t.-
rssN 1411 - 9471 Volume 11 nornor 1, Januari
r.ry =^G ffi *u* +
ds#.,, ?r
.4
-i
21011
-ehdREDtTASt
Wilry"' c
g
F,# p
d
-#,
J*$r
-\
JURNAL TEKNIK MESIN ISSN
l4l 1 -
917
I.TERAKREDITASI Nomor : 43,DIKTI/Kep/2008
Jtrrnul Teknik.\lesin rerhit tiga ku!t .setuhun patlu bulun Junuari, .llei dan September. dari husil penelitian dan kajiun analitis kritis di bidung Teknik ,\lesin
Beri.si ruli.san vung diangkat
Penl unting Pelaksana ProL lr. Sutardi. \{ Eng PhD Ir. Sudjud Darsopuspito. \17 Dr. Bambang Sudarrnanta. ST. \17 ls Bunyamin Suryo. ST. \1Sc. \1. Khoirul Eflendi. ST. \4Sc \\'ahvu \\'ilanarko. ST. \lSc.
Ketua Penr unting Prof . Dr. ln_c. Ilerman Sasongko
\\'akil Penr.unting Prol. Dr. lr.\\'ajan Berara. DE.-\.
Penvunting .\hli
Pro[ lr. Djati Nursuhud, MSlvlE. ProL lr. I Nyoman Sutantra. MSc.. PhD.
llesin-Me.sin Konycrsi Energi - Juntsan Teknik illesin ITS Atilonrotiye - Junsan Teknik lvlesin ITS
Prof. Dr. Ir. TriyogiYus'ono. DEA. lr. Bambang Daryanto \ r.. N,tSN4E.. PhD. lr. Sudiyono Kromodihardlo. MSc.. PhD. lr. Budi Utomo KukuhW. ME.
r\lekanika&lllesin Fluida - Juntsan Teknik Mesin ITS l/ibrasi&Si.stcm Dinantis - Juntsan Teknik Me.sin ITS Si.sten Manulaktur&Otona.si lndustri - Jurusan Teknik h'lesin ITS Pe rpindahan Pana.s&Ternrodinarnika Terapan - Jurusan Teknik Mesin ITS Dr. lr Abdullah Shahab, N4Sc. Metalurgi - Jurusan Teknik Me.rin ITS Dr. Eng. Prabowo, M.Eng. Perpinduhan Pana.s&Termodinantika Terapan - Junrsan Teknik t4esin tTS [)r. lr. Agus Sigit Pramono. DEA. ll'lekanika Benda Padat - Junt.san Teknik Mesin ITS Prol. [)r. [ng. I Madc Londcn Baran, NlE. Aletrclogi&Kolihru.ri Dintensi - Juntsan Teknik ilesin ITS Prol. Dr. lr. Johny Wahyuadi Socdrrsono. [)l r\ Dcpurlc,ilen il,latulur\li tlun Motcrial -L/l [)r. lr. Suhanan. DI-A. Pt'rprndahan Puna.r - Jurusan Tekntk itle.rin LiGill [)r. Ir. []crkah Fajar T.. Dipl.lng. Pt'rpinlohun Punas & lvf usstt - Juru.run Tcknik ll.lcsinlJNDlp Dr. lr. livan Kusntar\\anto Prakrisi Industri, AltIi Aeronuutit.s Prof. Dr. lng. Hanvin Saptoadi. MSc. Teknik Pemhakaran - Jur.usan Teknik Mesin tLGlv[
Tata Pelaksana Usaha
Jurnal Teknik NIesin diterbitkan oleh Jurusan Teknik l\lesin FTI - ITS
Sri Suharti. BA Imam Dahronr
E-mail :
[email protected],
Alamat Redaksi Jurusan Teknrk lvtesin FTI-lTS K:rrtrpLrs ITS Sukolilo. Surabava 60lll Tclp. 0-i I - 5ell9-l I . 59-16130 Fax 0-.t I -59tt9l
[email protected]. id
\\'ebsite : * rrl'. mc. irs. ac. id,'Datir,jurnal.htm l. .juma lnic. brar:ehost. conr
I
Pcn.t'unting menerina sumhangan lulisan ]'ang belum pernah direrbirkan dalanr nredia Iain.
.\'uskah diketik meni4ikuti Persyaratart .\'askah
Jurnal Teknik .l[esin
seperti lerLantuu pada bagian dalant sanrpul belakartg
Jurna! Teknik .llesin.
#{JrL'fl.EsrN Volume 11 Nomor 1, Januari 2011 ISSN 1 411
- 9471, TERAKREDITASI Nomor : 43/DlKTl/Kep/2008
Pengaruh Kekerasan dan Kekasaran Permukaan Prototipe Sockel Proslhesis Terhadap Kenyamanan
Pengguna
halaman 1 - 7
Agustinus Purna lrawan, Tresna P. Soemardi, Agus H.S. Reksoprodjo, Wi dj aj al aks mi Ku su m an i n g sih
Fe-7,5A1-15Mn
Hardenability Dan Ketahanan KorosiPaduan Ratna Kartikasari Soekrisno, M. Noer llman, Suyitno
KonversiOli Bekas Menjadi Bahan Bakar Minyak Dengan Metode I Dewa Ketut Okariawan, I Made Mara, lda Bagus Alit
Pirolisis
Efisiensi Heat Recovery pada Pembakaran Batubara Peringkat Rendah, Cangkang Sawit dan
Campurannya
halaman B -'15
halaman 16 -21
halaman 22 -
3i
Mahidin, Asri Gani, Khairil Pengaruh Variasi Temperatur Fluida Panas terhadap Karakteristik Modul Termoelektrik
Generator
halaman 32 - 41
ZuryatiDjafar, Nandy Putra, R.A. Koestoer Faktor Gesekan dan Energi Pemompaan pada Aliran di Dalam Annulus dengan Silinder Bagian Dalam yang P rajitn o, Sutr'sno, P urnomo, I nd arto
halaman 42 - 51
Studi Pembentukan Lapisan lntermetalik Pada Permukaan-dalam Produk Besi Tuang Dody P rayitn o, B udi Susi/owafi
halaman 52 - 6 5
Berputar
Nodular
Pengaturan Aliran Udara untuk Meningkatkan Kinerja Tungku Briket
Batubara
halaman 66 - 76
Abdul Rakhman, lbnu Ziad Analisa Thermogravimetry Pembakaran Briket char
Dwi Aries Himawanto, Indarto, Harwin Sapfoadi
TriAgung Rohmat, Sidhi Pratama R
Bambu
halaman 7T - Bs
KATA PENGANTAR Pada penerbitan
kali ini. JTi\4 berhasil nrcmuat artikcl dari bcraganr linekr,rp
studi dan asal peneliti di bidang Tcknik !1csrn. Scnrbilan arrikcl vang bcrhasil
dimuat sccara mcrata tcrscbar cialanr dua kclontpok lingkup studi.
r aitu:
l\{atcrialiNletaltrrgi dan Konvct-sr Encrgi. Dari se-rnbilan artikc'1. sclurLrlrn\a bcrasal clari pcncliti lLrar ITS (Uniicrsitas Indoncsil. Unirclsitas Ca-jah \1ada. Urrivcrsitas
lrlatat-ant. Unircrsitas Syiah Kuala (Bancia Acch). Unircrsiras Hasanuddin. Universitas Trisakti. Politeknik Ncgcri Sriu,ijaya (Palcmban_u), Univcrsitas Ncgcri Solo).
Dcwan penyunting nrcngucapkan tcrirra kasih kcpada para pcngirirl artikcl dan penyunting ahli yang tclah rncmberi sunrbangan pada kualitas Jurnal
ini. Kami
juga berterima kasih kcpada sclurulr pclanggan kalni yanu tclah nrcnranfaatkan JTM scbagai bahan rLrjukan dan inspirasi dalarn pcnclitiannya. Kanri mcnqajak para pcncliti clan praktisi bidang Tcknik Mcsin clan biclarrg tcrkait untuk mcnulis artikel pada .lunral Tcknik Ir4csin ini (tcrbit sctiap Januari. Mei, dan Scpternber). Artikcl anda akan dirujuk oleh pelanggan karni dari scluruh penjuru Indonesia.
Akhimya karni berlrarap sernoga artikel-artikel berkualitas dalarn jLrrnal ini dapat berrnanf-aat ba-ei pcrnbaca dan menrbe-rikan inspirasi dalarn pcnge-mbanean
teknologi di bidang rekayasa ntcsin.
Dc-ri arr Pcrtvrrrrlinrl
!Or
'i
,.
Faktor Gesekan dan Energi Pemompaan pada Ariran di Dalam Annulus dengan Silinder Bagian Dalam 1,ang Berputar I'ra.j rrno:. Sulrisno:. Pumtrnro'. lndrno' .lurusan Tc'knik \lesin dan Indusrri. FakLrlras Tcknik UG\1. \,osvakarla Jl. (jrallka I Kanrpus U(i\1. \'ograkana j-il8l
Telp.: ( 017-l l-il
0l7l))l
I 67-.1. Far : ( I 67j rj -',ahoo.corn: ntrsutrisnoLrgni ri vahoo.cont: 3 ) purnom o_trn ir r ahrto. cont : -l ) i ndartotnrir vahoo. cr.rnt
l:-nrail : l,) prajitnoTl
[)itcrinta
l]
l)
I'cbrtrari l0l(): tlrtt'rinn tcrkoreksi l7 \1ci
l0l0:
cliscrujLri l5 Juli
l0l0
.1hstrutt Restutlt Iu.\ (ott(ltt(lc(l ltt.sltrtl.t thc t'/lcct tt/ tht' tr.rittl /lott itr ttttntrlu.s uttt/ rplttttpn pf tltt, inrtar c'.t'lindet' rtn the uxiul utttl torsiortu! ./i'it'tion lht'trtr in unnultr.s./lorr ttith the rotolitlg inner t.tlindtr. Tha la.tt .\a(liott vLt.\ un Lttttulu.\ rrith rutlitr.s rutio o1 0.7 l6 antl 0.964. antl aspect;-atio of J0 ond )20. re.spectively. ll'uter.flow rote of 0. I - t gpn gtrr.e lhe uxiul Ret.nold.,,rr,r',bq u.u.s Ri. - -16.1-t 361.5 lit rttdirr.s rutitt ttl 0.716 ; unl Ra- - -1 1.7 -|t6 6 /itr rtulitts rrttio rf'0.96J The irtttet t'.r'littdat'rot(tli,tg ol 7 - J9 rpn sure rhc <'it'ttrnfercn<'a Rcl.nold.s nttnrbar r14.s Re = 7gB 55,\6./it nttlitt.r rutitt rtl {).7 16. utrd Ra - t-15.t 9J-i.1 /itr rtulirr.s nttio tl 0.96.t. Ft.orrt tlrc exparinrenl it rrtt.t ohluinad Ihul vhan no uriul .llr rr. lrtrsionttl .fiiction.fittlor vu.t tlec'reu.sing. bul Ittt'.tirttt ttttd .f iclktn powcr vus irtc'rau.sing y'ith the rololion. Il'hen rhe inner c.vlincler tt'a.sn'l rotuling' the uxiul .f ic'lirttt.fut'lrtr vus tlet'reusins htrt thc punpint cncrgl. t,as increasing gilh./lou, rulc. Thcunolltcr re.strlt v'tt.t ol.so obtuirtatl thut vhcn tha uxial ./lon'v,d.t stroneer thun tite rottitiott. tlra o.riol./i'ittittrt tttrd prtrttltinu prn'ar tu.r tlct'rt,u.sittg n'ith tha roltttion.lt tt.u.s cvitletrl thot tha ariol /)'i
Kelv'ords: yor!cx-tu).lor with uxial .llorr..fiictiott./ttt.tor. pttnrpine encrg.
Aliran di dalanr annulus dengan silinder bagian dalarn yang berputar dan terdapat aliran aksial banyak di.jumpai pada cclah Anlara roror dan stator -!Ienerator/ntotor-listrik. bantalan luncur, sistent dialisis. reaktor. lilter/separator. peralatan penukar kalor. Jika tidak ada aliran aksial. aliran di dalanr annulus nrenjadi tidak
stabil ketika pularan silinder baeian
dalanr
nrelanipaui hatas kritisnva Ketidakstabilan ini drtarrdai dcn_sun tcrladirir l pcrubahan pola alirarr dari pola lliran ('tructtc rtrclinskar
rnenildi
poll alirln \ r)11t\ nte lingk,rr .la,tg I)oln alrran ini sclaniutn\ l
berpasangan.
clikenal denSait poil aliran r ortt'r Tar lor. .lrka putaran silinder ntakin tincqi. dintungkinklin tcr.jadi pc'rubahrrn pola aliran ntcn.jadi aliran rorter Tavlor bercelonrbanq. dan sr'lanjutnra nrr'nu.iLl kr- pola tLrrbr.rlen.
Jika dalam sistenr aliran di dalam annulus
yanu bcrputar terdapal aliran aksial. ketika aliran nrasih stabil maka sistent aliran ini mcrupakan konrbinasi antara aliran Couette rnelinekar dan aliran Poiseuille atau aliran Couette-Poiseuille. Adanya aliran aksial akan nrc-nunda ter.iadinl'a transisi aliran. artinva kondisi transisi rcrjadi pada pularan yang lebih
tingui tll.tf l.tll. Dalam rahapan
transisi
pcrtiin)a. pola aliran \orlc\ Tavlor bcrtranslasi hersanra den"an aliran aksial den-san kecepatan
tcoritis sckirar l.l kali kccepatan rat:l-rata aliran aksial. dan .jika bilangan Rernolds
llakin bcsar pola aiiran vorte\
\.an!r
bertranslasi berubah ntenladi aiiran . on.i
spiral t-tl Pcnclirian-pcnclilian rcrdahuiLi banvak vang tertbkus pada transisi jnstabilitas tahap pcnanra dari aliran ('ouetr..-Poiseuille
43
.Jurnal Teknik Mesin. Volume I
l.
Nomor L
Jannri
yang stabil menuju aliran vortex toroidal yang bertranslasi atau aliran vortex spiral, sedangkan penelitian yang berkaitan dengan gesekan dan energi masih belum banyak dilakukan [5].
ini
Tujuan penelitran
201
l
sehingga persamaan ( I ) dapat ditulis menjadi
-L,n'r' ;, ''[;)] {' It'(r)= 2t',,
menitikberatkan pada
ka.;ran tentane pengaruh parameter geometn
I'*r' +#l
maupun parameter dinamis terhadap laktor
gesekan aksial maupun melingkar,
dan
terhadap energi pemompaan maupun energi e.esekan torsi.
(6)
Jika faktor gesekan aksial di dalam annulus didefi nisikan dengan persamaan gesekan Fanning.
,=- D,,(-lP\ :Pr') { r-- l
FAKTOR GESEKAN AKSIAL DAN
tyt
'
PENURUNAN TEICANAN
di dalanr annulus yang berputar dengan aljran aksral dideskripsi dengan parameter geometri berupa radius ralio, n, yaitu perbandingan antara jari-jari silrnder dalam, R7, dan jari-jari silinder luar, R1, dan aspecl ralio, I yaitu perbandingan antara .AIiran
dengan Du - 2(R: - R r) maka dengan substitusi persanlaan (5) ke persamaan (7) diperoleh 4
D,,u
^,r.1,.r'..#]
panjang silinder, l, R_'-R7. Faktor gesekan aksial dan melingkar untuk dan jarak celah, d=
aliran laminer dapat diperoleh
4
penyelesaian persamaan Navier-Stokes dengan gradien tekanan konstan dalam arah aksial dan tanpa slip pada kondisi batas yang
menghasilkan distribusi kecepatan aksial dan niel ingkar masing-masing adalah
Rj l-4') lpu\ 0z ) (: 4 tnl ) r-L-'rrr,-t=
I n. ln,t
dan
t/(r)= 1y ',
dengan
t-_r-t
dan
'
l. R,
ll
B*
4'
-
Karena Du = 2(R: - ftrl dan Re,:V,,,Ds/u. maka ungkapan untuk laktor gesckan aksial rncnjadi
.t-
(l) (2) (3) (4)
t. _tl
'
t
tt+t] i' L
r(n,-ni) t, .t +- ryl lrry
|
l
(8)
dengan Re,=V,D1y'o
Untuk pendekatan celah sempit yaitu jika a <<4(Rt+Rr) persamaan (6) terreduksi menjadi distribusi kecepatan seperti pada aliran Poiseuille antara dua bidang sejajar (e) tut(r)= av_c(t -
= I af p\'\
dengan
';,
R.
lltll'lrlrdr
(t - q)'
t6
*n'1,*r'.+l
E)
r1'
Kecepatan aksial rata-rata dapat dihitung dengan persamaan
J
l,.r'.+)
/J
'l-,1 I g=g,_ti -. I
D.,u
t - n:y.
dari
1
?) t': )
adalah kecepatan
aksial rata-rata
K, I cP] -_ .sp,21. ; J'
dan
()) J
( =(, - n, )z(n. - n, )
ika laktor gesekan din-v"atakan
persanraan
(
'
(l l) dengan
7) diperoleh
(l]) Re-
Projitno. Faktor Ge-seka, dan Ener.qi penonpcnn poda Aliran tli Dctlctrn 14
i-o..
Gesekan Torsi
Komponen tensor tegangan dalam arah tangensial dinyatakan dengan persamaan
.ll r,r=-pu'-l-l
(li)
\
ct\r)
persamaan (l) disubstitusikan ke persamaan ( ll ) diperolr'h teganoan geser
Jika
tangensial pada permukaan dindin" luar
r.o=lpttBr : = )/rt,O; ;//, t-ryJika taktor
{ll}
Untuk kondisi transisi. faktor
eesekan
melingkar dihitung berdasarkan torsi gesekan menggunakan persamaan yang dihasilkan oleh Wendt [6] (13)
G-l.4jtl
lt- pl'=,Rc':
rl31
untuk -100 < Re < 10.000. Kemudian t'aktor gesekarr dihirung dengan persamaan
r,,,=!.rt-,7\ ;t Kt'
gesekan didetrnisikan densan
(l-+)
persam aan
r,.,t-.1
I
11
'p({)1R1):.
(r5)
:
rlaka I'aktor sesekan tansensial dapar diperoleh dengan konrbinasi antara persamaan (
():l)
dan
l,s). dan diperoleh ''
^4un: tt e,Ri t-
atau 1,,= '1
(
l6)
t7:
',n
(
Rc, l+t1
l7)
Gaya geser tangensial untuk aliran laminer dapat dihitung dengan persamaan
1",=tn.o2rR-L. Torsi gesekan tangcnsial pada
(iti) pennukaan
dinding luar T = R,F,
=4lrpuR:Lt),,4' 'l-ry'-
{lr,
atau
-'t-
JrouQ,R) r I '
L
(20)
(t-q')
Torsi dalam bentuk nondintensi dapat d
inl,atakan den-ean persantaan
G= T =1zRc,f-.rllt (t . r|\t ttt' l.
masing-nrasing mempunyai radiu.s rcttio, r7 = 0.716 dan 0.964, dan lebar celah d = 2.01 dan 0,25 cm. Panjang seksi u.li sebesar 80 cm, sehingga mempunyai o.spect ratio, /- : 40 dan
i20.
Silinder bagian luar dibuat dari bahan
transparan yaitu acrylic. sedanskan silinder bagian dalant dibuat dari bahan yanl tahan korosi yaitu stainlcss stcel atall PVC. Silindc-r baeian dalam diputar nrenggunakan ntotor
listrik nrelalui transnrisi puli, dan putaran motor listrik diatur menggunakan inverter dengan ketelitian 0. I Hz.. Air sebagai t)uida kerja disirkulasi menuju ke seksi uji mengqunakan pornpa sentrifugal, dan debit aliran diketahui nrelalui pembacaan f'lorr nreter densan ketelitian pembacaan 0.05 galon per
menit. Pada sisi masuk dan keluar seksi uji dipasang alat ukur tekanan dengan ketelitian
0.5 mm.k.a. untuk mengetahui perbedaan tekanan pada seksi uji. Temperatur fluida kerja
dengan ketelitian 0. I "C. Dalam eksperimen ini dcbit divariasi dari 0 sanrpai I galon per nrenir.
ryl'
aksial dapat diperoleh dari perkalian
anrara
-a:rPL'QiRiL It-,tt)
sehingga rncnghasilkan bilangan
{:t)
Rc.y
nolds
aksial. Rt'. - 36.15 - j61.5 unluk r.rrrli1.r r-rrlrr.r 0.716. dan Rc,- = ll.7 - 116.6 untLrk r.rziirrs
t'utio 0.961. \'ariasi
torsi qesekan dan kecc.patan sudut. atau
=TO,
Skctsa ranskaian alat pcnclirian disa.jikan
pada Gambar L Seksi u.li berupa annulus dengan silinder luar berjari-.jari dalam R: = l cnr, dan silinder bagian dalam berukuran jarijari luar R/: 5.01 cm dan 6,75 cnr, sehingga
dicatat men-qgunakan termometer digital
Da,r'a 1,ang diperiukan untuk mengatasi torsi gesekan ketika aliran larniner dan tanpa aliran
h
}IETODE PE\ELITIAN
pr.rtaran silindc-r dari 7 sanrpai denean J9 rpnt ntcnshasilkan bilanean Revnolds nrelingkar Re - l-i5.1 - 915.-l untLrk radiu.s ratio 0.96-1. dan Re - 798 - i-586 Lrntuk
radius rotio 0.7 16.
Jurnol Teknik ]v{esin. Volune
ll.
i\iomor L Januari
20ll
z
o F o ul o)
F
o LrJ
F
Tangki penampung
Keterangan: Kode Pr.P:
Keterangan Nlanometer
Kode
Keterangan
v- r.2.3.4.5 .8
Gale valyes
RD
pipe Reducet
Pompa
FM-
T
1.2
Flotr nteter
Termokopel
Gambar L Sketsa Ranekaian Alar Peneiitian
Pntjittto. f'ttktor Ge.tekart dan Energi Pemonpotm pacla ,4liratt tii Dalant
Untuk setiap r,ariasi puraran silinder bagian dalam. fbktor gesekan aksial dihitun_q
(7)
mensqunakan persamaan berdasarkan pen_qukuran penurunan tekanan pada seksi uji.
1396
rm0
92 --5565: 0 : 31
sedangkan kecepatan rala-rata diperoleh dari
debit aliran dibagi dengan luas penantpang aliran. Energi pemontpaan merupakan hasil
- - ---_*E_:-.
perkalian antara penurunan tekanan pada seksr
u.;i dan debit aiiran. Untuk aliran
larnine r. dihitun,q torsi gcsekan
10
laktor sesr-kan nrelin_ekar
menscunakan persantaan (17).
denqan persamaan (l I ). dan enerqi r.lesekan dengan persamaan (ll). Lintuk ralitr.t rotio 0.716. bilangan Revnolds kritis. Rr. - (r,i. dan
lOO
1OOO
ae.
(lambar I llubun{an antara faktoi ecsc.kan aksial dan bilangan Reynolds aksial Lrntuk t.dditr.\ r(rtio tJ.7l6 densan Rc
- iq8 - 5iti6
t-tntttk lrirliii.r rLttio L).961. brlansan Revnojds - I15. ()lch karcna iru takror gc-sekan ntelin_skar dihitung nicngeunakan persamaan (24).
kritis. Rc,
HASIL PENELITIAN dan PEI\IBAHASAN Faktor gesekan Gambar 2 menunjukkan hubungan antara f'aktor gesekan aksial dan bilangan Rcynolds aksial untuk radirrs rotio 0,716 dengan Re = 798 - ,5586. Tampak bahria puraran silindcr mengakibatkan f'aktor gesekan aksial lcbih besar daripada jika ridak berpurar. Ilal ini
discbahkan karena bilansarr
Reynolds
nrelinekar sudah nrelantpaui batas kritisnva sehingga terjadi perubahan pola aliran lamincr men jadi pola aliran transisi yans secara visual
tampak berupa aliran vortex-Taylor rnelingkar
dan bergerak aksial dengan sedikit lebih besar daripada
berpasangan
kecepatan
kecepatan aliran aksial. Faktor eesekan aksial
menurun den_ean meninekatnya bilangan Reynolds aksial. hal ini sesuai den_gan persamaan (7) bah*'a densan nteningkatnya debit aliran, kecepatan aliran aksial meninskat
dan laktor cesekan menurun. Faktor -ecsckarr aksial juga cenderunq ntcnurun .iika putaran nrakin tinllsi. hal ini tcr.ladi karena poll aliran \ onL'\-Tavlor nrelinekar berubah menjadi poll
aliralr tnen.ladi pola aliran
r.oncs-Tavlor
nrr'linckar bergelonrbang -lika putaran makin
ncei. Gantbar i menunjukkan hubungan antara f-aktor gesekan aksial dan bilangan Rcl nolds aksial untuk roditt.s rario 0.96-l denean Rc = li5.l - 810.1 t
i
0.t
oo
looo
3. Hubungan un,i.u ,r*,o. gesekan aksial dan bilangan Revnolds aksial untuk ruditrs ratio Carnbar
denganRe= 135.| -8t0.1
0.96-1
Dari ( jantblr 2 dan (iarrbar -i. tanrpak bahrva se lain bilancan Reynolds aksial. .iarak celah annulus sangat herpensaruh tcrhadap taktor gesekan aksial, dan annulus yang ntenrpunyai celah lebih sempit mempunyai laktor gesekan
aksial yang lebih kecil daripada yang menrpunyai celah lebar- Selain itu, pada seksi u.ji dengan radirrs ratio 0,96.1 . transisi aliran nrclingkar terjadi pada bilangan Rel,nolds melinckar yane lebih besar daripada yang nrenrpunyai radius ra!io 0.716. dan sel-sel vorlex-Taylor yang terbentuk pada celah annulus 1,ang lebih sempit menrpunyai ukuran y,ang lebih kecil daripada vang mempunyai celah lehih lebar. Walaupr,rn demikian pengaruh pcrubahan putaran tidak nantpak siunillkan terhadap perubahan faktor scsekan aksi al.
Pensaruh putaran
dan radius rasio
terhadap lakror gesekan aksial tanrpak lcbih .jelas pada Gambar -l r ang ntenun jukkan
hubuncan antara faktor sesekan aksial
darr
bilangan Rossbl. Parameter brlan"an Rossbv
4/
Jurnal Teknik 1.lesin. I/olume I L triomor l. Januari 20! !
j,E.6
Gambar 5 menunjuklan hubunsan antara
t,E.05
torsi gesekan dan bilangan Reynolds untuk radius ratio 0.964 dan 0,716. Untuk Re < 400,
torsi non dimensi dihitung
1,€.4.
menggunakan persamaan (2t). dan untuk Re >.100 dihitung menggunakan persamaan (23). Pada Cambar 5 tampak bahua -jika aliran masih laminer. torsi gesekan meningkat secara Iinier terhadap
1.€.01
j.E.o2 t E.01
LE.N 0,m1
0.1
0.01
I
r0
4. Hubungan antara faktor gesekan aksial dan bilangan Rossby Gambar
digunakan untuk melihat pengaruh doniinasi aliran aksial atas putaran terhadap taktor gesekan aksial. Sccara fisik. bilangan Rossby' nrenunjukkan perbandingan antara sara inersia
dan gaya Coriolis, dan dinyatakan
dengan
perbandingan antara-bilangan Reynolds aksial
dan bilangan
Reynolds - melingkar. Pada Gambar 4 tampak bah*a jika bilangan Rossby makin besar, maka laktor gesekan cenderung menurun. Secara keseluruhan tampak bahua annulus yang mempunyai celah lebih senrpit mempunyai faktor gesekan aksial lebih kecil
daripada yang mempunyai celah
lebar.
Menurut Kumar [7] ,variasi tekanan hidrostatik yang besar dalam arah rnelinekar menyebabkan variasi pola aliran 1,anu besar dalanr saluran yang berdiantetcr hidraLrlrk bcsar.
dan suatu koreksi telah diusulkan
terhadap
korelasi faktor gesekan dengan mcnambahkan
suatu bilangan Jaga (Jg) yang
berupa
perbandingan antara tekanan dinamis dan tegangan geser yang dihasilkan oleh gradien kecepatan akibat variasi tekanan hidrostatik
putaran. Dalam kondisi aliran transisi. terjadi kenaikan y'ang lebih tajam terhadap putaran atau sebandin-s dengan Re'j. Selain itu" unruk
annulus ),ang mempunyai celah lebih lebar mempunvai torsi sesekan 1'ang lebrh kecil daripada yans mempunyai ceiah lebih scnrpit. Ganrbar 6 rrenunjukkan hubungan antara
laktor gesekan torsi dan bilangan Rclnolds rnelinskar untuk rarirrs ratio 0,961 dan 0,716. Untuk aliran laminer, faktor gesekan dihrtung menggunakan persamaan ( l 7), sedangknn untuk aliran transisi menggunakan persanlaarl
(24). Tarnpak bah*'a I'aktor _eesekan torsi menurun jika putaran makin tinggi. darr pcnurunan lcbih ta.iam ketika aliran alirirn nrasih lanriner. Walaupun dcnrikian. urrtuk cclah annulus lebih lebar ntempunyai laktor gesckan lebih kccil daripada yanu nrcrnpurryli celalr senrpit.
(ilrrrrbar 7 rncnrrrr.jukkun hubtrnqurr antara
lirktor scsckan lksial rclutil' tcrlrutllp lirktor gcsckan torsi clun frilangllr l{osshv rrrrtuk nulirt.s rttlio {).716 durr (}.96.1. l)ltll gunrbur tcrscbut tanrplk bahrra sccara kcsclurulran..jika bilansan l{ossbv rnukirr bcsur urcnsakibatkarr l'aktor gcsckarr rclatil' ccndcrLrns nte nuriln
karcna pcnranrh gily.l ('oriolis
lika
dalam arah radial.
rnakin
bcrkurans. Untuk bilanslrr llossh;, yi.lnll santa.
pLrturan ntakin
tingrii
rtrcrrsukibatkan
vortisitas nrcningkat durr l'lktor !.csckan relatil' centlcrung trrrurt.
!.E]0E :
. G =
!.€+07
a6?.95Re" -/,
.,
. nro = 0.9e r.fio:0.9q . ru'o = 0,716
(Re < .001 (Re > a00)
{R.
'
400)
nro = 0.96! i4o:0.96a
7
I €.06
r'
..:
0 ;16
{Re < a00) (Re > 400) lRe > 400t
l.E+05
1m
1000
r@00
Re
Gambar 5. [{ubunsan antara torsi gesekan dan bilancan Rer nolds untuk lr.rrlli.s rutto u.961 dan 0.716
r0o
1000
loooo
R€
(ianrhar'(r. l lrrirLrrrr:;rn :rrrlur:r lukttrr r:esckltn torsi dan bilrnsarr Rcr rrtrldr rnclirr::k:rr' ur'tlul /1/(1lil.\ /1///.) 0.()61 Lllir (1.- I (,
-\
Prajit,o. Faktor Geseko, dan Energi pernontpctt
.^r;
t pada
.r/iran di Dttlctnt
48
,-?'.^-.--
'.tj 1,€+tr
.
1.E.05
Rc = 270.1
.
0,0r00
1.E.q _!1
0,716
'l
-E.ol
l.€.02
a 0.0050
"-\
rl o.qbl
1,E101
0.0075
\lli-\\
0.002s
L€.00
0.01
0,00r
01
1
10
0.0@0
Ro
Gambar 7. HrrbLrngan antara laktor gesekan aksial relatil'terhadap taktor gesekan rorsi dan bilanean Rossbr untuk rutlirr.s rutio 0.7l(r dan ().961
c,' b.:,
;,,;;;',",j::
.::,-, ;.,,,::,0"'-'""
aliran dan Filangan Rcrnolds aksial untLrk rtttio 0. l6
r.aditr.s
t1
Energi pemornpaan dan energi gesekan (janrbar 8 dan (ianrbar 9 ntenunjukkan hubungan antara energi pemompaan aliran dan
bilangan Reynolds aksiai. Tampak
pada
eambar terscbut hahrra enerei pcntomparn nreningkat dengan bertantbahnya debit aliran aksial kecepatan aliran aksial makin besar. Walaupun demikian pengaruh aliran vortcx-
Taylor terhadap energi pemompaan
tidak
tampak jelas signi fikansinya.
Ganrbar l0 mcnuniukkan hirbunsan antara energi pemompaan dan bilangan Rcynolds aksial untuk ntdiu.s nttio 0.964 clan 0,716 pada putaran yans santa. Tanrpak bahrra errcrgi penrompaan lebih kecil untLrk ce lah annulus yang lcbih Iebar.llal ini discbabkan karena trntuk debit yang sama, kecepatan aliran lebih tinggi pada celah annulus yang lebih sempit daripada keceparan aliran pada celah
Selajn itu, xalaupun putaran kedua silinder sanra. Reynolds rnelinekar 1,ang lebih besar untuk celah yang lebih lebar daripada celah yang lebih sempit.
Canibar l0 nrenuniukkan hubungan antara energi pemompaan dan bilangan Rcynolds aksial untuk ruclitt.s rotio 0,964 dan 0,7 I 6 pada putaran yang sama. Tampak bahrva
energi pemompaan lebih kecil untuk celah annulus yang lebih lebar. Hal ini disebabkan karena untuk debit yang sama, kecepatan aliran lebih tinegi pada celah annulus yang lebih scrnpit daripada kecepatan aliran pada celah "v-ang lcbih lebar. Selain itu, rvalaupun putaran
kedua silinder sama, btlangan
Rey,nolds
melingkar yang lebih besar untuk celah yang lebih Iebar daripada
ce
lah yang lebih sempir.
0.0r
yang lebih lebar. 0.0075
0.0125
3
0.005
0.01m
^
0.0025
0.0075
' - R.di6 Rrr'o:0.99: R. r 135,1 R.do ! 0.716i R. : r!8 -R.di6
!
t
o.oog
200
0.00?s
Crmbar 10. llubungan anlara enersi pcrlronrpaan dan bilangan Re_r.nolds aksial untuk rttdiu.r rotio
0 0000
0
50
t00
I
50 200
250
3@
150
0.961 dan 0.r I 6 pada putaran \ ans sama
RP,
Cirnrh:rr E. lltrlrrrng.rn
:irllra
enersi pernontpa- an
aliran dan bilansan Rernolds aksial tlnlilk rario 0.961
/'(!11?ir
Jurnal Teknik il'lesin. I/olume I l. 'Nomor I. Janttari 201
49
l
lo:
.1-:.
;_:i--.1
Gambar ll menunjukkan hubungan antara energi gesekan torsi dan hilangan
Gambar 12 menunjukkan hubungan antara energi pemompa:rn relatif terhadap
Reynolds melingkar untuk radius ratio 0,'7 16 dan 0,964. Energi gesekan torsi merupakan perkalian antara torsi gesekan dan kecepatan sudut. Pada gambar tersebut tampak bah\\'a pada annulus yang mempunyai celah sempit, energi gesekan untuk aliran laminar meningkat secara k$'adratis terhadap bilangan Reynolds melingkar, dan untuk aliran transisi terjadi peningkatan yang lebih besar. Hal ini menunjukkan bah*a pada aliran transisi. selsel vortex-Taylor mengkakibatkan kenaikan torsi gesekan. Pengaruh jarak celah annulus
energi gesekan melingkar dan bilangan Rossby untuk radirrs ratio 0,116 dan 0,964. Tampak bahu'a energi pemompaan relatif untuk annulus
juga tampak signilikan
terhadap energi
gesekan. Karena laktor gesekan lebih besar.
maka celah annulus yang lebih
sempit
yang mempunyai jarak celah lcbih senipit mempunyai nilai yang lebih kecil daripada yang mempunl'ai celah lebih lebar, karena laktor gesekan melingkar dan energi
yang
mempunyai celah leblh lebar. Tampak bahu'a _jika pengaruh gaya Coriolis nrakin kecil, energi pemompaan relatif menladi makin besar. Hal ini luga tampak bahs'a. jika putaran makin tinggi. energi pemompaan relatii cenderung
turun. Hal ini akan lebih ielas tampak Gambar li dan Gambar l4 berikut ini.
mempunyai energi gesekan yang lebih besar daripada untuk celah annulus yang Iebar.
pada
r,E+@
r.Eir
l,€+00
. Rno = O.9g (R. < a001 . Rno:0,9q lR. > 400, Rno:0-?t5lR. >a@l
r.E{i
I
gesekan
melingkar lebih besar daripada
I,E{Z =
r.E{2
t.E{l !.E{3 r.E{a t,E-04
1000 RS
t.E{5 lo00
too
10000
R.
Gambar I l. Hubungan antara energi gesekan torsi dan bilangan Reynolds melingkar sntuk radius ratio
Cambar IL Energi gesekan,
energi
an,dan energi total untuk debit aliran rudius ratio O.961
0.7 I 6dan 0,964
0,1
penronrpa
gprn dan
1,E+@
r,E{1
I
= 0,716
I
t,erz
r,E{3
0,01
0l
1596
:
55E6
R.
n = 0.961 0.001
R.:
1
1.Eq R6
10
Ro
Ganrbar 11. Hubungan antara energr pemompa an relatif terhadap energi gesekan melingkar dan bilangan Rossby untuk ratliu.s ratio 0.7 l6 dan 0.961
(iamhrr l-1. Fnergi gcsekan. encrgi pemontpa- an. dan energi total untuk debit aliran I gprn dan rrlrlrrr.s rurio 0.961
Pro jitttrt. Faktor Ge.sekrtt dan Enerei Penonpaan patla
b.
Ganrbar ll menunjukkan pengaruh putaran terhadap energi gesekan. energi
_sa)'a
pemompaan menunln. dan di sisi lain rortisitas vano meninc.kat mengakibatkan enerci gL'sekan
l-l
(ianrbar
bahua untuk debit aliran vang nrakin besar. c-nergi pcnronrpaan lcbih besar.
drn energi gesckun nrclrnrpaui c'nergi pemonrpaan pada hilansan Revnolds nrelrnqkar vang lcbrh tinggr dariplda untuk debit yang lebih rendah.
KESII\{PULAN Dari hasil penelitian dan pcmhahasan di depan dapat ditarik kesirnpulan antara lain sebagai berikut. l. Pengaruh putaran tcrhadap lbktor gesckan aksial: a. Putaran silinder bagian dalam nrengakibatkan faktor gesekan aksial
lebih besar daripada laktor gcsckan aksial jika silinder brgian dalanr tidak berputar.
h. Faktor gcsckan nrcnunul bcrtambahnya
c.
dcngan
debit aliran.
Untuk
dcbit aliran yang sama, lhktor gesekan cenderung turun jika putaran makin tinggi. Untuk annulus yang nrenrpunyai celah lebih serrpit nrenrpunl'ai faktor gesekan aksial )'ang lcbih kecil daripada yang nrcmpunyai celah lebih
l.
dengan benambahnva putaran.
LCAPA\ TERI\IA KASITI
['cnelitian ini bcriangsung anggarun 1009.
DAFTAR SIi\lBOI,
I B [)tr r/ F, / fo G ,g 1/' P*,, r R t R-' Rc, Re Rrt
Pensaruh putaran silinder bagian dalanr
t' r,,,
Faktor ecsekan torsi nrcnunrn.jika
b.
puturil|l rn.rk irr t rrrr:Sr Untuk annulrrs vans nrcnlpunl ai cr'lah lchih scnrpit nrcnrpunlai laktor
tt'
Rr
Faktor gesekan melingkar (gesekan )
Torsi tanpa dimensi [)crccnatan gravitasi Panjang scksi uji l:inergi pentompaan
l:nergi gesckan Jarak radial Jari-jari luar silinder bagian dalam Jari-jari dalam silinder luar Bilangan Reynolds aksial = l',,,D1/Lt Bilangan Reynolds melingkar = l2Rr(R: Rr)/u
Bilangan Rossby Torsi eesekan
:
Re.t'Re
Komponen kecepatan tangensial Kecepatan aksial rata-rata Kcrnr ponen kecepatan aksial
.lrJttct ttrtio- L (R:- R;) Ruditt.; nttio = Rr R,'
l)
Viskt-rsitas kinematis
bcsar
O
KL'cepalan putar silindc'r bagian daiant
daripada \ an*s nre rnpunvai cclah lcbih
0
I'osisr ntclingkar Bcrat spcsilik - 1rg Dcnsitas
-qesckan I
torsi ) ang lebih
ebar.
l:nergi pr'nrompean dan enerci gesckan:
a.
-
tl
.
I
Konstante Konstante Diameter hidraulik Jarak celah annulus : R-' Gaya geser tangensial Faktor gesekan aksial torsi
terhadap l'aktor gesekan torsi:
a.
dengan
bariluan dana darr LPP\1-U(;\'l dalanr prrrgranr I)cnclitian I libah I)ascasrriana U(i\.1 tahun
T
lebar.
mendonrinasi
putJrJn nti-rka cnergr pcnronlpaan makin nrcninekat. tetapr nrenunln
enerei
menjadi lebih bc'sar daripada energi pemonrpaan pada bilangan Re-r'nolds nrelingkar lang rendah. Tetapi tanrpak pada
50
Pada putaran yans sama, untuk celah
c. Jika aliran aksial
Coriolis
makin besar mengakibatkan
Dolant
1'ang lebih sempit memerlukan energi pemompaan yang lebih besar daripada untuk celah yang lebih lebar.
pemompaan. dan energi total untuk debit aliran 0. I gpm dan raditts rotio 0.96-1. Tampak
bah*a jika pLltaran makin tinggi.
.lliran di
Energi penronrpaan nreninukat denean bertanrbahnva debit aliran.
i /) f,r,
Konrponen lensor tegangan tan
ccn5ial
ke
arah
5l
Jurnal Tehtik Mesin. l/olume I L Nomor l. Januari 201 l
DAFTAR PUSTAKA
tll
S., 1960a, "The hydrodynamic stability ol inviscid flou' betn,een coaxial cylinders". Proc. Natl.
Chandrasekhar,
Ii7 - l^11. S.. 1960b, "The stability of viscid florv
Acad. Sci. USl, Vol. ,16,
tll
lrl
Chandrasekhar,
hydrodynamic between coaxial cylinders", Proc. Natl. Acad. Sci LrSl, VoI. ,16. l4l - 141.
Donnelll'. R.J.
& Fultz. D..
1960,
"Experiments on the stability ol spiral flos' benveen rotaying cylinders", Proc.
Natl. Acad. Sci. USl.Vol. .16, ll50 - I 154 A., Liicke, N{.. & Miiller. Recktenrvald. i4l
H.W.. l99l,"Taylor vortex lbrmation in axial through-florv: Linear and rveakly nonlinear analysis", Physical Revie*' 8.,
t5i
Vol. 48, 4444 - 4454. Kim, Y.J. & Hrvang, Y.K.,
2003,
"Experimental Study on Vortex Flow in a Concentric Annulus rvith a Rotating Inner Cylinder", KS14E International Journal,
Vol. 17, N0.4,562 - 570. t6l Lathrop, D.P., Fineberg, i. & Swinney, H.L., 1992, "Transition to shear-driven
turbulence
in
Couette-Taylor flow",
Phisit'al Reviev ,4. Vol.46. No. 10,6390
-
6405. 171
Kumar, P.S., 2005, "lnvestigation of laminar florv friction losses in a large Hydraulic-diameter pipe and annulus", Proc. ImechE, Vol. 219 Part C:J. Mechanical Engineering Science, 53 - 60.
i& .:n^. \j:i:'',
