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 16424 Indonesia
[email protected] 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 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
2. LANDASAN TEORI
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.
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 rataratanya saja yang mengikuti sumbu pipa. Aliran turbulen dapat ditandai dengan nilai Reynold yang lebih dari 4000.
Analisa pengaruh...Andhika Bramida H, FT-UI, 2013
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
(1) Dimana Di adalah diameter rata-rata pipa spiral lengkung.
Mengisi Reservoir
Menghidupkan Pompa
Mengatur Bukaan Katup
Mengukur Debit Fluida
Menghitung Ketinggian Manometer
Gambar 2 Penampang pipa spiral Aliran Pipa Spiral Untuk menentukan nilai minor losses coefficient pada pipa spiral digunakan rumus berikut ini :
(2)
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 serat bambu dan serat kelapa. 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.
Analisa pengaruh...Andhika Bramida H, FT-UI, 2013
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 0o sampai 90o. 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.
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 grafik berikut ini.
Dan bisa dilihat nilai minor losses turun cukup signifikan untuk fluida dengan bilangan Reynold di bawah 20000. Pengujian Fluida Campuran Serat Bambu 500 ppm Setelah air, pengujian selanjutnya menambahkan serat alami ke dalam fluida. Pilihan serat pertama adalah serat bambu dengan konsentrasi 500 ppm. Pengujian yang dilakukan sama dengan pada pengujian air. Data-data yang didapat dibuat ke dalam grafik berikut ini. 0.6
Bambu 500 ppm
0.4
0.2 1.0x104
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 6 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold fluida campuran serat bambu konsentrasi 500 ppm Pengujian Fluida Campuran Serat Bambu 1000 ppm Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam grafik berikut ini. 0.6
Bambu 1000 ppm
0.6
Air
0.4
0.4
0.2 1.0x104
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re 0.2 1.0x104
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 5 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold air Bisa disimpulkan dari grafik di atas 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.
Gambar 6 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold fluida campuran serat bambu konsentrasi 1000 ppm Dari kedua grafik di atas dapat disimpulkan bahwa untuk bilangan Reynold yang berdekatan, fluida campuran dengan konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida campuran dengan konsentrasi 500 ppm. Contohnya pada percobaan kelima, dengan nilai bilangan Reynold yang berkisar sebesar 29000, fluida
Analisa pengaruh...Andhika Bramida H, FT-UI, 2013
konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekakan yang lebih kecil dari fluida konsentrasi 500 ppm. Data-data di atas dibandingkan dengan air dan dibuat ke dalam grafik di bawah ini.
Bambu 500 ppm Bambu 1000 ppm 30
DR %
0.6
40
Air Bambu 500 ppm
20
Bambu 1000 ppm 10
0.4
0 1.0x104
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 9 Grafik persentase kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan 0.2 1.0x104
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 7 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold 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 Reduction 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 Reynold yang sama. Grafiknya disajikan seperti berikut ini. 0.6
Air Bambu 500 ppm Bambu 1000 ppm
Pengujian Fluida Campuran Serat Kelapa 500 ppm Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam grafik berikut ini.
0.4
0.2 1.0x104
Kedua grafik diatas menunjukkan kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan pada bilangan reynold yang sama. Fluida dengan campuran bambu konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm 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 ppm dan 1000 ppm, fluida dengan konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih baik dari fluida dengan konsentrasi 500 ppm hampir di semua titik. Untuk bilangan fluida dengan bilangan Reynold dibawah 20000, fluida konsentrasi 500 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida konsentrasi 1000 ppm, sedangkan untuk fluida dengan bilangan Reynold diatas 20000, fluida konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil. Fluida dengan konsentrasi 500 ppm memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 723%, sedangkan untuk fluida dengan konsentrasi 1000 ppm memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 19-34%.
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 8 Grafik perbandingan nilai rugi jatuh tekanan antara air dengan fluida campuran serat bambu
Analisa pengaruh...Andhika Bramida H, FT-UI, 2013
Data-data di atas dibandingkan dengan air dan dibuat ke dalam grafik di bawah ini.
0.6
Kelapa 500 ppm 0.6
Air Kelapa 500 ppm Kelapa 1000 ppm
0.4
0.4
0.2 1.0x104
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 10 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold fluida campuran serat kelapa konsentrasi 500 ppm
Pengujian Fluida Campuran Serat Kelapa 1000 ppm Data-data yang telah didapat dibuat ke dalam grafik berikut ini. 0.6
Kelapa 1000 ppm
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 12 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold 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 Reduction 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 Reynold yang sama. Grafiknya disajikan seperti berikut ini.
0.4
0.2 1.0x104
0.2 1.0x104
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
0.6
Air Kelapa 500 ppm Kelapa 1000 ppm
Gambar 11 Grafik perbandingan minor losses coefficient dan nilai bilangan Reynold fluida campuran serat kelapa konsentrasi 1000 ppm 0.4
Dari kedua grafik di atas dapat disimpulkan bahwa untuk bilangan Reynold yang berdekatan, fluida campuran dengan konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida campuran dengan konsentrasi 500 ppm. Contohnya pada percobaan pertama, dengan nilai bilangan Reynold yang berkisar sebesar 17000, fluida konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih kecil dari fluida konsentrasi 500 ppm.
0.2 1.0x104
2.0x104
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 13 Grafik perbandingan nilai rugi jatuh tekanan antara air dengan fluida campuran serat kelapa
Analisa pengaruh...Andhika Bramida H, FT-UI, 2013
30
35
Kelapa 500 ppm
25
30
20
25
15
10 1.0x104
Kelapa 1000 ppm Bambu 1000 ppm
DR %
DR %
Kelapa 1000 ppm
20
2.0x104
3.0x104
4.0x104
15 1.0x104
2.0x104
Re
3.0x104
4.0x104
Re
Gambar 14 Grafik persentase kenaikan dan penurunan nilai rugi jatuh tekanan
Gambar 16 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 ppm dan 1000 ppm 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 ppm dan 1000 ppm, fluida dengan konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang lebih baik dari fluida dengan konsentrasi 500 ppm. Fluida dengan konsentrasi 500 ppm memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 12-19%, sedangkan untuk fluida dengan konsentrasi 1000 ppm memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 20-28%
Dari kedua grafik diatas dapat disimpulkan bahwa untuk nilai bilangan reynold yang berkisar antara 12000 sampai 20000 fluida campuran serat kelapa konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang paling kecil. Sedangkan untuk nilai bilangan Reynold yang berkisar antara 20000 sampai 37000 fluida campuran serat bambut dengan konsentrasi 1000 ppm memiliki nilai rugi jatuh tekanan yang paling baik. Fluida campuran serat kelapa konsentrasi 1000 ppm memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 20-28%, sedangkan untuk fluida campuran serat bambu konsentrasi 1000 ppm memiliki persentase penurunan rugi jatuh tekanan sebesar 1934%.
5. KESIMPULAN DAN SARAN 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 ppm, serat kelapa 1000 ppm dan fluida air murni itu sendiri. Nilai minor losses ditampilkan pada grafik berikut : 0.6
Air Kelapa 1000 ppm Bambu 1000 ppm
0.4
0.2 1.0x104
2.0x104
3.0x104
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 Reynold antara 12000 sampai 20000 fluida yang paling baik digunakan adalah fluida campuran serat kelapa konsentrasi 1000 ppm. Sedangkan untuk aliran dengan nilai bilangan Reynold antara 20000 sampai 4000 fluida yang paling baik digunakan adalah fluida campuran serat bambu dengan konsentrasi 1000 ppm.
4.0x104
Re
Gambar 15 Grafik perbandingan nilai minor losses coefficient untuk semua fluida
Analisa pengaruh...Andhika Bramida H, FT-UI, 2013
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 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. 2002. Mekanika Fluida edisi keempat, John Willey & Sons, Inc. 2. Holman, J. P. 1988. Perpindahan Kalor. Jakarta : Erlangga 3. Gunawan. 2009. Kerugian Jatuh Tekanan (Minor Losses) Aliran Lumpur Lapindo pada Pipa Spiral Lengkung. Skripsi. 4. Suhariyono, Edi. 2008. 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. 2007. Study on The Dynamic Characteristic of Coconut Fiber Reinforced Composites 7. Li, Long-Jiao. , Wang, Yue-Ping. , Wang, Ge. , dkk. 2009. Evaluation of Properties of Natural Bamboo Fiber for Application in Summer Textitles.
Analisa pengaruh...Andhika Bramida H, FT-UI, 2013
