Pengaruh Karboksimetil Selulosa (CMC) Terhadap Pengurangan
Hambatan Dalam Pipa Segitiga Sama Sisi 20 Mm
Ayubi Lutfianto1,a, Yanuar2,b
1 Under Graduate, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia 2 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia
Email: aabe_oks@yahoo.com, byanuar@eng.ui.ac.id
Abstrak
Upaya penghematan energi terus dilakukan berkaitan dengan isu pemanasan global. Hal ini memacu para ilmuwan untuk melakukan terobosan baru dalam meningkatkan efisiensi energi dengan menerapkan teknologi di berbagai bidang proses industri, salah satu aplikasinya adalah dalam sistem transportasi fluida. Kerugian jatuh tekanan aliran fluida harus dibuat sekecil mungkin untuk mendapatkan penggunaan energy yang rendah. Penambahan aditif pada fluida merupakan salah satu upaya terbaik untuk mendapatkan drag reduction (DR) yang cukup besar. Tujan dari penelitian ini adalah menyelidiki pengaruh penambahan larutan Karboksimetil Selulosa (CMC) terhadap koefisien gesek dalam aliran pipa segitiga sama sisi 20mm. Penelitian DR larutan CMC telah dilakukan dengan variasi konsentrasi: 100 ppm, 200 ppm, dan 300 ppm. Hasil percobaan menunjukkan bahwa penambahan CMC mempengaruhi nilai koefisien gesek pada aliran turbulen. DR maksimum yang dihasilkan masing-masing larutan berturut-turut sebesar 19%, 25%, dan 32% pada bilangan Reynolds yang sama (Re ≈ 20000).
The Effect of Carboxymethyl Cellulose (CMC) Solution on Drag Reduction in Isosceles Triangular Pipe 20 mm
Abstract
Any efforts in energy saving are continuously improved regarding to the issue of global warming. This spurred scientists to make new breakthroughs in improving energy efficiency by implementing the technology in various fields of industrial processes, one application is the fluid transport system. Loss of fluid flow or pressure drop should be made as small as possible to obtain a low energy usage. The soluble additives are the most potential agents to obtain a large enough drag reduction. The purpose of this study is to investigate the effect of Carboxymethyl Cellulose (CMC) solution on drag reduction in isosceles triangular pipe 20 mm. The drag reduction of CMC solutions have been performed as function of concentration: 100 ppm, 200 ppm and 300 ppm. The results show that CMC solution has a significant effect on coeffisient of friction in turbulent flow. The maximum DR obtained from each concentration are 19%, 25%, and 32% respectively at the same Reynolds number (Re ≈ 20000).
Keywords: carboxymethyl cellulose; coefficient of friction; drag reduction; isosceles triangular pipe.
Pendahuluan
Pengurangan hambatan atau drag reduction (DR) pada sistem transportasi fluida merupakan topic menarik dalam hal efisiensi energi berkaitan dengan isu pemanasan global. Hal ini memacu para ilmuwan untuk terus memutar otak sehingga menghasilkan gagasan dan
terobosan baru dalam meningkatkan efisiensi energi dengan teknologi yang mampu diaplikasikan di berbagai bidang. Salah satu aplikasinya adalah peningkatan efisiensi energi aliran fluida dalam sistem perpipaan. Metode baru diciptakan dan metode lama terus dikembangkan untuk melakukan penghematan energi dalam sistem transportasi fluida tersebut.
Ilmu mekanika fluida sangat berperan penting dalam mengetahui karakteristik fluida saat mengalir. Fluida itu sendiri secara umum dibagi menjadi dua, yaitu: fluida Newtonian yang kekentalannnya hanya dipengaruhi oleh suhu; dan fluida Non-Newtonian yang kekentalannnya tidak hanya dipengaruhi oleh suhu tetapi juga dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan waktu pengaliran. Fluida dapat mengalir di dalam pipa dengan kecepatan yang diinginkan bila gaya hambat yang terjadi di dalam pipa tersebut dapat diatasi. Kerugian energi yang dibutuhkan untuk memindahkan fluida disebut dengan kerugian jatuh tekanan atau pressure drop. Semakin tinggi kecepatan aliran fluida maka bentuk aliran yang terjadi dalam pipa semakin turbulen sehingga menyebabkan koefisien gesek meningkat. Peningkatan koefisien gesek berpengaruh secara langsung terhadap besarnya penurunan tekanan dan pada akhirnya kepada besarnya energi yang diperlukan untuk mengalirkan fluida. Kerugian jatuh tekanan ini harus dibuat sekecil mungkin dengan mengurangi hambatan gesek atau mendapatkan drag reduction untuk menghindari pemakaian energi yang cukup besar.
Tujuan utama DR mengurangi gaya mekanika fluida yang disebut “drag”, untuk meningkatkan efisiensi. Ada dua metode yang digunakan dalam mengurangi hambatan gesek atau drag reduction. Pertama adalah metode pasif yang tidak memerlukan masukan energi aliran. Contohnya adalah ribblet dan eddy breakup device. Namun maksimum DR yang bias dicapai hanya mencapai 10%. Kedua adalah metode aktif yang memerlukan masukan energi dengan menambahkan sejumlah kecil zat aditif polimer kedalam fluida yang membuat karakteristik alirannya berubah sehingga mampu mengurangi hambatan gesek aliran. Fenomena ini telah dikenal dengan efek Toms [1,2], dimana penambahan sedikit aditif pada fluida Newtonian menghasilkan larutan Non-Newtonian dapat mengurangi hambatan gesek permukaan hingga 80%. Aditif menyebabkan pengurangan drag, dapat dibagi dalam tiga
penelitian yang telah didedikasikan untuk menyelidiki fenomena DR pada larutan polimer dan juga keterkaitan antara sifat larutan dengan DR nya [6-12]. Aplikasi DR menggunakan polimer yang paling berhasil adalah transportasi minyak mentah melalui jalur pemipaan. Pada tahun 1979, Alyeska Pipeline Service Company memulai penggunaan aditif polimer sebagai penurun gaya drag di dalam pipa ber-diameter 1,2 m sepanjang 1.287 km pada Trans Alaskan Pipeline System (TAPS). Dua belas stasiun pemompaan semula direncanakan pada sistem tersebut, sebelum dipertimbangkannya penggunaan aditif polimer untuk menimbulkan efek DR di dalam jalur pemipaan. Pada tahun 1980 – 1981 Perusahaan Alyeska membatalkan pembangunan dua stasiun pemompaan karena aditif polimer ternyata mampu menggantikan peran kedua stasiun pemompaan tersebut [4,5].
Karboksimetil selulosa atau carboxymethyl cellulose (CMC) merupakan salah satu jenis polimer. CMC merupakan eter polimer selulosa linear dan berupa senyawa anion, yang memiliki sifat penting seperti kelarutan, reologi, dan adsorpsi di permukaan. Selain sifat-sifat itu, viskositas dan derajat substitusi merupakan dua faktor terpenting dari karboksimetil selulosa [14]. Berbagai penelitian berkaitan pengaruh CMC terhadap drag reduction telah banyak dilakukan [7-13].
Oleh karena pemanfaatannya yang sangat luas, mudah didapatkan, serta harganya yang tidak mahal, karboksimetil selulosa akan diuji pengaruhnya terhadap pengurangan hambatan gesek aliran dalam pipa berpenampang segitiga sama sisi dengan ukuran 20 mm dan panjang 1,2 meter.
Tinjauan Teoritis
Diameter hidrolik bisa dianggap sebagai diameter saluran ekivalen terhadap saluran pipa bulat. Dapat dilihat Gambar 1 untuk menghitung bilangan Reynolds dan koefisien gesek pada saluran tak bulat, maka diameter hidrolik digunakan dalam perhitungan. Pada Tabel 1 menjelaskan perbandingan nilai koefisien gesek dengan parameter acuan yaitu pipa bulat pada aliran laminarnya.
Gambar 1. Diameter hidrolik saluran bulat, kotak dan persegi empat
Reynolds pertama kali menemukan suatu parameter tak berdimensi untuk menentukan jenis aliran fluida melalui pipa bulat yang dikenal dengan bilangan Reynolds (Re), dimana Re diberikan oleh persamaan berikut:
Dimana v adalah kecepatan rata-rata, µ adalah viskositas dan υ (µ/ρ) adalah viskositas kinematik
Kehilangan tekanan aliran dalam pipa disebabkan oleh hambatan gesek pada dinding pipa. Kerugian gesek f diperoleh dari persamaanmay Darcy sebagai berikut:
Dimana Δh adalah gradient tinggi tekan melalui pipa dengan L, dan g adalah percepatan gravitasi. Tegangan geser, τ dalam aliran berkembang penuh berhubungan dengan jatuh tekanan.
Laju geser ! dapat diperoleh dari persamaan:
Persentase pengurangan hambatan atau drag reduction (DR) didefinisikan sebagai persentase pengurangan hambatan gesek karena penambahan aditif polimer pada bilangan Reynolds yang sama. DR dapat diperoleh dengan persamaan berikut:
Metode Penelitian
Gambar 2. Skema pipa uji
Gambar 2 Menunjukkan pipa uji yang digunakan dalam penelitian. Kerugian tinggi tekan
melalui saluran diukur antara dua titik dimana manometer terpasang. Pipa dibuat dari bahan lembaran akrilik dengan tebal 4 mm yang dipotong dan dirakit sedemikian rupa sehingga membentuk saluran berpenampang segitiga. Kedua ujung pipa uji dibuat flens untuk memudahkan penyambungan atau pemasangan pada alat uji dengan metode pengikatan menggunakan baut. Untuk mencegah kebocoran pada sambungan flens dipasang gasket karet. Pada bagian atas pipa uji dibuat dua buah lubang dengan ukuran 6 mm sebagai fasilitas untuk pemasangan dua buah manometer. Manometer yang pertama dipasang pada jarak 500 mm dari ujung masuk pipa, Manometer kedua dipasang pada jarak 300 mm dari manometer pertama. Untuk saluran tak bulat, diameter hidrolik digunakan dalam perhitungan. Pipa uji mempunyai diameter hidrolik Dh = 4A/P = 0.01155 m; dimana A adalah luas penampang saluran dan P keliling dinding saluran.
Gambar 3 Menunjukkan pengaturan peralatan uji. Pompa sentrifugal digunakan untuk
mengalirkan 42 liter fluida uji. Tegangan geser dan laju geser diperoleh dengan mengukur kerugian tinggi tekan pada pembacaan di manometer dan laju aliran kemudian dilakukan perhitungan. Percobaan menggunakan air dilakukan terlebih dahulu dengan mengatur laju aliran atau membuat variasi bukaan katup aliran menuju pipa uji. Selanjutnya dilakukan percobaan secara berturut-turut untuk larutan CMC dengan konsentrasi 100 ppm, 200 ppm and 300 ppm.
Gambar 3. Peralatan uji
Gambar 4 merupakan gambar isometrik dari peralatan uji. Fluida yang akan diuji
ditempatkan pada sebuah tangki penampungan. Kemudian dari tangki tersebut dihubungkan ke sisi isap pompa melalui jalur pipa. Pipa keluaran dari pompa dibuat bercabang dua. Satu menuju ke pipa uji dan satu lagi difungsikan sebagai saluran by-pass untuk mengarahkan fluida kembali menuju ke tangki tanpa melewati pipa uji. Beberapa katup dipasang pada sistem perpipaan yang berfungsi untuk mengontrol arah aliran. Pipa by-pass berfungsi untuk menjaga stabilitas aliran saat pengoperasian awal pompa. Ketika aliran fluida cukup stabil maka katup by-pass ke pipa pembuangan ditutup dan katup ke pipa uji dibuka. Percobaan dimulai dengan membuka penuh katup by-pass dan katup yang menuju ke saluran pipa uji. Kemudian dengan menvariasikan bukaan katup by-pass didapatkan variasi data yang berbeda. Fluida yang mengalir pada pipa uji tersebut akan menimbukan perbedaan ketinggian (∆h) yang terbaca pada manometer.
Hasil Penelitian dan Pembahasan
Gambar 5 dengan jelas menunjukkan bahwa faktor gesekan untuk semua data larutan CMC
yang telah diplot dalam grafik berada di bawah garis Newtonian air, baik untuk aliran laminar maupun aliran turbulen. Artinya larutan CMC mempunyai koefisien gesek lebih rendah daripada air sebagai fluida. Dengan penambahan konsentrasi larutan CMC maka garis koefisien gesek semakin menjauh dari garis air, sehingga semakin besar pengurangan koefisien geseknya.
Gambar 5. Graphic f vs Re of water and CMC (100 ppm, 200 ppm and 300 ppm)
Dengan membandingkan grafik dari masing-masing konsentrasi larutan CMC, terdapat indikasi bahwa semakin tinggi tingkat konsentrasi maka diperoleh nilai koefisien gesekan yang lebih rendah pada aliran turbulen.
Gambar 6. Grafik shear stress vs shear rate dari air dan CMC (100 ppm, 200 ppm dan 300 ppm)
Gambar 6 menunjukkan grafik shear stress terhadap shear rate untuk seluruh pengujian
fluida. Garis linier adalah hasil data air yang diplot yang dengan jelas menunjukkan karakter air sebagai fluida Newtonia. Untuk larutan CMC, hasil data yang telah diplot pada grafik membentuk kurva yang berada diatas garis linier air. Artinya bahwa CMC dikategorikan sebagai fluida Non-Newtonia. Dari bentuk lengkung kurva mengindikasikan perilaku shear
thinning atau Pseudoplastic.
Kemudian nilai koefisien gesek akan dibandingkan antara larutan CMC konsentrasi 100 ppm, 200 ppm, dan 300 ppm dengan fluida air pada nilai bilangan Reynolds yang sama untuk dilihat perbedaannya. Perbandingan inilah yang akan menentukan nilai drag reduction (DR)
Gambar 7. Graphic DR vs Re of CMC solutions in triangular pipe
Gambar 7 menunjukkan kurva drag reduction (DR) larutan CMC pada pipa segitiga. Larutan
dengan konsentrasi 300 ppm mempunyai nilai DR lebih tinggi dibandingkan larutan 200 dan 100 ppm. Larutan dengan konsentrasi 200 ppm mempunyai nilai DR lebih tinggi dibandingkan larutan dengan konsentrasi 100 ppm. Artinya, semakin tinggi konsentrasi larutan maka semakin tinggi persentase DR. Persentase tertinggi terjadi pada Re≈20000 pada masing-masing larutan CMC. Penurunan prosentase DR secara perlahan kembali terjadi setelah melalui bilangan Re kritis tersebut. DR maksimum yang diperoleh dari masing-masing konsentrasi 100 ppm, 200 ppm, dan 300 ppm secara berurutan adalah 19%, 25% dan 32% bilangan Reynold yang sama (Re ≈ 20000). Semakin tinggi konsentrasi larutan CMC, semakin besar nilai DR yang dihasilkan.
Gambar 8. Hasil simulasi CFD aliran melalui pipa bulat.
Pada Gambar 8 menjelaskan bahwa pipa bulat memiliki profil kecepatan aliran yang dihasilkan umumnya tersebar merata secara radial dari sumbu saluran ke dinding saluran. Pada sumbu pipa memiliki kecepatan maksimum dan terjadi penurunan ke arah dinding pipa. Adanya kecepatan tangensial juga menyebabkan terjadinya aliran dengan gaya sentrifugal atau rotasional dalam pipa bulat saat fluida bergerak aksial yang menyebabkan tingginya gesekan pada dinding saluran sehingga penurunan tekanan cukup tinggi.
Gambar 9. Vektor kecepatan aliran dalam pipa segitiga sama sisi
Gambar 10. Kontur kecepatan aliran dalam pipa segitiga sama sisi
Gambar 9 dan Gambar 10 menjelaskan profil kecepatan yang terjadi pada saluran segitiga.
Fenomena vortex yang terjadi pada sudut-sudut segitiga mampu meredam turbulensi aliran yang umumnya terjadi pada pipa bulat, sehingga penurunan tekanan yang terjadi lebih kecil.
Kesimpulan
Larutan CMC dikategorikan sebagai fluida Non-Newtonia, yang mempunyai perilaku aliran
sebagai shear thinning atau Pseudoplastic. Semakin tinggi konsentrasi larutan CMC, maka
semakin rendah nilai koefisien gesekan. Nilai DR maksimum diperoleh pada nilai kritis Re tertentu. Setelah melewati nilai kritis Re 20000, kurva DR secara perlahan menurun. Penambahan aditif untuk memperoleh DR sangat efektif untuk saluran dengan ukuran penampang kecil. Saluran segitiga ternyata terbukti mempunyai nilai hambatan gesek aliran lebih rendah dibandingkan dengan pipa bulat. Nilai DR yang dihasilkan percobaan larutan CMC pada pipa segitiga sama sisi 20 mm ini terbilang cukup rendah. Dengan melihat referensi dan membandingkannya, hal ini terjadi karena ukuran geometris saluran cukup besar dan konsentrasi larutan cukup rendah. Dengan memperkecil ukuran saluran dan menaikkan konsentrasi aliran, maka akan didapatkan DR yang lebih memuaskan dan grafik yang lebih baik.
Saran
Dari penelitian ini ada beberapa saran yang dapat penulis sampaikan untuk pengujian selanjutnya, antara lain: penggunaan flow meter dalam pengukuran laju aliran agar dihasilkan data yang lebih akurat, persiapan yang cukup dalam pencampuran larutan CMC agar dihasilkan larutan yang homogen, dan penggunaan pompa dengan kapasitas lebih besar untuk memperoleh bilangan Reynold lebih tingi.
Referensi
[1] Tom’s, B. A. (1948). Some Observations on the Flow of Linear Polymer Solution Through Straight Tubes at Large Reynolds Numbers. Proc. Int. Conger. Rheol. P. 135. Scheveningen, Holland.
[4] R. P. Singh, J. Singh, S. R. Deshmukh, D. Kumar, and A. Kumar. (1995). Curr. Sci. 68, 631–641.
[5] J. F. Motier and A. M. Carrier. (1989). in Ref. 29, pp. 197–204.
[6] White A. (1966). Turbulent drag reduction with Polymer Additives. Journal Mechanical
Engineering Science, Vol 8. No. 4.
[7] Michael D. Graham (2004). Drag Reduction in Turbulent Flow of Polymer Solutions.
Rheology Reviews 2004, pp 143-170.
[8] A. S. Pereira, F.T. Pinho (1999). Bulk Characteristics of Some Variable ViscosityPolymer
Solutions in Turbulent Pipe Flow. 15th Brazilian Congress of Mechanical Engineering.
[9] M.P. Escudier, F. Presti, S. Smith. Drag reduction in the turbulent pipe flow of polymers.
J.Non-Newtonian Fluid Mech., 81, 197-213.
[10] P.K. Ptasinski, F.T.M. Nieuwstadt, B.H.A.A. Van Den Brule and M.A. Hulsen (2001). Experiments in Turbulent Pipe Flow with Polymer Additives at Maximum Drag Reduction.
Flow, Turbulence and Combustion, 66, 159–182.
[11] Witold Brostow (2008). Drag reduction in flow: Review of applications, mechanism and prediction. ScienceDirect, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 14 409-416. [12] Luiz C. Fialho Andrade, Antonio G. Barbosa Cruz, Fernando P. Duda (2012). On friction factors for pseudoplastic fluids in turbulent pipe flow. 14th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering.
[13] K.Gasljevic, G. Aguilar, E.F. Matthys (1999). An improved diameter scaling correlation for turbulent flow of drag-reducing polymer solutions, J. Non-Newtonian Fluid Mech, 84, 131-148.
[14]Hercules, AQUALON Sodium Carboxymethylcellulose, Physical and Chemical Properties.
[15] Yanuar (2007). Pengurangan Hambatan Turbulen Dengan Aditif Polimer. Jurnal
