Pengaruh Serat (Fiber) Daun Pandan
Terhadap Koefisien Gesek Aliran Dalam Pipa Spiral
Erwita Ivana Muthia
Mahasiswa Strata Satu, Departmen Teknik MesinUniversitas Indonesia, Depok 16424 Tel : (021) 7270032. Fax : (021) 7270033
Email : [email protected]
ABSTRAK
Pengurangan hambatan serat daun pandan dalam larutan air telah dipelajari sebagai fungsi konsentrasi dengan menggunakan pipa spiral. Percobaan dilakukan dengan mengukur pressure drop. Tujuan penelitian untuk menyelidiki pengurangan gesekan dalam pipa spiral dengan penambahan serat daun pandan dalam air. Pipa spiral dengan diameter yang berbeda yaitu 25 mm dan 27 mm digunakan dalam penelitian ini dengan variasi konsentrasi larutan serat daun pandan 500 ppm dan 1000 ppm. Percobaan dilakukan dari bilangan Reynolds rendah hingga tertinggi 35.000. Penulis mengamati rasio penurunan hambatan maksimum yaitu 19,7% pada bilangan Reynolds 31.414 pada pipa spiral diameter 25 mm dengan larutan serat daun pandan konsentrasi 1000 ppm. Penurunan koefisien gesek mengindikasikan keefektifan fluida uji sebagai drag reduction agent yang dapat dilihat dari koefisien gesek terhadap garis grafik Blasius.
Keywords: pengurangan hambatan; serat daun pandan; koefisien gesek; drag reduction agent; grafik Blasius
1.
PENDAHULUAN
Masalah pencemaran lingkungan adalah topik hangat yang banyak menjadi bahan penelitian ddi bidang teknik mesin. Salah satu hal yang terkait dengan pengurangan hambatan pada fluida adalah pengurangan hambatan gesekan dalam transportasi fluida. Penambahan sejumlah zat aditif dalam jumlah kecil dalam campuran seperpolimer, surfaktan dan fiber (serat alam) terhadap aliran fluida Newtonian akan menurunkan hambatan gesek. Fenomena ini layak diselidiki setelah publikasi yang dilakukan oleh Toms [1]]. Penggunaan surfaktan [2,3] sebagai agen pengurang hambatan gesek aliran dalam
pipa terbukti sangat efektif dan memiliki nilai gradasi mekanis rendah. Akan tetapi surfaktan merupakan fluida kimia sintetis sehingga sangat berbahaya bagi lingkungan. Polimer juga dapat digunakan untuk mengurangi gesekan dalam pipa akan tetapi polimer tergolong zat yang tidak praktis karena mudah terdegradasi. Yanuar dan kawan – kawan [4,5] juga telah menyelidiki pengaruh larutan biopolimer terhadap aliran dalam dan luar pipa. Hasil penelitian menunjukkan larutan biopolimer dapat menurunkan hambatan gesek hingga 30% namun degradasi mekanis juga terjadi secara cepat.
Ogata, Numakawa and Kubo [6] melaporkan bahwa larutan dengan serat alam yang berasal dari untuk debit yang sama. Penambahan bakteri selulosa akan mengalami aliran turbulen dalam pipa sehingga dapat menurunkan jatuh tekanan untuk debit yang sama. Penambahan sejumlah kecil serat alam pada fluida mengalir menunjukkan efek yang signifikan pada berbagai macam jenis aliran. Ditemukan bahwa larutan bakteri selulosa memberikan kenaikan pengurangan gesekan pada rentang aliran turbulen. Rasio pengurangan hambatan gesek maksimum mencapai 11% dan peningkatan ini terjadi seiring dengan pengingkatan konsentrasi larutan serat alam dari bakteri selulosa.
Jenis serat lainnya juga telah diteliti oleh peneliti lain [7,8,9] seperti asbestos atau serat nilon. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa nilon dan asbestos juga dapat mengurangi hambatan gesek namun memerlukan jumlah yang besar dan tidak aman bagi lingkungan.
Serat daun pandan merupakan serat alami sehingga tidak berbahaya bagi lingkungan dan dapat diperoleh dari tanaman pandan. Tujuan penelitian ini yaitu untuk menyelidiki pengurangan jatuh tekanan pada pipa spiral diameter 25 mm dan 27 mm dengan penambahan serat daun pandan dalam larutan. Konsentrasi larutan serat alam yang dipakai yaitu 500 ppm
dan 1000 ppm. dari penelitian didapatkan bahwa larutan serat alami dapat mengurangi hambatan gesek dalam rentang aliran turbulen. Eksperimental dilakukan dari bilangan Reynold rendah ke tinggi yaitu hingga 55.000. Dari hasil penelitian didapatkan bahwarasio penurunan hambatan gesek sebesar 19,7% pada bilangan reynold 31.000 dan meningkat seiring peningkatan konsentrasi larutan serat.
2. ALAT PENELITIAN
Gambar 1: Setup Alat Penelitian
Gambar 1 menunjukkan setup alat uji dimana larutan serat pandan dalam tangki dialirkan ke dalam pipa spiral menggunakan pompa turbin berdaya 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 dengan jarak antar manometer 1080 mm. Shear stress dan shear rate dapat pula dihitung dengan mengukur gradien jatuh tekanan dan gradien kecepatan. 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 pandan yaitu 500 ppm dan 1000 ppm. temperatur fluida adalah 27oC.
Serat daun pandan diambil dari daun pandan yang digunakan sebagai bahan baku makanan. Daun pandan yang telah cukup tua diserut dengan menggunakan sendok plastik untuk menghindari
pemutusan serat. Penyerutan berfungsi untuk memisahkan fragmen daun dari seratnya. Serat ini kemudian dikumpulkan hingga massa tertentu dan dikeringkan. Serat daun pandan lalu dipotong dengan mesin pemotong hingga panjangnya mencapai േ 0,5 mm.
3. DASAR TEORI
Hubungan antara shear stress (τ), shear rate (γ), proporsional terhadap gradien kecepatan aliran, dapat dijelaskan dengan model fluida Newtonian.
du
dy
τ
=
µ
(1)
Dimana µ adalah konstanta viskositas fluida. Viskositas Newtonian tergantung pada temperatur dan tekanan namun tidak tergantung pada shear rate. Viskositas didefinisikan sebagai rasio perbandingan shear stress terhadap shear rate. Beberapa model atau persamaan telah diajukan untuk menjelaskan kurva aliran non linear fluida non-Newtonian. Jenis fluida non-Newtonian antara lain fluida Bingham, pseudo plastics dan dilatant. Viskositas dari fluida non-Newtonian tidak konstan pada temperatur dan tekanan namun tergantung pada faktor lain seperti shear rate fluida.
Untuk menentukan jenis fluida uji merupakan fluida Newtonian atau Non-Newtonian, dapat dihitung shear stress dan shear rate menggunakan rumus berikut:
(2)
(3)
Dimana : D adalah diameter dalam pipa, ∆P
adalah pressure drop, L adalah panjang pipa dan u adalah kecepatan aliran rata-rata.
Koefisien gesek (f) dapat dijelaskan dengan persamaan Darcy sebagai berikut :
2 2 D g f h L u =
∆
(3)Dimana : f adalah koefisien gesek, ∆h adalah
perbedaan ketinggian pada manometer, dan g is percepatan gravitasi. L P D 4 .∆ = τ
D
v
.
8
=
γ
Drag reduction pada pipa dapat dihitung dengan persamaan berikut :
ܦܴ = ቚೢೌೝି್ೝ
ೢೌೝ ቚ ݔ100% (4)
4. HASIL DAN ANALISA
Gambar 2: Kurva perbandingan shear stress terhadap shear rate pipa spiral diameter 25 mm
Gambar 2 diatas menunjukkan kurva perbandingan shear stress terhadap shear rate larutan serat daun pandan konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm pada pipa spiral diameter 25 mm. Hasil perhitungan shear stress (τ) dan shear rate (γ) didapat dari data percobaan aliran turbulen. Garis linear pada gambar 2 merupakan garis Newtonian. Data serat daun pandan dengan konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm menunjukkan hubungan yang linear anatar shear tress dan shear rate. Maka dapat disimpulkan bahwa larutan serat pandan merupakan fluida Newtonian. Shear rate meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan. Hasil dari gambar 2 dapat digunakan untuk mendapatkan bilangan Reynold dan koefisien gesek.
Gambar 3 : Kurva perbandingan bilangan Reynold dan koefisien gesek larutan serat pandan
pipa spiral diameter 25 mm
Gambar 3 menunjukkan hubungan bilangan Reynold dan faktor koefisien gesek berdasarkan pengukuran pressure drop dengan 2 variasi konsentrasi larutan. 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 pandan mendekati koefisien gesek air pada aliran turbulen pipa spiral diameter 25 mm. Pada bilangan Re < 23.000 koefisien gesek larutan serat daun pandan setara dengan koefisien gesek air dan persamaan Blasius. Sedangkan pada bilangan Re > 23.000 koefisien gesek larutan serat lebih rendah daripada koefisien gesek air dan persamaan Blasius. Drag reduction meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun pandan.
Gambar 4 : Perbandingan drag reduction larutan serat daun pandan pada pipa spiral diameter 25
mm
Gambar 4 menampilkan perbandingan drag reduction larutan serat daun pandan. Berdasarkan gambar diatas dapat dilihat bahwa drag reduction larutan serat pandan hanya terjadi pada bilangan Re kritis yaitu diatas 23.000. Dibawah titik kritis tersebut fluida menunjukkan karakteristik yang menyerupai fluida Newtonian pada aliran turbulen.
Drag reduction maksimum terjadi pada bilangan Reynold 31.000. Drag reduction meningkat mulai dari bilangan Reynold 23.000 sampai 31.000. Setelah bilangan Reynold maksimal tersebut data menunjukkan data cenderung konstan. Drag
reduction meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun pandan. Drag reduction larutan serat daun pandan konsentrasi 1000 ppm yaitu sebesar 2% - 19%, lebih besar daripada larutan serat daun pandan dengan konsentrasi 500 ppm yaitu sebesar 3% - 14%.
Gambar 2: Kurva perbandingan shear stress terhadap shear rate pipa spiral diameter 25 mm
Gambar 5 diatas menunjukkan kurva perbandingan shear stress terhadap shear rate larutan serat daun pandan konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm pada pipa spiral diameter 27 mm. Hasil perhitungan shear stress (τ) dan shear rate (γ) didapat dari data percobaan aliran turbulen. Garis linear pada gambar 5 merupakan garis Newtonian. Data serat daun pandan dengan konsentrasi 500 ppm dan 1000 ppm menunjukkan hubungan yang linear anatar shear tress dan shear rate. Maka dapat disimpulkan bahwa larutan serat pandan merupakan fluida Newtonian. Shear rate meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan. Hasil dari gambar 5 dapat digunakan untuk mendapatkan bilangan Reynold dan koefisien gesek.
Gambar 6 : Kurva perbandingan bilangan Reynold dan koefisien gesek larutan serat pandan
pipa spiral diameter 27 mm
Gambar 6 menunjukkan hubungan bilangan Reynold dan faktor koefisien gesek berdasarkan pengukuran pressure drop dengan 2 variasi konsentrasi larutan. 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 pandan mendekati koefisien gesek air pada aliran turbulen pipa spiral diameter 25 mm. Pada bilangan Re < 23.000 koefisien gesek larutan serat daun pandan setara dengan koefisien gesek air dan persamaan Blasius. Sedangkan pada bilangan Re > 23.000 koefisien gesek larutan serat lebih rendah daripada koefisien gesek air dan persamaan Blasius. Drag reduction meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun pandan.
Gambar 7 : Perbandingan drag reduction larutan serat daun pandan pada pipa spiral diameter 25
mm
Gambar 7 menampilkan perbandingan drag reduction larutan serat daun pandan. Berdasarkan gambar diatas dapat dilihat bahwa drag reduction larutan serat pandan hanya terjadi pada bilangan Re kritis yaitu diatas 23.000. Dibawah titik kritis tersebut fluida menunjukkan karakteristik yang menyerupai fluida Newtonian pada aliran turbulen.
Drag reduction maksimum terjadi pada bilangan Reynold 31.500. Drag reduction meningkat mulai dari bilangan Reynold 23.000 sampai 29.000. Setelah bilangan Reynold maksimal tersebut data menunjukkan data cenderung konstan. Drag reduction meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan serat daun pandan. Drag reduction larutan serat daun pandan konsentrasi 1000 ppm yaitu sebesar 3% - 18%, lebih besar
daripada larutan serat daun pandan dengan konsentrasi 500 ppm yaitu sebesar 2% - 12%.
5. KESIMPULAN
Efek pengurangan hambatan larutan serat daun pandan terjadi hanya pada beberapa bilangan Reynolds kritis yang dipengaruhi oleh jenis serat dan variasi konsentrasi serat tersebut. Dari percobaan dapat disimpulkan larutan serat pandan termasuk sebagai fluida Newtonian.
Untuk larutan serat daun pandan yang dialirkan dalam pipa spiral pada diameter 25 mm, untuk konsentrasi 500 ppm pengurangan hambatan terjadi pada rentang 3% - 14% dan rentang penurunan tekanan untuk konsentrasi 1000 ppm adalah 2,8% - 19,7%. Peningkatan konsentrasi larutan seiring peningkatan pengurangan hambatannya.
Untuk larutan serat daun pandan yang dialirkan dalam pipa spiral pada diameter 27 mm, larutan serat daun pandan konsentrasi 500 ppm pengurangan hambatan sebesar 3% - 12%. Sedangkan untuk larutan serat daun pandan konsentrasi 1000 ppm, pengurangan hambatan sebesar 3% - 18%.
Pengurangan hambatan maksimum 19,7 % pada bilangan Reynolds sekitar 31.500 dengan konsentrasi larutan serat pandan1000 ppm pada pipa spiral diameter 25 mm.
Makin tinggi konsentrasi larutan, semakin besar pengurangan hambatannya.
REFERENSI
[1] Toms. B. A. “Some observations on 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.
