commit to user
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
commit to user
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
LEMBAR PENGESAHAN
Skripsi ini dibimbing oleh :
Pembimbing I
Drs. Iwan Yahya, M. Si.
NIP. 196707730 199302 1 001
Pembimbing II
Drs. Darmanto, M. Si.
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
commit to user
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
commit to user
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
-12meters, 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.
commit to user
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
-12meter 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.
commit to user
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
commit to user
B.
Prosedur Penelitian...
22
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 24
BAB V PENUTUP
A.
Kesimpulan ...
31
B.
Saran ...
31
DAFTAR PUSTAKA ...
32
commit to user
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1. Bentuk Fisik Solenoida ...
7
Gambar 2.2. Penampang melintang Solenoida ...
8
commit to user
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.
commit to user
1
PENGARUH MEDAN MAGNET 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 minifisia@yahoo.com
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
commit to user
2
II. METODE EKSPERIMENPartikel 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:
θ
GBrqv
F
L=
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:
r m m stokes sent L
XU
r
v
X
r
v
X
m
q
GB
F
F
F
πµ
ρ
π
ρ
π
θ θ3
6
6
2 33
+
=
=
+
Dengan penurunan penyelesaian persamaan diferensial orde 1, diperoleh fungsi partikel terjebak sebesar: 2 9 2 2 2 1 m z
GBq X V
L U m
mV
mV
r
r
e
GBqX
GBqX
θ ρ µ θ θ
+
=
+
(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
kemampuan sistem penjebak lebih mudah untuk diamati.
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
B G
B1 = . , kuat medan di titik r
3 adalah
1 2 G.B
B = , dan seterusnya.
Ukuran partikel terjebak diperoleh dengan
memberikan nilai G sebesar 1,2 pada
persamaan 2.21 yang dipindahruaskan:
+ − +
= vm
v X GNIq cs cs z cs m e NIqX G L mv r NIqX G L mv r G
F 2 9
1 2 2 2 ) ( θ ρ θ θ µ µ ...(2) Grafik fungsi dibuat dengan menggunakan perintah plot pada Matlab 6.5, memberikan hasil seperti pada gambar 3.1.
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.
commit to user
3
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.
(a)
(b)
Gambar 3.2. Kemampuan Penjebak Partikel untuk jumlah lilitan (a) 500 lilitan dan (b) 100
lilitan
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)
(b)
Gambar 3.3. Kemampuan Penjebak Partikel untuk (a) jari-jari tabung luar 3 cm, dan (b)
jari-jari tabung luar 5 cm
commit to user
4
(a)
(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 jari-jari dalam dan jari-jari-jari-jari luar tabung penjebak, serta arus pada solenoida. Sedangkan pengaruh jumlah lilitan kawat solenoida masih perlu diteliti
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 parameter-parameter yang telah dianalisis selama penelitian terdahulu.
V.DAFTAR PUSTAKA
[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
