46 BAB V
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini disajikan hasil dan pembahasan mengenai pelaksanaan penelitian sejak awal dimulainya penelitian hingga didapat desain dan data analisis kinerja pompa vakum.
V.1. Hasil Analisis Segitiga Kecepatan
Jumlah perhitungan pada ke-lima parameter berjumlah 45 buah. Hasil perhitungan dari analisis segitiga kecepatan tersebut terlampir di dalam lampiran A.
Dari hasil perhitungan segitiga kecepatan dapat disimpulkan bahwa nilai ∆P yang besar dihasilkan dengan kombinasi nilai variabel sebagai berikut:
Tabel 5.1. Nilai variabel yang menghasilkan ∆P tinggi ω (rad/s) d1 (m) d2 (m) L (m) β1 (degrees) β2 (degrees) 𝑉𝑉 ̇(m3 /s) ∆P (bar) 1130 0.05 0.4 0.15 50 50 0.793261 0.60334 1130 0.05 0.4 0.05 10 10 0.039123 0.60334 1130 0.05 0.4 0.05 50 50 0.26442 0.60334 1130 0.05 0.4 0.15 10 50 0.117368 0.61150 Selain itu nilai debit yang besar diperoleh apabila keenam variabel memiliki nilai kombinasi sebagai berikut:
Tabel 5.2. Nilai variabel yang menghasilkan Debit tinggi ω (rad/s) d1 (m) d2 (m) L (m) β1 (degrees) β2 (degrees) 𝑉𝑉 ̇(m3 /s) ∆P (bar) 1130 0.15 0.4 0.15 50 50 7.139348 0.52672 1130 0.15 0.4 0.15 50 10 7.139348 0.03037 1130 0.15 0.2 0.15 50 50 7.139348 0.06704 Kedua tabel diatas menjelaskan bahwa nilai variabel yang menimbulkan ∆P dominan mengasilkan debit yang kecil, begitu pula sebaliknya. Sehingga diperlukan nilai yang optimum untuk keenam variabel tersebut.
47 Pada tabel 5.2 terdapat keenam nilai variabel (shading biru) yang mampu menghasilkan debit yang tinggi dan ∆P yang cukup tinggi. Keterangan ini dapat dijadikan salah satu acuan dalam pengambilan keputusan pemilihan variabel pompa vakum.
V.2. Hasil Analisis Eksperimen Faktorial
Setelah didapatkan 45 macam data perhitungan segitiga kecepatan. Selanjutnya data tersebut digunakan untuk diolah menggunakan analisis eksperimen faktorial menggunakan perangkat lunak minitab 16 yang bertujuan untuk didapatkan masing-masing pengaruh dari karakteristik variabel
independent (ω, D1, D2, β1, β2, L) terhadap variabel dependent (Tekanan Vakum,
Debit).
Gambar 5.1. Intraksi antar variabel independent terhadap ∆P
0,15 0,05 0,2 0,4 0,05 0,15 10 50 10 50 0,4 0,2 0,0 0,4 0,2 0,0 0,4 0,2 0,0 0,4 0,2 0,0 0,4 0,2 0,0 ω (rad/s) diameter 1 (m) diameter 2 (m) Lebar (m) β1 (DEGREES) β2 (DEGREES) 376 1130 ω (rad/s) 0,05 0,15 1 (m) diameter 0,2 0,4 2 (m) diameter 0,05 0,15 (m) Lebar 10 50 β1 (DEGREES)
Interaction Plot for Perbedaan Tekanan (Bar)
48 Gambar 5.2. Intraksi antar variabel independent terhadap Debit
Dengan melihat hubungan interaksi antar faktor terhadap perbedaan tekanan terdapat hubungan antar faktor yang saling bersilangan, yaitu hubungan antara diameter dalam (D1) dan sudut dalam(β1), maksudnya adalah:
• Apabila D1 rendah dan β1rendah mengakibatkan ∆P rendah
• Apabila D1 rendah dan β1 tinggi mengakibatkan ∆P tinggi
• Apabila D1 tinggi dan β1kecil mengakibatkan ∆P tinggi
• Apabila D1 tinggi dan β1 tinggi mengakibatkan ∆P rendah
Akan tetapi apabila kita bandingkan dengan Interaksi faktor D1 denagn β1
terdahap debit. Semakin tinggi nilai kedua faktor tersebut, maka debit pun akan semakin meningkat. 0,15 0,05 0,2 0,4 0,05 0,15 10 50 10 50 3,0 1,5 0,0 3,0 1,5 0,0 3,0 1,5 0,0 3,0 1,5 0,0 3,0 1,5 0,0 ω (rad/s) diameter 1 (m) diameter 2 (m) Lebar (m) β1 (DEGREES) β2 (DEGREES) 376 1130 ω (rad/s) 0,05 0,15 1 (m) diameter 0,2 0,4 2 (m) diameter 0,05 0,15 (m) Lebar 10 50 β1 (DEGREES)
Interaction Plot for Volume (m^3/s)
49 Gambar 5.3. Efek variabel independent terhadap ∆P
Berdasarkan gambar diatas, pengaruh dari kelima faktor terhadap perbedaan tekanan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
Dengan meningkatkan kecepatan sudut, maka akan meningkatkan nilai perbedaan tekanan.
Dengan meningkatkan diameter dalam, maka akan berefek menurunkan perbedaan tekanan.
Dengan meningkatkan diameter luar, akan berdampak meningkatkan perbedaan tekanan.
Dengan meningkatkan lebar impeller, hasilnya tidak berdampak terhadap perbedaan tekanan.
Dengan meningkatkan sudut dalam, maka akan menurunkan perbedaan tekanan.
Dengan meningkatkan sudut luar, maka akan meningkatkan perbedaan tekanan. 1130 376 0,3 0,2 0,1 0,0 0,15 0,05 0,2 0,4 0,15 0,05 0,3 0,2 0,1 0,0 50 10 10 50 ω (rad/s) M ea n diameter 1 (m) diameter 2 (m)
Lebar (m) β1 (DEGREES) β2 (DEGREES)
Main Effects Plot for Perbedaan Tekanan (Bar) Data Means
50 Sedangkan faktor yang paling dominan terhadap meningkatnya perbedaan tekanan adalah kecepatan sudut dan diameter luar, selanjutnya dilanjutkan dengan sudut luar impeller.
Gambar 5.4. Efek variabel independent terhadap Debit
Berdasarkan gambar diatas, pengaruh dari kelima faktor terhadap debit dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
Dengan meningkatkan kecepatan sudut, maka akan meningkatkan nilai debit.
Dengan meningkatkan diameter dalam, maka akan berefek meningkatkan debit.
Dengan meningkatkan diameter luar, akan berdampak meningkatkan debit.
Dengan meningkatkan lebar impeller, hasilnya meningkatkan debit. Dengan meningkatkan sudut dalam, maka akan meningkatkan debit. Dengan meningkatkan sudut luar, maka akan meningkatkan debit.
1130 376 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,15 0,05 0,2 0,4 0,15 0,05 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 50 10 10 50 ω (rad/s) M ea n diameter 1 (m) diameter 2 (m)
Lebar (m) β1 (DEGREES) β2 (DEGREES)
Main Effects Plot for Volume (m^3/s) Data Means
51 Sehingga kesimpulannya apabila nilai semua factor meningkat, maka akan berdampak positif pada kenaikan debit.
V.3. Hasil Pengambilan Keputusan
Dengan mempertimbangkan kesimpulan dan data yang didapat diatas, maka diputuskan ukuran dari impeler yang dipilih sebagai berikut:
Tabel 5.3. Pemilihan nilai variabel Diameter Luar / D2 40 cm
Diameter Dalam / D1 15 cm
Lebar / L 2 cm
Sudut Dalam / β1 500
Sudut Luar / β2 600
Kecepatan Putar Motor / ω 10.800 rpm
• Diameter luar dipilih sebesar 40 cm dikarenakan mempertimbangkan area, ukuran 40 cm dipandang sudah cukup luas untuk fungsi tabung vortex sebagai penukar kalor pada ruangan
• Diameter dalam dipilih sebesar 15 cm, dan lebar sudu dipilih sebesar 2 cm karena dengan ukuran tersebut menghasilkan ruang vakum sebesar 3,07876 × 10−4m3
, dan debit sebesar 0,9519 m3/s. besar debit tersebut dinilai cukup untuk perputaran sirkulasi udara di dalam ruangan.
• Kecepatan putar dipilih 10.800 rpm dikarenakan sulit untuk mendapatkan motor dengan spesifikasi kecepetan yang lebih tinggi.
• Berdasarhan analisis segitiga kecepatan, apabila sudut luar dipilih lebih besar dari sudut dalam, maka dapat menurunkan tekanan vakum. Sehingga dipilih sudut dalam 500 dan sudut luar 600. Dengan pemilihan sudut tersebut diharapkan tidak terjadi backflow atau aliran balik yang menurunkan kinerja pompa vakum, yang dijelaskan pada simulasi.
52 Keenam pararameter tersebut menghasilkan pompa vakum dengan nilai kevakuman sebesar atau 0,44 atm dan debit sebesar 0,9519 m3/s.
V.4. Ekstrapolasi (∆𝑻𝑻𝒉𝒉𝒉𝒉) Hasil Perhitungan
Dengan Meninjau ulang paper low-pressure vortex tube pada grafik ∆𝑇𝑇ℎ𝑐𝑐 vs rasio pressure drop (X)
Gambar 5.5. Grafik ∆𝑇𝑇ℎ𝑐𝑐 vs rasio pressure drop (X) Grafik terebut memiliki fungsi persamaan linier sebagai berikut:
𝑦𝑦 = 226,5𝑥𝑥 − 20,83
Persamaan diatas dapat digunakan untuk melakukan ekstrapolasi ∆𝑇𝑇ℎ𝑐𝑐 apabila output udara dingin (Tc) tabung vortex dihubungkan dengan pompa
vakum yang memiliki tekanan vakum sebesar 0,44 atm.
Pompa vakum dengan tekanan vakum sebesar 0,44 atm menghasilkan rasio pressure drop sebesar:
𝑋𝑋 =𝑃𝑃𝑜𝑜𝑃𝑃− 𝑃𝑃𝑐𝑐
𝑜𝑜
𝑋𝑋 =1𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 − 0,44𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎1𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 0,56
Dengan memasukkan nilai rasio pressure drop yang di dapat ke dalam persamaan linier diatas didapatkan ∆𝑇𝑇ℎ𝑐𝑐 sebesar 1060C
53 V.5. Hasil Desain Kelengkungan Sudu
Data yang diperlukan untuk menggambar kelengkungan sudu adalah panjang sudu (r), nilai β1 dan β2. Ketiga nilai tersebut digunakan untuk
memproyeksikan bentuk dari sudu dengan menggunakan metode point by point yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya. Hasil perhitungan untuk mendapatkan koordinat sudu digunakan perangkat lunak Microsoft Office Excel 2007. Dan hasilnyaditampilkan pada lampiran B.
Setelah didapatkan koordinat yang diperoleh dari hasil perhitungan point
by point. Bentuk kelengkungan sudu didapat dengan menghubungkan titik-titik
koordinat tersebut secara eksponensial, dan memproyeksikannya kedalam sebuah gambar. Hasilnya didapat bentuk sudu sebagai berikut:
Gambar 5.6. Sudu impeller
54 V.6. Hasil Simulasi CFD
V.6.1 Pathline
Pathline adalah jejak aktual yang dilewati oleh partikel fluida individual
sepanjang beberapa periode waktu. Dengan menggunakan partikel tersebut akan didapat karakteristik pola aliran dari impeller apabila pompa vakum diaktifkan.
Gambar 5.8. Pathline
Kesimpulan yang didapat dari hasil simulasi diatas didapatkan bahwa semua partikel tidak ada yang terjebak.
V.6.2 Relative Velocity
Kontur prediksi kecepatan relatif dapat digunakan untuk melihat dan melakukan prediksi mengenai vektor kecepatan aliran relatif terhadap impeller.
55 Gambar 5.9. Kontur kecepatan relatif
Berdasarkan gambar 5.9 terdapat arus balik atau back flow yang dapat mengganggu aliran. Back flow yang terjadi berada pada sepertiga panjang sudu dan tidak terjadi pusaran. Sehingga arus balik yang dihasilkan relatif kecil.
V.7. Hasil Eksperimen
V.7.1 Pembuatan Impeller Pompa Vakum
Pada pembuatan pompa terdapat kendala, yaitu ukuran diameter impeller terlalu besar, sehingga sulit dalam pembuatannya. Solusi untuk menyelesaikan masalah ini adalah dengan mereduksi diameter luar dan diameter dalam impeler menjadi setengahnya, sebagai gantinya meningkatkan kecepatannya menjadi dua kali lipat, sehingga didapat ukurannya menjadi:
Tabel 5.4. Nilai variabel pada prototype Diameter Luar / D2 20 cm Diameter Dalam / D1 7 cm Lebar / L 2 cm Sudut Dalam / β1 500 Sudut Luar / β2 600 Kecepatan / ω 21.600 rpm
56 Apabila kita hitung nilai variabel diatas dengan konsep segitiga kecepatan, maka akan menghasilkan nilai kevakuman yang sama dengan desain semula, sebesar 0,44 atm.
Untuk mengolah data yang didapat dari hasil eksperimen, diperlukan sebuah data acuan yang digunakan sebagai pembanding. Data acuan tersebut didapatkan dengan melakukan perhitungan segitiga kecepatan untuk mencari ∆P yang ditimbulkan, menggunakan persamaan (4.1) hingga (4.10). variabel yang divariasikan adalah kecepatan putar motor, nilai variasinya adalah sebesar 0 s/d 21.600 rpm. Setelah perhitungan selesai, kemudian dibuat grafik hubungan antara ∆P dengan ω. Maka akan didapat pola karakteristik hubungan antara ∆P dengan ω.
Gambar 5.10. Grafik acuan h manometer
Dengan melihat grafik acuan kinerja pompa vakum (gambar 5.10) yang disajikan, dapat diketahui bahwa grafik tersebut memiliki pola yang tidak berbentuk linier. Dengan menggunakan perangkat lunak Microsoft Office Excel 2007 didapat pola grafik tersebut memiliki persamaan 𝑦𝑦 = 10−6𝑥𝑥2+ 3 × 10−12.
0 100 200 300 400 500 600 0 5000 10000 15000 20000 25000 Pe rb ed aa n K et in gg ia n (c m)
Kecepatan Putar Motor (rpm)
57 Maka dari hasil analisis diatas dapat disimpulkan bahwa hubungan antara ∆P vs rpm memiliki pola grafik berbentuk persamaan kadrat.
V.7.2 Hasil Pengujian Pompa Vakum
Dalam pengujian pompa vakum, ingin didapatkan data ketinggian manometer pada kecepatan putar motor antara 0-21.600 rpm. Akan tetapi motor tidak mampu untuk bekerja pada kondisi tersebut. Maksimal kecepatan putar motor yang mampu dihasilkan adalah sebesar 9.308 rpm.
Hasil pengujian tekanan pompa vakum terhadap putaran motor dapat dilihat pada tabel 5.6
Tabel 5.6. Hasil uji coba alat Tgl 18 April 2013
Kedalaman Masuk Jarum 5.1 mm
No Down Up La h 1 0 7961 7961 49,4 2 7999 8016 8008 49,8 3 7965 8082 8082 51 4 8170 8300 8277 53,2 5 0 8490 8490 56 6 6764 6924 6827 36,8 7 1341 8734 8662 61,2 Rata2 4605,571 8072,429 8043,857 51,05714 Tgl 18 April 2013
Kedalaman Masuk Jarum 4.9mm
No Down Up La H 1 6867 6988 6902 37,4 2 6833 9322 9308 67,4 3 9213 9262 9213 66 Rata2 7637,667 8524 8474,333 56,93333 Tgl 7 Mei 2013
Kedalaman Masuk Jarum 5.85 mm
No Down Up La h
1 2853 2958 2953 6,8
2 2951 2953 2951 6,8
3 2955 3052 2955 6,8
58 Bila hanya melihat data hasil pengukuran yang disajikan dalam bentuk tabel, akan sulit untuk menerjemahkannya. Dengan demikian data harus disajikan dalam bentuk grafik.
Grafik hasil pengujian tekanan pompa vakum terhadap kecepatan putar motor disajikan pada gambar 5.11.
Gambar 5.11. Grafik hasil uji coba alat (dot pattern)
Keinginan dari penlis adalah mendapatkan data yang tersebar merata, sehingga dapat langsung dibandingkan dengan acuan. Akan tetapi motor tidak dapat diatur nilai kecepatan putarnya, sehingga data yang didapat memiliki pola seperti Gambar 5.11.
Dengan menghubungkan data pada Tabel 5.6 menjadi sebuah grafik berupa line pattern, didapat pola kinerja alat, dan ditampilkan pada Gambar 5.12
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2000 4000 6000 8000 10000 Ke tin gg ia n M an ome te r ( cm)
Kecepatan Putar Motor (rpm)
Hasil Pengukuran
59 Gambar 5.12. Grafik hasil uji coba alat (line pattern)
Apabila dilakukan analisis, grafik diatas memiliki persaman garis sebesar 𝑦𝑦 = 8 × 10−7𝑥𝑥2+ 1 × 10−5𝑥𝑥. Apabila disejajarkan grafik hasil uji coba diatas
dengan grafik acan ketinggian, maka dapat dilihat hasil percobaan memiliki pola hubungan ∆P vs rpm yang sepadan dengan data acuan. Sehingga kesimpulan bahwa hubungan antara ∆P dengan rpm yang memiliki karakteristik persamaan kuadrat dapat diterima.
Untuk melihat error atau penurunan ∆P maka hasil pengukuran pada Tabel 5.6 dibandingkan dengan data acuan hasil dari penrhitungan segitiga kecepatan.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2000 4000 6000 8000 10000 Ke tin gg ia n M an ome te r ( cm)
Kecepatan Putar Motor (rpm)
Hasil Pengukuran
60 Gambar 5.13. Perbandingan hasil pengukuran dengan hasil perhitungan Dari grafik yang ditampilkan pada Gambar 5.13. diatas dapat disimpulkan bahwa hasil pengukuran memiliki nilai error rata-rata sebesar 35%.
Karena motor tidak mampu bekerja sesuai dengan keinginan, maka diperlukan ekstrapolasi atau prediksi agar dapat mengetahui kinerja alat pada rentang 0-21.600 rpm .
Ekstrapolasi dapat dilakukan dengan membuat persamaan garis yang didapat dari grafik hasil uji coba alat yang ditunjukkan pada Gambar 5.12. Ekstrapolasi dengan menggunakan persamaan tersebut dilakukan dengan mensubstitusikan kecepatan pada rentang 0-21.600 rpm ke dalam koefisien x, dan hasilnya didapat ketinggian manometer pada kecepatan putar 0-21.600. Dengan menggunakan perangkat lunak Microsoft Office Excel 2007 dapat dibuat sebuah grafik ekstrapolasi perbedaan ketinggian manometer terhadap kecepatan putar hasil uji coba pompa vakum pada rentang kecepatan 0 s/d 21.600 rpm. Grafik pediksi hasil uji coba alat ditunjukkan pada gambar 5.14.
0 20 40 60 80 100 120 0 2000 4000 6000 8000 10000 Ke tin gg ia n M an ome te r ( cm)
Kecepatan Putar Motor (rpm)
61 Gambar 5.14. Grafik pengukuran pompa vakum dan ekstrapolasi
Apabila grafik ekstrapolasi diatas dibandingkan dengan grafik acuan maka didapat grafik baru seperti ditampilkan dalam Gambar 5.15.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 5000 10000 15000 20000 25000 Ke tin gg ia n M an ome te r ( cm)
Kecepatan Putar Motor
62 Gambar 5.15. Grafik perbandingan acuan dengan hasil ekstrapolasi
Dari kedua data hasil pengujian dan acuan yang disajikan dalam bentuk grafik, dapat diamati pada kecepatan putar pompa 21.600 terjadi penurunan perubahan ketinggian manometer sebesar 188,75 cm. Nilai rata-rata error yang dari hasil ekstrapolasi menunjukkan angka sebesar 33,55%.
Error yang didapat dari hasil pengukuran didapatkan angka sebesar 35%, sedangkan error yang didapat dari hasil ekstrapolasi sebesar 33,55%. Sehingga persamaan ekstrapolasi sendiri memiliki tingkat error sebesar 1,45%.
V.8. Prediksi Selisih (∆𝑻𝑻𝒉𝒉𝒉𝒉) Hasil Percobaan
Prediksi ini diperlukan untuk mengetahui selisih suhu yang timbul apabila pompa vakum dihubungkan dengan tabung vortex.
0 100 200 300 400 500 600 0 5000 10000 15000 20000 25000 Ke tin gg ia n M an ome te r ( cm)
Kecepatan Putar Motor
Hasil Pengukuran Ekstrapolasi Acuan Ketinggian
63 Prediksi dilakukan dengan mengolah data yang didapat dari hasil percobaan pada rentang 0-21.600 rpm. Data tersebut diolah untuk mendapatkan rasio pressure drop pada kecepatan putar motor dengan rentang 0 - 21,600 rpm.
Berikut grafik rasio pressure drop ditunjukkan pada gambar 5.14.
Gambar 5.16. Grafik rasio pressure drop
Dengan mensubstitusikan data rasio pressure drop diatas ke dalam persamaan 𝑦𝑦 = 226,5𝑥𝑥 − 20,83, didapat grafik ∆𝑇𝑇ℎ𝑐𝑐 ketika pompa vakum dihubungkan dengan tabug vortex.
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0 5000 10000 15000 20000 25000 Ra sio P re ss ure D ro p
Kecepatan Putar Motor
Grafik Rasio Pressure Drop
64 Gambar 5.15. Grafik prediksi ∆𝑇𝑇ℎ𝑐𝑐 pompa vakum
Grafik diatas menjelaskan bahwa ∆𝑇𝑇ℎ𝑐𝑐 mulai muncul pada kecepatan putar motor sebesar 11.000 rpm, kemudaian meningkat dengan bentuk grafik eksponensial. Ketika kecepatan motor mencapai 21.600 rpm, ∆𝑇𝑇ℎ𝑐𝑐 menunjukkan angka 64,20C. 0 10 20 30 40 50 60 70 0 5000 10000 15000 20000 25000
∆Th
c
Kecepatan Putar Motor (rpm)
