Analisa Pengaruh Penambahan Rambut dan Serat Pisang Terhadap Nilai Minor Losses pada Pipa Spiral Lengkung Frans Enriko Siregar dan Andhika Bramida H. Departemen Teknik Mesin, FT UI, Kampus UI Depok 16424 Indonesia frans.enriko@ui.ac.id 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 campuran yang diuji adalah campuran serat alami. Nilai bilangan Reynold yang diuji berada di antara 12000 sampai dengan 40000. 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 Reynold 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 tiaptiap 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 Reynold yang kurang dari 2000. 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 rata-ratanya saja yang mengikuti sumbu pipa. Aliran turbulen dapat ditandai dengan nilai Reynold yang lebih dari 4000.
c. Aliran Transisi Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. Nilai Reynold untuk aliran transisi adalah berada di antara 2000 sampai 4000. Nilai bilangan Reynold itu sendiri bisa dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini : Untuk tahapan pengujiannya sesuai dengan diagram alir berikut ini. Mulai Pencampuran Kadar Serat Re = ρv d μ (1) Dimana D i adalah diameter rata-rata pipa spiral lengkung. Mengisi Reservoir 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 : ζ = h.2g v 2 (2) Menghitung Ketinggian Manometer Mencatat Hasil Pengujian Mengolah Data 3. METODOLOGI PENGUJIAN 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 rambut dan serat pisang. Kadar campuran yang diuji ada dua; dengan kandungan 500 ppm dan 1000 ppm. Gambar 3 Skema alat pengujian Set-up Alat Ada dua reservoir air yang digunakan. Reservoir 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. 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 Reynold dan minor losses. Percobaan dilakukan dengan menggunakan fluida air murni. Dilanjutkan dengan campuran air dan serat alami dengan kandungan 500 ppm dan 1000 ppm. Di semua fluida tersebut dilakukan pengujian dengan variasi kecepatan hingga 6 variasi. Gambar 5 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold air Bisa disimpulkan dari grafik di atas sesuai dengan persamaan minor losses coefficient bahwa semakin besar bilangan Reynold suatu fluida akan menyebabkan nilai rugi jatuh tekanan yang semakin kecil. Ini disebabkan kecepatan fluida yang tinggi membuat pola aliran fluida semakin teratur. Dan bisa dilihat nilai minor losses turun cukup signifikan untuk fluida dengan bilangan Reynold kurang dari 20000. Pengujian Fluida Campuran Rambut 500 ppm Setelah air, pengujian selanjutnya menambahkan serat alami ke dalam fluida. Pilihan serat pertama adalah rambut dengan konsentrasi 500 ppm. Pengujian yang dilakukan sama dengan pada pengujian air. Data-data yang didapat dibuat ke dalam 4. HASIL DAN ANALISA Pengujian Air Fluida pertama yang diuji adalah air. Pengujian dilakukan untuk mendapatkan nilai bilangan Reynold dan minor losses coefficient. Dan setalah didapat, data dibuat ke dalam Gambar 6 Grafik perbandingan minor losses campuran rambut konsentrasi 500 ppm Pengujian Fluida Rambut 1000 ppm Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam
Drag Reduction Fluida Campuran Rambut Data yang ada pada gambar 7 diambil nilai rataratanya dan dibuat dalam grafik trend-line untuk dianalisa nilai minor losses coefficient pada bilangan Reynold yang sama. Grafiknya disajikan seperti berikut ini. Gambar 6 Grafik perbandingan minor losses campuran rambut konsentrasi 1000 ppm Dari kedua grafik di atas dapat disimpulkan bahwa untuk nilai bilangan Reynold yang berdekatan, rugi jatuh tekanan akan semakin kecil. Dapat dilihat pada percobaan kelima dan ketiga dari kedua grafik yang memiliki nilai bilangan Reynold berdekatan. Nilai rugi jatuh tekanan pada fluida campuran dengan konsentrasi 1000 ppm lebih kecil dibandingkan dengan fluida campuran dengan konsentrasi 500 ppm, yakni dengan perbandingan nilai 0,29 dan 0,32. Data-data di atas dibandingkan dengan air dan dibuat ke dalam grafik di bawah ini. Gambar 8 Grafik perbandingan nilai rugi jatuh tekanan antara air dengan fluida rambut Gambar 9 Grafik persentase kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan Gambar 7 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold antara fluida campuran dan air Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa fluida dengan konsentrasi serat yang lebih besar akan lebih memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil. Dan bahkan grafik di atas menunjukkan fluida dengan campuran rambut memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dibandingkan dengan air murni. Grafik di atas menunjukkan penurunan nilai rugi jatuh tekanan pada bilangan Reynold yang sama. Fluida dengan campuran rambut memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dibandingkan dengan fluida air murni.untuk konsentrasi 500 ppm nilai persentase drag reduction cenderung meningkat jika nilai bilangan Reynold semakin besar, sebaliknya dengan fluida konsentrasi 1000 ppm nilai persentase drag reduction cenderung menurun jika nilai bilangan Reynold semakin besar. Pengujian Fluida Campuran Serat Pisang 500 ppm Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam
Gambar 10 Grafik perbandingan minor losses campuran serat pisang konsentrasi 500 ppm Pengujian Fluida Campuran Serat Pisang 1000 ppm Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam Gambar 12 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold antara fluida campuran pisang dan air Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa fluida dengan konsentrasi serat yang lebih besar akan lebih memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil. Drag Reduction Fluida Campuran Serat Pisang Data yang ada pada gambar 12 diambil nilai rataratanya dan dibuat dalam grafik trend-line untuk dianalisa nilai minor losses coefficient pada bilangan Reynold yang sama. Grafiknya disajikan seperti berikut ini. Gambar 11 Grafik perbandingan minor losses campuran serat pisang konsentrasi 1000 ppm Dari kedua grafik di atas dapat disimpulkan bahwa untuk nilai bilangan Reynold yang berdekatan, rugi jatuh tekanan akan semakin kecil. Bisa dilihat pada percobaan kelima di kedua tabel yang memiliki nilai bilangan Reynold berdekatan. Nilai rugi jatuh tekanan pada fluida campuran dengan konsentrasi 1000 ppm lebih kecil dibandingkan dengan fluida campuran dengan konsentrasi 500 ppm, yakni dengan perbandingan nilai 0,26 dan 0,31. Data-data di atas dibandingkan dengan air dan dibuat ke dalam grafik di bawah ini. Gambar 13 Grafik perbandingan nilai rugi jatuh tekanan antara air dengan fluida serat pisang
Gambar 14 Grafik persentase kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan Grafik di atas menunjukkan penurunan nilai rugi jatuh tekanan pada bilangan Reynold yang sama. Fluida dengan campuran serat pisang memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil. Untuk konsentrasi 500 ppm nilai persentase drag reduction cenderung meningkat jika nilai bilangan Reynold semakin besar, sebaliknya dengan fluida konsentrasi 1000 ppm nilai persentase drag reduction cenderung menurun jika nilai bilangan Reynold semakin besar. Fluida Terbaik Dari semua data yang sudah disajikan di atas, maka akan dibandingkan untuk melihat fluida mana yang baik dan untuk bilangan Reynold berapa fluida tersebut baik digunakan. Fluida yang dibandingkan adalah air, rambut dengan konsentrasi 1000 ppm dan serat pisang dengan konsentrasi 1000 ppm. Nilai minor losses coefficient tiap fluida disajikan pada Gambar 15 Grafik perbandingan nilai minor losses coefficient untuk semua fluida Gambar 16 Grafik perbandingan nilai drag reduction percentage untuk semua fluida Fluida yang paling baik digunakan adalah fluida yang memiliki nilai minor losses coefficient yang paling rendah. Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa fluida yang paling baik karakteristiknya adalah fluida campuran serat pisang dengan nilai minor losses coefficient-nya antara 0,25 sampai dengan 0,34 dan persentase penurunannya hingga 30%. 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 minor losses coefficient yang lebih rendah daripada air. Semakin besar kandungan serat maka nilai rugi jatuh tekanan semakin kecil. 3. Dari pengujian yang sudah dilakukan untuk aliran dengan bilangan Reynold antara 12000 sampai dengan 40000, fluida yang memiliki karakteristik paling baik adalah fluida dengan campuran serat pisang. 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 Reynold antara 12000 sampai dengan 40000. Perlu dicoba untuk aliran fluida dengan nilai bilangan Reynold yang lebih kecil atau bahkan yang lebih besar. 2. Serat yang diuji kali ini adalah rambut dan pisang. 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. ST. MT. yang telah ikut membantu dan membimbing pembuatan jurnal ini dan seluruh teman-teman satu bimbingan skripsi; 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. 2002 2. Gunawan. Kerugian Jatuh Tekanan (Minor Losses) Aliran Lumpur Lapindo pada Pipa Spiral Lengkung. Skripsi. 2009 3. Holman, J. P. 1988. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga 4. Suhariyono, Edi. 2008. Analisa Head Loss dan Koefisien Gesek pada Pipa 5. Robins, Clarence R. 2012. Chemical and Physical Behavior of Human Hair 6. Misra, Raghvendra Kumar, Sandeep Kumar, dkk. 2008. Dynamic Analysis of Banana Fiber Reinforced High-Density Polyethylene/Poly ( - Caprolactone) Composites 7. Siswantara, Ahmad Indra. Analisa Aliran Fluida Pipa Spiral dengan Variasi Diameter Menggunakan Metode Computational Fluid Dinamics (CFD). Indonesia