BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Setiap fenomena alam terdapat penjelasan tentang teori yang mendasari berlakunya teori yang akan datang. Beberapa penemu diakui telah mampu menjelaskan kejadian dibalik fenomena, diantara mereka: Newton, Pascal, Archimedes, dan Bernoulli. Teori–teori yang ditemukan ditulis dan menjadi dasar penemuan teori–teori baru. Teori–teori ini digunakan dalam aplikasi kehidupan sehari-hari. Fluida dekat dengan kehidupan manusia. Banyak gejala alam yang indah dan menakjubkan di dunia ini. Aliran talang air hujan di sore hari, aktivitas anak– anak bermain semprotan air, bukit-bukit dan ngarai-ngarai yang dalam, terjadi akibat gaya-gaya yang ditimbulkan oleh aliran fluida. Semua fluida mempunyai atau menunjukkan sifat karateristik yang penting dalam dunia rekayasa. Perpipaan menjadi salah satu tema yang menarik. Sistem perpipaan adalah suatu sistem jaringan perpipaan yang merupakan saluran tertutup untuk mengalirkan fluida dari satu tempat ke tempat yang lain. Dalam hal ini, kecepatan, debit, head losses, pressure losses, diameter pipa, dan ketebalan pipa diperhitungkan dalam perancangan. Berbagai macam konstruksi perpipaan yakni pipa seri, parallel, dan cabang. Pipa seri merupakan sebuah pipa tunggal yang membawa fluida dari satu sumber ke suatu titik tujuan. Pipa dikatakan seri jika pipa-pipa terhubung dari ujung ke ujung sehingga cairan mengalir di dalam garis kontinyu tanpa ada percabangan. Pipa paralel merupakan pipa–pipa yang saling terhubung sedemikian rupa, pipa ini berawal dari cabangcabang yang mengalir ke dua titik atau lebih, terpisah dan kemudian bersatu dalam hilir. Pipa cabang terdiri dari satu atau lebih pipa yang terpisah menjadi dua atau lebih (atau bergabung untuk satu pun) namun tidak bersatu dalam hilir. (Giles, Evvet, dan Cheng, 1995).
1
2
Dalam distribusi fluida terdapat pertimbangan mekanika fluida agar tujuan dari instalasi perpipaan tercapai. Bentuk-bentuk kerugian energi pada aliran fluida antara lain dijumpai pada aliran dalam pipa. Kerugian-kerugian tersebut diakibatkan oleh gesekan dengan dinding, perubahan luas penampang, sambungan, katup-katup, belokan pipa dan kerugian-kerugian khusus yang lain. Pada belokan pipa atau lengkungan, kerugian energi aliran yang terjadi lebih besar dibandingkan dengan pipa lurus. Kerugian energi ini harus diperhatikan dalam membangun sistem yang melibatkan fluida agar perpindahan dapat terjadi. Perpindahan energi dapat berlangsung secara alami maupun buatan. Berdasarkan sistem aliran, terdapat dua metode yang lazim digunakan dalam sistem perpipaan air bersih, yakni pipa dengan sistem aliran gravitasi, dan pipa dengan sistem aliran bertekanan (Raswari, 1986). Dalam instalasi perpipaan secara alami, perpindahan fluida cair terjadi dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Perpindahan alami fluida menggunakan prinsip gravitasi karena berat fluida mengalir dari permukaan tinggi ke permukaan yang lebih rendah. Sifat alamiah fluida cair atau air yakni mengalir dari permukaan yang lebih tinggi menuju permukaan yang lebih rendah. Pompa digunakan untuk memindahkan fluida cair ke tempat yang lebih tinggi dengan menerapkan prinsip perbedaan tekanan. Pompa bekerja dengan meningkatkan energi fluida sehingga dapat menuju ketinggian tertentu. Pompa digunakan pada aliran fluida incompressible bertekanan. Compressor digunakan pada fluida compressible. Ada bermacam cara pemasangan pompa pada kasus aliran fluida untuk merekayasa keadaan. Macam instalasi pompa yakni seri dan parallel. Pompa dirangkai berseri agar head yang dicapai dapat lebih tinggi daripada dipasang tunggal. Pada rangkaian seri pompa, terdapat 2 tipe rangkaian yaitu single stage dan multi stage. Pompa dipasang berjajar dengan dua atau lebih source bertujuan agar debit yang dihasilkan lebih besar daripada dipasang tunggal. Dalam sistem sprayer, nozzle berfungsi memecah aliran menghasilkan butiran fluida. Nozzle merupakan pipa atau tabung yang memiliki luas penampang bervariasi. Nozzle dapat digunakan untuk mengarahkan atau memodifikasi aliran cairan (cairan atau gas). Nozzle digunakan untuk mengontrol laju aliran,
3
kecepatan, arah, massa, bentuk, dan tekanan dari aliran yang muncul dari mereka. Pada sistem spray, nozzle berfungsi untuk memecah cairan menjadi butiran partikel halus yang menyerupai kabut. Proses pembentukan partikel dengan menggunakan tekanan (hydraulic atomization) dilakukan untuk memperoleh butiran halus. Hydraulic atomization dilakukan dengan menggunakan air yang dipompa sehingga tekanan air meningkat. Air melewati pipa–pipa menuju ke alat pengabut dengan celah yang sempit, sehingga cairan akan pecah menjadi partikelpartikel yang sangat halus. Besar butir-butir larutan yang terpencarkan dan penyebaran butir-butir tergantung pada gaya tekan udara dan lubang nozzle. Untuk nozzle yang sama, jika semakin tinggi tekanan yang diberikan, maka ukuran droplet akan semakin kecil, jika semakin rendah tekanan, maka ukuran droplet akan semakin besar (Tas, 2008). Keseragaman penyemprotan dipengaruhi oleh jenis nozzle, jarak nozzle, tinggi semprot, kondisi nozzle, tekanan operasi, dan kondisi lapangan (Srivastava, 1993). Keberhasilan sistem sprayer dalam menghasilkan butiran yang halus dipengaruhi oleh bentuk nozzle dan kecepatan aliran dari fluida air. Kecepatan gerak suatu fluida memiliki dua efek utama tentang bagaimana karakteristik hasil semprotan setelah meninggalkan nozzle. Pertama, kecepatan perjalanan yang lebih cepat menyebabkan peningkatan udara tegangan geser pada lembar semprot yang muncul dari nozzle. Hal ini meningkatkan lembar perpisahan dan menyebabkan butiran lebih halus, hasil semprot lebih melayang. Kedua, kecepatan lebih cepat menyebabkan lebih halus, semprot lebih melayang-layang tetap tinggi, oleh karena itu akan menyapu kembali hambatan udara. Hasil akhir sistem sprayer adalah semprotan halus ringan sehingga memenuhi ruangan. (Wikipedia, 2013) Penerapan pinsip-prinsip mekanika fluida dapat dijumpai pada bidang industri, transportasi maupun bidang keteknikan yang lain. Kerugian energi terjadi pada pengguanaan prinsip–prinsip mekanika fluida. Dengan mengetahui kerugian energi pada suatu sistem yang memanfaatkan fluida mengalir sebagai media, tingkat penggunaan energi dapat ditentukan. Salah satu penerapan mekanika fluida di bidang industri adalah perancangan sistem Cathodic Electro Deposition (CED) di PT Mekar Armada Jaya Magelang.
4
Cathodic Electro Deposition atau CED adalah proses pelapisan sebuah objek yang memiliki permukaan konduktif terhadap listrik menggunakan material organik. Permukaan konduktif tersebut dihubungkan dengan arus listrik sebagai katoda, sedangkan pelapisan menggunakan cat bermuatan positif berupa medium air bermuatan listrik. Objek Cathodic Electro Deposition (CED) berupa logam, mudah bermuatan listrik. Material organik yang digunakan terkandung dalam cat atau dapat disertakan melalui tahapan proses. Cathodic Electro Deposition (CED) digunakan pada pelapisan komponen kendaraan. Electro-deposition sebagai cara praktis dalam mengecat telah dikembangkan dalam industri otomotif selama akhir 1950 dan awal 1960 untuk mengecat mobil dan bagian–bagian mobil. Material yang terbawa air yang digunakan dalam sistem awal semua jenis resin anodik berdasarkan exsisting air ditanggung teknologi cat primer. Teknologi ini bukan merupakan hal langka di dunia industri. Kegunaan electro-deposition sebagai metode mengecat mobil telah tumbuh dengan cepat selama bertahun–tahun. Saat ini, semua mobil jepang, sebagian besar eropa dan sekitar 50 % dari U.S menggunakan metode ini. Sebelum 1977, semua mobil dicat dengan proses elektro-deposition menggunakan primer tipe anodic. Electro-deposition semakin berkembang mengikuti kebutuhan dunia otomotif sejak awal dipopulerkan. Cathodic Elektro Deposition (CED) pertama kali dipasarkan pada 1971 untuk alat industri. Cathodic Electro Deposition (CED) memiliki sifat yang diinginkan yakni tahan korosi dan bahan kimia yang baik. Selain itu juga muncul sifat–sifat lain yang memenuhi persyaratan industri tertentu. Cathodic material tidak memenuhi kebutuhan industri pada area throw power dan kompatibilitas dengan keberadaan sistem otomotif electro-deposition. Proses electro-deposition sangat serupa dengan proses pelapisan logam seperti nikel, krom, tembaga, dan lain–lain. Perbedaan mendasar electrodeposition dengan pelapisan logam adalah zat organik yang digunakan untuk melapis bukan logam. Bak electro-deposition adalah disperse terdiri dari partikel resin dan partikel pigmen dilapisi dengan resin. Resin non logam inilah yang menjadi nilai lebih dari sistem Cathodic Electro Deposition (CED).
5
Elektro-deposition
menyediakan
banyak
manfaat
sebagai
metode
pelapisan mobil, tetapi yang paling penting untuk industri adalah: 1. Perlindungan terhadap korosi 2. Otomatisasi 3. Kehandalan 4. Ekologi 5. Energi Sistem katodik memiliki manfaat yang inheren (yang menjadi sifat) untuk menyediakan ketahanan korosi karena cat berpindah ke katoda dalam banyak cara yang sama dengan ion logam pada electroplating. Resin katodik ditandai sebagai alkalin (pH > 7). Inhibitor (zat yang memperlambat atau menghentikan kegiatan) karat terbentuk ketika electro-deposited. Industri otomotif mengeluarkan jumlah modal dan usaha yang cukup untuk meningkatkan ketahanan dari mobil–mobil dan truk–truk mereka. Ketahanan korosi bertujuan untuk perlindungan kosmetik (penampilan) selama lima tahun dan sepuluh tahun perforasi (perlindungan dari lubang kecil). Perlindungan dipertimbangkan untuk daerah rentan korosi dunia seperti pada area sektor utara dimana garam digunakan untuk mengontrol salju di jalan. Perlindungan juga dipertimbangkan untuk daerah pantai dekat dengan air garam. Sistem Cathodic Electro Deposition (CED) sangat penting untuk perlidungan logam, modal yang dikeluarkan akan terbayar dengan hasil yang memukau. Sistem Cathodic Electro Deposition (CED) dibangun oleh beberapa peralatan yang bekerja secara terencana, berurutan, dan teratur, peralatan ini terdiri dari: 1. Dip tank dan overflow tank 2. Paint Circulation 3. Anolyte 4. Electric Equipment 5. Ultra-filter 6. Rinsing System 7. Baking Oven
6
Saat ini, sistem Cathodic Electro Deposition (CED) telah dibangun di PT Mekar Armada Jaya atau New Armada. (Nippon Paint Company Limited Japan, Tanpa Tahun) New Armada adalah merek dagang PT Mekar Armada Jaya. PT Mekar Armada Jaya Magelang merupakan sebuah perusahaan swasta nasional yang bergerak di bidang karoseri atau autobody manufakturing. Perusahaan yang berlokasi industri di Jalan Mayjen Bambang Soegeng No. 7 Magelang Jawa Tengah ini sudah menggunakan sistem Cathodic Electro Deposition (CED). Saat ini, PT Mekar Armada Jaya Magelang ingin memperbesar kapasitas sistem Cathodic Electro Deposition (CED). Equipment yang telah ada diubah dan diperbaiki. Sistem rinsing yang baru disesuaikan dengan kapasitas PT Mekar Armada Jaya Magelang. PT Mekar Armada Jaya Magelang telah mandiri dalam sistem pengecatan hasil produksi. Sistem pengecatan dengan Cathodic Electro Deposition (CED) merupakan yang pertama kali di Jawa Tengah (Maret 2013). PT Mekar Armada Jaya Magelang perlu mengupgrade kinerja dari Cathodic Electro Deposition (CED) agar lebih optimal. Sebuah pabrik baru dibangun khusus untuk Cathodic Electro Deposition (CED). Konstruksi Cathodic Electro Deposition (CED) yang ada dinilai terlalu banyak melibatkan tenaga manusia. Pengoperasian dinilai masih kurang efektif. Bagian rinsing masih melibatkan banyak man power, bagian tertentu dari benda yang akan di-rinsing sulit dijangkau oleh manusia, lead time atau waktu total yang lama, cycle time yang lama, hasil spray yang tidak teratur dan lingkungan yang kotor. Rinsing menjadi sebuah sistem yang berkaitan dan penting. Sistem ini memiliki banyak metode. Rinsing dalam bahasa asing dapat diartikan mencuci. Dari hasil observasi, metode yang digunakan dalam sistem rinsing pada sistem Cathodic Electro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang yakni dicelup dan disemprot. Aliran fluida (air) yang digunakan berbeda-beda, ada yang menyerupai kabut, water jet, maupun menyebar seperti rintik hujan. Sistem celup berarti menyelupkan suatu benda yang akan di-rinsing ke dalam sebuah wadah atau bejana yang berisi air bersih. Sistem semprot menggunakan sistem perpipaan atau
7
selang yakni saluran tertutup dengan nozzle di ujung saluran keluar. Alat – alat ini dirakit menjadi sistem perpindahan fluida dari suatu titik ke titik yang dituju. Sistem spray sangat penting untuk meningkatkan hasil produksi. Poin keenam menunjukkan bahwa rinsing sistem menjadi salah satu fokus dalam sistem Cathodic Electro Deposition (CED). Bagian rinsing memegang peranan yang penting. Tidak ada alat rinsing yang handal memicu hasil rinsing kurang maksimal yang dapat mengakibatkan cat menetes sehingga menjadi masalah dalam tahap akhir dan juga mempercepat kontaminasi di dalam oven. Untuk mengendalikan kerugian material minimum, keefektifan rinsing harus tercapai. (Nippon Paint Company Limited Japan, Tanpa Tahun). Perancangan sebuah sistem rinsing otomasi baru yang menggantikan sistem deeping dan mengurangi man power serta mengondisikan sistem sesuai dengan standar mutu pabrik perlu dibangun sehingga tercipta sistem rinsing yang efektif dan efisien.
1.2. Rumusan Masalah Pada tanggal 23 Januari hingga 23 Maret 2013, penulis melaksanakan praktik kerja lapangan di PT Mekar Armada Jaya Magelang. Praktik kerja lapangan dilaksanakan selama 2 bulan. Penulis berkesempatan belajar mengenai proses produksi. Dalam proses produksi di PT Mekar Armada Jaya Magelang, penulis turun langsung ke lapangan. Penulis mengamati sistem Cathodic Electro Deposition (CED) di PT Mekar Armada Jaya Magelang. Banyak ilmu mengenai proses produksi yang penulis peroleh. Penulis diperkenalkan dengan cara kerja sistem Cathodic Electro Deposition (CED) di PT Mekar Armada Jaya Magelang. Penulis ditugaskan pada material, proses dan fasilitas, MPF. Pada saat praktik kerja lapangan, penulis ditugaskan untuk merancang sebuah sistem rinsing yang merupakan kebutuhan PT Mekar Armada Jaya Magelang. Kehandalan unit Cathodic Electro Deposition (CED) di PT Mekar Armada Jaya Magelang perlu diperbaiki dengan mengubah sistem rinsing manual menjadi otomatis.
8
Diantara kehandalan unit Cathodic Electro Deposition (CED) yang perlu diperbaiki: jumlah man power yang terlalu banyak, tercipta keteraturan hasil spray, kepraktisan, dan kesesuaian dengan desain pabrik. Pabrik terlihat kotor diakibatkan loncatan rinsing cat. Rancangan cover diperlukan untuk menghindari loncatan cat. Pada desain, cover digunakan untuk menutup aktivitas rinsing. Cover bertujuan agar pabrik terhindar dari semprotan rinsing cat. Sistem perpipaan bertujuan memudahkan para pekerja pabrik. Man power less, keteraturan, dan kepraktisan tercipta karena sistem perpipaan saat benda dikerjakan. Jalur perpipan merupakan sesuatu yang penting disamping konstruksi rangka. Penulis bersama Sub Section MPF Engineering di New Armada department engineering memvisualisasikan kebutuhan akan sistem rinsing yang memenuhi standar produksi masa kini. Desain yang dibuat dalam perancangan alat rinsing spray ini menerapkan sistem perpipaan cabang dengan discrete diameter approach ukuran pipa utama 1,5 inchi dengan cabang 1 inchi dan lubang nozzle sebagai sub cabang 0,5 inchi. Pada desain optimalisasi, nozzle by order digunakan, sistem dilengkapi dengan cover dan pompa dengan sumber tunggal. Dari permasalahan yang ada penulis ingin mengkaji: 1. Bagaimana proses optimalisasi alat rinsing spray sistem Cathodic Electro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang ? 2. Apakah perpipaan dengan sistem cabang dengan sumber tunggal merupakan pilihan terbaik untuk sistem rinsing spray Cathodic Electro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang ? 3. Bagaimana analisis hidrolik jalur perpipaan sistem cabang dan pompa yang digunakan pada alat rinsing spray Cathodic Electro Deposition (CED) di PT Mekar Armada Jaya Magelang ? 4. Bagaimana unjuk kerja alat rinsing spray Cathodic Electro Deposition (CED) yang telah dirancang ? 5. Efektifkah hasil rancangan tersebut untuk menggantikan sistem deeping/spray konvensional ?
9
1.3. Batasan Masalah Pada pembuatan tugas akhir ini penulis membatasi masalah agar lebih terarah: 1. Perancangan mengacu/mempertimbangkan pada kebutuhan dan kondisi lapangan, meliputi reservoir, pipa, pompa, nozzle, dan cover. 2. Perancangan berlaku dengan mengasumsikan fluida yang mengalir adalah air bersih dan belum terkontaminasi cat. 3. Optimalisasi jaringan pipa menggunakan discrete diameter approach, yang berarti dalam pendekatan diameter diskrit dari desain, ukuran pipa komersial dianggap langsung dalam sintesis sistem distribusi air. 4. Nozzle yang digunakan dalam perancangan ini ialah by order. 5. Perancangan reservoir mengacu kepada ketersediaan air tiap menit, berapa liter yang dikeluarkan oleh sistem. 6. Khusus perhitungan pada perancangan ini hanya dibatasi analisis hidrolik untuk menghitung energi pompa yang dibutuhkan. 7. Perubahan desain mengacu pada kondisi lapangan dan instalasi. 8. Hasil dan tingkat keefektifan dari produk akan menjadi koreksi dari hasil perancangan.
1.4. Tujuan Perancangan Penyusunan tugas akhir ini bertujuan melakukan optimalisasi alat rinsing
spray dengan discrete diameter approach dan analisis hidrolik jaringan perpipaan untuk kebutuhan pompa sistem Cathodic Electro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang dengan maksud dan tujuan sebagai berikut: 1. Untuk mengetahui proses optimalisasi alat rinsing spray sistem Cathodic Electro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang. 2. Untuk mengetahui apakah perpipaan dengan sistem cabang dengan sumber tunggal merupakan pilihan terbaik untuk sistem rinsing spray Cathodic Electro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang.
10
3. Untuk mendapatkan hasil perhitungan dari analisis hidrolik jalur perpipaan sistem cabang dan pompa yang digunakan pada alat rinsing spray Cathodic Electro Deposition (CED) di PT Mekar Armada Jaya Magelang. 4. Untuk mengetahui unjuk kerja alat rinsing spray Cathodic Electro Deposition (CED) yang telah dirancang. 5. Untuk mengetahui efektifitas hasil perancangan menggantikan sistem deeping/spray konvensional.
1.5. Manfaat Perancangan Dari perancangan alat rinsing spray Cathodic Elektro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang, penulis berharap dapat memberikan manfaat yaitu: 1. Menambah pengetahuan di bidang perancangan alat berbasis fluida yakni rinsing spray Cathodic Elektro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang. 2. Memberi solusi terhadap permasalahan yang terjadi di bagian sistem rinsing Cathodic Electro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang. 3. Jika alat rinsing yang dirancang efektif untuk menggantikan sistem yang lama, maka alat ini dapat digunakan sebagai alat produksi di PT Mekar Armada Jaya Magelang, dan bahkan dikembangkan dalam skala yang lebih besar.
1.6. Metode Pengumpulan Data Dalam tugas akhir ini, penulis mencari bahan dan data-data dengan cara sebagai berikut: 1. Observasi Observasi dilakukan dengan meninjau secara lebih dekat dan pengamatan langsung agar semua proses dapat dipahami secara visual.
11
2. Dokumentasi Dokumentasi merupakan suatu bentuk kegiatan pengumpulan data dengan meminta/mengambil/memfoto
data
yang
diperoleh
dari
arsip–arsip,
diantaranya adalah: layout pabrik Cathodic Electro Deposition (CED) secara keseluruhan, perpipaan sprayer tes hujan, proses pengerjaan benda CED, serta arsip–arsip pendukung lain. 3. Interview Interview dilakukan dengan cara menanyakan secara langsung kepada Sub Section MPF Engineering berpengalaman yang berhubungan langsung dengan perancangan maupun perawatan sistem Cathodic Electro Deposition (CED).
1.7. Metode Penulisan Langkah perancangan, optimalisasi alat rinsing spray dengan discrete diameter approach, perhitungan energi pompa dengan analisis hidrolik jaringan pipa dibahas pada penulisan tugas akhir ini. Unjuk kerja alat hasil perancangan ditampilkan secara visual. Pembahasan dibagi menjadi enam bagian/bab. Pada bab I akan dibahas latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan perancangan, manfaat perancangan, metode pengumpulan data, dan metode penulisan. Pada bab II dan bab III dijelaskan dasar–dasar teori fluida yang digunakan sebagai dasar perhitungan untuk perancangan dan optimalisasi alat. Pada bab ini juga dijelaskan dasar-dasar perancangan sistem perpipaan, teori-teori yang digunakan sebagai pedoman dalam melakukan perhitungan dan perancangan. Pada bab IV dijelaskan perhitungan karakteristik fluida yang bekerja pada alat rinsing, yaitu: 1. Mencari jumlah kebutuhan air untuk nozzle sprayer 2. Menghitung kecepatan fluida yang bekerja 3. Menghitung Reynolds number 4. Menghitung faktor gesekan 5. Menghitung koefisien rugi bentuk
12
6. Mencari head losses mayor dan head losses minor 7. Menghitung kapasitas reservoir Pada bab V akan dibahas perancangan alat rinsing spray Cathodic Elektro Deposition (CED) PT Mekar Armada Jaya Magelang yaitu: 1. Proses perancangan alat rinsing spray 2. Analisis hidrolik jalur perpipaan sistem cabang 3. Pemilihan pompa Bab VI yaitu penutup, berisi tentang kesimpulan dan saran dari penulis.
