Pengaruh Serat ( Fiber ) Daun Nanas Terhadap Koefisien Gesek Aliran
Dalam Pipa Spiral
Kartika Zuhra
Department Teknik MesinFakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok 16424 Tel : (021) 7270032. Fax : (021) 7270033
Email : [email protected]
ABSTRAK
Pengurangan hambatan serat dalam larutan air telah dipelajari sebagai fungsi konsentrasi dengan menggunakan pipa spiral. Percobaan dilakukan dengan mengukur pressure drop. Tujuan penelitian ini untuk meneliti pressure drop dalam pipa spiral dengan penambahan serat dalam larutan air.
Pipa Spiral dengan diameter yang berbeda yaitu 25 mm dan 27 mm digunakan dalam penelitian ini dengan variasi serat daun nanas konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm. Ditemukan bahwa serat daun nanas mengalami pengurangan hambatan pada aliran turbulen. Percobaan dilakukan dari bilangan Reynolds rendah sampai tertinggi yaitu 29500. Penulis mengamati rasio penurunan hambatan maksimum yaitu 16.5 % pada bilangan Reynolds 29500 dengan konsentrasi larutan serat 1000 ppm. Penurunan koefisien gesek mengindikasikan keefektifan fluida uji sebagai drag reduction agent .
Kata Kunci : pengurangan hambatan; serat daun nanas; koefisien gesek; drag reduction agent ; aliran turbulen
1.
PENDAHULUAN
Isu lingkungan adalah topik utama yang menarik dipelajari terutama dalam efisiensi energi. Salah satu topik menarik adalah pengurangan hambatan pada sistem transportasi fluida. Penambahan sedikit suspensi aditif seperti polimer, surfaktan, dan serat untuk aliran fluida turbulen Newtonian dapat mengakibatkan pengurangan hambatan yang muncul pada beberapa jenis aliran dan telah mendapatkan banyak perhatian. Fenomena ini sudah dilakukan dan dipublikasikan oleh Toms
[1]. Penggunakan surfaktan [2,3] untuk
pengurangan hambatan pada aliran turbulen sangat efektif dan degradasi mekanik sangat rendah. Namun, surfaktan yang mengandung bahan kimia sintetis sangat berbahaya bagi lingkungan.
Selain itu, polimer aman bagi lingkungan, tetapi polimer tidak praktis karena degradasi mekanik yang signifikan. Yanuar dan kawan – kawan [4,5] juga telah meneliti pengaruh solusi biopolimer untuk pengurangan hambatan aliran internal dan
eksternal. Penelitian menunjukkan bahwa
biopolimer dapat mengurangi hambatan gesek hingga 30% tetapi degrasi mekanik terjadi secara cepat.
Ogata, Numakawa, dan Kubo [6] melaporkan bahwa solusi serat dari selulosa bakteri yang dialirkan pada aliran turbulen dalam pipa memerlukan penurunan tekanan yang rendah untuk mempertahankan laju aliran volumetrik yang sama. Penambahan sedikit serat ke dalam cairan yang mengalir dapat menunjukkan efek yang signifikan pada banyak jenis aliran. Telah ditemukan bahwa suspensi selulosa bakteri menyebabkan pengurangan hambatan aliran turbulen. Penurunan ratio hambatan maksimal 11% dan ditemukan bahwa hal ini dapat meningkatkan konsentrasi suspensi serat dari selulosa bakteri.
Serat suspensi lainnya juga diselidiki oleh peneliti-peneliti lain [7,8,9] seperti serat asbes atau nilon. Penelitian ini menyatakan bahwa nilon dan serat abses yang efektif untuk mengurangi hambatan, namun membutuhkan konsentrasi yang tinggi dan memiliki kelemahan yang berkaitan dengan masalah beban lingkungan.
Dari permasalahan ini, maka dilakukan penelitian menggunakan serat daun nanas yang dianggap memiliki beban lingkungan yang rendah dan secara alami berasal dari tanaman nanas. Dimana akan dilakukan peninjauan lebih mendalam permasalahan tersebut.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari pengurangan dari penurunan hambatan yang terjadi pada pipa spiral dengan penambahan serat ke dalam air. Pipa spiral yang digunakan dalam penelitian ini adalah pipa spiral dengan diameter 25 mm dan 27 mm. Sementara konsentrasi larutan serat yang digunakan adalah konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm. Penelitian dilakukan pada bilangan Reynolds hingga 30000. Maksimum
rasio pengurangan hambatan sekitar 16.5% pada bilangan Reynolds 29500. Ditemukan bahwa pengurangan hambatan meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan pada aliran turbulen.
.
2. ALAT PENELITIAN
Gambar 1: Setup alat penelitian
Gambar 1 merupakan set up dari alat penelitian dimana larutan serat daun nanas dialirkan dalam pipa spiral menggunakan pompa turbin daya 125 watt. Variasi diameter pipa spiral yaitu 25 mm dan 27 mm. Untuk mengukur perbedaan tekanan dalam pipa spiral menggunakan manometer jenis pipa kapiler dengan diameter pipa kapiler 2 mm dan jarak antar manometer 1080 mm. Flowmeter digunakan untuk mengambil data debit fluida yang masuk ke pipa spiral yang diukur dengan mengikatkan transduser flowmeter pada pipa masukan. Variasi konsentrasi larutan serat daun nanas yaitu 500 ppm dan 1000 ppm. Temperatur fluida adalah 27˚ C.
Serat daun nanas diambil dari tanaman nanas yang digunakan sebagai tanaman hias. Kemudian daun nanas diserut lapisan lilin dan daging daunnya hingga serta daun terlihat. Untuk mempermudah pengambilan serat, terlebih dahulu daun yag telah diserut dikeringkan. Setelah semua serat terkumpul cukup untuk dibuat larutan dengan konsentrasi yang ingin diteliti, maka serat dikeringkan. Kemudian di buat menjadi serbuk dengan ukuran kurang lebih 0.5 mm dengan mesin potong.
Shear Stress dan Shear Rate dapat dihitung
dengan mengukur perbedaan tekanan dan
kecepatan aliran.
3. LANDASAN TEORI
Hubungan antara shear stress (τ) & shear rate proposional terhadap gradien kecepatan aliran, dapat di lihat dari model persamaan fluida Newtonian, yaitu :
du
dy
τ
=
µ
(1)
Dimana µ adalah konstanta viskositas adalah sifat fluida yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Hukum viskositas Newton menyatakan bahwa untuk laju aliran maka viskositas berbanding lurus dengan tegangan geser, ini berlaku untuk fluida Newtonian.
Viskositas bergantung pada temperatur dan tekanan, tidak tergantung pada shear rate. Beberapa persamaan telah diajukan untuk menjelaskan kurva aliran non linear fluida non-Newtonia. Jenis dari fluida Non-Newtonian antara lain fluida Bingham, Pseudoplstic, dan dilatant. Viskositas dari fluida Non-Newtonian tidak
konstan temperatur dan tekanan namun
tergantung pada faktor lain seperti shear rate fluida.
Hubungan antara shear stress dan shear rate dapat dijelaskan dengan mengukur pressure drop dan debit aliran pada pipa spiral sebagai berikut:
8 4 D P u L µ D ∆ = (2)
Dimana D adalah diameter dalam pipa, delta p adalah pressure drop, L adalah panjang pipa, dan u adalah kecepatan aliran rata-rata.
Koefisien gesek (f) dapat dijelaskan dalam persamaan Darcy sebagai berikut :
2 2 D g f h L u =
∆
(3)Dimana f adalah koefisen gesek, ∆h adalah perbedaan ketinggian pada manometer, dan g adalah percepatan gravitasi.
Pengurangan Hambatan pada pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut:
100% fiber f f DR x f − = (4)
4. HASIL DAN ANALISA
Gambar 2 Kurva perbandingan Shear Stress terhadap Shear Rate Pipa Spiral diameter 25 mm Gambar 2 menunjukkan kurva aliran larutan serat daun nanas 500 ppm dan 1000 ppm pada pipa spiral 25 mm.
Shear stress τ dan shear rate ɣ didapat dari data percobaan aliran turbulen.
Garis linear pada gambar 2 menunjukkan garis Newtonian. Data serat daun nanas dengan konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm menunjukkan hubungan linear antara shear stress dan shear rate. Dapat disimpulkan bahwa larutan serat daun nanas merupakan fluida Newtonian. Shear Rate
meningkat seiring dengan meningkatnya
konsentrasi larutan.
Hasil dari gambar 2 digunakan untuk
mendapatkan bilangan Reynolds dan koefisien gesek.
Gambar 3 Kurva perbandingan bilangan Reynolds dan koefisien gesek larutan serat daun nanas pada pipa spiral 25 mm
Gambar 3 menunjukkan hubungan antara
bilangan Reynolds dan koefisen gesek
berdasarkan pengukuran pressure drop dengan 2 variasi konsentrasi larutan. Kemudian data dibandingkan dengan persamaan Hagen Pouiselle untuk aliran laminer dan persamaan Blasius untuk
aliran turbulen. data pengujian air juga
ditampilkan pada grafik. Koefisien gesek larutan serat daun nanas mendekati koefisien gesek air pada aliran turbulen pipa spiral diamtere 25 mm. Pada Re < 20000, koefisien gesek larutan serat setara dengan koefisien gesek air dan persamaan Blasius, sedangkan pada bilangan Reynolds > 20000 koefisien gesek larutan serat lebih rendah dari koefisien gesek air dan persamaan Blasius.
Drag reduction meninglat seiring dengan
peningkatan konsentrasi larutan serat daun nanas.
Gambar 4: Perbandingan Drag Reduction pada Pipa Spiral 25 mm
Gambar 4 menunjukkan perbandingan drag reduction larutan serat daun nanas pada diameter 25 mm. Berdasarkan gambar, dapat dilihat bahwa drag reduction larutan serat hanya terjadi pada Re kritis yaitu diatas 20000. Dibawah titik kritis tersebut, fluida menunjukkan karakteristik yang
menyerupai fluida Newtonian pada aliran
turbulen.
Drag reduction maksimum terjadi pada bilangaan
Reynolds sekitar 30000. Drag Reduction
meningkat mulai dari bilangan Reynolds 20000 sampai 29600. Setelah bilangan Reynolds
maksimal, data cenderung konstant. Drag
reduction meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun nanas. Drag reduction larutan serat daun nanas konsentrasi 1000 ppm yaitu 4.29% sampai dengan 16.05 %, lebih besar daripada larutan dengan konsentrasi 500 ppm yaitu 3.837 % sampai dengan 11.97%.
Gambar 5 Kurva perbandingan Shear Stress terhadap Shear Rate Pipa Spiral diameter 27 mm Gambar 5 menunjukkan kurva aliran larutan serat daun nanas 500 ppm dan 1000 ppm pada pipa spiral 27 mm.
Shear stress τ dan shear rate ɣ didapat dari data percobaan aliran turbulen.
Garis linear pada gambar 5 menunjukkan garis Newtonian. Data serat daun nanas dengan konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm menunjukkan hubungan linear antara shear stress dan shear rate. Dapat disimpulkan bahwa larutan serat daun nanas merupakan fluida Newtonian. Shear Rate
meningkat seiring dengan meningkatnya
konsentrasi larutan.
Hasil dari gambar 5 digunakan untuk
mendapatkan bilangan Reynolds dan koefisien gesek.
Gambar 6 : Kurva perbandingan bilangan Reynolds dan koefisien gesek larutan serat daun nanas pada pipa spiral 27 mm
Gambar 6 menunjukkan hubungan antara
bilangan Reynolds dan koefisen gesek
berdasarkan pengukuran pressure drop dengan 2 variasi konsentrasi larutan. Kemudian data dibandingkan dengan persamaan Hagen Pouiselle untuk aliran laminer dan persamaan Blasius untuk
aliran turbulen. data pengujian air juga
ditampilkan pada grafik. Koefisien gesek larutan
serat daun nanas mendekati koefisien gesek air pada aliran turbulen pipa spiral diamtere 27 mm. Pada Re < 21000, koefisien gesek larutan serat setara dengan koefisien gesek air dan persamaan Blasius, sedangkan pada bilangan Reynolds > 21000 koefisien gesek larutan serat lebih rendah dari koefisien gesek air dan persamaan Blasius.
Drag reduction meninglat seiring dengan
peningkatan konsentrasi larutan serat daun nanas.
Gambar 7 Perbandingan Drag Reduction pada Pipa Spiral 27 mm
Gambar 7 menunjukkan perbandingan drag reduction larutan serat daun nanas pada diameter 27 mm. Berdasarkan gambar, dapat dilihat bahwa drag reduction larutan serat hanya terjadi pada Re kritis yaitu diatas 21000. Dibawah titik kritis tersebut, fluida menunjukkan karakteristik yang
menyerupai fluida Newtonian pada aliran
turbulen.
Drag reduction maksimum terjadi pada bilangaan
Reynolds sekitar 30000. Drag Reduction
meningkat mulai dari bilangan Reynolds 21000 sampai 30000. Setelah bilangan Reynolds
maksimal, data cenderung konstant. Drag
reduction meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun nanas. Drag reduction larutan serat daun nanas konsentrasi 1000 ppm yaitu 4.65% sampai dengan 15.15 %. lebih besar daripada larutan dengan konsentrasi 500 ppm yaitu 2.4 % sampai dengan 11.65 %.
5. KESIMPULAN
Efek pengurangan hambatan serat daun nanas terjadi hanya pada beberapa bilangan Reynolds kritis yang dipengaruhi oleh jenis serat dan variasi konsentrasi serat tersebut. Dari percobaan, larutan Serat Daun Nanas termasuk Fluida Newtonian. Untuk larutan serat daun nanas yang dialirkan dalam pipa spiral pada diameter 25 mm,
pengurangan hambatan terjadi pada rentang 3.84 % sampai dengan 11.97% untuk konsentrasi 500 ppm dan pada rentang 4.29% sampai dengan 16.50 % konsentrasi 1000 ppm. Makin meningkat
konsentrasi larutan, semakin maksimum
pengurangan hambatannya.
Untuk larutan serat daun nanas yang dialirkan dalam pipa spiral pada diameter 27 mm, pengurangan hambatan terjadi pada rentang 2.4 % sampai dengan 11.65 % dan pada rentang 4.65% sampai dengan 15.15 % konsentrasi 1000 ppm. Makin meningkat konsentrasi larutan, semakin maksimum pengurangan hambatannya.
Pengurangan hambatan maksimum 16.5 % pada
bilangan Reynolds sekitar 29500 pada diameter
25 mm.
Makin kecil pipa spiral yang digunakan makin besar pengurangan hambatan pada aliran.
REFERENSI
[1] Toms. B. A. “Somle observations onl the flow of linear polymer solutions through straight tubes at large Reynolds numbers," International Congress onl Rhecology,I Holland. 1948. Amsterdlam. North I lolh.aid, 1949, Part 11, pp. 135-141
[2] F.-C. Li, Y. Kawaguchi, K. Hishida, and M. Oshima, “Investigation of turbulent structures in a drag-reduced turbulrnt channel flow with syrfactant additive by stereoscopic particle image velocimetry”, Experiments in Fluids, vol. 40, no. 2, pp. 218-230, 2006.
[3] H. W. Bewersdorff, “Rheology of drag reducing surfactat solutions”, in Proceedings of the ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (FED’96), vol. 237, pp. 25-29, San Diego, Calif, USA, 1996.
[4] Yanuar and Watanabe K. “Tom’s effect of guar gum additive for crude oil in flow through square ducts.” The 14thInternational symposium on transport phenomena. Bali Indonesia. Elsevier 2004. P.599 – 603.
[5] Yanuar, Gunawan and M. Baqi, “Characteristics of Drag Reduction by Guar Gum in Spiral Pipes” Journal Teknologi. Vol.58 2012, pp. 95–99.
[6] Satoshi Ogata, Tetsuya Numakawa and Takuya Kubo. “Drag reduction of bacterial cellulose suspensions. Advanced in Mechanical Engineering. 2011. Pp 1-6.
[7] P.S. Virk and R.H. Chen, “Type B drag reduction by aqueous and saline solutions of two
biopolymers at high Reynolds number”, in Preceedings of the 2nd International Symposium on Seawater Drag Reduction, pp. 545-558, Busan, Korea, May 2005.
[8] A.A. Robertson and S.G. Mason, “The characteristics of dilute fiber suspensions”, TAPPI, vol. 40, pp. 326-334, 1957.
[9] W. Mih and J. Parker, “Velocity profile measurements and phenomenological description of turbulent fiber suspension pipe flow”, TAPPI, vol. 50, pp. 237-246, 1967.
[10] Yanuar and Watanabe K. “ Drag Reduction of Guar Gum in Crude oil”. The 13th International
Symposium on Trannsport Phenomena. Victoria Canada. Elsevier 2002. P. 833 – 836.
[11] Yanuar, et al. “Hydraulics conveyances of mud slurry by a spiral pipe” Journal of Mechanical Science and Technology 23 (2009) 1835 – 1839. Springer.
