DISTRIBUSI TEKANAN STATIS PADA SUATU MOBIL MODEL UJI BERSLOPE KAP YANG DIVARIASIKAN

(1)

Prosiding Konferensi Nasional Engineering Perhotelan XI, Universitas Udayana - 2021 ISSN 2338-414X

*Korespondensi: Tel/fax.: 087851386919 E-mail: [email protected] ÓTeknik Mesin Universitas Udayana 2021

DISTRIBUSI TEKANAN STATIS PADA SUATU MOBIL MODEL UJI BERSLOPE KAP YANG DIVARIASIKAN

Ida Bagus Gede Harista Ardyana

^ͳሻ

, A.A. Adhi Suryawan

^ʹሻ

, I Gusti Ketut Sukadana

^͵ሻ

^{ͳǡʹǡ͵ሻ}Program Studi Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali 80362 Abstrak

Pemilihan slope kap harus dilakukan dengan bijak, karena setiap model slope kap menghasilkan efek dan pola aliran yang berbeda. Besar kecilnya ukuran kemiringan sudut slope kap tentu akan menghasilkan efek dan pola aliran berbeda yang terjadi pada suatu kendaraan. Bentuk bodi kendaraan akan mempengaruhi nilai distribusi tekanan statis dan pola aliran yang terjadi pada saat aliran udara melintasi permukaan kontur bodi. Pada penelitian ini menggunakan mobil model uji yang sama dengan memvariasikan sudut kemiringan slope kap yaitu dengan sudut kemiringan 5°, sudut kemiringan 10°, sudut kemiringan 15°, dan sudut kemiringan 20°. Mobil model diuji dengan menggunakan 1 unit wind tunnel dengan kecepatan aliran udara ± 5,47 m/s. Pada masing masing mobil model uji dengan sudut kemiringan yang berbeda terjadi titik stagnasi yang sama yaitu pada rasio x/l = 0. Pada mobil model dengan sudut kemiringan 20° memiliki nilai distribusi tekanan statis paling tinggi dibandingkan dengan sudut kemiringan slope kap 5°, 10°, dan 15° yang berarti kecepatan aliran udara pada slope kap 20° lebih rendah karena tekanan pada model ini paling tinggi.

Kata Kunci : distribusi tekanan statis, kontur bodi dan slope kap

Abstract

The choice of hood slope must be made wisely, because each hood slope model produces different effects and flow patterns.

The size of the angle of the hood slope will certainly produce different effects and flow patterns that occur in a vehicle. Air flow across a vehicle body will affect the static pressure distribution and the flow visualization that occurs when the air flows across the surface of the body contour. This research uses the same model test car by varying the angle of the hood slope, namely the tilt angle of 5 °, 10 °, 15 ° and 20 °. The model car was tested using 1 wind tunnel unit with an air flow velocity of ± 5.47 m / s. Each test model car with a different tilt angle has the same stagnation point at the ratio x / l = 0. Model cars with a tilt angle of 20 ° have the highest static pressure distribution value compared to the slope angle of the hood of 5 °, 10 °, and 15 °, which means that the airflow velocity at the hood slope is 20 ° lower because the pressure on this model is the highest.

Key words: body contour, hood slope and static pressure distribution

1. Pendahuluan

Salah satu aspek yang diperhitungkan dalam mendesain bodi kendaraan adalah aerodinamika.

Aerodinamika adalah suatu fenomena fisika dimana terjadi pertemuan antara udara dengan permukaan benda padat yang akan menghasilkan aliran aliran udara yang berbeda beda tergantung dari permukaan benda padat yang dilaluinya. Adapun faktor faktor yang mempengaruhi aerodinamika adalah tekanan udara, kecepatan udara, temperatur udara, dan viskositas udara. Aerodinamika merupakan aspek penting dalam desain bodi kendaraan, karena dapat meringankan kerja mesin dan dapat menstabilkan kendaraan. Salah satu cara untuk mengendalikan performansi kendaraan adalah dengan mengendalikan karakteristik aerodinamika bodi kendaraan. Hal tersebut dapat dilakukan dengan membuat bodi seaerodinamis mungkin atau dapat dilakukan dengan memberi beberapa komponen tambahan seperti spoiler, roof spoiler, air dam, side skirt, dan slope kap. Hal hal lain yang perlu ditinjau adalah gaya gaya yang terjadi pada aerodinamika. Aerodinamika sangat berhubungan erat dengan Prinsip Bernoulli. Bunyi dari Prinsip Bernoulli adalah apabila kecepatan fluida sangat cepat maka tekanan fluida akan sangat kecil. Jadi apabila dikaitkan dengan bodi kendaraan, apabila kecepatan udara di atas kendaraan lebih besar maka tekanan udara di atas

akan lebih kecil sehingga kendaraan akan terangkat karena tekanan di bawah lebih besar dibandikan dengan di atas. Jika kita tinjau aliran yang terjadi pada arah horizontal adalah gaya drag atau gaya hambat karena gaya ini berlawanan arah dengan arah aliran udara sedangkan aliran pada arah vertikal adalah gaya lift atau gaya angkat. Gaya drag adalah hal yang penting dalam aerodinamika. Gaya drag sering dianggap mengganggu, namun terkadang diperlukan pada saat saat tertentu. Gaya lift dapat diperhatikan pada pesawat terbang dan mobil balap. Yang termasuk gaya lift adalah gaya lift positif atau gaya angkat yang mampu menerbangkan suatu bedna dan gaya lift negatif atau down force. Pada pesawat terbang gaya lift positif sangat diperlukan sedangkan pada mobil balap gaya lift negatif sangat diperlukan agar mobil balap tetap stabil melaju di atas permukaan tanah. Gaya gaya yang terjadi pada aerodinamika sangat penting demi memenuhi keselamatan dan kenyamanan berkendara, namun anak muda yang gemar memodifikasi mobil belum memiliki pengetahuan tentang betapa pentingnya memilih slope kap yang baik dan benar.

Pemilihan slope kap harus dilakukan dengan bijak, karena setiap model slope kap menghasilkan efek dan pola aliran yang berbeda. Besar kecilnya ukuran kemiringan sudut slope kap tentu akan menghasilkan efek dan pola aliran berbeda yang terjadi pada suatu

(2)

Ida Bagus Gede Harista Ardyana et al. · Prosiding KNEP XI – 2021 · ISSN 2338-414X 65 kendaraan. Dengan adanya sudut kemiringan pada

slope kap, maka akan membentuk separasi aliran keatas sehingga aliran udara akan terus mengikuti aliran separasi tersebut, apabila aliran separasi semakin tinggi maka luas frontal area akan bertambah sehingga drag force akan bertambah. Apabila anak anak muda sudah paham mengenai hal tersebut maka standar keselamatan dan kenyamanan berkendara akan terpenuhi.

Dengan dasar dasar pertimbangan di atas, penelitian ini menarik dilakukan untuk mengetahui distribusi tekanan statis pada suatu mobil model uji dengan slope kap yang divariasikan.

Dalam hal ini maka ada beberapa permasalahan yang akan dikaji, yaitu:

1. Bagaimana distribusi tekanan statis dari mobil model uji dengan menggunakan slope kap yang divariasikan.

Beberapa batasan ditetapkan dalam penelitian ini meliputi :

1. Menggunakan mobil model uji dengan 4 model variasi slope kap dengan sudut kemiringan 5ô, 10ô, 15ô, dan 20ô sebagai spesimen uji penelitian.

2. Kecepatan aliran udara pada wind tunnel ditentukan konstan ± 5,47 m/s

3. Titik pengukuran tekanan udara sebanyak 33 titik pada setiap mobil model uji

4. Tekanan ditinjau pada bagian upper surface dari titik leading edge sampai titik trailing edge bodi mobil model uji

5. Fluida yang mengalir adalah udara yang diasumsikan dalam kondisi steady state, steady flow, incompressible flow dan uniform pada upper surface.

6. Temperatur udara pada ruang pengujian adalah konstan.

2. Metode Penelitian 2.1 Prinsip Bernoulli

Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa semakin tinggi kecepatan fluida (untuk ketinggian yang relatif sama), maka tekanannya akan mengecil. Dengan demikian akan terjadi perbedaan tekanan antara udara bagian bawah dan atas sayap hal inilah yang mencipakan gaya angkat. Persamaan bernoulli dapat diterapkan pada aliran incompressible untuk sepanjang streamline, yang dapat dituliskan sebagai berikut :

ܲ ߩ ൅

ܸ^ଶ ʹ

Bila tekanan statis (Ps) pada suatu titik dalam suatu aliran dimana kecepatan adalah V. maka tekanan stagnasi (ܲ଴), dimana kecepatannya adalah nol, sehingga :

௉బ

ఘ ൅^௏_ଶ^బ^మൌ^௉௦_ఘ ൅^௏_ଶ^మ = konstan Dimana V= 0, maka menjadi:

ܲ଴ൌ ܲௌ൅^ଵ_ଶߩܸ^ଶ = konstan 2.2 Tekanan Statis

Tekanan statis adalah tekanan termodinamika aktual dari fluida ketika mengalir. Secara umum tekanan statis dapat dirumuskan sebagai berikut:

P= ρ. g . h

Adapun persamaan umum untuk memperoleh nilai tekanan udara pada inclined tube manometer :

P_u=ρ_u.g ^S^gm^.h^m

Sgu

Keterangan : h_m = L sin θ (m).

ρ_u = Masa jenis udara (kg/m³).

S_gm = Specific gravity minyak.

S_gu = Specific gravity udara.

g = Percepatan gravitasi (m/s²)

Inclined Tube Manometer merupakan suatu alat yang berfungsi untuk mengukur kecepatan aliran udara yang ditentukan dengan perbandingan antara tekanan total dan tekanan statis yang dihasilkan oleh udara yang melalui Inclined Tube Manometer.

2.3 Tekanan Dinamis

Tekanan dinamis dapat dikatakan sebagai peningkatan tekanan fluida yang bergerak di atas nilai statis, yang diakibatkan oleh gerakan fluida. Secara umum tekanan dinamis dapat dirumuskan sebagai berikut :

ܲ_ஶൌ^ଵ_ଶߩǤ ܸλ^ଶ Dimana :

ܲ_ஶ = Tekanan dinamis freestream ( N/m² ) ߩ = Densitas fluida ( kg/m³ )

ܸ_ஶ = Kecepatan udara freestream ( m/s ) 2.4 Koefisien Tekanan

Menurut John D. Anderson,2005 Koefisien tekanan merupakan selisih antara tekanan statis pada kontur lokal dengan tekanan statis pada dinding test section dibagi dengan tekanan dinamis free stream.

ܥ݌ ൌ ^{௉௖ି௉௦}_௉ஶ Dimana :

CP = Koefisien tekanan / coefficient pressure PC = Tekanan statis pada kontur lokal ( N/m² )

Ps = Tekanan statis pada dinding test section ( N/m² )

ܲஶ = Tekanan dinamis freestream ( N/m² ) 2.5 Deskripsi Penelitian

Penelitian ini mengkaji tentang distribusi tekanan statis pada mobil model uji berslope kap yang divariasikan, penelitian ini menggunakan mobil model uji dengan 4 tipe model dengan kemiringan slope kap yang berbeda beda. Penelitian ini dilakukan dengan cara eksperimen dan pengujian ini dilakukan dengan menggunakan 1 unit wind tunnel. Mobil Model Uji adalah model kendaraan tipe sedan dengan sudut kemiringan slope kap 5°, 10°, 15°, dan 20°. Pada setiap

(3)

Ida Bagus Gede Harista Ardyana et al. · Prosiding KNEP XI – 2021 · ISSN 2338-414X 66 mobil model uji terdapat 33 buah titik pengukuran

tekanan sepanjang kontur bodi.

Gambar 1. Wind Tunnel Adapun bagian – bagian dari wind tunnel yaitu:

1. Venturi merupakan komponen wind tunnel yang berfungsi memusatkan aliran menuju ke honeycomb dan menambah kecepatan udara.

2. Sarang lebah ( honeycomb ) merupakan komponen wind tunnel yang berfungsi untuk membuat aliran yang datang dari venturi menjadi aliran yang seragam ( uniform ).

3. Test section merupakan salah satu komponen wind tunnel yang berfungsi sebagai tempat pengujian spesimen uji.

5. Diffuser merupakan salah satu komponen wind tunnel yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan dan menurunkan kecepatan udara.

6. Blower merupakan salah satu komponen dari wind tunnel yang berfungsi menghasilkan aliran bebas ( free stream ).

Adapun variabel pada penelitian ini yaitu: variabel bebas yaitu 4 model slope kap yang bervariasi dengan sudut kemiringan 5ô, 10ô, 15ô, dan 20ô. Untuk variabel terikatnya tekanan statik pada dinding test section pada wind tunnel, tekanan dinamis freestream, tekanan statik pada kontur bodi. Lalu untuk variabel kontrol yaitu kecepatan aliran udara pada test section konstan േ5,47 m/s dan temperatur pada test section dijaga konstan.

Gambar 2. Model dengan kemiringan slope kap 5^o

Gambar 5. Model dengan kemiringan slope kap 20^o Alat lain yang digunakan adalah Inclined Tube Manometer dan Hot Wire Anemometer.

Gambar 6. Inclined Tube Manometer Inclined Tube Manometer merupakan alat ukur yang digunakan untuk mengukur tekanan udara pada kontur bodi mobil model.

Gambar 7. Hot Wire Anemometer Hot Wire Anemometer merupakan alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan udara di test section pada wind tunnel.

Tahap penelitian distribusi tekanan statis:

1. Mempersiapkan alat dan bahan penelitian.

2. Memasang spesimen mobil model uji dengan kemiringan slope kap yang bervariasi pada test section di wind tunnel.

3. Instalasi inclined tube manometer dengan spesimen uji.

4. Operasikan wind tunnel.

5. Amati dan catat perubahan jarak cairan pada inclined tube manometer.

6. Lakukan pengulangan pengujian pada mobil model uji dengan kemiringan slope kap yang berbeda.

7. Instalasi inclined tube manometer dengan wall pressure tap pada test section wind tunnel.

8. Catat perubahan jarak perpindahan cairan inclined tube manometer.

3. Hasil dan Pembahasan

Dari hasil penelitian diperoleh data dan dapat dibuat grafik sebagai berikut :

3.1 Grafik CP Kemiringan Slope Kap 5°

Gambar 8. Grafik CP kemiringan slope kap 5°

nilai CP maksimal yaitu CP = 1 terjadi pada titik stagnasi yaitu pada titik pengukuran 3 pada rasio x/l= 0. Pada

(4)

Ida Bagus Gede Harista Ardyana et al. · Prosiding KNEP XI – 2021 · ISSN 2338-414X 67 titik-titik tersebut merupakan titik dimana nilai tekanan

aliran udara maksimal dan kecepatan udara adalah 0 m/s. Nilai CP pada rasio x/l=0 tidak semua =1 diakibatkan adanya feomena forward bound vortex di front area. Kemudian nilai CP mengalami penurunan dari titik 3 sampai ke titik 7 karena pada area tersebut mulai terjadi penurunan tekanan statis dan terjadinya peningkatan kecepatan. Kemudian nilai CP mengalami peningkatan dari titik pengukuran 8 sampai nilai CP

maksimal pada titik pengukuran 14 dengan nilai CP= 0,35. Fenomena tersebut mengindikasikan aliran udara kembali mendekat ke permukaan kontur bodi dan terjadinya fenomena blockage mass. Kemudian nilai CP

mengalami penurunan dari titik pengukuran 15 sampai titik pengukuran 26 atau rasio x/l = 0,42. Dengan nilai CP terendah yaitu CP = -1,48. Pada titik ini adalah titik dimana kecepatan udara dengan nilai kecepatan maksimal dan tekanan statis yang sangat rendah pada kontur bodi sehingga mengakibatkan terjadinya aliran yang berseparasi. Setelah titik pengukuran 26 nilai CP

mengalami peningkatan kearah positif, dengan meningkatnya nilai CP maka kecepatan aliran udara berkurang (deacceleration) dan terjadi peningkatan nilai tekanan statis pada kontur bodi. Nilai CP mulai stabil dari titik pengukuran tekanan 27 sampai dengan titik pengukuran 33, kemudian nilai CP kembali mengalami peningkatan kearah mendekati positif dengan nilai CP

maksimal = -0,13 yaitu pada titik pengukuran 33.

nilai CP maksimal yaitu CP = 1 terjadi pada titik stagnasi yaitu pada titik pengukuran 2 pada rasio x/l = 0. Pada titik-titik tersebut merupakan titik dimana nilai tekanan aliran udara maksimal, dan kecepatan udara adalah 0 m/s. Nilai CP pada rasio x/l = 0 tidak semua = 1 diakibatkan adanya feomena forward bound vortex pada front area. Setelah titik stagnasi nilai CP

mengalami penurunan kearah negatif sampai pada titik penurunan maksimal yaitu pada titik pengukuran 6 atau rasio x/l= 0,06. Menurunnya nilai CP ini mengindikasikan terjadinya peningkatan kecepatan aliran udara (acceleration) dan menurunya nilai tekanan statis pada kontur bodi. Kemudian nilai CP mengalami

peningkatan dari titik pengukuran 7 sampai nilai CP maksimal pada titik pengukuran 15 dengan nilai CP = 0,65. Hal ini berarti aliran udara mulai mendekati kearah positif atau mendekati kontur bodi dan juga terjadinya fenomena blockage mass. Kemudian nilai CP

mengalami penurunan dari titik pengukuran 16 sampai titik pengukuran 27 dengan nilai CP terendah yaitu CP = -1. Pada titik ini adalah titik dimana kecepatan

udara dengan nilai kecepatan maksimal dan tekanan statis yang sangat rendah pada kontur bodi yang berarti aliran udara menjauhi kontur bodi dan terjadinya aliran udara yang berseparasi. Kemudian dari titik pengukuran 27 sampai 29 nilai CP mengalami peningkatan kearah positif ,dengan meningkatnya nilai CP maka kecepatan aliran udara berkurang (deacceleration) dan terjadi peningkatan nilai tekanan statis pada kontur bodi. Pada titik 30 sampai 31 terjadi penurunan tekanan karena di titik tersebut terjadi aliran back flow dengan nilai CP terendah = -0,65. Nilai CP

mulai stabil dari titik pengukuran tekanan 32 sampai dengan titik pengukuran 33 dengan nilai CP maksimal = -0,13 yaitu pada titik pengukuran 32 dan 33.

nilai CP maksimal yaitu CP = 1 terjadi pada titik stagnasi yaitu pada titik pengukuran 2 pada rasio x/l= 0. Pada titik-titik tersebut merupakan titik dimana nilai tekanan aliran udara maksimal, dan kecepatan udara adalah 0 m/s. Nilai CP pada rasio x/l=0 tidak semua = 1 diakibatkan adanya feomena forward bound vortex di front area. Setelah titik stagnasi, nilai CP mengalami penurunan kearah negatif sampai pada titik penurunan maksimal yaitu pada titik pengukuran 6 atau rasio x/l = 0,06. Menurunnya nilai CP ini mengindikasikan terjadinya peningkatan kecepatan aliran udara (acceleration) dan menurunya nilai tekanan statis pada kontur bodi. Kemudian nilai CP mengalami peningkatan dari titik pengukuran 7 sampai nilai CP maksimal pada titik pengukuran 13 dengan nilai CP = 0,44. Hal ini berarti aliran udara mulai mendekati kearah positif atau mendekati kontur bodi dan juga terjadinya fenomena blockage mass. Kemudian nilai CP mengalami penurunan dari titik pengukuran 13 sampai titik

pengukuran 16 dengan nilai CP terendah yaitu CP = -1,26. Pada titik ini adalah titik dimana kecepatan

udara dengan nilai kecepatan maksimal dan tekanan statis yang sangat rendah pada kontur bodi yang berarti aliran udara menjauhi kontur bodi dan terjadinya aliran udara yang berseparasi. Kemudian dari titik pengukuran 17 sampai 33 nilai CP mengalami peningkatan kearah positif ,dengan meningkatnya nilai CP maka kecepatan aliran udara berkurang (deacceleration) dan terjadi peningkatan nilai tekanan statis pada kontur bodi. Nilai CP mulai stabil dari titik pengukuran tekanan 32 sampai dengan titik pengukuran 33 dengan nilai CP maksimal = -0,13 yaitu pada titik pengukuran 32 dan 33.

(5)

Ida Bagus Gede Harista Ardyana et al. · Prosiding KNEP XI – 2021 · ISSN 2338-414X 68 3.4 Grafik CP Kemiringan Slope Kap 20°

nilai CP maksimal yaitu CP = 1 terjadi pada titik stagnasi yaitu pada titik pengukuran 2 pada rasio x/l= 0. Pada titik-titik tersebut merupakan titik dimana nilai tekanan aliran udara maksimal, dan kecepatan udara adalah = 0 m/s. Nilai CP pada rasio x/l=0 tidak semua = 1 diakibatkan adanya feomena forward bound vortex di front area. Setelah titik stagnasi, nilai CP mengalami penurunan kearah negatif sampai pada titik penurunan maksimal yaitu pada titik pengukuran 6 atau rasio x/l = 0,06. Menurunnya nilai CP ini mengindikasikan terjadinya peningkatan kecepatan aliran udara (acceleration) dan menurunya nilai tekanan statis pada kontur bodi. Kemudian nilai CP mengalami peningkatan dari titik pengukuran 7 sampai nilai CP maksimal pada titik pengukuran 13 dengan nilai CP = 0,22. Hal ini berarti aliran udara mulai mendekati kearah positif atau mendekati kontur bodi dan juga terjadinya fenomena blockage mass. Kemudian nilai CP mengalami penurunan dari titik pengukuran 14 sampai titik pengukuran 17 dengan nilai CP terendah yaitu CP = - 1,91. Pada titik ini adalah titik dimana kecepatan udara dengan nilai kecepatan maksimal dan tekanan statis yang sangat rendah pada kontur bodi yang mengakibatkan terjadinya aliran yang keluar menjauhi kontur bodi atau aliran separasi. Kemudian dari titik pengukuran 18 sampai 33 nilai CP mengalami peningkatan kearah positif, dengan meningkatnya nilai CP maka kecepatan aliran udara berkurang (deacceleration) dan terjadi peningkatan nilai tekanan statis pada kontur bodi. Nilai CP mulai stabil dari titik pengukuran tekanan 29 sampai dengan titik pengukuran 33, kemudian nilai CP kembali mengalami peningkatan kearah positif dengan nilai CP maksimal = -0,35 yaitu pada titik pengukuran 33.

3.5 Analisa Grafik CP Yang Digabungkan

Gambar 12. Grafik CP yang digabungkan Gambar 12 adalah gambar distribusi koefisien tekanan yang digabungkan menjadi 1 grafik, dari grafik dapat dilihat bahwa semakin besar sudut kemiringan Slope

Kap maka nilai CP akan semakin menurun pada daerah front area sampai daerah Slope Kap kendaraan model sehingga menyebabkan rendahnya tekanan statis yang terjadi pada kontur bodi pada front area sampai Slope Kap dan akan semakin mengurangi pressure drag yang terjadi. Fluktuasi nilai CP pada kendaraan dengan sudut kemiringan Slope Kap 20° lebih landai daripada model kendaraan dengan sudut kemiringan Slope Kap 5°, 10°, dan 15°. Fenomena ini disebabkan oleh kemiringan slope kap yang lebih aerodinamis sehingga aliran lebih mampu untuk mengikuti kontur bodi kendaraan uji 4. Simpulan

Nilai distribusi tekanan statis pada kendaraan dengan sudut kemiringan Slope Kap 20° lebih besar dan lebih stabil ke arah positif daripada model kendaraan dengan sudut kemiringan Slope Kap 5°, 10°, dan 15°.

Fenomena ini disebabkan oleh kemiringan slope kap yang lebih landai dan aerodinamis sehingga aliran lebih mampu untuk mengikuti kontur bodi kendaraan uji Ucapan Terima Kasih

Penulis banyak mendapat bantuan serta pertolongan dari berbagai pihak, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ida Ratu Anglurah Anak Agung Adhi Suryawan dan Bapak I Gusti Ketut Sukadana selaku dosen pembimbing serta Bapak/Ibu dosen di Program Studi Teknik Mesin, Universitas Udayana.

Daftar Pustaka

[1] [1 Bruce R. Munson, (2010), Fundamental Of Fluid Mechanics, Six Edition, John Wiley and Sons, Inc.

[2] Cahyaningsih Wilujeng, (2016), “Studi Eksperimen Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Sirkular Berpengganggu Prisma Segitiga Samasisi, Prisma Segi Empat, dan Silinder Sirkular”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Insitut Teknologi Sepuluh November, Surabaya.

[3] Rachmat Subagyo, Aqli Mursadin, (2017), “Buku Ajar Mekanika Fluida II” Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lambung Mangkurat.

[4] White, F.M, (1998), Fluid Mechanics, USA, McGraw-Hill.

[5] Hermann Schlichting, (1968), Boundary Layer Theory, McGraw-Hill, Series In Mechanical Engineering.

[6] Jhon D. Anderson, Jr, (2005), Fundamental Of Aerodynamic, Fifth Edition, McGraw-Hill, International Edition.

Ida Bagus Gede Harista Ardyana merupakan seorang mahasiswa yang menyelesaikan studi S1 di Program Studi Teknik Mesin, Universitas Udayana pada tahun 2021. Konsentrasi yang diminati adalah topik yang berkaitan dengan konversi energi yaitu pada bidang aerodinamika dan mekanika fluida.

(6)

*Korespondensi: Tel/fax.: 081353988585 E-mail: [email protected] ÓTeknik Mesin Universitas Udayana 2021

POLA ALIRAN FLUIDA PADA PERMUKAAN BODY SUATU MOBIL MODEL BER-REAR END TAIL YANG DIVARIASIKAN

I Made Yoga Mahendra Putra

^ͳሻ

, A.A. Adhi Suryawan

^ʹሻ

, I Gusti Ketut Sukadana

^͵ሻ

^{ͳǡʹǡ͵ሻ}Program Studi Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali 80362 Abstrak

Fenomena rear end disebabkan oleh ruang yang terbentuk di udara saat kendaran melaju dan dipengaruhi oleh kecepatan, sehingga menyerupai ruang hampa pada bagian belakang, sehingga dengan semakin panjang Rear End di bagian belakang mobil akan sangat mempengaruhi fenomena aliran yang terjadi, dari aliran tersebut akan terbentuknya aliran balik yang di sebabkan oleh separasi serta aliran udara sulit mengisi ruang dan mengikuti bentuk bodi belakang.Penenlitian ini menggunakan mobil model yang sama dengan memvariasikan yaitu mobil model tanpa rear end, dengan panjang rear end 500 mm, dengan panjang rear end 1000 dan dengan panjang rear end 1500 mm. Mobil model di uji dengan kecepatan 5,47m/s dalam 1 unit wind tunnel. Pada setiap mobil model titik stagnasi aliran udara terjadi pada rasio x/l = 0. Kemudian fenomena separasi aliran karena vaccum rear terjadi pada rasio x/l= 0,80 pada mobil model dengan panjang rear end 500 mm, serta rasio x/l= 0,64 pada mobil model dengan panjang rear end 1000 mm, dan rasio x/l= 0,47 pada mobil model dengan panjang rear end 1500 mm. Semakin panjangnya rear end menyebabkan separasi yang besar dan berdampak pada besarnya gaya hambat yang akan terjadinya separasi pada bagian rear end

Kata Kunci : Rear End, Pola Aliran, Titik Separasi

Abstract

Rear end phenomenon is caused by the space that is formed in the air when a vehicle is driving and is influenced by speed, so that it resembles a vacuum at the rear, so that the longer the rear end at the rear of the car will greatly affect the flow phenomenon that occurs, from this flow will form flow. The reverse caused by separation and airflow is difficult to fill the space and follow the shape of the rear body. This research uses the same model car by varying, namely a model car without a rear end, with a rear end length of 500 mm, with a rear end length of 1000 and a rear end length of 1500 mm. The model car was tested with a speed of 5.47m/s in 1 wind tunnel unit. In each model car, the air flow stagnation point occurs at a ratio of x / l = 0. Then the flow separation phenomenon due to rear vacuum occurs at a ratio of x / l = 0.80 on model cars with a rear end length of 500 mm, and the ratio x / l = 0.64 for models with a rear end length of 1000 mm, and an x / l ratio = 0.47 for models with a rear end length of 1500 mm. The longer the rear end causes a large separation and has an impact on the amount of drag that will cause the separation on the rear end.

Key words : Rear End, Air Flow Pattern, Separation Point 1. Pendahuluan

Pada sektor transportasi, banyak upaya yang dapat dilakukan seperti memaksimalkan tingkat efisiensi bahan bakarnya. Tolak ukur perancangan dan operasi kendaraan saat ini antara lain berat kendaraan, efisiensi mesin, estetika, cara mengemudi, kenyamanan dan keamanan yang tinggi serta aerodinamika. Para ahli otomotif sudah membuktikan bahwa ada kaitan antara pertimbangan tahanan aerodinamik kendaraan mobil dengan konservasi energi. Daya keluaran mesin yang didapatkan melalui proses pembakaran dari masukan energi (antara lain bahan bakar) sebagian besar dipakai untuk mengatasi tahanan jalan raya, gesekan (jalan dan mekanis) dan ilmu tentang aerodinamika. Ilmu aerodinamika ini merupakan ilmu yang mempelajari sifat benda karena pengaruh aliran udara (angin). Pada kendaraan, karakteristik aerodinamis kendaraan berhubungan dengan laju atau kecepatan kendaraan dimana semakin aerodinamis suatu kendaraan maka gerak kendaraan tersebut semakin lancar atau tidak terhambat oleh angin. Laju kendaraan berpengaruh terhadap konsumsi bahan bakar sehingga studi aerodinamis kendaraan merupakan studi yang penting karena merupakan upaya efisiensi dan penghematan

Karakteristik aerodinamika salah satunya adalah pola aliran udara yang terjadi akibat bodi mobil yang menghalangi aliran udara sehingga akan ada perubahan tekanan. Pola aliran udara dipengaruhi oleh bentuk bodi kendaraan mobil itu sendiri. Sehingga pola aliran udara yang tidak aerodinamis pada bodi akan mempengaruhi kecepatan kendaraan dan konsumsi bahan bakar.[1]

Vaccum rear atau rear end disebabkan oleh ruang yang terbentuk di udara saat kendaran melaju dan dipengaruhi oleh kecepatan, sehingga menyerupai ruang hampa pada bagian belakang. Hal ini dapat terjadi karena molekul udara tidak dapat mengisi ruang tadi akibat kendaraan yang melaju cepat. Molekul molekul udara ini berusaha mengisi ruang ini namun kendaraan melaju lebih cepat dari kecepatan molekul udara untuk mengisi ruang ini, hasilnya terbentuklah ruang hampa pada daerah belakang yang selalu menghisap berlawanan dengan arah laju kendaraan.

Sehingga panjangnya Rear End di bagian belakang mobil akan sangat mempengaruhi fenomena aliran yang terjadi, dari aliran tersebut akan terbentuknya wake serta back flow yang di sebabkan oleh separasi serta aliran udara sulit mengisi ruang dan mengikuti bentuk bodi belakang.

(7)

I Made Yoga Mahendra Putra et al. · Prosiding KNEP XI – 2021 · ISSN 2338-414X 70 Adapun permasalahan yang terjadi di kendaraan

adalah pola aliran pada bagian belakang dari kendaraan (rear). Panjang rear end pada mobil memiliki banyak variasi, dengan panjang yang berbeda – beda tentunya memiliki pola aliran yang berbeda pula. Maka dari itu, panjang rear end mobil dirancang lebih baik agar mampu menghasilkan pola aliran yang aerodinamis. Berdasarkan uraian diatas, penulis tertarik melakukan penelitian tentang pengaruh variasi panjang rear end pada mobil model terhadap pola aliran.

Tujuan pengujian ini adalah Untuk mengetahui bagaimana pola aliran udara melewati mobil model tanpa dan dengan penggunaan panjang Rear End yang di variasikan.

Batasan masalah dalam pengujian yaitu:

1. Bagian model kendaraan yang di uji adalah tanpa panjang rear end dan dengan panjang rear end 500 mm, 1000 mm, dan 1500 mm.

2. Temperature udara pada ruang pengujian di jaga konstan.

3. Kecepatan udara di wind tunnel pada test section ditentukan konstan + 5,47 m/s

4. Fluida yang mengalir yaitu udara yang di asumsikan dalam kondisi steady state, steady flow, incompressible flow.

2. Metode Penelitian

Penelitian ini merupakan pengujian dengan cara eksperimental untuk menguji pengaruh panjang rear end yang divariasikan pada model model uji. Pada penelitian ini spesimen ujinya adalah mobl model uji tanpa panjang rear end dan dengan panjang rear end 500 mm, 1000 mm, dan 1500 mm.

Adapun variabel pada penelitian ini yaitu: variabel bebas yaitu mobl model uji tanpa panjang rear end dan dengan panjang rear end 500 mm, 1000 mm, dan 1500 mm. Untuk variabel terikatnya yaitu pola aliran blockage mass, separasi dan wake yang terjadi. Lalu untuk variabel kontrol yaitu kecepatan aliran udara pada test section konstan േ5,47 m/s dan temperatur pada test section dijaga konstan.

Gambar 1. Mobil model tanpa panjang rear end

Gambar 2. Mobil model panjang rear end 500 mm

Gambar 3. Mobil model panjang rear end 1000 mm

Gambar 4. Mobil model panjang rear end 1500 mm Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah wind tunnel. Wind tunnel merupakan alat untuk mempelajari karakteristik aliran udara. Wind tunnel di gunakan untuk mensimulasi keadaan sebenarnya pada suatu benda yang berada dalam gaya-gaya aerodinamika [2]. Pada gambar 5 merupakan terowongan angin (wind tunnel) yang digunakan dalam melakukan penelitian ini. Wind Tunnel merupakan alat yang untuk membantu penelitian dengan mempelajari pengaruh daripada udara yang bergerak di sekitar benda padat.

Gambar 5. Wind tunnel

Adapun bagian – bagian dari wind tunnel yaitu:

1. Blower merupakan salah satu komponen dari wind tunnel yang berfungsi menghasilkan aliran bebas (free stream).

2. Venturi merupakan komponen wind tunnel yang berfungsi memusatkan aliran udara yang menuju honeycomb dan menambah kecepatan udara yang dihasilkan blower.

3. Test section merupakan salah satu komponen wind tunnel yang berfungsi sebgai tempat pengujian spesimen uji.

4. Diffuser adalah komponen wind tunnel yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan dan menurunkan kecepatan udara

Alat lain yang digunakan adalah Smoke machine yaitu alat yang di gunakan untuk menghasilkan asap (smoke), dalam penelitian ini membantu memvisualisasikan pola aliran udara.

Gambar 6. Smoke machine Tahap penelitian Pola aliran udara:

1. Mempersiapkan alat dan bahan penelitian.

2. Ukur kecepatan dan temperatur udara pada test section di wind tunnel.

3. Memasang spesimen mobil model uji tanpa dan dengan panjang rear end di test section wind tunnel.

4. Oprasikan wind tunnel.

1 2

3

4

(8)

I Made Yoga Mahendra Putra et al. · Prosiding KNEP XI – 2021 · ISSN 2338-414X 71 5. Nyalakan smoke machine, rekam pola aliran udara

yang melintasi bodi model kendaraan 2.1 Separasi Aliran Pada Boundary Layer

Dalam boundary layer akan ditemukan suatu fenomena yang disebut dengan separasi. Separasi mengakibatkan aliran yang terbalik arahnya dari aliran utama. Separasi merupakan peristiwa dimana aliran fluida terpisah dari permukaan benda. Proses separasi diawali dengan adanya aliran fluida yang terus menerus mengalami peerubahan karena adanya gaya gesek.

Akibat adanya gaya gesek tersebut, momentum aliran akan berkurang sampai suatu saat momentum alirannya sudah tidak bisa mengatasi hambatan sehingga aliran fluida akan terpisah dari permukaan benda, Pada titik dimana separasi terjadi, gradient tekanan pada permukaan bodi adalah nol y=0 dan aliran fluida di belakang titik separasi arahnya berlawanan dengan aliran utama. [3]

Gambar 7. Boundary layer flow dengan pressure gradient

Pada gambar 7 separasi sangat dipengaruhi oleh gradient tekanan sepanjang aliran, khususnya oleh adverse pressure gradient, yaitu tekanan yang semakin meningkat sejajar dengan arah aliran sepanjang permukaan benda kerja Pada daerah adverse pressure gradient, aliran fluida akan mengalami hambatan selain karena adanya gaya gesek juga karena adanya kenaikan tekanan pada arah aliran fluida. Pada saat momentum fluida sudah tidak dapat melawan hambatan ini, aliran fluida tidak akan bisa bergerak lebih jauh sepanjang permukaan benda hingga aliran akan mengalami separasi.

2.2 Vaccum rear

Vaccum rear atau rear end adalah sesuatu yang menyerupai ruang hampa pada bagian belakang kendaraan, dimana terbentuk di udara saat kendaran melaju yang dipengaruhi oleh kecepatan. Hal ini disebabkan oleh molekul udara yang tidak dapat mengisi ruang tersebut, akibat daripada kendaraan yang melaju cepat. Kecepatan kendaraan melaju lebih cepat dibandingkan kecepatan molekul udara untuk mengisi ruang tersebut, sehingga terbentuklah ruang hampa pada daerah belakang yang selalu menghisap berlawanan dengan arah laju kendaraan seperti yang terlihat pada gambar 8. [4]

Gambar 8. Kevakuman daerah belakang mobil

Arus detasemen termasuk bagian dari drag dan hanya berlaku untuk bagian vaccum di belakang karena molekul udara sulit mengisi ruang dan mengikuti bentuk bodi belakang. Hal ini menjadi penting karena gaya yang diciptakan oleh ruang hampa ini jauh melebihi dengan yang diciptakan oleh tekanan frontal. Masalah ini dapat dikaitkan dengan turbulensi yang diciptakan oleh arus detasemen tersebut. Berikut adalah gambar dari efek arus terhadap turbulensi pada bagian belakang.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1. Hasil Visualisasi Pola Aliran Udara Pada Mobil Model Tanpa Panjang Rear End

Gambar 9. Pola aliran udara pada mobil model tanpa panjang rear end

Gambar 9 adalah hasil visualisasi pola aliran udara pada mobil model tanpa panjang rear end. Udara bergerak dari leading edge ke trailing edge mobil model uji. Pada titik (a) adalah stagnation point (titik stagnasi) dimana kecepatan udara pada titik ini adalah v = 0 m/s, stagnasi terjadi pada rasio x/l=0 Fenomena ini dibuktikan dari front area kendaraan model dimana Cp bernilai = 1. Kemudian pada titik (b) yaitu pada kap dengan kaca depan terjadi blockage mass, yang disebabkan peningkatan tekanan dan penurunan kecepatan aliran udara yang dikarenakan adanya masa yang mengumpul pada titik tersebut. Blockage mass terjadi pada rasio x/l=0,15 dan berakhir pada rasio x/l=0,37, fenomena ini dibuktikan dengan kembali meningkatnya nilai Cp pada titik tersebut. Selanjutnya titik (c) adalah daerah olakan dengan bertekanan rendah (wake) yang menyebabkan gaya hambat yang kecil. Berikut adalah gambar hasil visualisasi pola aliran udara pada mobil model tanpa panjang rear end.

3.2. Hasil Visualisasi Pola Aliran Udara Pada Mobil Model Dengan Panjang Rear End 500 mm.

Gambar 10. Pola aliran udara pada mobil model dengan panjang rear end 500 mm.

Gambar 10 adalah hasil visualisasi pola aliran udara pada mobil model dengan panjang rear end 500 mm. Udara bergerak dari leading edge ke trailing edge mobil model uji. Pada titik (a) adalah stagnation point (titik stagnasi) dimana kecepatan udara pada titik ini adalah v = 0 m/s, stagnasi terjadi pada rasio x/l=0 Fenomena ini dibuktikan dari front area kendaraan model dimana Cp bernilai = 1. Kemudian pada titik (b) yaitu daerah blockage mass, yang terjadi antara kap mobil model dengan kaca depan disebabkan karena

(9)

I Made Yoga Mahendra Putra et al. · Prosiding KNEP XI – 2021 · ISSN 2338-414X 72 peningkatan tekanan dan penurunan kecepatan aliran

udara yang dikarenakan adanya masa yang mengumpul pada titik tersebut. Blockage mass terjadi pada rasio x/l=0,13 dan berakhir pada rasio x/l=0,30, fenomena ini dibuktikan dengan kembali meningkatnya nilai Cp pada titik tersebut. Selanjutnya titik (c) merupakan separation point (titik separasi) yang terjadi pada rasio x/l=0,80. Dan pada titik (d) adalah daerah yang bertekanan rendah (wake). Berikut adalah gambar hasil visualisasi pola aliran udara pada mobil model dengan panjang rear end 500 mm.

Gambar 11 adalah hasil visualisasi pola aliran udara pada mobil model dengan panjang rear end 1000 mm.

Udara bergerak dari leading edge ke trailing edge mobil model uji. Pada titik (a) adalah stagnation point (titik stagnasi) dimana kecepatan udara pada titik ini adalah v = 0 m/s, stagnasi terjadi pada rasio x/l=0 Fenomena ini dibuktikan dari front area kendaraan model dimana Cp bernilai = 1. Kemudian pada titik (b) yaitu daerah blockage mass, yang terjadi antara kap mobil model dengan kaca depan disebabkan karena peningkatan tekanan dan penurunan kecepatan aliran udara yang dikarenakan adanya masa yang mengumpul pada titik tersebut. Blockage mass terjadi pada rasio x/l=0,12 dan berakhir pada rasio x/l=0,27, fenomena ini dibuktikan dengan kembali meningkatnya nilai Cp pada titik tersebut. Selanjutnya titik (c) merupakan separation point (titik separasi) yang berada pada kaca belakang yang menyebabkan terjadinya separasi aliran dikarenakan momentum fluida tidak mampu mendorong tegangan geser yang terjadi sebagai efek viskousitas, hal ini menyebabkan meningkatnya gaya hambat yang terjadi karena adverse pressure gradient.

Titik separasi terjadi pada rasio x/l=0,64. Dan pada titik (d) adalah daerah yang bertekanan rendah (wake).

Berikut adalah gambar hasil visualisasi pola aliran udara pada mobil model dengan panjang rear end 1000 mm.

Gambar 12 adalah hasil visualisasi pola aliran udara pada mobil model dengan panjang rear end 1500 mm.

Udara bergerak dari leading edge ke trailing edge mobil

model uji. Pada titik (a) adalah stagnation point (titik stagnasi) dimana kecepatan udara pada titik ini adalah v = 0 m/s, stagnasi terjadi pada rasio x/l=0 Fenomena ini dibuktikan dari front area kendaraan model dimana Cp bernilai = 1. Kemudian pada titik (b) yaitu daerah blockage mass, yang terjadi antara kap mobil model dengan kaca depan disebabkan karena peningkatan tekanan dan penurunan kecepatan aliran udara yang dikarenakan adanya masa yang mengumpul pada titik tersebut. Blockage mass terjadi pada rasio x/l=0,11 dan berakhir pada rasio x/l=0,24, fenomena ini dibuktikan dengan kembali meningkatnya nilai Cp pada titik tersebut. Selanjutnya titik (c) merupakan separation point (titik separasi) yang berada pada ujung atap di bagian belakang dan awal pada bagian kaca belakang mobil yang menyebabkan terjadinya separasi aliran dikarenakan momentum fluida tidak mampu mendorong tegangan geser yang terjadi sebagai efek viskousitas, hal ini menyebabkan meningkatnya gaya hambat yang terjadi karena adverse pressure gradient.

Karena separasi yang terjadi mendekati ujung depan mobil model maka olakan (wake) menjadi besar dan gaya hambat yang di hasilkan semakin besar. Titik separasi terjadi pada rasio x/l=0,47. Dan pada titik (d) adalah daerah yang bertekanan rendah (wake). Berikut adalah gambar hasil visualisasi pola aliran udara pada mobil model dengan panjang rear end 1500 mm.

4. Simpulan

Pola aliran udara yang melintasi bod imobil sangat mempengaruhi distribusi koefisien tekanan yang terjadi. Aliran udara pada mobil model tanpa panjang rear end lebih lama menempel pada bodi dibandingkan dengan mobil model dengan panjang rear end 500 mm, 1000mm, dan 1500 mm. Titik separasi pada mobil model dengan panjang rear end 1500 mm terjadi lebih awal yaitu pada rasio x/l=0,47. mobil model dengan panjang rear end 1000 mm, titik separasi terjadi pada rasio x/l=0,64. mobil model dengan panjang rear end 500 mm, titik separasi terjadi pada rasio x/l=0,80. Pada mobil model tanpa panjang rear end, titik separasi terjadi pada rasio x/l=0,92. Berdasarkan hasil penelitian, mobil model tanpa panjang rear end mengalami pola aliran udara yang terbaik karena Semakin panjang penggunaan rear end akan menyebabkan tingkat ruang hampa pada bagian belakang (vaccum rear) yang besar dan berdampak pada besarnya gaya hambat yang akan terjadinya separasi pada bagian rear end dan area wake yang terjadi di bagian belakang lebih kecil.

Ucapan Terima Kasih

Penulis banyak mendapat bantuan serta pertolongan dari berbagai pihak, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Ida Ratu Anglurah A.A. Adhi Suryawan dan Bapak I.G. Ketut Sukadana selaku dosen pembimbing serta Bapak/Ibu dosen di Program Studi Teknik Mesin, Universitas Udayana.

Daftar Pustaka

[1] Muhammad Ridwan Nofianto, (2014), “Simulasi Prilaku Aerodinamika Dalam Kondisi Steady Dan

(10)

I Made Yoga Mahendra Putra et al. · Prosiding KNEP XI – 2021 · ISSN 2338-414X 73 Unsteady Pada Mobil Menyerupai Toyota Avanza

Dengan Cfd”

[2] Soejono Tjitro, Agus Aria Wibawa, (1999),

“Perbaikan Karakteristik Aerodinamika pada Kendaraan Niaga”, Jurnal Teknik Mesin Vol. 1, No.

2, Oktober 1999 : 108 – 115

[3] Pangki Ferdiansyah, (2015), “Analisa Medan Aliran 2D Bodi Pada Mobil Basudewo”, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2015

[4] Umar Faruk dan Kamiran, (2012), “Analisis Pengaruh Aliran Turbulen Terhadap Karakteristik Lapisan Batas pada Pelat Datar Panas”, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS).

I Made Yoga Mahendra Putra merupakan seorang mahasiswa yang menyelesaikan studi S1 di Program Studi Teknik Mesin, Universitas Udayana pada tahun 2021.

Konsentrasi yang diminati adalah topik yang berkaitan dengan konversi energi yaitu pada bidang aerodinamika dan mekanika fluida.

(11)

Studi Gas Agen H

2

O Terhadap Lower Heating Value Gasifikasi Dual Reactor Fluidized Bed

Moch. Sapto H S

¹

), I Nyoman Suprapta Winaya

²

), A. A. I. A Sri Komaladewi

³

), I Wayan Arya Darma

⁴

)

1,2,3)Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali

Abstrak

Dunia pada saat ini sedang berlomba-lomba mencari solusi dalam masalah yang tak kunjung usai yakni mengenai sampah.

Sampah akan sangat berbahaya apabila tidak diatasi dengan baik bahkan bisa membahayakan ekosistem lingkungan.

Indonesia merupakan salah satu negara yang mengahsilkan sampah dengan jumlah yang besar terutama pada pulau bali dengan persentase kedatangan turis baik domestik maupun luar negeri paling banyak menyebabkan membludaknya timbunan sampah di Bali. Salah satu cara untuk mengatasi permasalahan sampah ialah dengan menggunakan teknologi gasifikasi yang nantinya akan dikonfersi menjadi bahan bakar gas dengan sistem fluidisasi (fluidized bed) yang menggunakan bed material berupa pasir silika. Penelitian ini bertujuan untuk melihat hasil nilai Lower Heating Value dari bahan bakar sampah kota dan performansi gasifikasi dengan menambahkan gas agen gasifikasi H²O dalam tiga variasi posisi injeksi. Variasi posisi injeksi yang digunakan pada penelitian ini ialah pada bed material, di atas permukaan bed material dan di atas bed material. Hasil pengujian didapati hasil nilai kalor tertinggi pada variasi ke III yaitu 37.2%.

Kata kunci: Dual Reactor Fluidized Bed, Gasifikasi, Performansi, Lower Heating Value, H2O

Abstract

The world is currently competing to find solutions to the never-ending problem of waste. Garbage will be very dangerous if not handled properly and can even endanger the environmental ecosystem. Indonesia is one of the countries that produces large amounts of waste, especially on the island of Bali, with the highest percentage of tourist arrivals, both domestic and foreign, causing the massive pile of garbage in Bali. One way to overcome the waste problem is to use gasification technology which will later be converted into gas fuel with a fluidization system (fluidized bed) that uses a bed material in the form of silica sand.

This study aims to see the results of the Lower Heating Value of municipal waste fuel and the performance of gasification by adding H2O gasification agent gas in three variations of injection positions. The injection position variations used in this study were on the bed material, on the surface of the bed material and on the bed material. The test results found that the highest calorific value in the third variation was 37.2%.

Keywords: Dual Reactor Fluidized Bed, Gasification, Performance, Lower Heating Value, H2O

1. Pendahuluan

Semakin berkembangnya teknologi tidak lepas dari penggunaan energi bahan bakar untuk pembangkit listrik yang pada umumnya bersumber dari minyak bumi, gas, dan batu bara. Semakin mahal dan langkanya bahan bakar membuat tantangan baru bagi dunia, terutama Indonesia untuk memunculkan inovasi terbaru agar operasional industri terus berjalan sebagaimana mestinya. Selain permasalahan energi yang terjadi di Indonesia, sampah juga merupakan pekerjaan rumah yang masih belum terselesaikan hingga saat ini dikarenakan pertambahan penduduk akan mengikuti bertambahnya volume sampah yang dihasilkan dari kegiatan manusia sehari hari.

Persentase sampah yang dihasilkan dari kegiatan manusia didominasi dari sampah organik sebanyak 60- 70% dan sisanya sebanyak 30-40% dihasilkan dari sampah anorganik [1]. Sampah organik dalam hal ini merupakan biomassa yang berpotensi dapat dikembangkan menjadi energi terbarukan. Biomassa

dapat diartikan sebagai bentuk energi padat yang berasal dari bagian tumbuhan baik digunakan langsung ataupun melalui proses terlebih dahulu [2]. Salah satu teknologi yang dapat memanfaatkan hasil biomassa tersebut ialah dengan proses gasifikasi dalam sistem fluidized bed yang akan menghasilkan syngas yang merupakan bahan bakar alternatif yang memiliki efisiensi tinggi sehingga lebih diuntungkan dari pada penggunaan bahan bakar fosil [3]. Penelitian ini akan menggunakan tiga variasi posisi injeksi gas agen H2O pada proses gasifikasi berbahan bakar sampah kota dengan kandungan 96% organik dan 4% anorganik dengan tujuan untuk melihat dan menganalisa nilai pengaruh low heating value serta performansi dari proses gasifikasi.

Teknik gasifikasi yang dipilih pada penelitian ini adalah tipe fluidized bed gasifier dengan kombinasi dual reaktor karena keunggulan dapat digunakan untuk mengolah bahan bakar kualitas rendah dengan kandungan abu yang tinggi. Proses konversi energi

*Korespondensi: Tel./Fax.: 0813-5328-6109 E-mail: [email protected]

ÓTeknik Mesin Universitas Udayana 2021

(12)

Moch. Sapto H S et al. · Prosiding KNEP IX – 2021 · ISSN 2338-414X 75 dengan teknologi gasifikasi Fluidized Bed, awalnya

ruang bakar dipanasi secara eksternal sampai mendekati temperatur kerja reaktor. Hamparan material gasifikasi (bed material) yang umum digunakan untuk mengabsorbsi panas adalah pasir silika. Pasir silika dan bara api bahan bakar akan mengalami turbulensi di dalam ruang bakar sehingga keseragaman temperatur sistem terjaga. Kondisi ini menyebabkan proses konversi energi dapat berlangsung dengan baik dan bisa menghasilkan hasil syngas yang baik.

Langkah kerja dari proses Gasifikasi pada sistem DRFB ialah dengan langkah awal memasukan bahan bakar biomassa pada feeder kemudian akan masuk ke reaktor gasifikasi dan terjadi pembakaran dengan sedikit oksigen sehingga terjadilah hasil syngas yang diinginkan. Untuk hasil sisa pembakaran pada reaktor gasifikasi akan dialirkan menuju reaktor pembakaran agar dapat mengurangi arang dengan proses pembakaran kemudian kembali dialirkan ke reaktor gasifikasi.

Nilai kalor dari suatu bahan bakar dihasilkan dari pembakran sempurna dengan volume konstan yang biasanya dinyatakan dalam kal/kg atau btu/lb. Nilai kalor bahan bakar tersebut berupa High Heating Value (HHV) dan Lower Heating Value (LHV). LHV sendiri terjadi akibat adanya pengurangan latent heat dari uap hasil pembakaran sedangkan HHV tidak dan memiliki perbedaan selisih nilai dengan HHV bergantung pada komposisi kimia dari bahan bakar yang digunakan.

Pada penelitian ini indikasi nilai LHV dilihat sebagai hasil proses pembakaran bahan bakar dengan sistem DRFB dengan penambahan variasi tiga posisi injeksi gas Agen H2O dimana untuk LHV yang lebih tinggi menjadi salah satu faktor tingginya nilai efisiensi dari setiap variasi penelitian.

Media gasifikasi yang biasanya digunakan untuk gasifikasi adalah Oksigen (O2), (CO2), Uap air (H2O).

Penggunaan media gasifikasi dapat mempengaruhi kandungan gas yang dimiliki syngas. Penggunaan udara bebas menghasilkan senyawa nitrogen yang pekat dalam syngas, berbeda dengan penggunaan media oksigen/uap yang memiliki nilai kalor syngas yang lebih baik dibanding menggunakan udara. Pada penggunaan gas agen gasifikasi H2O dapat meningkatkan kandungan gas yang kaya hydrogen dari reaksi air dan gas dimana disisi lain hasil konversi berupa char akan berkurang dengan penambahan gas agen gasifikasi[4].

Beberapa batasan permasalahan dalam penulisan ini sebagai berikut:

1. Proses gasifikasi dilakukan pada dual reactor fluidized bed (DRFB)

2. Bahan bakar yang digunakan ialah sampah kota dengan kandungan 96% organik dan 4%

anorganik

3. Bed material yang digunakan ialah pasir silika dengan ukuran 0.4mm

4. Gas agen yang digunakan ialah H2O dengan laju aliran 15 l/m

5. Tiga variasi posisi injeksi gas agen H2O ialah pada bed material, di permukaan bed material dan di atas bed material

6. Temperatur lingkungan dianggap kosntan

Penelitian bertujuan untuk mengetahui nilah low heating value bahan bakar dan performansi gasifikasi DRFB 2. Metode Penelitian

Pada penelitian ini digunakan studi eksperimental sebagai metode yang akan mencari pengaruh variabel penambahan tiga posisi injeksi gas agen H2O terhadap nilai LHV dan performansi pada proses Gasifikasi dengan sistem DRFB.

Rancangan penelitian dengan metode eksperimental meliputi hal-hal sebagai berikut:

1. Perumusan masalah sesuai konsep dan ide penelitian

2. Menentukan apa yang akaan dilakukan dan dampak yang ingin dilihat hasilnya

3. Menentukan objek yang akan diberi perlakuan tertentu

4. Membangun instrumentasi ukuran dalam hal pengumpulan data.

5. Dilaksanakannya suatu mekanisme penelitian atas pengumpulan suatu data.

6. Analisa data

7. Dirumuskannya kesimpulan

Variabel yang digunakan pada penelitian ini antara lain sebagai berikut:

1. Variabel Bebas

Variabel yang akan menjadi pembahasan akan kaitannya dengan pengaruh dari penelitian ini berdasarkan variasi posisi injeksi gas agen H2O.

Berikut variasi yang digunakan:

a. Variasi I (pada bed material)

b. Variasi II (di permukaan bed material) c. Variasi III (di atas bed material) 2. Variabel Terikat

Variabel terikat adalah kumpulan sejumlah gejala yang memiliki sejumlah aspek atau unsur yang menerima atau menyesuaikan diri dengan variabel lain.

Dalam penelitian ini variabel terikatnya yaitu:

a. Nilai Kalor LHV b. Performansi Gasifikasi 3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Analisa Nila Kalor

Pada penelitian ini nilai panas kalor yang didapat dari pengujian gasifikasi berbahan bakar sampah kota dengan komposisi dampah 96% organik dan 4% anorganik didapat dari alat gas analyser dengan indikasi penentuan awal adanya nilai Lower Heating Value (LHV) berdasarkan munculnya kandungan gas CO sampai berakhirnya gas CO pada proses gasifikasi.

Dari ketiga proses penelitian dengan memvariasikan tiga posisi injeksi gas agen H2O pada reaktor gasifikasi bisa dilihat ada pengaruh besar terhadap nilai LHV yang didapat. Variasi I pada bed material mendapatkan hasil sebesar 0.05% sedangkan untuk variasi II berposisi di permukaan bed material

(13)

Moch. Sapto H S et al. · Prosiding KNEP IX – 2021 · ISSN 2338-414X 76

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

Pada bed Di permukaan Di atas bed material bed material material

posisi injeksi gas agen H2O

bernilai 0.51% dan divariasi III nilai LHV yang didapat ialah sebesar 0.24%.

Berdasarkan hasil penelitian variasi II menjadi posisi terbaik saat penginjeksian gas agen H2O sehingga mendapatkan nilai LHV yang lebih baik dari variasi lainnya ialah karena gas agen diinjeksikan tepat di atas bed material sehingga gas agen dapat bereaksi dengan sempurna dan menghasilkan pembakaran yang maksimal sedangkan untuk variasi III (di atas bed material) gas agen sudah bereaksi dengan biomassa dengan baik namun sayangnya sebagian kandungan gas agen keluar melalui output reaktor yang ada di bagian atas reaktor sehingga hasil nilai LHV tidak sebanyak pada variasi II. Penginjeksian yang dilakukan pada variasi I mendapatkan nilai yang jauh lebih kecil dibandingkan nilai sebelumnya dikarenakan adanya indikasi penuruan temperatur ketika kita menginjeksikan gas tepat pada bed material yang menyebakan reaktor tidak bisa memanaskan pada temperatur yang diinginkan dan hasil LHV yang didapat tergolong masih jauh dari variasi II dan III.

Hasil nilai LHV yang dapat dilihat berdasarkan pengaruh variasi tiga posisi injeksi gas agen H2O sebagai berikut:

Variasi Posisi Nilai LHV (MJ/m3) Variasi I (Pada bed materia) 0.05 Variasi II (Di permukaan bed

material)

0.51 Variasi III (Di atas bed material) 0.24

Tabel 1. Nilai LHV

Gambar 1. Grafik Nilai LHV berdasarkan variasi injeksi 3.2 Data Hasil Performansi Gasifikasi

Pada pengujian ini faktor penunjang performansi gasifikasi ialah hasil kandungan syngas yang muncul dan nilai LHV yang kemudiaan dihitung hasil efisiensi untuk melihat perbandingan dari ketiga variasi injeksi gas agen H2O terhadap performansi gasifikasi dual reaktor fluidized bed

Data pada pengujian ini menhasilkam kandungan syngas dengan sistem pengambilan data dimulai dari terbentuknya CO hingga habis atau tidak adanya gas CO yang terbentuk lagi seperti tabel dibawah ini.

Variasi Posisi

Kandungan syngas

Efisiensi CO (%)

(%Vol)

CH4

(%Vol)

H2

(%Vol)

Variasi I 0.14 0.01 0.33 11.6 Variasi II 0.71 0.38 1.59 37.2 Variasi III 0.28 0.14 0.83 27.5

Tabel 2. Kandungan Syngas dan Efisiensi

Gambar 2. Grafik Hasil Kandungan Syngas

Gambar 3. Grafik Efisiensi 4. Simpulan

Dari pengujian yang telah dilaksanan di atas dapat dirik kesimpulan bahwa:

1. Nilai Kalor Lower Heating Value (LHV) terbaik dari ketiga variasi ialah didapat pada variasi II dengan nilai sebesar 0.51 %

2. Performansi terbaik terjadi pada variasi II dengan kandungan gas CO 0.71 %, gas CH4

0.38 % dan gas H2 sebesar 1.59 % yang menghasilkan efisensi terbaik yaitu sebesar 37.2 % dibandingkan dengan variasi yang lain karena pada posisi tepat di atas permukaan bed material, gas agen H2O dapat bereaksi sempurna di dalam reaktor gasifikasi.

Ucapan Terima Kasih

Penulis mengucapkan banyak terimakasih kepada Bapak/Ibu dosen dan staff di Teknik Mesin Universitas Udayana dan seluruh anggota laboratorium NRCE

Variasi I Variasi II Variasi III

( % V O L ) ( % V O L ) ( % V O L )

CO C H 4 H2

(MJ/m3) 0.14 0.71 0.28 0.01 0.38 0.14 0.33 1.59 0.83

40 35 30 25 20 15 10 5 0

Variasi I Variasi II Variasi III Posisi Injeksi Gas Agen H20

(14)

Moch. Sapto H S et al. · Prosiding KNEP IX – 2021 · ISSN 2338-414X 77 yang telah membantu dalam proses penelitian serta

penulisan jurnal ini.

Daftar Pustaka

[1] Purwaningrum, P. 2016. Upaya Mengurangi Timbunan Sampah Plastik di Lingkungan.

[Skripsi] Teknik Lingkungan Universitas Trisakti.

[2] Wahyudi, R. 2020. Karakteristik Bahan Bakar Padat Produk Torefaksi Limbah Tandan Kosong Kelapa Sawit Menggunakan Reaktor Torefaksi Kontinu Tipe Tubular. [Thesis] Teknik Mesin Universitas Lampung

[3] Wiranata, I. M. A. 2019. Gasifikas Dual Reactor Fluidized Bed Berbahan Bakar Sampah Kota dengan Agen Gasifikasi H2O, CO2, dan O2.

[Thesis] Teknik Mesin Universitas Udayana.

[4] Kuo, P. 2014. Design, Optimization and Energetic Efficiency of Producing Hydrogen- Rich Gas from Biomass Steam Gasification.

Department of Chemical Engineering, National Cheng Kung University Tainan, Taiwan.

Moch. Sapto Hadi Sadewo menyelesaikan studi S1 di Universitas Udayana, Program Studi Teknik Mesin, pada tahun 2021.

Bidang penelitian yang menjadi konsentrasi adalah topik pembahasan konversi energi yaitu : dibidang fluidisasi dan pengolahan sampah limbah.

(15)

*Korespondensi: Tel./Fax.: 081236797737 E-mail: [email protected] ÓTeknik Mesin Universitas Udayana 2021

Studi Gas Agen CO

2

terhadap Efisiensi Gasifikasi Dual Reactor Fluidized Bed

Raynold Tandek Tangkedatu

^1)*

, I Nyoman Suprapta Winaya

²⁾

, Anak Agung Istri Agung Sri Komaladewi

³⁾

, I Wayan Arya Darma

⁴⁾

1,2,3,4)Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali Abstrak

Pemanfaatan biomassa sebagai energi terbarukan dilakukan dengan teknologi gasifikasi untuk dikonversi secara termokimia menjadi gas mampu bakar. Teknologi gasifikasi ini menggunakan Dual Reactor Fluidized Bed (DRFB) dengan penambahan gas agen CO2 untuk meningkatkan performansi gasifikasi karena adanya reaksi boundart dari biomassa dan gas agen CO2. Sistem fluidisasi pada DRFB terjadi dengan sirkulasi bed material yang dalam penelitian ini adalah pasir silika. Sampah kota merupakan biomassa yang digunakan dalam penelitian ini dengan total 800 gram memiliki kandungan 94% organik dan 6% anorganik.

Metode pada penelitian ini adalah memvariasikan posisi injeksi gas agen CO2 ke dalam reaktor gasifikasi dengan rincian variasi I (pada bed material), variasi II (di permukaan bed material), dan variasi III (di atas bed material). Dari hasil pengujian ditunjukkan bahwa variasi II dengan menginjeksikan gas agen CO2 pada posisi di permukaan bed material memiliki efisiensi yang tertinggi daripada variasi lainnya sebesar 49,8%. Dengan demikian penambahan gas agen CO2 di permukaan bed material meningkatkan performansi gasifikasi.

Kata kunci: Dual Reactor Fluidized Bed, Gasifikasi, Gas Agen, CO2, Sampah Kota Abstract

The utilization of biomass as renewable energy is done with gasification technology to be converted thermochemically into combustion-capable gases. This gasification technology uses Dual Reactor Fluidized Bed (DRFB) with the addition of CO2 agent gas to improve gasification performance due to boundart reaction of biomass and CO2 agent gas. Fluidization system in DRFB occurs with the circulation of bed material which in this study is silica sand. Municipal solid waste is biomass used in this study with a total of 800 grams containing 94% organic and 6% anorganic. The method in this study was to vary the position of CO2

agent gas injection into gasification reactors with details of variation I (on bed material), variation II (on the surface of bed material), and variation III (above bed material). From the test results, it was shown that variation II by injecting CO2 agent gas at the position on the surface of the bed material had the highest efficiency compared to other variations of 49.8%. Thus the addition of CO2

agent gas on the surface of the material bed improves the performance of gasification.

Keywords: Dual Reactor Fluidized Bed, Gasification, Agent Gas, CO2, Municipal Solid Waste

1. Pendahuluan

. Seiring bertambahnya populasi manusia maka aktivitas manusia pada era revolusi industri kini semakin padat sehingga menimbulkan potensi menumpuknya sampah perkotaan. Selain itu sampah telah menjadi suatu permasalahan dalam pengolahannya. Sekitar 64 juta ton pertahun sampah yang menumpuk di Indonesia yang diantaranya adalah sampah organik 50%, plastik 15%, kertas 10%, serta jenis lainnya sebesar 25% [1] Suatu pengembangan telah dilakukan yaitu dengan pemanfaatan sampah kota menjadi energi baru dan bersih.

Metode menjanjikan untuk mengonversi biomassa menjadi bahan bakar adalah teknologi gasifikasi karena mampu menangani biomassa untuk menghasilkan produk gas mampu bakar (syngas) berupa CO, H2, dan CH4 yang dapat digunakan di berbagai aplikasi [2].

Pengembangan teknologi gasifikasi kemudian dilakukan dengan sistem fluidized bed menggunakan bed material yang dicampur dengan bahan bakar [3].

Sistem ini mampu menangangi permasalahan sampah kota dengan menggunakan Dual Reactor Fluidized Bed (DRFB). DRFB memiliki dua reaktor yaitu reaktor gasifikasi dan reaktor pembakaran agar mengurangi

char dan biomassa sepenuhnya terkonversi menjadi gas.

Penggunaan gas agen dapat mempengaruhi performansi gasifikasi terutama efisiensi. Salah satu gas agen yang dapat digunakan dalam proses gasifikasi adalah karbondioksida (CO2) karena dapat meningkatkan gas mampu bakar (syngas) yang dihasilkan [4]. Karbondioksida (CO2) memicu terjadinya reaksi boundart yaitu C + CO2 ȥ 2CO.

Pada penelitian ini menggunakan gas agen karbondioksida (CO2) yang diinjeksikan dengan laju 15 l/menit pada DRFB dengan variasi posisi injeksi yaitu di atas bed material, di permukaan bed material, dan tepat pada bed material.

2. Metode Penelitian 2.1. Bahan Penelitian

Penelitian ini menggunakan biomassa sampah kota sebagai bahan bakar untuk proses gasifikasi dengan kandungan 94% organik dan 6% anorganik.

Pengambilan partikel sampah kota didapatkan dengan pencacahan dan pengayakan hingga menjadi ukuran 0,4 – 0,5 mm. Adapun bed material dalam penelitian ini yaitu pasir silika melalui proses pengayakan

(16)

Raynold Tandek Tangkedatu et al. · Prosiding KNEP IX – 2021 · ISSN 2338-414X 79 menggunakan wire mesh hingga mencapai ukuran 0,4

mm.

(a) (b)

Gambar 1. (a) Sampah Kota, (b) Pasir Silika 2.2. Alat Penelitian

Beberapa alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: Dual Reactor Fluidized Bed (DRFB), ayakan dengan ukuran mesh 20 – 40, kompresor, blower, thermocouple, thermocontrol, heater, data logger, pressure gauge, gas analyser, flowmeter dan tabung CO2.

2.3. Variabel Penelitian

Adapun variabel-variabel dalam pengujian ini sebagai ketetapan dalam pembahasan penelitian yang meliputi variabel bebas dan variabel terikat sebagai berikut:

1) Variabel Bebas:

a) Variasi I (pada bed material)

b) Variasi II (di permukaan bed material) c) Variasi III (di atas bed material) 2) Variabel Terikat:

a) Efisiensi gasifikasi

2.4. Skematik Dual Reactor Fluidized Bed

Dual reactor fluidized bed memiliki dua reaktor yaitu reaktor gasifikasi dan pembakaran yang

dihubungkan oleh pipa upper dan downer agar terjadinya circulating fluidized bed. Prinsip kerja dari DRFB adalah memanaskan pasir di dalam reaktor menggunakan heater yang telah terpasang disetiap reaktor hingga keadaan steady state. Pemerataan panas kedua reaktor dilakukan dengan mensirkulasikan bed material. Biomassa dimasukkan melalui fuel feeder bersamaan dengan inejksi gas agen CO2. Sisa bahan bakar (char) yang tidak tegasifikasi akan disirkulasikan bersama dengan bed material menuju reaktor pembakaran agar terkonversi sepenuhnya menjadi gas.

Unit yang terdapat dalam DRFB agar menjaga temperatur reaktor terdiri dari blower dan kompresor untuk mensirkulasikan bed material, heater box untuk memanaskan udara sebelum masuk ke dalam reaktor pembakaran, heater untuk memanaskan kedua reaktor, serta thermocontrol dan thermocouple untuk mengatur temperatur kerja.

2.5 Efisiensi Gasifikasi

Data yang didapatkan dari hasil pengujian gasifikasi DRFB sampah kota selanjutnya diolah sehingga menghasilkan nilai efisiensi gasifikasi.

Efisiensi gasifikasi didapatkan berdasarkan rumus berikut:

ߟ

_௚ୀ೑೗೚ೢೝೌ೟೐ೞ೤೙೒ೌೞశಽಽಹೇೞ೤೙೒ೌೞ

೘ೌೞೞ೑೗೚ೢೝೌ೟೐ಳಳశಽಹೇಳಳ ൈଵ଴଴Ψ

(1) Adapun data yang digunakan yaitu flowrate syngas, LHV syngas, LHV bahan bakar, dan mass flowrate bahan bakar berupa massa bahan bakar, massa arang, dan lama nyala.

Gambar 2. Skematik Dual Reactor Fluidized Bed