Kebutuhan Udara Panas
Udara panas digunakan untuk mengangkat beban alat yang akan dibawa. Volume yang diperoleh merupakan volume penuh udara panas yang nanti akan mengisi balon udara. Kebutuhan beban perencanaan sebesar 10 kg, hal ini diperkirakan beban yang akan dibawa yaitu cairan sebesar 5 kg, rangka dan komponen-komponen lainnya sebesar 5 kg. Secara umum
ρ
udara = 1.293 kg/m3pada tekanan 1 atm (interpolasi tabel ISA (Standard Atmospher) pada altitude 3 mρ
udara= 1.225 kg/m3
ρ
udara panas = 0.95 kg/m3 (100 ). Diperoleh Volume sebesar 36.4 m3 ≈ 40 m3Desain Bentuk Balon
Bentuk balon dibuat membentuk elipsoid (The Royal Aeronautical Society 1986)
Gambar 4 Desain Bentuk Balon 2 Diperoleh : (Lampiran 1) Vt = (4/3) πab2 (4) Vt = 40 m3 a = 5.4 m b = 1.35 m D = 2.7 m L = 10.8 m
Balon udara dibuat dengan dimensi panjang total 10.8 m dan diameter maksimum 2.7 m dan kapasitas (volume) penuh balon udara sebesar 40 m3 (Lampiran 2).
8
(5)
St = 147.54 m2
Balon udara yang akan dibuat membutuhkan bahan dengan luasan area minimal 147.54 m2.
Gaya Lift
Gambar 5 Grafik Hubungan Kecepatan Maju Balon dan Gaya Lift
Gaya lift memiliki nilai yang bergantung pada bentuk balon, dimana gaya lift merupakan gaya angkat dinamis pada saat balon bergerak diudara. Berdasarkan literatur (Kiran 2014) bentuk balon elipsoid memiliki nilai koefisien lift sebesar 0.030. Gaya lift disimulasikan dengan kecepatan maju balon dari 0.1 – 2 m/s. Dari simulasi tersebut diperoleh nilai gaya lift. Semakin besar kecepatan maju maka gaya lift juga semakin besar. Hubungan kecepatan maju dan gaya lift dapat dilihat pada gambar 5 dengan persamaan FL = 0.5 CL
ρ
V2/3u2.Gaya Drag
9
Gaya drag memiliki nilai yang bergantung pada bentuk balon, dimana gaya drag merupakan gaya hambat udara pada saat balon bergerak diudara. Berdasarkan literatur (Kiran 2014) bentuk balon elipsoid memiliki nilai koefisien drag sebesar 0.025. Gaya drag disimulasikan dengan kecepatan maju balon dari 0.1 – 2 m/s. Dari simulasi tersebut diperoleh nilai gaya drag. Semakin besar kecepatan maju maka gaya drag juga semakin besar. Hubungan kecepatan maju dan gaya drag dapat dilihat pada gambar 6 dengan persamaan FD = 0.5 CD
ρ
V2/3u2.Data dan Spesifikasi Rangka
Gambar 7 Rangka Sprayer
Spesifikasi rangka yang akan dibuat :
a. Panjang = 57.5 cm b. Lebar = 60 cm c. Tinggi = 40 cm d. Tebal siku = 0.2 cm Perhitungan Rangka Keterangan :
A, B = titik tumpu rangka (kait pada balon) a, b = titik tumpu penampang
W1 = beban komponen terbang W2 = beban cairan
10
Gambar 8 Diagram Pembebanan
Pada analisis rangka ini, data dari rangka dan beban statis utamanya adalah : a. Komponen terbang
b. Cairan c. Rangka
Penempatan pembebanan masing-masing diatas simetris sama, maka maka secara riil tiap-tiap kait kiri maupun kanan mendapat pembebanan yang sama. Dari hasil perhitungan diperoleh beban pada setiap titik kait sebesar 2 kg. Total kait sebanyak 4 kait, maka total beban yang diperoleh kait pada balon sebesar 8 kg (Lampiran 3).
Ditinjau Dari Tegangan Geser
Bahan rangka aluminium paduan 1100 dengan teganga tarik 90-170 MPa = 9.17 kg/mm2. Angka keamanan 8; 9.17/8 = 1.146 kg/mm2. Tegangan geser ijin
bahan g = 0.8; ijin = 0.8x1.146 = 0.92 kg/mm2. Dari hasil perhitungan diperoleh
sebesar 0.13 kg/mm2 < ijin dan sebesar 0.044 kg/mm2 < ijin. Dari hasil tersebut maka rangka dinyatakan layak (Lampiran 3). Simulasi stress rangka menggunakan Solidwork dapat dilihat pada lampiran 4.
Analisis Titik Berat
(a) (b)
11
Dari hasil perhitungan diperoleh letak titik berat rangka berada pada titik (x,y,z) (30, 15, 18.3) dari titik O (Lampiran 5).
Sambungan Rangka
Sambungan yang digunakan adalah sambungan rivet (diameter 3 mm), pada rangka terdapat dua macam sambungan yaitu sambungan tunggal dan sambungan ganda, maka dilakukan dua kali perhitungan (Lampiran 5).
Spesifikasi paku rivet :
Jarak antar rivet (p) = 6 mm = 0.6 cm (sambungan ganda) Diameter (d) = 3 mm = 0.3 cm
t plat = 0.92 kg/mm2 = 920 N/cm2
paku rivet = 700 N/cm2 (Irawan, AP. 2009) c paku rivet = 1400 N/cm2 (Irawan, AP. 2009) tebal plat (t) = 2 mm = 0.2 cm
Dari hasil perhitungan diperoleh data sebagai berikut (Lampiran 5) : Tabel 1Data Beban Maksimal Sambungan Rangka
Ft (N) Fs (N) Fc (N) Fmax (N) η (%)
Sambungan tunggal 55.2 49.455 84 110.04 45
Sambungan ganda 55.2 197.8 168 110.04 50
Pembuatan Alat
Pembuatan alat dilakukan setelah semua analisis dilakukan. Ada beberapa komponen yang dibuat pada keseluruhan alat ini yaitu :
a. Balon
Proses pertama pembuatan balon adalah menentukan parameter-parameter yang telah dihitung. Parameter-parameter tersebut dijadikan acuan sebagai pembuatan model 3D menggunakan software SolidWork. Setelah model telah dibuat maka, file disimpan dalam format .prt dalam file SolidWork dan format .pdo untuk di-eksport ke software Pepakura Designer. File .pdo kemudian di-eksport ke software Pepakura Designer untuk dilakuakn pembuatan potongan-potongan sampai menjadi mal atau cetakan untuk pembuatan balon. Mal yang sudah dibuat kemudian dicetak ke kertas berukuran A0. Setelah dicetak maka kertas dipotong sesuai bentuk yang telah dicetak. Kertas yang telah dipotong kemudian dijadikan sebagai cetakan untuk kain. Kain dipotong sesuai ukuran cetakan. Kain yang telah dipotong kemudian disatukan menggunakan mesin jahit. Pada bagian tengah bawah balon diberi resleting sesuai dengan ukuran rangka.
12
Resleting ditambah lagi di sebelah belakang dan samping resleting awal untuk tempat memasukkan udara dengan blower dan tempat penyalaaan burner. Pada bagian atas dan bawah dipasang ring sebanyak masing-masing empat ring untuk pengait seling. Setelah semua selesai maka balon siap untuk digabung dengan rangka dan seling.
(a)
(b)
Gambar 10 Sketsa Balon, Rangka, dan Posisi Seling Dalam (a) dan Luar (b) a. Rangka
Pembuatan rangka pertama dilakukan dengan mendesain 3D menggunakan SolidWork 2012 dan kemudian dicetak dalam bentuk 2D. Hasil cetakan 2D ini digunakan sebagai acuan dalam pembuatan rangka. Bahan yang digunakan adalah bahan siku aluminium dan penyambungannya menggunakan paku rivet. Bahan aluminium dipotong sesuai ukuran dan dibor kemudian disambungkan dengan paku rivet.
b. Burner
Burner dibuat dari bahan bekas kaleng gas kecil dan instalasinya menggunakan peralatan kompor gas mini lapangan.
Setelah semua alat dibuat, maka semua alat tersebut dirakit menjadi satu dan kemudian siap untuk uji fungsional dan uji kinerja.
13
Uji Fungsional
Uji fungsional yang pertama dilakukan adalah mencoba mengisi balon menggunakan udara. Pengisian udara dilakukan menggunakan hand blower dan membutuhkan waktu 1 jam sampai balon penuh. Pengujian ini dilakukan untuk mengecek kemungkinan adanya kebocoran pada balon dan jahitan yang kurang sempurna.
a. Balon yang masih kempes ditiup dengan blower
b. Balon penuh udara, dibakar dengan burner
Gambar 11 Sketsa Penggelembungan Balon dan Pembakaran Udara
Pengujian selanjutnya adalah uji menerbangkan balon, pada uji terbang pertama gagal karena ada kesalahan pada tempat pemasukan udara dan tempat mengaitkan rangka utama, maka dilakukan perubahan pada balon dengan cara ditambah dua lubang pemasukan lagi yaitu sebagai pemasukan udara dan sebagai pengecek kondisi api.
Setelah balon diperbaiki maka dilakukan pengujian terbang kembali. Pengujian ini kembali gagal karena burner mengalami kerusakan pada lubang output gasnya sehingga perlu diganti. Pada pengujian ini terjadi beberapa kecelakaan yang membuat sebagian balon bagian bawah terbakar sehingga balon bolong dan harus diperbaiki.
Setelah lubang output gas burner diganti dan balon diperbaiki, maka dilakukan uji terbang kembali dan kali ini uji terbang berhasil mengangkat balon. Waktu yang dibutuhkan untuk memanaskan udara sampai balon terbang adalah 30 menit. Setelah uji terbang maka selanjutnya dilakukan uji kinerja.
14
Uji Kinerja
Uji kinerja dilakukan dengan cara menerbangkan balon dan ditambah beban sampai balon tidak bisa mengangkat lagi. Dari hasil pengujian diperoleh massa balon ditambah rangka dan burner sebesar 8 kg dan data pada tabel dan sketsa pengukuran dapat dilihat di bawah ini :
a. Pengujian Gaya Lift Statis
b. Pengujian Gaya Drag
Gambar 12 Sketsa Pengujian Gaya Lift dan Gaya Drag
Tabel 2 Waktu Pengoperasian
Ulangan Waktu (menit) Rata-rata Keterangan
penggelembungan pemanasan
I 55 20
17.33
Api sedang
II 40 15 Api sedang
III 43 17 Api sedang
IV 50 5.29
5.69 Api besar
15
Dari hasil pengujian diperoleh bahawa rata-rata penggelembungan balon membutuhkan waktu 48 menit dan pemanasan 17 menit pada api sedang dan 5.6 menit pada api besar. Pada pengujian ulangan I – III diperoleh waktu yang lebih lama, hal ini disebabkan karena api yang digunakan untuk memanaskan udara adalah api kecil. Sedangkna pada ulangan IV-V diperoleh waktu yang lebih cepat karena api yang digunakan adalah api besar. Dari hasil percobaan dengan gas LPG 3 kg mampu bertahan selama 40 menit. Sketsa pengujian dan hasil pengukuran dapat dilihat di bawah ini :
Tabel 3 Gaya Lift dan Gaya Drag
(a)
(b)
Ulangan Gaya Lift statis (kg) Gaya Drag (kg ) Depan Samping I 3.5 1 4 II 4 2 3 III 3.5 1 3 IV 4 2 4 V 4 2 3 Rata-rata 3.8 1.6 3.4
16
(c)
Gambar 13 (a),(b) Pengujian Gaya Lift dan (c) Pengujian Gaya Drag
Dari hasil pengujian diperoleh rata-rata gaya lift statis sebesar 3.8 kg dan gaya drag sebesar 1.6 kg. Gaya lift statis sangant jauh dari perencanaan yaitu 10 kg. hal ini disebabkan karena beban untuk mengangkat balon udara dan rangka sudah cukup besar yaitu sebesar 8 kg, sehingga hal ini sangat berpengaruh pada kemampuan angkatnya. Dibutuhkan balon dengan volume 105.3 m3 untuk dapat mengangkat beban 10 kg. Volume ini merupakan volume udara panas, jika menggunakan isi gas yang berbeda maka akan memiliki volume yang berbeda seperti penggunaan gas He dan H2. Gas He dan H2 merupakan gas pengisi yang lebih ringan dari udara panas sehingga penggunaan kedua gas ini akan memiiliki volume yang lebih kecil dari udara panas. Gas He da H2 memiliki densitas berturut-turut sebesar 0.0899 dan 0.1785 kg/m3.
Gaya drag yang diperoleh merupakan gaya untuk dapat meggerakkan balon udara. Dari hasil ini maka bisa ditentukan kecepatan maju maksimal agar balon udara tetap stabil. Maka diperoleh kecepatan maksimal dengan nilai CD = 0.14 (lampiran 8) sebesar :
FD = 0.5 CD
ρ
V2/3u2 u2 = FD / 0.5 CDρ
V2/3= 1.6 / 0.5 x 0.14 x 1.225 x 402/3 u = 4.3 m/s
Tabel 4 Suhu Dalam dan Suhu Luar Ulangan
Suhu (°C)
Dalam Luar
Depan Tengah Belakang Depan Tengah Belakang
I 91.9 89.8 104.3 51.8 58.0 60.0 II 87.2 90.5 95.4 52.8 61.4 53.1 III 94.6 93.6 93.7 52.1 58.8 55.9 IV 91.1 95 93.6 60.1 60.1 56.8 V 92.4 94.3 93.4 61 58.3 58.8 Rata-rata 91.4 92.6 96.1 55.6 59.3 56.9 93.4 57.3
17
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Gambar 14 (a), (b), (c) Pengujian Suhu Dalam, dan (d), (e), (f) Pengujian Suhu Luar Dari pengujian diperoleh rata-rata suhu dalam dan luar berturut-turut sebesar 93.4 °C dan 57.3 °C. Suhu dalam dan luar sangat berbeda karena suhu diluar dipengaruhi oleh suhu lingkungan dimana relatif lebih rendah dari pada suhu dalam balon. Nilai suhu dalam memiliki perbadaan sebesar 6.6 °C dari perencanaan yaitu sebesar 100 °C. Tetapi hal ini masih cukup sesuai karena pada ulangan I suhu dalam belakang mencapai 104.3 °C yang melebihi suhu perencanaan.