µ dy = (1) Dimana µ adalah konstanta viskositas adalah sifat fluida yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Hukum viskositas Newton menyatakan bahwa untuk laju aliran maka viskositas berbanding lurus dengan tegangan geser, ini berlaku untuk fluida Newtonian. Viskositas bergantung pada temperatur dan tekanan, tidak tergantung pada shear rate. Beberapa persamaan telah diajukan untuk menjelaskan kurva aliran non linear fluida non- Newtonia. Jenis dari fluida Non-Newtonian antara lain fluida Bingham, Pseudoplstic, dan dilatant. Viskositas dari fluida Non-Newtonian tidak konstan temperatur dan tekanan namun tergantung pada faktor lain seperti shear rate fluida. Hubungan antara shear stress dan shear rate dapat dijelaskan dengan mengukur pressure drop dan debit aliran pada pipa spiral sebagai berikut: D P 8u = µ (2) 4L D Dimana D adalah diameter dalam pipa, delta p adalah pressure drop, L adalah panjang pipa, dan u adalah kecepatan aliran rata-rata. Koefisien gesek (f) dapat dijelaskan dalam persamaan Darcy sebagai berikut : D 2g f = h 2 L u (3) Dimana f adalah koefisen gesek, h adalah perbedaan ketinggian pada manometer, dan g adalah percepatan gravitasi. Pengurangan Hambatan pada pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut:

3 f f fiber DR = x100% (4) f 4. HASIL DAN ANALISA Gambar 3 menunjukkan hubungan antara bilangan Reynolds dan koefisen gesek berdasarkan pengukuran pressure drop dengan 2 variasi konsentrasi larutan. Kemudian data dibandingkan dengan persamaan Hagen Pouiselle untuk aliran laminer dan persamaan Blasius untuk aliran data pengujian air juga ditampilkan pada grafik. Koefisien gesek larutan serat daun nanas mendekati koefisien gesek air pada aliran turbulen pipa spiral diamtere 25 mm. Pada Re < 20000, koefisien gesek larutan serat setara dengan koefisien gesek air dan persamaan Blasius, sedangkan pada bilangan Reynolds > koefisien gesek larutan serat lebih rendah dari koefisien gesek air dan persamaan Blasius. Drag reduction meninglat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun nanas. Gambar 2 Kurva perbandingan Shear Stress terhadap Shear Rate Pipa Spiral diameter 25 mm Gambar 2 menunjukkan kurva aliran larutan serat daun nanas 500 ppm dan 1000 ppm pada pipa spiral 25 mm. Shear stress τ dan shear rate ɣ didapat dari data percobaan aliran Garis linear pada gambar 2 menunjukkan garis Newtonian. Data serat daun nanas dengan konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm menunjukkan hubungan linear antara shear stress dan shear rate. Dapat disimpulkan bahwa larutan serat daun nanas merupakan fluida Newtonian. Shear Rate meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi larutan. Hasil dari gambar 2 digunakan untuk mendapatkan bilangan Reynolds dan koefisien gesek. Gambar 3 Kurva perbandingan bilangan Reynolds dan koefisien gesek larutan serat daun nanas pada pipa spiral 25 mm Gambar 4: Perbandingan Drag Reduction pada Pipa Spiral 25 mm Gambar 4 menunjukkan perbandingan drag reduction larutan serat daun nanas pada diameter 25 mm. Berdasarkan gambar, dapat dilihat bahwa drag reduction larutan serat hanya terjadi pada Re kritis yaitu diatas Dibawah titik kritis tersebut, fluida menunjukkan karakteristik yang menyerupai fluida Newtonian pada aliran Drag reduction maksimum terjadi pada bilangaan Reynolds sekitar Drag Reduction meningkat mulai dari bilangan Reynolds sampai Setelah bilangan Reynolds maksimal, data cenderung konstant. Drag reduction meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun nanas. Drag reduction larutan serat daun nanas konsentrasi 1000 ppm yaitu 4.29% sampai dengan %, lebih besar daripada larutan dengan konsentrasi 500 ppm yaitu % sampai dengan 11.97%.

4 serat daun nanas mendekati koefisien gesek air pada aliran turbulen pipa spiral diamtere 27 mm. Pada Re < 21000, koefisien gesek larutan serat setara dengan koefisien gesek air dan persamaan Blasius, sedangkan pada bilangan Reynolds > koefisien gesek larutan serat lebih rendah dari koefisien gesek air dan persamaan Blasius. Drag reduction meninglat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun nanas. Gambar 5 Kurva perbandingan Shear Stress terhadap Shear Rate Pipa Spiral diameter 27 mm Gambar 5 menunjukkan kurva aliran larutan serat daun nanas 500 ppm dan 1000 ppm pada pipa spiral 27 mm. Shear stress τ dan shear rate ɣ didapat dari data percobaan aliran Garis linear pada gambar 5 menunjukkan garis Newtonian. Data serat daun nanas dengan konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm menunjukkan hubungan linear antara shear stress dan shear rate. Dapat disimpulkan bahwa larutan serat daun nanas merupakan fluida Newtonian. Shear Rate meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi larutan. Hasil dari gambar 5 digunakan untuk mendapatkan bilangan Reynolds dan koefisien gesek. Gambar 6 : Kurva perbandingan bilangan Reynolds dan koefisien gesek larutan serat daun nanas pada pipa spiral 27 mm Gambar 6 menunjukkan hubungan antara bilangan Reynolds dan koefisen gesek berdasarkan pengukuran pressure drop dengan 2 variasi konsentrasi larutan. Kemudian data dibandingkan dengan persamaan Hagen Pouiselle untuk aliran laminer dan persamaan Blasius untuk aliran data pengujian air juga ditampilkan pada grafik. Koefisien gesek larutan Gambar 7 Perbandingan Drag Reduction pada Pipa Spiral 27 mm Gambar 7 menunjukkan perbandingan drag reduction larutan serat daun nanas pada diameter 27 mm. Berdasarkan gambar, dapat dilihat bahwa drag reduction larutan serat hanya terjadi pada Re kritis yaitu diatas Dibawah titik kritis tersebut, fluida menunjukkan karakteristik yang menyerupai fluida Newtonian pada aliran Drag reduction maksimum terjadi pada bilangaan Reynolds sekitar Drag Reduction meningkat mulai dari bilangan Reynolds sampai Setelah bilangan Reynolds maksimal, data cenderung konstant. Drag reduction meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun nanas. Drag reduction larutan serat daun nanas konsentrasi 1000 ppm yaitu 4.65% sampai dengan %. lebih besar daripada larutan dengan konsentrasi 500 ppm yaitu 2.4 % sampai dengan %. 5. KESIMPULAN Efek pengurangan hambatan serat daun nanas terjadi hanya pada beberapa bilangan Reynolds kritis yang dipengaruhi oleh jenis serat dan variasi konsentrasi serat tersebut. Dari percobaan, larutan Serat Daun Nanas termasuk Fluida Newtonian. Untuk larutan serat daun nanas yang dialirkan dalam pipa spiral pada diameter 25 mm,

5 pengurangan hambatan terjadi pada rentang 3.84 % sampai dengan 11.97% untuk konsentrasi 500 ppm dan pada rentang 4.29% sampai dengan % konsentrasi 1000 ppm. Makin meningkat konsentrasi larutan, semakin maksimum pengurangan hambatannya. Untuk larutan serat daun nanas yang dialirkan dalam pipa spiral pada diameter 27 mm, pengurangan hambatan terjadi pada rentang 2.4 % sampai dengan % dan pada rentang 4.65% sampai dengan % konsentrasi 1000 ppm. Makin meningkat konsentrasi larutan, semakin maksimum pengurangan hambatannya. Pengurangan hambatan maksimum 16.5 % pada bilangan Reynolds sekitar pada diameter 25 mm. Makin kecil pipa spiral yang digunakan makin besar pengurangan hambatan pada aliran. REFERENSI biopolymers at high Reynolds number, in Preceedings of the 2nd International Symposium on Seawater Drag Reduction, pp , Busan, Korea, May [8] A.A. Robertson and S.G. Mason, The characteristics of dilute fiber suspensions, TAPPI, vol. 40, pp , [9] W. Mih and J. Parker, Velocity profile measurements and phenomenological description of turbulent fiber suspension pipe flow, TAPPI, vol. 50, pp , [10] Yanuar and Watanabe K. Drag Reduction of Guar Gum in Crude oil. The 13 th International Symposium on Trannsport Phenomena. Victoria Canada. Elsevier P [11] Yanuar, et al. Hydraulics conveyances of mud slurry by a spiral pipe Journal of Mechanical Science and Technology 23 (2009) Springer. [1] Toms. B. A. Somle observations onl the flow of linear polymer solutions through straight tubes at large Reynolds numbers," International Congress onl Rhecology,I Holland Amsterdlam. North I lolh.aid, 1949, Part 11, pp [2] F.-C. Li, Y. Kawaguchi, K. Hishida, and M. Oshima, Investigation of turbulent structures in a drag-reduced turbulrnt channel flow with syrfactant additive by stereoscopic particle image velocimetry, Experiments in Fluids, vol. 40, no. 2, pp , [3] H. W. Bewersdorff, Rheology of drag reducing surfactat solutions, in Proceedings of the ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (FED 96), vol. 237, pp , San Diego, Calif, USA, [4] Yanuar and Watanabe K. Tom s effect of guar gum additive for crude oil in flow through square ducts. The 14 th International symposium on transport phenomena. Bali Indonesia. Elsevier P [5] Yanuar, Gunawan and M. Baqi, Characteristics of Drag Reduction by Guar Gum in Spiral Pipes Journal Teknologi. Vol , pp [6] Satoshi Ogata, Tetsuya Numakawa and Takuya Kubo. Drag reduction of bacterial cellulose suspensions. Advanced in Mechanical Engineering Pp 1-6. [7] P.S. Virk and R.H. Chen, Type B drag reduction by aqueous and saline solutions of two