perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
ANALISIS PENGARUH MEDAN MAGNET SOLENOIDA TERHADAP PEMISAHAN PARTIKEL DEBU ALIRAN UDARA SERAGAM MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK MATLAB 6.5
SKRIPSI OLEH UMI NURFITRIANI M0204012
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2011 commit to user
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
ANALISIS PENGARUH MEDAN MAGNET SOLENOIDA TERHADAP PEMISAHAN PARTIKEL DEBU ALIRAN UDARA SERAGAM MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK MATLAB 6.5
OLEH
UMI NURFITRIANI M0204012
SKRIPSI
Ditulis dan Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapatkan Gelar Sarjana Fisika Jurusan Fisika
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA commit to user 2011 ii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
LEMBAR PENGESAHAN
Skripsi ini dibimbing oleh : Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. Iwan Yahya, M. Si.
Drs. Darmanto, M. Si.
NIP. 196707730 199302 1 001
NIP. 19610614 198803 1 002
Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada : Hari
: Senin
Tanggal
: 18 April 2011
Anggota Tim Penguji 1. Drs. Hery Purwanto, M. Sc.
(
.......
)
(
.......
)
NIP. 19590518 198703 1 002 2. Drs. Usman Santosa, M. S. NIP. 19510407 197503 1 003
Disahkan oleh Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta Ketua Jurusan Fisika
Drs. Harjana. M. Si., Ph. D. NIP. 19590725 198601 1 001 commit to user iii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
PERNYATAAN
Analisis Pengaruh Medan Magnet Solenoida terhadap Pemisahan Partikel Debu Aliran Udara Seragam Menggunakan Perangkat Lunak Matlab 6.5
Umi Nurfitriani M0204012
“Saya dengan ini menyatakan bahwa skripsi ini hasil penelitian saya yang ide dasarnya
merupakan
konsep
yang
telah
dikerjakan
oleh
pembimbing,
sepengetahuan saya hingga saat ini konsep tersebut tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau ditulis orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapat gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di perguruan tinggi manapun, kecuali telah dituliskan di bagian daftar pustaka skripsi ini. Semua bantuan dari semua pihak telah saya tulis di bagian ucapan terima kasih skripsi ini.”
Surakarta, April 2011 Penulis
Umi Nurfitriani
commit to user iv
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
ABSTRACT Analysis of A Solenoid’s Magnetic Field Effect to the Particle Separation Performance for Uniflow Deduster using Matlab 6.5
By Umi Nurfitriani M0204012 A computation modeling using Matlab 6.5 has been done to analyze performance of particulate separation system designed by combining mechanical way and electromagnetic system using solenoids. Uniflow air comes into the tube through a static fan, which constitute a cyclonic airflow. Particles experience Lorentz force gained from electrically charged solenoids installed along the outside trapper tube. The analysis resulted in improvement in the diameter of trapped particulate up to 10-12 meters, better than either non magnetic prototype of dust trapper or magnetic trapper sourced from single wire. Diameter of trapped particulate gained on condition of 0,6 meters tube length and electrical current of 0,2 miliampere. The values are much better compared to non magnetic model which reach only 4 m, and to single wire magnetic model which amprove as well as 0,6 m of the same tube length. Parameter analysis has been done to configure which variables affect the system’s performance. Keywords: particulate trapper, magnetic field, solenoids, constant of G, Matlab
commit to user v
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
ANALISIS PENGARUH MEDAN MAGNET SOLENOIDA TERHADAP PEMISAHAN PARTIKEL DEBU ALIRAN UDARA SERAGAM MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK MATLAB
Umi Nurfitriani M0204012
Telah dilakukan pemodelan komputasi dengan menggunakan program Matlab 6.5 untuk menganalisis kinerja sistem pemisahan partikulat yang dirancang dengan prinsip penggabungan sistem mekanik dengan menggunakan baling-baling dan elektromagnetik dengan menggunakan solenoida. Aliran udara searah masuk pada tabung melewati baling-baling dan bergerak sebagai aliran siklon. Di sepanjang tabung partikel mengalami gaya Lorentz yang bersumber dari kumparan kawat berarus yang dipasang di sisi luar tabung penjebak. Hasil analisis menunjukkan bahwa penambahan medan magnet dengan menggunakan solenoida memberikan hasil yang lebih baik daripada rancangan tanpa medan magnet dan rancangan dengan medan magnet menggunakan satu kawat lurus berarus. Ukuran diameter partikulat yang terlontar mencapai 10-12 meter pada keadaan panjang tabung 0,5 meter dan kuat arus 20 mA. Nilai tersebut jauh lebih baik dibandingkan keadaan tanpa B di mana diameter partikel terlontar mencapai 4 m, dan pada keadaan B bersumber dari kawat lurus berarus di mana diameternya sebesar 0,6 m untuk keadaan panjang tabung yang sama. Analisis parameter dilakukan untuk mengetahui variabel-variabel yang memiliki pengaruh cukup besar terhadap kinerja sistem. Kata kunci: penjebak partikulat, medan magnet, solenoida, tetapan G, Matlab
commit to user vi
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ...................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN......................................................................
iii
HALAMAN PERNYATAAN .....................................................................
iv
HALAMAN ABSTRAK..............................................................................
v
HALAMAN MOTTO ..................................................................................
vii
HALAMAN PERSEMBAHAN ..................................................................
viii
KATA PENGANTAR .................................................................................
ix
DAFTAR ISI ................................................................................................
xi
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................
xv
BAB I
PENDAHULUAN A. Latar Belakang Masalah .....................................................
1
B. Perumusan Masalah ...........................................................
4
C. Batasan Masalah .................................................................
4
D. Tujuan Penelitian ...............................................................
5
E. Manfaat Penelitian .............................................................
5
F. Sistematika Penulisan ........................................................
5
BAB II LANDASAN TEORI A. Solenoida ............................................................................
7
B. Gaya Lorentz .......................................................................
8
C. Partikulat .............................................................................
9
D. Aliran Berputar ....................................................................
10
E. Pemisah aliran siklon ..........................................................
11
F. Analisis Teori ......................................................................
12
BAB III METODOLOGI PENELITIAN commit to user A. Alat Penelitian ....................................................................
22
vii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
B. Prosedur Penelitian..............................................................
22
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................
24
BAB V
PENUTUP A. Kesimpulan ........................................................................
31
B. Saran ...................................................................................
31
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................
32
LAMPIRAN .................................................................................................
33
commit to user viii
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Bentuk Fisik Solenoida ...........................................................
7
Gambar 2.2. Penampang melintang Solenoida ............................................
8
Gambar 2.3. Perjalanan partikel di sepanjang tabung ..................................
12
commit to user ix
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
Daftar Pustaka [1] Lippmann, Morton, Ph.D. Health Effects of Airborne Particulate Matter. Volume 357:2395-2397, December 6, 2007 http://content.nejm.org/cgi/content/full/357/23/2395 [2] Sumorek,Andrzej, & Wiktor Pietrzyk. Electrostatic Bifilar Deduster for Organic Dust Removing. PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLID STATE V. 7, № 1 (2006) P. 152-156 http://www.pu.if.ua/inst/phys_che/start/pcss/vol7/0701-28.pdf [3] Peraturan Pemerintah, Pengendalian Pencemaran Udara. PP RI No. 41 tahun 1999. http://www.ima-api.com/downloads.php?pid=39&cat=1 [4] Zhao biing-tao. 2006. Effects of Flow Parameters and Inlet Geometry on Cyclone Efficiency. The Chinese Journal of Process Enginering Vol. 6 No. 2, April 2006 [5] Ruhmini. 2008. Analisis Pengaruh Medan Magnet terhadap Pemisahan Aliran Partikel Debu Aliran Udara Seragam Menggunakan Perangkat Lunak MATLAB 6.5. Surakarta : Jurusan Fisika Fakultas Matematika Universitas Sebelas Maret [6] Young, Hugh D. and R. A. Freedman. 2002. Fisika Universitas. Jilid 1. Edisi ke-10. Jakarta: Erlangga. Terjemahan: University Physics. Edisi ke-8. 2000. Addison Wesley Longman, Inc. [7] Giancoli, Douglas C. 2000. Physics Principles with Applications. California: Prentice Hall, Inc. [8] Serway, Raymond. A. 2001. Physics for Scientists and Engineers. Philadelphia : Saunders College Publishing [9] Wardhana, Dampak Pencemaran Lingkungan, 2001. http://unila.smdujsade/download.jsp?MC_ID=5&MP_ID=252 [10] Zhang, Y. 1999. Modelling and Sensitivity Analysis of Dust Particle Separation for Uniflow Dedusters. Transactions of ASHRAE: in review. http://www.age.uiuc.edu/bee/RESEARCH/Deduster/dedpaper1/htm. commit to user x
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
PENGARUH MEDAN MAGNET SOLENOIDA TERHADAP KINERJA PEMISAHAN PARTIKEL DEBU ALIRAN UDARA SERAGAM Jurusan Fisika. Fakultas MIPA. Universitas Sebelas Maret Umi Nurfitriani, Iwan Yahya, Darmanto Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret
[email protected] ABSTRAK Telah dilakukan pemodelan komputasi dengan menggunakan program Matlab 6.5 untuk menganalisis kinerja sistem pemisahan partikulat yang dirancang dengan prinsip penggabungan sistem mekanik dengan menggunakan baling-baling dan elektromagnetik dengan menggunakan solenoida. Aliran udara searah masuk pada tabung melewati baling-baling dan bergerak sebagai aliran siklon. Di sepanjang tabung partikel mengalami gaya Lorentz yang bersumber dari kumparan kawat berarus yang dipasang di sisi luar tabung penjebak. Hasil analisis menunjukkan bahwa penambahan medan magnet dengan menggunakan solenoida memberikan hasil yang lebih baik daripada rancangan tanpa medan magnet dan rancangan dengan medan magnet menggunakan satu kawat lurus berarus. Ukuran diameter partikulat yang terlontar mencapai 1,017.10-12 meter pada keadaan panjang tabung 0,6 meter dan kuat arus 20 mA. Nilai tersebut jauh lebih baik dibandingkan keadaan tanpa B di mana diameter partikel terlontar mencapai 4 µm, dan pada keadaan B bersumber dari kawat lurus berarus di mana diameternya sebesar 0,6 µm untuk keadaan panjang tabung yang sama. Analisis parameter dilakukan untuk mengetahui variabel-variabel yang memiliki pengaruh cukup besar terhadap kinerja sistem. Kata kunci: penjebak partikulat, medan magnet, solenoida, tetapan G, Matlab6.5 I. PENDAHULUAN Perkembangan industri yang sangat cepat menyebabkan banyak perubahan pada lingkungan. Karbon dan partikulat debu yang disebabkan gas buang dari industri telah mengakibatkan penurunan fungsi paru-paru, gangguan efek pernapasan pada penderita asma, dan pertambahan tingkat kematian.[1] Depkes mengisyaratkan bahwa ukuran debu yang membahayakan berkisar 0,1-10 µm. Berbagai upaya telah dikembangkan untuk mengatasi hal ini. Selain penelitian-penelitian yang dilakukan di bidang pengembangan mesin berteknologi pembakaran yang lebih baik, penelitian tentang reduksi partikulat debu pada gas buang juga telah banyak dikembangkan. Pada umumnya, pemisahan aliran debu dapat dibagi menjadi dua metode utama, yaitu filter mekanik dan pemisah elektrostatis.[2] Pemisah elektrostatis memiliki beberapa keunggulan antara lain lebih efisien dalam pemisahan partikulat, membutuhkan
lebih sedikit energi, dan fleksibel pada interval temperatur dan konsentrasi partikulat yang besar.[2] Salah satu metode pemisahan aliran debu dilakukan dengan sistem penjebak partikulat yang memanfaatkan prinsip gaya sentrifugal. Pada sistem ini, udara sisa pembakaran diperlakukan sedemikian rupa sehingga mengalir secara spiral di dalam penjebak. Berdasarkan sistem ini, telah dikembangkan konsep teknologi iSMagic (Intelligent Shark Type Muffler with Magnetic Field Induced Cyclon Deduster) dalam riset pengembangan konsep knalpot iARG-OXX. Konsep iSMagic pada iARG-OXX adalah sebuah sistem penjebak partikulat yang memanfaatkan medan magnet induksi menggunakan solenoid yang terpasang pada dinding tabung penjebak partikulat.[3]
commit to user 1
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
kemampuan sistem penjebak lebih mudah untuk diamati.
II. METODE EKSPERIMEN Partikel berada pada posisi awal (rp1) dengan kecepatan awal Uz memasuki tabung melalui baling-baling statis yang terpasang pada sumbu tabung. Partikel menempuh perjalanan sepanjang jarak L dan sampai pada ujung tabung dengan posisi akhir (rp2). Pada kondisi terdapat medan magnet, partikel akan bergerak lebih cepat pada lintasan spiral karena pengaruh gaya Lorentz. Misalkan gaya Lorentz pada jarak r dari sumbu adalah:
FL = GBrqvθ di mana G adalah sebuah konstanta dan B adalah medan pada sumbu solenoida. Tetapan G berdimensi [L]-1 dan menggambarkan kelipatan nilai medan magnet B terhadap jaraknya dari pusat lingkaran. Pada setiap titik pada lintasan berlaku:
FL + Fsent = Fstokes
GB
π q 6m
ρ m X 3 vθ r +
π 6
Ukuran partikel terjebak diperoleh dengan memberikan nilai G sebesar 1,2 pada persamaan 2.21 yang dipindahruaskan: 2 mvθ L − r1 + µ G NIqX cs
GNIqρ m X cs2 vθ 9vz m
e
vθ ...(2) = 3πµXU r r Grafik fungsi dibuat dengan menggunakan
Dengan penurunan penyelesaian persamaan diferensial orde 1, diperoleh fungsi partikel terjebak sebesar:
perintah plot pada Matlab 6.5, memberikan hasil seperti pada gambar 3.1.
GBq ρ m X 2Vθ L 9 µU z m
mVθ mVθ r + = r12 + e GBqX GBqX 2 2
B1 = G.B , kuat medan di titik r adalah 3 B 2 = G.B1 , dan seterusnya.
mvθ L F (G ) = r22 + µ G NIqX cs
2
ρm X 3
Variabel G pada gaya Lorentz muncul sebagai konsekuensi posisi partikel dari pusat silinder (r) terhadap gaya Lorentz yang dibentuk oleh solenoid, besaran ini berdimensi [L-1]. Besarnya G menggambarkan pelipatan kuat medan magnet B di titik tertentu dari pusat mulai dari r1 sampai pada posisi partikel di rz. Misalkan saat partikel berada pada posisi r1, kuat medan magnet yang dialami partikel adalah sebesar B. saat partikel berada pada r2, kuat medan magnet di titik r2 adalah
(1)
Penelitian dilakukan dengan membuat program Matlab 6.5 untuk menganalisis kinerja sistem sehingga diperoleh ukuran partikel terjebak berdasarkan persamaan di atas. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian dengan kawat lurus berarus menunjukkan pertambahan kemampuan menjebak partikel hingga kisaran puluhan nanometer (10-9 m). telah dibuat program untuk menunjukkan bahwa kemampuan penjebak partikel bertambah secara signifikan. Program dibuat dengan menggunakan variabel-variabel yang telah terdefinisi dalam penelitian sebelumnya, sehingga pertambahan
Gambar 3.1. Grafik fungsi F(X) –X dengan nilai G sebesar 1,2 Grafik fungsi f(X) menunjukkan bahwa pada nilai f(X) = 0, ukuran partikel terpisah (Xcs) adalah 1,017.10-12 meter atau 1,017 pikometer.
Pemodelan persamaan 2 terbukti memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan hasil commitpemodelan to user sistem penjebak untuk satu kawat
2
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
lurus yang dilakukan oleh Ruhmini. Pada sistem dengan satu kawat lurus, kemampuan penjebak sampai dengan kisaran 10-7 meter, sedangkan pada sistem dengan menggunakan solenoida, kemampuan menjebak sampai dengan kisaran nanometer (10-12 m). Artinya, efektivitas penjebakan partikulat penyaring udara dengan elektromagnet mampu diperlebar hingga 1 pikometer dengan menggunakan gabungan satu kawat lurus dan kumparan di sepanjang tabung penjebak. Variasi nilai diterapkan pada masing-masing parameter untuk mengetahui parameter mana yang memberikan pengaruh signifikan terhadap kualitas penjebak elektromagnet. Pada gambar 3.1 di atas, banyaknya lilitan adalah sebesar 1000. Pada kondisi besaran yang lain tetap, jumlah lilitan diubah menjadi 500 lilitan dan 100 lilitan, menghasilkan partikel terjebak seperti pada gambar 3.2 berikut.
Pada kondisi jumlah lilitan tetap sebanyak 1000, dilakukan variasi diameter tabung luar dan dalam. Gambar 3.3(a) merupakan grafik yang diperoleh dengan memberikan nilai r1 sebesar 1 cm dan r2 sebesar 3 cm. Sedangkan gambar 3.3(b) diperoleh dengan memberikan nilai nilai r1 sebesar 1 cm dan r2 sebesar 5 cm. Hasil pengolahan menunjukkan bahwa semakin kecil radius tabung luar pada penjebak akan memberikan hasil diameter partikel terjebak yang lebih kecil.
(a)
(a) (b) Gambar 3.3. Kemampuan Penjebak Partikel untuk (a) jari-jari tabung luar 3 cm, dan (b) jari-jari tabung luar 5 cm
(b) Gambar 3.2. Kemampuan Penjebak Partikel untuk jumlah lilitan (a) 500 lilitan dan (b) 100 lilitan
Pada kondisi arus diperbesar hingga 0,2 Ampere, diperoleh ukuran partikel terjebak sebesar 1,017 x 10-12 m. Sedangkan pada arus sebesar 2 Ampere, diperoleh ukuran partikel terjebak sebesar 9 x 10-13 m. Dua gambaran tersebut dapat dilihat pada gambar 4.4 (a) dan (b). Kedua grafik tersebut menunjukkan tidak ada pengaruh arus terhadap diameter partikel yang dapat dijebak.
commit to user
3
perpustakaan.uns.ac.id
digilib.uns.ac.id
lebih lanjut melalui pemodelan maupun simulasi laboratorium. 4.2 Saran Beberapa saran yang dapat dilakukan untuk perbaikan penelitian selanjutnya adalah: 1. Dilakukan penelitian lebih lanjut mengenai optimasi nilai G berdasarkan pada karakteristik solenoida dan parameter lain yang berpengaruh. 2. Dilakukan eksperimen simulasi prototip sistem penjebak partikulat dengan menggunakan solenoida sebagai sumber medan magnet dengan parameterparameter yang telah dianalisis selama penelitian terdahulu.
(a)
V.DAFTAR PUSTAKA
(b) Gambar 3.3. Kemampuan Penjebak Partikel untuk (a) arus 0,2 Ampere, dan (b) arus 2 Ampere VI. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan: 1. Pengembangan model sintetis sistem penjebak partikulat dengan menggunakan solenoida yang terpasang pada dinding tabung penjebak terbukti memberikan hasil yang lebih baik dari satu kawat lurus yang terpasang di tengah sistem penjebak, dengan penurunan diameter partikel terjebak sampai dengan 10-12 meter. 2. Parameter yang berpengaruh terhadap kinerja sistem penjebak antara lain jarijari dalam dan jari-jari luar tabung penjebak, serta arus pada solenoida. Sedangkan pengaruh jumlah lilitan kawat solenoida masih perlu diteliti
[1] Lipmann, Morton, Ph. D. Health effects of Airborne Particulate Matter. Volume 357:2395-2397, December 6, 2007 http://content.nejm.org/cgi/content/full/35 7/23/2395 [2] Sumorek,Andrzej, & Wiktor Pietrzyk. Electrostatic Bifilar Deduster for Organic Dust Removing. PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLID STATE V. 7, № 1 (2006) P. 152-156 http://www.pu.if.ua/inst/phys_che/start/pc ss/vol7/0701-28.pdf [3] Ruhmini. 2008. Analisis Pengaruh Medan Magnet terhadap Pemisahan Aliran Partikel Debu Aliran Udara Seragam Menggunakan Perangkat Lunak MATLAB 6.5. Surakarta : Jurusan Fisika Fakultas Matematika Universitas Sebelas Maret [4] Tipler, P.A., 1998, Fisika untuk Sains dan Teknik–.Jilid I (terjemahan), Jakarta:Erlangga. [5] Zhao biing-tao. 2006. Effects of Flow Parameters and Inlet Geometry on Cyclone Efficiency. The Chinese Journal of Process Enginering Vol. 6 No. 2, April 2006
commit to user
4
