Jurnal Mechanical-Maret 2012-1-2

Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1,Maret 2012

1

PEMANFAATAN PARTIKEL TEMPURUNG KEMIRI SEBAGAI BAHAN

PENGUAT PADA KOMPOSIT RESIN POLIESTER

Harnowo Supriadi

Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Lampung

Jln.Prof.Sumantri Brojonegoro No. 1 Gedung H FT Lt. 2 Bandar Lampung

Telp. (0721) 3555519, Fax. (0721) 704947

Email: [email protected]

Abstract

The objective of the research is to investigate the effect of composition ratio of polyester as

matrix and Aleurites moluccana willd particles on mechanical properties (hardness,flexure

strength and tensile strength) of composite.

This experimental research used Aleurites moluccana willd particles as reinforced material

and polyester as resin.The instrument for the research were universal testing machine (UTM),

hardness testing mac hine. This research had been performed by making variation of composition

ratio of resin and Aleurites moluccana willd particles (30 % :70%, 40% :60 %, 50 % : 50% and

60% :40%).

The result of this research show that the maximum hardness of composite was54,1 HRL. The

maximum flexure strength was 33,62 N/mm2 and the maximum tensile strength was 16,97 N/mm

2.

The maximum value of hardness, flexure strength and tensile strength had been achieved on

composition ratio 40 % :60 %.

Keywords : Aleurites moluccana Willd particles, Aleurites moluccana willd particles, polyester

resin, hardness, flexural strength, tensile strength.

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Tempurung biji kemiri memiliki sifat keras,

cukup tebal, dan berkayu merupakan limbah

yang dihasilkan dari pengolahan tanaman

kemiri. Pemanfaatan tempurung tersebut

sebagai bahan bakar sedangkan abunya

digunakan sebagai pupuk. Pemanfaatan limbah

padat kemiri dalam bidang teknologi bahan

belum begitu banyak dilakukan khususnya

penelitian mengenai pemanfaatan limbah padat

kemiri sebagai material penguat komposit.

Variasi komposisi volume matriks dan partikel

di komposit memberi pengaruh pada sifat

mekaniknya, jika jumlah volume partikel

sedikit maka komposit cendrung bersifat

seperti matriksnya namun apabila volume

partikel terlalu banyak maka sifat mekaniknya

menurun dikarenakan kemampuan matriks

untuk mengikat partikel berkurang. Pada

penelitian sejenis mengenai variasi komposisi

matriks dan partikel pada komposit yang

diperkuat partikel tempurung kelapa sawit

didapat komposisi yang mempunyai sifat

mekanik terbaik adalah 40 % partikel dan 60 %

matriks. Penelitian ini menggunakan

tempurung biji kemiri dalam bentuk partikel

dengan komposisi tertentu sebagai bahan

penguat komposit. Diharapkan hasil akhir

penelitian ini dapat menjadi material alternatif

yang baru dan bermanfaat.

Tujuan Penelitian

Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah:

1) Untuk mengetahui pengaruh komposisi antara partikel tempurung kemiri sebagai

penguat dan resin polyester sebagai

matriks terhadap sifat mekanik komposit.

2) Untuk mendapatkan komposisi terbaik dari komposit yang diperkuat serbuk

tempurung kemiri.

Jurnal Mechanical, Volume 3, Nomor 1, Maret 2012

2

LANDASAN TEORI

Tempurung Kemiri

Biji Kemiri tergolong buah batu (stony seed)

karena berkulit keras menyerupai tempurung

dengan permukaan luar kasar berlekuk,

berwarna coklat atau kehitaman. Kulit biji

inilah merupakan bagian buah yang paling

keras.

Gambar 1. Struktur Biji Kemiri

Komposit

Komposit merupakan sejumlah sistem

multifasa sifat gabungan, yaitu gabungan

antara bahan matriks atau pengikat, dengan

pemerkuat. Kekuatan dan sifat menyeluruh

ditingkatkan dengan memasukkan fasa

terdispersi ke dalam matriks. Matriksnya dapat

berupa keramik, logam atau polimer.

Komposit dibentuk dari dua atau lebih bahan

penyusun yang berbeda jenis, sehingga

memiliki sifat-sifat yang berasal dari bahan-

bahan penyusun tersebut. Bergantung pada

cara penyusunan, komposit juga memiliki sifat-

sifat kombinasi antara bahan-bahan penyusun,

dan seringkali lebih baik dibandingkan dengan

sifat asal bahan penyusun tersebut (1)

Berdasarkan fungsi bahan penyusun dalam

komposit, maka bahan-bahan tersebut

dibedakan menjadi dua, yaitu bahan utama

sebagai pengikat dan bahan pendukung sebagai

penguat. Bahan utama membentuk matriks

dimana bahan penguat ditanamkan

didalamnya. Bahan penguat dapat berbentuk

serat, partikel, serpihan atau bisa juga dalam

bentuk lain.

Komposit Partikel

Komposit partikel merupakan komposit yang

mengandung bahan penguat berbantuk partikel

atau serbuk. Partikel sebagai elemen penguat

sangat menentukan sifat mekanik dari

komposit karena meneruskan beban yang

didistribusikan oleh matrik. Ukuran, bentuk,

dan material partikel adalah faktor-faktor yang

mempengaruhi properti mekanik dari komposit

partikel(2)

.

Dalam pembuatan komposit partikel sangat

penting untuk menghilangkan unsur udara dan

air karena partikel yang berongga atau yang

memiliki lubang udara kurang baik jika

digunakan dalam campuran komposit. Adanya

udara dan air pada sela-sela partikel dapat

mengurangi kekuatan dan mengurangi

ketahanan retak bahan (3)

.

Pengaruh peningkatan kehalusan partikel pada

komposit antara lain(4)

:

1) Meningkatkan reaksi antara partikel dengan campurannya.

2) Memperkecil diameter pori. 3) Menurunkan nilai porositas. 4) Meningkatkan kerapatan. 5) Meningkatkan kekuatan tekan dan

beban lentur.

a b c d

e f g h

Gambar 2. Rancangan Partikel

METODE PENELITIAN

Bahan dan Alat Penelitian

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian

ini adalah resin poliester tak jenuh merek


3

41.3

54.1

51.1

43.4

0

10

20

30

40

50

60

Nil

ai

Ke

ke

ra

sa

n (

HR

L)

(30%:70%) (40%:60%) (50%:50%) (60%:40%)

Komposisi (Partikel:Matriks)

(30%:70%)

(40%:60%)

(50%:50%)

(60%:40%)

26.29

33.62

26.06

22.82

0

5

10

15

20

25

30

35

Ke

ku

ata

n L

en

tur (

N/m

m^

2)

(30%:70%) (40%:60%) (50%:50%) (60%:40%)


(30%:70%)

(40%:60%)

(50%:50%)

(60%:40%)

12.04

16.97

14.97

13.03

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Ke

ku

ata

n T

arik

(N

/mm

^2

)

(30%:70%) (40%:60%) (50%:50%) (60%:40%)


(30%:70%)

(40%:60%)

(50%:50%)

(60%:40%)

dagang YUKALAC 157 BQTN-EX. Serbuk

tempurung kemiri, Katalis MEKPO (Metil Etil

Keton Peroksida,) Larutan NaOH 0,1 M,dan

Aquades.

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini

adalah Universal Testing Machine (UTM),uji

kekerasan Rockwell, ayakan standar ASTM

E11, untuk mendapat ukuran partikel


4

Dari gambar 3 dapat dilihat pada komposisi

30%-70% (partikel-matriks) nilai kekerasan

adalah 41.3 HRL dan mengalami peningkatan

pada komposisi 40%-60% menjadi sebesar

54,1 HRL namun pada komposisi 50%-50%

sampai 60%-40% kembali mengalami

penurunan nilai kekerasan. Nilai kekerasan

tertinggi dimiliki oleh komposisi 40%-60%

yaitu sebesar 54.1 HRL, karena kekuatan pada

materialnya lebih merata atau lebih homogen,

hal ini disebabkan adanya hubungan yang

saling mendukung antara bahan penguat dan

matrik dari komposit yang menyebabkan

adanya ikatan yang kuat.

Pada komposisi 60% : 40 % dan 50 % : 50 %

(partikel:matriks) angka kekerasan belum

mencapai nilai yang maksimum dikarenakan

ikatan antar partikel yang kurang kuat

menyebabkan mudah tergesernya bahan

penguat didalam matrik komposit diakibatkan

adanya gaya dari luar permukaan komposit

(penekanan). Pada komposisi 60% : 40 % nilai

kekerasanya adalah 43.4 HRL hal ini

disebabkan kekurangan komposisi resin

(matrik) yang berfungsi sebagai pengikat dari

bahan penguat akan menyebabkan ikatan yang

kurang kuat. Namun komposisi resin (matrik)

yang berlebih seperti pada komposisi 30%-

70% juga akan menurunkan angka kekerasan

komposit dikarenakan adanya sifat dari bahan

penyusun komposit yaitu resin polyester yang

bersifat elastis.

Pada gambar 4, terlihat bahwa terdapat

perbedaan kekuatan lentur rata-rata dari

komposit tersebut. Perbedaan nilai tersebut

disebabkan adanya pengaruh yang diberikan

oleh variasi komposisi partikel bahan penguat

komposit dan matriks. Kekuatan lentur

(flectional strength) berbanding lurus dengan

beban maksimum. Kekuatan lentur terbesar

bernilai 33.62 N/mm2 pada komposisi

40%:60% (penguat:matriks) hal ini terjadi

karena ikatan dan kerapatan antara matrik

dengan partikel semakin baik dan seragam atau

homogen sehingga dapat lebih maksimal daya

kontak lekatnya dengan resin, sehingga partikel

bahan penguat dapat menahan beban (atau

meneruskan gaya) yang diberikan oleh

komposit. Sedangkan pada komposisi

30%:70% kekuatan lenturnya bernilai 26.29

N/mm2

lebih baik dari komposisi 50%:50%,

hal tersebut dikarenakan komposit dengan

komposisi 30%:70% cendrung bersifat seperti

matriksnya resin polister yang mempunyai

sifat elastis. Kekuatan lentur terkecil bernilai

22.82 N/mm2 pada komposisi 60%:40% hal ini

disebabkan karena keterbatasan matriks yang

berupa poliester tak jenuh untuk mengikat

penguat yang komposisi lebih banyak

dibanding dengan matriksnya. Dengan

demikian variasi komposisi partikel dan

matriks dapat meningkatkan kekuatan

komposit terhadap beban yang diberikan dari

luar kekomposit tersebut dan juga

meningkatkan nilai kelenturan pada komposit

dengan penambahan komposisi resin hingga

pada komposisi tertentu dan akan turun

kembali.

Pada gambar 5 dapat dilihat kekuatan tarik

untuk komposisi 60%:40% sebesar 13,03

N/mm2 dan mengalami kenaikan sebesar 1,94

N/mm2 pada komposisi 50%:50% (14,97

N/mm2), hal ini terjadi karena ikatan partikel

dan matriks semakin merata. Kenaikan

kekuatan tarik terus naik hingga mencapai nilai

maksimum pada komposisi 40%:60% sebesar

16,97 N/mm2 pada komposisi ini terjadi ikatan

yang sangat baik antara partikel dan matriks.

Dan kembali mengalami penurunan sebesar

4,93 N/mm2 pada komposisi 30%:70%, ini

dikarenakan komposit cendrung bersifat seperti

matriksnya.

Dapat dilihat pada grafik kekuatan tarik

komposit resin polyester dan tempurung kemiri

bahwa kekuatan tarik akan terus meningkat

dengan penambahan komposisi resin hingga

pada komposisi tertentu dan akan turun

kembali. Fenomena ini dapat terjadi oleh

karena matriks yang digunakan dalam

penelitian ini mempunyai keterbatasan dalam

kemampuan mengikat penguat dalam hal ini

adalah partikel tempurung kemiri.

Jika dibandingkan antara kelima variasi

komposisi partikel tersebut, maka komposit

dengan komposisi 40%:60% memiliki

kekuatan tarik yang besar dan tingkat keuletan

yang lebih besar. Hal ini disebabkan karena

pada komposit dengan menggunakan

komposisi 40%:60% terjadi ikatan yang merata


5

dan homogen antara penguat dan matriks.

KESIMPULAN

Berdasarkan analisa dan pembahasan yang

dilakukan terhadap penelitian komposit yang

menggunakan matriks berupa poliester tak

jenuh dan menggunakan penguat berupa

partikel tempurung kemiri, maka dapat diambil

beberapa simpulan sebagai berikut:

1) Nilai kekuatan tarik spesimen uji yang terendah terdapat pada komposisi

spesimen uji 30% : 70%

(penguat:matriks), yaitu sebesar 12.04

N/mm2. Sedangkan nilai kekuatan tarik

spesimen uji yang tertinggi terdapat pada

komposisi spesimen uji 40% : 60%, yaitu

sebesar 16,97 N/mm2.

2) Nilai kekuatan lentur spesimen uji yang terendah terdapat pada komposisi

spesimen uji 60% : 40%, yaitu sebesar

22,82 N/mm2. Sedangkan nilai kekuatan

lentur spesimen uji yang tertinggi terdapat

pada komposisi spesimen uji 40% : 60%,

yaitu sebesar 33,62 N/mm2.

3) Nilai kekerasan terendah terjadi pada komposisi 30% : 70% dengan nilai

kekerasan komposit adalah 41.3 HRL.

Sedangkan nilai kekerasan yang tertinggi

terdapat pada komposisi spesimen uji 40%

: 60%, yaitu sebesar 54,1 HRL.

4) Komposisi 40% : 60% merupakan komposisi yang terbaik karena

menghasilkan nilai kekerasan, kekuatan

tarik dan kekuatan lentur yang paling

besar dibandingkan komposisi yang lain.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Grdal, Zafer. 1999. Design and optimization of laminated composite

materials. John Wiley & Sons. Inc:

Canada

[2] Antonia, Y.T. 2004. Komposit Laminat Bambu serat Woven sebagai Bahan

Alternatif Fiber Glass Pada kulit. ITS : Surabaya

[3] Surdia, dkk 1992. Pengetahuan Bahan Teknik. Cet 2. Pradnya Paramita: Jakarta.

[4] Triwulan, IGP Raka, dan Pujo Adji. Jurusan teknik sipil, institut teknologi

sepuluh november. pengaruh kehalusan abu terbang pada durabilitas beton

bertulang dengan metode Galvan ostatis.

2006


6

KAJI PENGGUNAAN METHANOL SEBAGAI REFRIGERAN UNTUK

MENINGKATKAN EFISIENSI TERMAL SISTEM PENDINGIN

KONVEKSI DENGAN UNDERGROUND THERMAL STORAGE TANK

M. Dyan Susila dan Indra Mamad Gandidi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Lampung

Gedung H Fakultas Teknik , Jl. Prof. Soemantri Brojonegoro No. 1

Bandar Lampung, 35145 Telp: (0721) 3555519 Fax: (0721) 704947

e-mail : [email protected]

Abstract

Convective roof cooling operates using water as refrigerant. It consists in convection process pass

through over the roof, thus decreasing the roof temperature. This system has a great potential to

provide thermal comfort in places where roof temperature is low. However, thermal efficiency from

the previous research which it is use water as refrigerant is still low. A way to solve this problem is

to use methanol as a refrigerant. Following, this paper analyzes some operation parameters such

as: roof and room temperature and heat transfer rate. The paper shows the conditions for the best

operation point, with regard to thermal conditions of roof and room temperature.

Keywords: wind, turbine, electrical power.

DAFTAR SIMBOL

Simbol Satuan

A Luas permukaan perpindahan panas pipa (m)

Dh Diameter hidraulik pipa (m)

f Faktor gesekan (Tak Berdimensi)

F Faktor koreksi LMTD (Tak Berdimensi)

he Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)

k Konduktivitas termal (W/m.K)

eNu Bilangan Nusselt (Tak Berdimensi)

Pr Bilangan Prandtl (Tak Berdimensi)

DRa Bilangan Reynold (Tak Berdimensi)

0T Gradien temperatur keluar atap (K)

iT Gradien temperatur masuk atap (K)

C,LT Log Mean Temperature Different (K)

Ue Koefisien perpindahan panas menyeluruh (W/m2.K)

PENDAHULUAN

Pengaruh penipisan ozon di lapisan

stratosfir berdampak pada perubahan cuaca dan

meningkatnya radiasi ultra violet (UV-B) yang

mencapai permukaan bumi. Hal ini akan

menimbulkan berbagai masalah bagi

perikehidupan manusia. Misalnya menurunnya

imunitas, bertambahnya penyakit menular,

meningkatnya kasus kanker kulit, kerusakan

pada mata, kerusakan pada rantaibiologis dan

masih banyak lagi (modul pembelajaran

interaktif, 2008).

Salah satu zat utama yang bertanggung


7

jawab terhadap kerusakan lapisan ozon adalah

unsur Klorin (Cl). Unsur ini secara luas

digunakan sebagai cmethanolan pendingin

pada freezer, kulkas, AC ruangan, dan mesin

pendingin lainnya, serta dikenal sebagai zat

CFC (Chlorofluorocarbon). (Suara Pembaruan,

2007)

Disisi lain, kencendrungan masyarakat

dunia terutama yang berada pada daerah tropis

untuk menaikan standar hidupnya khususnya

dalam memenuhi kebutuhan ruangan yang

nyaman telah memberikan pengaruh terhadap

keseimbangan kebutuhan dan ketersediaan

energi listrik. Dimana diketahui, untuk

mengoperasikan sebuah AC dibutuhkan energi

listrik yang cukup besar. Semakin banyak

penggunaan AC maka beban listrik yang harus

ditanggung oleh pembangkit daya akan

semakin besar. Sehingga tahun 2010

diperkirakan 63,2 % pembangkit daya listrik

di Indonesia masih menggunakan energi fosil

yang notabene kian menipis

(www.elektroindonesia.com).

Oleh karena itu, penyediaan teknologi

pendingin alternatif yang bernilai ekonomis

dan ramah lingkungan sangat diperlukan.

Keberhasilan mereduksi beban termal ke dalam

ruangan dengan cara mereduksi panas radiasi

yang sampai ke permukaan atap rumah telah

dapat memenuhi kebutuhan pendinginan

ruangan yang bernilai ekonomis dan ramah

lingkungan (Jain. S, 2003). Penggunaan

metode evaporatif roof cooling menggunakan

atap PV dapat menurunkan temperatur atap

dari 72 0C menjadi 39

0C dan dapat

menghemat biaya (operasi dan perawatan)

sebesar 30 % pada tahun ke-5 dibandingkan

penggunaan AC (C. M. Chu, A, et all, 2003).

Selanjutnya, temperatur atap pada siang

hari dapat mencapai 60C sedangkan pada

malam harinya turun hingga 25C. Fluktuasi

temperatur ini dapat mengakibatkan thermal

shock pada atap dan mempercepat penuaan

material atap. Dengan memberikan perlakuan

pendinginan pada atap agar temperatur atap

tetap konstan akan dapat memperpanjang umur

penggunaan atap (Flora Kylie, 2002).

Bagaimanapun juga, problem biaya

karena penggunaan PV dalam mengkonstruksi

pendingin evaporasi akan menjadi hambatan

utama dalam merealisasikan sistem ini di

Indonesia. Lebih lanjut, metoda evaporasi akan

membutuhkan cadangan air yang cukup

banyak untuk menambah sejumlah air yang

menguap ke lingkungan dan teknologi jenis ini

akan sulit diterapkan bagi daerah yang miskin

sumber air.

Berkaitan dengan problem harga atap PV

dan keterbatasan akan sumber air, I.M.

Gandidi, 2008, melakukan reduksi temperatur

atap menggunakan metode konveksi dengan

mengaliran air di atas dan atau di bawah

permukaan atap dengan sekumpulan pipa yang

terbuat dari tembaga. Panas ini dibuang

kedalam thermal storage tank yang

ditempatkan di kedalaman 3 meter tepat di

bawah rumah. Hasil penelitianya menunjukan

bahwa metode ini mampu menurunkan

temperatur atap 12 0C.

Bagaimanapun, penurunan temperatur

atap 12 0C belum merupakan kondisi optimum

dari sistem ini. Rendahnya hasil ini disebabkan

oleh penggunaan air sebagai refrigeran dimana

diketahui air mempunyai titik didih yang tinggi

sehingga panas yang diserap untuk proses

penguapan air di atas permukaan atap tidak

maksimal. Karenanya, penelitian yang telah

dilakukan ini menggunakan methanol sebagai

refrigeran agar proses penyerapan panas di atas

permukaan atap lebih maksimal.

TINJAUAN PUSTAKA

Pada wilayah katulistiwa, energi panas

matahari sampai ke atap melalui proses radiasi

dengan laju perpindahan panas Q sampai ke

atap lebih kurang 800 W/m2 - 1000 W/m

2 (The

FAO Technical Papers, 2003). Panas pada atap

ruangan tersebut akan sampai kedalam ruangan

melalui mekanisme perpindahan panas radiasi

melalui atap sehingga temperatur ruangan akan

meningkat. Panas pada atap ini merupakan

sumber panas paling besar dalam memberikan

kontribusi terhadap peningkatan temperatur

ruangan yang besarnya 46% dari sumber panas

total (ASHRAE Model, 2004). Karenanya,

rumah hunian akan mempunyai temperatur

ruangan antara 30 0C sampai 35

0C. Kondisi ini

sangat tidak nyaman untuk melakukan aktivitas

di dalam rumah. Jika sumber panas yang

masuk ke ruangan sebesar 46% yang berasal

atap dapat diserap, maka temperatur ruangan

diperkirakan dapat mencapai 26 0C - 28

0C.

Temperatur ini sudah memenuhi standar


8

ruangan yang nyaman di musim panas

(Sustainable energy authority Victoria, 2002).

Sistem pendingin alternatif ini

diperkirakan dapat menyelesaikan persoalan

kebutuhan teknologi pendingin ruangan rumah

hunian daerah tropis dan mereduksi

penggunaan AC elektrik serta masalah energi

dan lingkungan yang ditimbulkannya. Selain

itu, penggunaan sistem pendingin alternatif

sangat baik dan menunjang program

pemerintah dalam pengurangan dan pelarangan

penggunaan refrigeran perusak ozon seperti

yang tertuang dalam Keputusan Menperindag

RI No: 110/MPP/Kep/1/1998 tentang larangan

memproduksi dan memperdagangkan bahan

perusak lapisan ozon serta memproduksi

barang baru yang menggunakan bahan perusak

lapisan ozon (Pasek, A.D, dkk., 2004).

Prinsip Kerja Pendinginan Konveksi

Sistem pendingin konveksi pada dasarnya

kombinasi antara sistem pendingin

konvensional (kompresi uap) dengan sistem

pendingin absorpsi (absorption cooling).

Sistem ini juga tersusun dari komponen yang

merupakan inti dari sebuah AC, seperti :

kondensor (terletak pada tangki methanol di

bawah tanah), evaporator (rangkaian pipa

tembaga pada atap), dan katup ekspansi.

Perbedaan mendasar yang dimiliki oleh metode

konveksi dengan AC adalah tidak

menggunakan kompresor sehingga daya listrik

yang dibutuhkan relatif kecil.

Prinsip kerja metode ini adalah refrigeran

methanol mengalir dalam evaporator yang

ditempatkan di bawah dan atau di atas

permukaan atap. Selama melintas dalam

evaporator, refrigeran methanol akan menyerap

panas secara konveksi pada permukaan atap

(gambar 1). Panas yang diserap oleh refrigeran

methanol dibuang di bawah tanah

(underground thermal storage tank)

menggunakan kondensor. Pembuangan panas

melalui kondensor di dalam tanah sangat

memungkinkan karena temperatur bawah

berkisar antara 17 0C 23 0C untuk kedalaman

3 meter (Kasuda, T., and Archenbach, P.R,

1999).

Gambar 1. Susunan pipa evaporator pada atap.

Metanol

Metanol dikenal juga dengan nama

alkohol kayu. Titik lelehnya adalah -98C dan

titik didihnya adalah 64,7C. Massa molarnya

adalah 32,04 g/mol dengan specific gravity

2.12 (Oxford, 2004). Pada suhu 100C, entalpi

penguapan air adalah 2256,7 kJ/Kg, sedangkan

entalpi penguapan metanol pada temperatur

yang sama adalah 1101 kj/Kg, (Hewitt, 1994).

Ini berarti jumlah energi per satuan massa yang

dibutuhkan oleh metanol untuk menguap

adalah lebih sedikit dibandingkan air, atau

dengan kata lain metanol akan lebih cepat

menguap. Pada proses penguapan, panas yang

diambil (kalor laten) akan lebih besar

dibandingkan ketika hanya terjadi peningkatan

temperatur (kalor sensibel) (Chemical safety

Data, 2004).

Perpindahan Panas pada Atap

Proses perpindahan panas pada atap

dengan pendinginan konveksi berlangsung

dalam tiga arah. Masing-masing adalah panas

yang diterima permukaan atap karena radiasi

matahari, panas yang diserap secara konveksi

oleh evaporator dan panas yang diteruskan ke

ruangan secara radiasi oleh atap (I. M. Gandidi,

2008).

Laju perpindahan panas yang diserap

evaporator Qe dapat diturunkan dari persamaan

kesetimbangan energi yang terjadi pada atap

(Hewitt, G.F., Shires, G.L., Bott, T.R, 1994).

Dari hukum kesetimbangan energi, laju

perpindahan panas yang diserap refrigeran

methanol dalam evaporator sebesar :

C,Lee TAUQ (1)

Dimana,


9

FTT

TTT

io

io

CL

)/ln(, (2)

h

ee

D

kNuh (3)

Dimana F adalah faktor koreksi

evaporator untuk jenis multipass flow. Harga

bilangan Nusselt Nu tergantung pada

karakteristik aliran yang terjadi dalam

kondensor. Untuk aliran dalam pipa dimana

temperatur permukaannya diasumsikan

konstan, dengan kondisi aliran laminar dan

berkembang penuh maka nilai bilangan

Nusseltnya konstan (Nue = 3,66 ). Sedangkan

untuk aliran yang turbulen dapat digunakan

persamaan yang dihasilkan Petukhov, et all

(Incropera, Frank P dan Dewitt, David P.

1996):

)1(Pr)8/f(7,121

Pr)1000)(Re8/f(Nu

3/22/1

De

(4)

dimana f adalah :

264.1Relog82.1 Df (5)

METODE PENELITIAN

Metode dalam penelitian ini dilakukan

sama dengan penelitian yang telah dilakukan

oleh penelti sebelum ini (I. M. Gandidi, 2008).

Hal ini dilakukan untuk mendapat hasil

komparasi yang jelas terhadap penggunaan

methanol sebagai refrigeran.

Penelitian dilakukan secara

eksperimental terhadap dua model rumah yang

berukuruan 2 m x 1.5 m x 2 m. Kedua model

ini digunakan untuk mendapat data yang

dibutuhkan pada rumah dengan perlakukan

pendinginan atap dan rumah tanpa perlakuan

pendinginan atap.

KKoonnddeennssoorr

EEvvaappoorraattoorr

Katup Ekspansi

Atap

Underground thermal storage tank

Pompa

Gambar 2. Instalasi pengujian pendinginan metode konveksi

Model rumah dibuat tipe permanen

menggunakan material beton dengan atap seng.

Untuk rumah dengan perlakuan pendinginan,

di atas atap seng diberi evaporator sebagai alat

pendingin menggunakan pipa tembaga yang

berdiameter dengan panjang proporsional dengan lebar atap. Geometri pipa dibentuk

persegi dengan kedua ujungnya setengah

lingkaran (rectangle duct with rounded ends).

Kondensor sebagai alat untuk membuang

panas ke lingkungan bawah tanah (thermal

storage tank) juga terbuat dari pipa tembaga

berdiameter dengan panjang 20 m yang diletakan pada kedalaman 3 meter di bawah

permukaan tanah tepat di bawah rumah model.

Agar temperatur keluaran kondensor lebih

dingin, dibuat juga katup ekspansi

menggunakan pipa bercabang yang

berdiameter 3/16.


10

Untuk mensirkulasikan methanol sebagai

fluida kerja (absorber), dialirkan menggunakan

pompa berkapasitas 34 l/mt yang diletakan

disamping rumah model.

Dalam pelaksanaan penelitian, model

tanpa pendingin dengan model rumah dengan

pendingin, diuji pada waktu yang bersamaan.

Data-data temperatur yang diperlukan, diukur

menggunakan thermokopel digital yang

diletakan pada 7 titik pengukuran. Proses

pengambilan data dilakukan setiap setengah

jam dimulai dari jam 08.00 sampai jam 16.00

untuk setiap satu laju aliran massa methanol.

Laju aliran massa methanol divariasikan

sebanyak 5 variasi dengan cara mengatur katup

sebelum masuk flow meter. Sehingga

dibutuhkan 10 hari waktu pengambilan data.

Pengukuran besarnya radiasi matahari yang

sampai di permukaan atap, diukur

menggunakan solarimeter. Selanjutnya, kedua

hasil rumah model dibandingkan untuk

menentukan pengaruh pemasangan pendingin

konveksi pada atap terhadap pendinginan

ruangan.

Perhitungan dilakukan untuk

mendapatkan laju panas yang diserap

evaporator Qe, temperatur atap Ta dan

temperatur ruangan Tr. Hasil perhitungan

terhadap Qe, Ta dan perubahan temperatur

ruangan ditampilkan dalam bentuk grafik

sebagai fungsi laju aliran massa methanol dan

radiasi matahari.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Tulisan ini menganalisis beberapa

parameter yang berhubungan dengan

perubahan temperatur atap dan ruangan yang

merupakan fungsi dari laju aliran massa

refrigerant dalam evaporator dan radiasi

matahari. Gambar 3. menunjukan pengaruh

intensitas matahari terhadap perubahan

temperatur ruangan rumah model dengan

system pendingin menggunakan methanol dan

tanpa pendingin. Pengukuran data dilakukan

selama 5 hari pada waktu cuaca cerah.

25

25.5

26

26.5

27

27.5

28

28.5

29

29.5

30

30.5

31

31.5

32

32.5

33

9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00

Waktu Surya

Te

mp

era

tur

rua

ng

an

(C

)

absorben metanol (0.6 L/m) standar absorben metanol standar

absorben metanol (0.52 L/m) standar absorben metanol (0.68 L/m) standar

absorben metanol(0.76 L/m) standar

Gambar 3. Grafik temperatur ruangan terhadap waktu surya


11

Pada laju aliran massa methanol 0.68

L/m, temperatur ruangan tertinggi pada rumah

model tanpa pendingin sebesar yaitu 32.2 C

yang terjadi pukul 14.00 dengan radiasi

matahari 1563.021 W dan ruangan rumah

model dengan pendingin sebesar 30.9 C yang

terjadi pada pukul 13.30 dengan radiasi

matahari 1814.39 W. Temperatur ruangan

terendah kedua model terjadi pada laju aliran

massa methanol 0.76 L/m pada pukul 09.00

dengan besar radiasi matahari 1260.23 W. Dari

titik puncak tersebut temperatur ruangan akan

cenderung menurun hingga akhir pengambilan

data pada pukul 16.00. Penurunannya tidak

terlalu signifikan dibandingkan dengan

kenaikannya sejak awal pengambilan data.

Efek Penggunaan Refrigeran Air dan

Methanol

Gambar 4. menunjukkan pengaruh

penggunaan sistem pendingin konveksi (air)

dan methanol pada rumah model serta

dibandingkan dengan rumah model tanpa

pendingin. Perbandingan dilakukan pada laju

aliran massa dengan selisih temperatur ruangan

terbaik untuk kedua sistem. Pada metode

konveksi menggunakan air, rata-rata selisih

temperatur ruangan terbaik terjadi pada laju

alir 0.75 L/m yaitu sebesar 0.51C, dimana

selisih temperatur ruangan tertingginya

mencapai 0.58 C, dan nilai terendahnya

adalah 0.1C.

25

26

27

28

29

30

31

32

33

9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00

Waktu Surya

Te

mp

er

atu

r r

ua

ng

an

(C

)

absorben metanol (0.68 L/m) standar pendingin dengan metode konveksi (0.75 L/m) standar (0.75 L/m)

Gambar 4.Grafik temperatur ruangan metode konveksi dengan refrigerant air, methanol dan tanpa pendingin

terhadap waktu surya

Sedangkan pada sistem pendingin

absorben metanol rata-rata selisih temperatur

ruangan terbaik terjadi pada laju alir 0.68 L/m

dengan beda temperatur rata-rata yaitu 0.46C .

Selisih temperatur ruangan tertinggi pada laju

aliran ini mencapai 0.5 C sedangkan

terendahnya adalah 0.1C. Berdasarkan

kemampuannya dalam menurunkan temperatur


12

ruangan, sistem pendingin dengan refrigerant

air lebih baik daripada sistem pendingin

absorben metanol. Hal ini terjadi karena sistem

kondensor yang berada di dalam tangki di

bawah tanah yang tidak dirancang secara

proporsional, sehingga tidak bekerja secara

efektif, sehingga temperatur masukan metanol

tidak dapat dipertahankan konstan. Secara

umum nilainya lebih tinggi dibandingkan

temperatur masukan air pada sistem pendingin

metode konveksi. Bahkan pada beberapa

kondisi tertentu, temperatur metanol lebih

tinggi daripada temperatur atap sehingga tidak

mampu untuk mendinginkan ruangan. Human

error dalam perancangan dan pembuatan

instalasi uji, terutama sulitnya membuat pipa-

pipa evaporator yang kecil, desaian optimal

dan kedalaman tanki yang tidak sesuai, juga

memberikan kontribusi rendahnya kemampuan

methanol sebagai refrigerant.

25

30

35

40

45

50

55

60

65

9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00

Waktu surya

Te

mp

era

tur a

tap

(C

)

absorben metanol (0.68 L/m) standar (0.68 L/m) pendingin dengan metode konveksi (0.75 L/m) standar (0.75 L/m)

Gambar 5. Grafik temperatur atap metode konveksi dengan refrigerant air, methanol dan tanpa pendingin

terhadap waktu surya

Sama halnya dengan grafik perbandingan

temperatur ruangan metode konveksi (air)

terhadap sistem absorben metanol yang telah

dibahas sebelumnya, pada gambar 5. nilai

temperatur atap yang ditampilkan adalah pada

laju aliran massa refrigeran yang memilki

persentase penurunan nilai Ta terbesar. Pada

pendingin menggunakan air, terjadi pada laju

alir 0.75 L/m yaitu sebesar 13.15 %, sedangkan

pada sistem pendingin absorben metanol

terjadi pada laju alir 0.68 L/m sebesar 10.11 %.

Secara keseluruhan untuk semua laju alir

volum, rata-rata persentase penurunan

temperatur atap yang terjadi juga lebih baik

pada metode konveksi menggunakan air yaitu

9.47 %, sedangkan pada sistem pendingin

absorben metanol hanya 6.37 %. Efek

penurunan temperatur atap pada metode

konveksi dapat lebih baik karena laju

penyerapan panas oleh air lebih baik daripada

metanol. Nilai kalor laten metanol yang lebih

besar menjadi tidak berpengaruh karena proses

penguapan tidak berhasil terjadi pada saat

metanol berada di atas atap. Pendeknya waktu

lintas methanol di atas permukaan atap

menyebabkan energi panas laten untuk


13

merubah fasa methanol tidak maksimal,

sehingga laju penyerapan panas oleh methanol

akan rendah. Temperatur masuk metanol yang

tinggi juga mengakibatkan proses penyerapan

panas atap oleh metanol tidak maksimal karena

selisih temperatur metanol terhadap temperatur

atap pun kecil. Tingginya temperatur metanol

ini disebabkan oleh penempatan tangki yang

kurang porposinal sebagai reservoir thermal.

Perbandingan dengan Sistem Pendingin

Evaporasi

Grafik 6. menunjukkan perbandingan

antara selisih temperatur ruangan rumah tanpa

pendingin terhadap rumah dengan pendingin

evaporasi dan pendingin refrigeran metanol.

Perbandingan dilakukan pada laju alir dengan

selisih temperatur ruangan terbaik untuk kedua

sistem. Pada metode evaporasi, rata-rata selisih

temperatur ruangan terbaik terjadi pada laju

alir 1.4 L/m yaitu sebesar 0.65C. Nilai

tertingginya mencapai 1.9C, terendahnya

adalah 0.4C. Pada sistem pendingin refrigeran

methanol selisih temperatur ruangan terbaik

terjadi pada laju aliran massa 0.68 L/m dengan

nilai yang lebih kecil yaitu 0.36C. Selisih

temperatur ruangan tertinggi pada laju aliran

ini mencapai 0.5C sedangkan terendahnya

adalah 0.1C.

27

27.5

28

28.5

29

29.5

30

30.5

31

31.5

32

32.5

9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00

Waktu surya

Te

mp

era

tur

rua

ng

an

(C

)

absorben metanol (0.68 L/m) standar pendingin dengan metode evaporas(14 L/m) standar

Gambar 6. Grafik temperatur ruangan metode evaporasi dan absorber metanol terhadap waktu surya

Berdasarkan kemampuannya dalam

menurunkan temperatur ruangan maka sistem

pendingin metode evaporasi memiliki performa

lebih baik daripada sistem pendingin absorben

metanol.

Selisih temperatur ruangan yang besar

pada sistem pendingin evaporasi berkaitan erat

dengan nilai temperatur atapnya. Seperti bisa

dilihat pada gambar 7 dan gambar 8,

temperatur atap pada metode evaporasi dapat

dipertahankan relatif konstan yaitu pada 29.8 33 C, padahal temperatur atap tanpa

pendingin bisa mencapai 62 C pada kondisi

puncaknya.


14

25

30

35

40

45

50

55

60

65

9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00

Waktu surya

Te

mp

era

tur a

tap

(C

)

absorben metanol (0.68 L/m) standar (0.68 L/m) pendingin dengan metode evaporasi (10 L/m) standar (10 L/m)

Gambar 7. Grafik temperatur atap metode evaporasi dan absorber methanol terhadap waktu surya

Keadaan yang ekstrim ini dapat terjadi

karena pada metode evaporasi, atapnya

terselimuti oleh air sepanjang pengambilan

data. Temperatur atap yang rendah juga

berpengaruh pada persentase penyerapan laju

perpindahan panas oleh sistem metode

evaporasi yang dapat mencapai 90 %,

sedangkan pada pendingin dengan absorben

metanol lebih kurang 15%.

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30

Waktu surya

T

-roo

m

absorben metanol (0.011 kg/s)

metode konveksi(0.012 kg/s)

metode evaporasi (0.016 kg/s)

Gambar 8. Grafik T-room pada sistem absorber metanol, air dan evaporasi terhadap waktu surya


15

KESIMPULAN

Dari jenis refrigeran yang digunakan

dalam pendingin metode konveksi, model

rumah dengan pendingin konveksi

menggunakan air sebagai refrigeran

mempunyai performansi yang lebih baik

dibandingkan dengan menggunakan methanol.

Kajian lebih lanjut perlu dilakukan jika

menggunakan methanol terutama dalam

mendisain dan menempatkan condensor

dibawah tanah serta model atap yang

digunakan. Disain khusus terhadap atap sangat

diperlukan untuk meningkat kemampuan dari

sistem ini agar perubahan fase dari methanol

bisa berlangsung selama melintas di atas

permukaan atap.

DAFTAR PUSTAKA

[1] C. M. Chu, A, et.all, 2003, Possible Schemes For Solar-Powered Methanol-

Conditioning In 2-Storey Terrace

Houses, Chemical Engineering Programme, School Of Engineering And

It, University Malaysia Sabah, Sabah,

Malaysia.

[2] Flora, Kylie, 2002, Evaporative Roof Cooling : Tried and True Alternative, Cool Roof Co. Kentucky, 16 April 2005

http ; // www.afe.org / members / journals

/ May-June 99 / default / htm.

[3] Hewitt, G.F., Shires, G.L., Bott, T.R, 1994, Process Heat Transfer, Begell House Inc, New York.

[4] I. M. Gandidi., 2007, Reduksi Temperatur Atap dengan Motode

Konveksi sebagai Metode Alternatif untuk

Mendinginkan Ruangan Rumah Hunian, Laporan Penelitian Dosen Muda, Lembaga

Penelitian, Univesitas Lampung.

[5] Jain. S, 2003, Desiccant Augmented Evaporative Cooling: An Emerging

Methanol-Conditioning Alternative Department Of Mechanical Engineering,

Indian Institute of Technology Delhi,

Hauz Khas, New Delhi-110016, India.

[6] Kasuda, T., and Archenbach, P.R, 1999 "Earth Temperature and Thermal

Diffusivity at Selected Stations in the

United States", ASHRAE Transactions,

Vol. 71, Part 1.

[7] Pasek, A.D, dkk., 2004., Phase-Out Management Plan For CfCs In The

Refrigeration (Servicing) Sector In

Indonesia. Palembang. 1. Sustainable energy authority Victoria,

2002, Choosing a Cooling System, [8] http://www.sustainability.vic.gov.au/resou

rces/documents/Choosing_a_cooling_syst

em.pdf, 30 April 2008

[9] Modul Pembelajaran Interaktif, 2008 Retrofitting Sistem Refrigerasi http://ict.pontianak.go.id/interaktif/MIRSR

/ch3/index.html, April 2008, 18.40 WIB)

[10] Surat Kabar Suara Pembaruan, 2007, Ozon, Payung Dunia yang Kian Terkoyak, Pusat Informasi Lingkungan Dunia,

http://www.pili.or.id/incl_indo_read_detail

.php?id=512, April 2008, 18.40 WIB

[11] ___________ Pengembangan energi terbarukan sebagai energi aditif di

Indonesia, 1997, 17 Februari 2006

www.elektroindonesia.com/elektro/energi

4.html.

[12] __________ , ASHRAE Model , 2004. United States 16 April 2005

www.ecoology.com / why the roof.htm

[13] __________, Chemical safety Data: Methanol, Jan. 2004. Oxford. Des 2005

www.OxfordHSci.com

[14] ___________The FAO Technical Papers, 2003, 16 April 2005 www. FAO. Org /

DOCRETP / 003 / X5641E /

X6541E02.htm


16

Karaktristik Pola Aliran Pemisahan Kerosene-Water

Pada Pipa T-Junction Sudut 90 Dan Radius 25 mm Dengan Bahan Pleksiglass

Kms. Ridhuan

Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Metro

Jl. Ki Hajardewantara N0. 116 Metro Timur Kota Metro

Email : [email protected]

Abstract

Tests with the fluid flow pattern visualization kerosene (kerosene)-water through a pipe with a

T-junction has been performed at the Laboratory of Fluid Mechanics, Faculty of Engineering,

Gadjah Mada University. Tests performed on the test section of T-Junction with an angle of 90 and 25 mm bend radius. Fleksiglass material with a diameter of 1.5 inches with kerosene (kerosene)

and water as working fluid. To determine the flow pattern is done by kerosene and set the

superficial velocity of water. Kerosene superficial velocity (Jk) and superficial velocity of water

(Jw) that flowed in the test section is set by using a valve and measured using flow meters at a

range of values Jk = 0.10 m / s - 0.22 m / s and Jw = 0 , 10 m / s - 0.40 m / s. Flow patterns that

occur during the research process was recorded by using cameras and observed visually with the

movement slowed. As a result, it is known that the flow pattern occurring in this study is stratified

(S), Stratified Wavy (SW), Three Layer (3L), Stratified Wavy Water in Oil (SWw / o), and dispersed

(D). For kerosene-water separation of the most well occur in Stratified Wavy flow pattern at a

speed suprfisial kerosene (Jk) 0.14 to 0.18 m / s and superficial velocity of water (Jw) 0.15 to 0.25

m / s. In the superficial mixture velocity (Jmix) 0.34 to 0.43 m / s. And for kerosene-water

separation of the less well occur in dispersed flow pattern (D) velocity suprficial kerosene (Jk) 0.12

m / s down and 0.20 m / s upward. Superficial velocity of water (Jw) 0.15 m / s down and 30 m / s

upward. In the superficial mixture velocity (Jmix) below 0.56 m / s. And on top of 0.60 m / s.

Keywords: flow patterns, kerosene-Water, T-junction.

PENDAHULUAN

Salah satu metode yang digunakan untuk

memisahkan antara fluida air dan fluida

minyak adalah dengan menggunakan

konstruksi perpipaan dengan sambunganT (T Junction) untuk menggantikan fungsi dari

separator yang selama ini digunakan. Ketika

aliran dua fase mengalir melalui T-junction

terjadi distribusi tidak merata terhadap kualitas

campuran pada kedua sisi keluar ( run dan side

arm) dari T-junction. Distribusi tidak merata

dari aliran fluida tersebut berdampak pula pada

parameter lain seperti gradien tekanan dan

efisiensi pemisahan.

Penelitian tentang pola aliran minyak

dan air pada pipa horizontal telah dilakukan

oleh Angeli dan Hewitt (1999). Pipa yang

digunakan adalah stailess steel dan acrylic

dengan diameter dalam 7 mm dan 5,7 mm.

Penelitian dilakukan pada kecepatn superficial

campuran minyak-air antara 0,2 sampai 3,9

m/s dan fraksi volume air yang masuk antara 6

% sampai 86 %. Minyak yang digunakan

mempunyai densitas 801 kg/m3 dan viskositas

1,6 mPa.s. Hasil penelitinnya yaitu empat pola

aliran utama, antara lain pola aliran Stratified

Wavy pada pipa acrylic terjadi pada kecepatan

campuran 0,6 m/s. Sedang pada pipa stainless

steel terjadi pada kecepatan campuran 0,3 m/s.

Pola three layer pada pipa acrylic terjadi pada

kecepatan campuran 0,9 sampai 1,7 m/s dan

fraksi volume air 0,2 sampai 0,5. Sedangkan

pada pipa stainless steel terjadi pada kecepatan

campuran 0,9 sampai 1,7 m/s. Untuk pola

Stratified Mixed terjadi pada pada kecepatan

campuran yang sama pada Three Layer tetapi

fraksi volume airnya di bawah 0,3 dan diatas

0,5 pada kedua pipa. Fully Dispersed/Mixed

pada pipa stainless steel terjadi pada kecepatan

campuran 1,3 m/s ke atas. Sedangkan pada

pipa acrylic terjadi pada kecepatan campuran


17

1,7 m/s.

a. Pola aliran Stratified Wavy (SW)

b. Pola aliran Three Layer (3L)

c. Pola aliran Stratified Mixed (SM)

d. Pola aliran Mixed (M)

Gambar 1. Gambar Pola aliran yang dihasilkan dari

penelitian (Angeli dan Hewitt,1999).

Yang dan Azzopardi (2006) meneliti

pengaruh kecepatan superfisial campuran

terhadap pola aliran yang terjadi pada sisi inlet

dari T-junction dan pemisahan fase antara

kerosene-air. Pada tahun berikutnya (2007)

mereka melakukan penelitian tentang phase

maldistribution dengan fokus kajian pada pola

aliran stratified with mixture interface (ST &

MI) dan pola aliran dispersed. Data yang

diukur berdasarkan pada besarnya aliran fraksi

massa yang keluar dari side arm.

Penelitian tentang pola aliran kerosene-

air pada pipa horizontal dengan bahan acrylik

telah dilakukan juga oleh Imam Syopii

(2009). Diameter pipa yang digunakan 1 inch.

Kecepatan superficial air 0,087 m/s sampai

0,58 m/s Dan kecepatan superfisian kerosene

0,084 m/s sampai 0,336 m/s. Dengan fraksi

volume air (water cut) 21 % samapi 87 %.

Secara umum ada lima pola aliran yang dapat

ditemui yaitu stratified wavy terjadi pada

kecepatan superficial kerosene 0,087 sampai

0,204 m/s, dan air 0,087 sampai 0,583 m/s.

Pola aliran Three layer terjadi pada kecepatan

superficial kerosene 0,0141 sampai 0,274 m/s

dan air 0,087 sampai 0,583m/s. Untuk pola

alira mixed atau dispersed pada kecepatan

superfisial kerosene 0,029 sampai 0,336 m/s

dan air pada 0,521 sampai 0,583 m/s. Pola

aliran dispersed water in oil (Dw/o) pada

kecepatan superfisial kerosene 0,029 sampai

0,336 m/s, air 0,389 sampai 0,583. Dan pola

aliran Caterpillar wavy pada kecepatan

superficial kerosene 0,084 sampai 0,141 m/s,

dan air 0,472 sampai 0,583.

a. Pola Aliran

Aliran cairan-cairan dapat mempunyai

berbagai konfigurasi geometrik yang dikenal

dengan pola aliran. Parameter fisik yang

penting dalam menentukan pola aliran adalah

tegangan permukaan dan gravitasi. Pola aliran

dalam pipa vertikal dan horizontal akan

berbeda. Banyak kriteria pola aliran yang

dilaporkan, seperti Brauner dan Maron (1992)

membagi pola aliran cairan-cairan pada pipa

horizontal, seperti pola aliran strata licin

(stratified) merupakan pola aliran dasar yang

terjadi dengan densitas cairan yang berbeda.

Pola aliran strata dengan dipisahkan campuran

(stratified with mixing interface), ini pola

aliran stratified tetapi diantara kedua fase

terdapat pemisah yang berupa campuran fase.

Dan pola aliran dispered atau mixing yaitu

ketika ada dua fluida yang salah satunya

mengalir terus-menerus tetapi yang lain

menyebar.

Bareta dkk (1997) telah meneliti efek

viskositas terhadap pola aliran minyak-air

pada pipa horisontal yang berdiameter 3 mm,

panjang 1000 mm, dengan variasi water cut 0,2

dan 0,4. Dengan menggunakan tiga macam

minyak yaitu Gilotherm ALD (viskositas

kinematik 71,170x10-2

m2/s), Gilotherm RD

(viskositas kinematik 9,874x10-2

m2/s), dan

Santhotherm SP (viskositas kinematik

53,325x10-2

m2/s). Hasil penelitiannya


18

mendapatkan lima pola aliran utama, yaitu

pola aliran dispersed, annular, slug, bubbly dan

plug.

b. Kecepatan Superfisial

Kecepatan superficial (J) (m/s)

didefinisikan sebagai perbandingan antara laju

alir volumetrik dari fase tunggal (V) dengan

luas melintang pipa (A). Berikut beberapa

persamaan untuk mengetahui karaktristik

pemisahan kerosene-water :

Kecepatan Superfisial :

A

JAJ kkks

(1)

Kecepatan Superfisial Water :

A

JAJ wwws

(2)

Kecepatan superficial campuran :

wsksm JJJ (3)

Fraksi volume air (water cut) :

wsks

ws

wJJ

J

(4)

Fraksi volume kerosene (kerosene cut) :

wsks

ks

kJJ

J

(5)

METODE PENELITIAN

Penelitian ini menggunakan fluida

kerosene (densitas = 819 kg/m3 dan viskositas

kinematik = 0,00192 kg/m.s) dan air (densitas

= 998 kg/m3 dan viskositas absolut = 0,00102

kg/m.s). Pipa uji yang berdiameter dalam 1,5

inci. Sudut T-junction yang digunakan adalah

90 dengan radius belokan 25 mm. Pada tahap awal, air terlebih dahulu

dipompakan dari tangki penampungan ke

dalam pipa saluran sampai penuh, selanjutnya

kerosene dipompakan dari tangki

penampungan ke dalam pipa saluran sehingga

kerosene dan air akan bercampur di dalam

mixer. Setelah kerosene dan air bercampur di

dalam mixer, kemudian laju aliran keduanya

diatur dengan menggunakan katup dan diukur

dengan flow meter dengan nilai besaran sesuai

dengan matriks tes penelitian pada Tabel 1.

Aliran campuran kemudian mengalir

menuju seksi uji dan besarnya fraksi massa

campuran yang keluar dari kedua outlets

diukur. Pengukuran pola aliran dilakukan

dengan menggunakan camera pada sisi inlet

dan sisi T-Junction. Selanjutnya aliran tersebut

keluar dari kedua bagian yaitu air dominan ke

run dan kerosene ke branch. Selanjutnya

aliran tersebut masuk ke sparator, kemudian

dipisahkan, setelah itu air kembali ke tangki

penampung air dan kerosenepun demikian.

Kemudian dengan cara yang sama

dilakukan pengukuran untuk matrik tes

selanjutnya dan seterusnya.

Tabel 1. Matriks Test Penelitian

No. Kecepatan superficial air

Jw (m/s)

Kecepatan superficial keroseneJk

(m/s)

1 0,10 0,10

2 0,15 0,12

3 0,20 0,14

4 0,25 0,16

5 0,30 0,18

6 0,35 0,20

7 0,40 0,22


19

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengukuran pada kecepatan superficial

campuran (Jmix) 31 m/s sampai 80 m/s. Dan

farksi volume air masuk 0,23 m/s sampai 0,64

m/s. Secara umum ada 5 pola aliran yang

ditemui pada penelitian ini yaitu :

1. Stratified Wavy (SW), 2. Three Layer (3L), 3. Dispersed atau Mixer (D), 4. Dispersed water in oil (Dw/o) dan 5. Dispersed oil in water (Do/w).

a. Kecepatan Superficial Rendah

Pada kecepatan superfisial air rendah (Jw

0,15 m/s) ada 4 pola aliran yang terbentuk yaitu (SW) terjadi pada Jk 0,12 m/s, Pola aliran (SWw/o) pada Jk 0,16 m/s, Pola aliran (3L) pada Jk 0,20. Dan pola aliran (D) pada 0,2. Keempat pola aliran tersebut mempunyai

karaktristik yang berbeda, karena fraksi

volume air yang semakin sedikit, seperti pada

gambar 2, 3, 4 dan 5.

Pola aliran di T-Junction Pola aliran di inlet (Skala 1:3)

Gambar 2. Pola aliran Stratified Wavy (SW)

kerosene

Mixed Layer

Gambar 3. Pola aliran Three Layer (3L) (Skala 1:3)

Dispersed Dispersed

Gambar 4. Pola aliran Dispersed (Skala 1:3)


20

(DWw/o)

(DWw/o)

Gambar 5. Pola aliran DispersedWavy Water in Oil (DWw/o) (Skala 1:3)

(DWo/w)

Gambar 6. Pola aliran Dispersed Wavy Oil in Water (SWo/w) (Skala 1:3)

b. Kecepatan Superficial Menengah

Pada kecepatan superfisial air menengah

(Jw 0,20 sampai 0,30 m/s) ada 4 pola aliran yang terbentuk yaitu (SW) terjadi pada Jk 0,10 m/s, Pola aliran (DWo/w) pada Jk 0,12 sampai 0,14 m/s, Pola aliran (3L) pada Jk 0,16 sampai 0,20 m/s. Dan pola aliran (D) pada

0,22. Konfigurasi pola aliran yang terjadi hampir sama dengan konfigurasi pola aliran

kecepatan superficial rendah. Ini terlihat pada

gambar 2, 3, 4 dan 6.

c. Kecepatan Superficial Tinggi

Pada kecepatan superfisial air tinggi (Jw

0,20 sampai 0,30 m/s) ada 2 pola aliran yang terbentuk yaitu Pola aliran Dispersed Wavy

Water in Oil (DWw/o) pada Jk 0,10 sampai

0,16 m/s. (DWo/w) pada Jk 0,16 sampai 0,22 m/s. Dibandingkan dengan kecepatan

superficial sebelumnya, pada kecepatan

superfisial air tinggi ini hanya terdapat pola

aliran yang hampir sama, seperti pada gambar

5 dan 6.

Pola aliran Stratified Wafi (SW) terjadi

pada kecepatan superficial kerosene 0,10

sampai 0,12 m/s. Dan kecepatan superficial air

0,10 sampai 0,30 m/s. Dimana pada pola aliran

ini terjadi gelombang pada lapisan kerosene

karena relative terpengaruh oleh tegangan

geser yang terjadi pada kedua lapisan fluida,

sehingga efisiensi pemisahan kerosene-air

belum sempurna, seperti pada gambar 2.

Pada pola Dispersed Wavy Oil in Water

(DWo/w) terjadi pada kecepatan superficial

kerosene 0,12 sampai 0,22 m/s. Dan pada

semua kecepatan superficial air yaitu 0,10

sampai 0,22 m/s. Hal ini terjadi akibat

tegangan geser yang terjadi dekat dinding pipa

pada lapisan kerosene relative lebih

terpengaruh oleh tegangan geser, dimana fluida

lebih cendrung menyebar dan pecah

membentuk butiran-butiran dan pada butiran-

butiran kerosene diselimuti atau dikelilingi

oleh air sehingga kerosene di dalam air, seperti

pada gambar 6.

Untuk pola aliran Dispersed Wavy Wate

in Oil (DWw/o) terjadi pada kecepatan

superficial kerosene 0,10 samapi 0,14 m/s. Dan

kecepatan superficial air 0,30 sampai 0,40 m/s.

yang terjadi pada pola aliran (SWw/o)


21

analisanya tidak jauh berbeda dengan (SWo/w)

hanya saja tegangan geser kedua permukaan

fluida yang terjadi lebih dominan pada lapisan

air, sehingga air cendrung pecah dan

membentuk butiran-butiran. Dimana butiran-

butiran air tersebut diselimuti atau dikelilingi

oleh kerosene, sehingga air di dalam kerosene,

seperti pada gambar 5 dan 6.

Pola aliran Three Layer (3L) terjadi pada

kecepatan superficial kerosene 0,16 sampai

0,20 m/s. Dan kecepatan superficial air 0,10

sampai 0,30 m/s. yang terjadi karena dekat

dinding pipa pada lapisan kerosene relative

terpengaruh oleh tegangan geser permukaan

yang tejadi sehingga fluida cenderung pecah

dan menyebar. Semakin meningkatnya

kecepatan superficial air menyebabkan butiran-

butiran kerosene berubah menjadi butiran

berukuran kecil dan terdistribusi pada daerah

batas fase dan membentuk lapisan campuran

antara air dan kerosene seperti pada gambar 3.

Pola aliran Dispersed (D) atau pully

Dispersed terjadi pada kecepatan superficial

kerosene 0,20 samapi 0,22 m/s. Dan kecepatan

superficial air 0,10 sampai 0,30 m/s. Pola

aliran ini terjadi akibat kecepatan superficial

kerosene lebih besar dari kecepatan superfisial

air, sehingga kerosene cendrung menyebar

karena pengaruh tegangan geser dan membetuk

lapisan campuran dibagian atas sedangkan air

bergerak secara kontinyu dibagian bawah.

Pembentukan pola aliran Dispersed dengan

diawali terjadinya pola aliran Three Layer,

karena meningkatnya salah satu kecepatan

superficial fluida yang mengakibatkan naiknya

tegangan geser kedua permukaan fluida

sehingga berpengaruh terhadap semakin

meluasnya daerah campuran (mixed) dan

akhirnya terbentuklah pola aliran dispersed,

seperti pada gambar 4.

Pada seksi pemisahan kerosene-air di T-

Junction terlihat bahwa pembentukan pola

aliran yang terjadi sangat berpengaruh terhadap

hasil pemisahan yang didapat. Seperti terlihat

pada gambar 2 dan 6 di atas bahwa untuk pola

aliran Stratified Wavy pada kecepatan

superficial kerosene (Jk) 0,10 sampai 0,20 m/s

dan kecepatan superficial air (Jw) 0,25 sampai

0,30 m/s adalah merupakan kondisi pemisahan

yang baik sekali, dimana efisiensi

pemisahannya yang paling baik.

KESIMPULAN

Dari penelitian ini dapat diambil

kesimpulan sebagai berikut:

1. Variasi kecepatan superficial aliran kerosene dan air dalam penelitian ini akan

menghasilkan pola aliran Stratified Wavy

(SW), Three Layer (3L), Dispersed atau

Mixer (D), Dispersed water in oil (Dw/o)

dan Dispersed oil in water (Do/w).

2. Untuk pemisahan kerosene-air yang paling baik terjadi pada pola aliran Stratified Wavy

pada kecepatan superficial kerosene (Jk)

0,10 sampai 0,20 m/s dan kecepatan

superficial air (Jw) 0,25 sampai 0,30 m/s.

Atau pada kecepatan superficial campuran

(Jmix) 0,30 sampai 0,40 m/s. Dan dengan

Water cut 67 % sampai 70 %.

3. Dan untuk pemisahan kerosene-air yang kurang baik terjadi pada pola aliran

Dispersed (D) kecepatan suprfisial kerosene

(Jk) 0,20 sampai 0,22 m/s dan kecepatan

superficial air (Jw) 0,10 sampai 0,20 m/s.

Atau pada kecepatan superficial campuran

(Jmix) 0,30 sampai 0,47 m/s. Dan dengan

Water cut 31 % sampai 50 %.

4. Ditemukan aliran transisi atau peralihan yaitu Stratified Wavy, dan Dispersed yaitu

Three Layer pada kecepatan kerosen (Jk)

0,160,20 m/s dan kecepatan air (Jw) 0,15-0,30 m/s.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Angeli, P and Hewitt, G.F. 1999. Flow Structure in Horizontal Oil-Water Flow.

International Journal of Multiphase Flow.

Vol-26. pp 1117-1140.

[2] Bereta A, Ferrari P, Galbiati L and Andreini PA, 1997, Horizontal Oil-Water

Flow in Small Diameter Tubes Flow

Paterns. International Comunkastion of

Heat and Mass Transfer, Vol.24, pp223-

229

[3] Brauner, N. And Maron DM.1992. Flow Pattern Transition in Two phase Liquid-

liquid Flow in Horizontal Tube.

International Journal of Multiphase Flow,

Vol 18, pp. 123-140.

[4] Syofii Imam, 2009, Studi eksperimen


22

mengenai pola aliran cairan-cairan minyak

tanah dan air pada pipa horizontal sebagai

simulasi aliran dua fase pada pipa

ekspolasi

[5] Yang L, B.J Azzopardi, A. Belghasi, 2006. Phase separation of liquid-liquid two-

phase flow at a T-junction. AIChE

Journal. Vol. 52(1), pp. 141-149.

[6] Yang L, B.J Azzopardi, 2007. Phase split of liquid-liquid two-phase flow at a

horisontal T-junction. International

Journal of Multiphase Flow. Vol. 33(2),pp.

207-216.


23

MAKSIMUM TEGANGAN THERMAL PADA PROSES PENCELUPAN

CERAMIC STALK DI LOW PRESSURE DIE CASTING MACHINE

Hendra

Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Bengkulu

Email : [email protected]

Abstract

Low pressure die casting is process to make the axi-simmetric product such as cylinder head,

piston, brake drum and etc. The process is injected the molten metal with high speeds and pressure

into a metallic die. The low pressure die casting process has some advantages as a low-cost and

high-efficiency precision forming technique. The low pressure die casting having the permanent die

and filling systems are placed over the furnace containing the molten alloy. The filling of the cavity

is obtained by forcing using the pressurized gas to order a rise the molten metal into a tube, which

connects the die to the furnace. The tube called stalk made from ceramics because ceramics has

high temperature resistance and high corrosion resistance. However, care should be taken for the

thermal stress when the tube is dipped into the molten metal. To reduce the risk of fracture it is

important because fracture may happen due to the thermal stresses. In this paper, thermo-fluid

analysis is performed to calculate surface heat transfer coefficient. Then, the finite element method

is applied to consider the thermal stresses when the stalk is dipped into the crucible with varying the

dipping speeds. It is found that the stalk with slowly dipping is better than fast dipping to reduce the

thermal stress.

Keywords: Thermal Stress, Stalk, Low Pressure Die Casting Machine, Finite element method

1. INTRODUCTION

Low pressure die casting (LPDC)

merupakan suatu proses untuk menghasilkan

produk axi-symmetric seperti cylinder head,

piston, brake drum dan light automotive wheels

[1,2]. LPDC didefinisikan sebagai satu bentuk

teknik pembentukan dengan cetakan yang

mana prinsip kerjanya yaitu molten metal di

injeksikan dengan tekanan dan kecepatan

tinggi ke cetakan metal. Proses LPDC

memiliki peranan yang besar pada industri

pengecoran karena memiliki ongkos yang

rendah dan efisiensi ketepatan teknik

pembentukan yang tinggi. Gambar 1

menunjukkan skema dari mesin LPDC. Mesin

LPDC mempunyai cetakan permanen, tungku

pemanasan dan pipa penyalur metal dari

tungku pembakaran yang berisi molten metal.

Pipa penyaluran berfungsi meneruskan molten

metal dengan memanfaatkan gaya tekan dari

gas yang dimampatkan dari tungku

pembakaran ke cetakan. Pipa penyaluran

molten metal disebut dengan stalk.


24

Material pipa penyaluran terbuat dari

ceramic karena ceramic memiliki daya tahan

terhadap temperatur tinggi dan korosi.

Sebelumnya material stalk atau pipa dibuat dari

besi cor yang mana membuat kualitas produk

rendah karena adanya bagian permukaan dari

molten metal yang meleleh menempel pada

permukaan pipa. Akibatnya kualitas produk

Tabel 1 The physical properties dari molten aluminum at 750oC

(1023K) [4]

Table 2 Mechanical properties dari ceramics

Physical property (dimension)

Thermal conductivity , W/m K Roll diameter D, m

Kinematics viscosity , mm2/s Isobaric specific heat pC , kJ/kg K

Viscosity , mPa s Constants in Eq. (1) when

3 5

11 10 2 10 ( )Re C

Constants in Eq. (1) when 3 51 10 2 10 ( )Re n

112.2

0.17

0.967

1.1

2.2

0.26

0.6

Tabel 3 Harga surface heat transfer coefficient

W/m2.K

Mechanical properties of ceramics (dimension) Sialon

Thermal conductivity, W/m K

Specific heat, J/kg K

Coefficient of linear expansion, 1/K

Youngs modulus, GPa(kgf/mm2) Specific weight

Poissons ratio 4 Point bending strength, MPa (kgf/mm2)

Fracture toughness, MN/m3/2

17

650

3.010-6

294 (29979)

3.26

0.27

1050 (107)

7.5

Model

2mm/su

25mm/su

Step 16

Step 8

Step 2

given

: 0 -650mmz

0mmz

Bagian dalam dan luar permukaan

Bagian bawah permukaan

Level pencelupan hingga

pertengahan stalk:

Untuk keseluruhan permukaan

pencelupan sampai pertengahan stalk:

3 21.5 10 W/m K

3 21.5 10 W/m K

(1) 0-60st

85mmor 70mmir

(2) 60s -600st

r

z

o

13

00

mm

Cylinder model

(Molten Al T=750oC)

65

0m

m

85mmor

70mmir

3 216.1 10 W/m K

3 2(2.53-19.1) 10 W/m K

3 2(0.831-19.51) 10 W/m K

3 216.1 10 W/m K

3 2(0.831-19.51) 10 W/m K

3 20.831 10 W/m K

3 20.831 10 W/m K

Model

2mm/su

25mm/su

Step 16

Step 8

Step 2

given

: 0 -650mmz

0mmz

Bagian dalam dan luar permukaan

Bagian bawah permukaan

Level pencelupan hingga

pertengahan stalk:

Untuk keseluruhan permukaan

pencelupan sampai pertengahan stalk:

3 21.5 10 W/m K

3 21.5 10 W/m K

(1) 0-60st

85mmor 70mmir

(2) 60s -600st

r

z

o

13

00

mm

Cylinder model

(Molten Al T=750oC)

65

0m

m

85mmor

70mmir

r

z

o

13

00

mm

Cylinder model

(Molten Al T=750oC)

65

0m

m

85mmor

70mmir

3 216.1 10 W/m K

3 2(2.53-19.1) 10 W/m K

3 2(0.831-19.51) 10 W/m K

3 216.1 10 W/m K

3 2(0.831-19.51) 10 W/m K

3 20.831 10 W/m K

3 20.831 10 W/m K

StalkDie

Molten

Aluminum 750

Metal fill

Crucible

Pressuring

gases

Fill stalk

Moving

platen

StalkDie

Molten

Aluminum 750

Metal fill

Crucible

Pressuring

gases

Fill stalk

Moving

platen

Gambar.1 Skema dari mesin low pressure die casting

(LPDC)

z

r

70mm

85mm

13

00

mm

15mm

z

r

70mm

85mm

13

00

mm

15mm

Gambar. 2 Elemen mesh dari stalk (dengan

radius sudut =5)

z

o

u=25mm/s

z

o

u=25mm/s

z

o

u=2mm/s

z

o

u=2mm/s


25

rendah dan umur stalk pendek. Oleh karena itu

ceramic digunakan untuk meningkatkan umur

pemakaian. Tetapi ceramic memiliki

kelemahan yaitu memiliki fracture toughness

rendah. Gambar.1, menunjukkan ceramic

stalk yang memiliki peranan penting pada

mesin LPDC karena stalk menerima molten

metal dari tabung pemanas yang dikenal

dengan nama crucible. Permasalahan muncul

ketika ceramic stalk dicelupkan kedalam

molten metal karena adanya tegangan thermal

yang muncul ketika ceramic stalk dicelupkan.

Tegangan thermal ini akan mempengaruhi

kekuatan material ceramic sehingga

mengakibatkan kerusakan akibat rendahnya

fracture toughness dari material ceramic. Paper

ini menggunakan metode elemen hingga untuk

menghitung tegangan thermal yang muncul

ketika stalk dicelup kedalam crucible dengan

variasi level pencelupan dan kecepatan

pencelupan.

2. METODOLOGI DAN SIFAT PHISIK

MATERIAL

Ceramic stalk pada mesin low pressure

die casting memiliki dimensi panjang 1300mm

dan diameter 170mm. Temperatur molten

aluminum diasumsikan adalah 750oC. dan

temperatur ceramic 20oC. Tabel 1

menunjukkan sifat phisik dari molten

aluminum pada temperature 750oC [4]. Tabel 2

menunjukkan sifat mekanik dari material

ceramik Ceramik yang digunakan adalah

Sialon [3]. Axi-symmetric model digunakan

untuk ceramic stalk dengan jumlah elemen

19500 dan nodal 20816.

x (mm)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6650

22000

20000

10000

5000

0 100 200 300 400 600500

Su

rface

hea

t tr

ansf

er (

W/m

2K

)

AB C,D

x

D

C15000

0

x

B

A

o o

x (mm)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6650

22000

20000

10000

5000

0 100 200 300 400 600500

Su

rface

hea

t tr

ansf

er (

W/m

2K

)

AB C,D

x

D

C15000

0

x

B

A

o

x

B

A

o o

Gambar 3 Surface heat transfer coefficient dari stalk (u=25mm/s)

Heat transfer coefficient for 2-D and axi-symmetry model


26

Koefisien heat transfer ketika stalk dicelup kedalam molten metal diperlukan

dalam analisa tegangan thermal. Paper ini

menggunakan volume beda hingga 2 dimensi

(2D) and axi-simetri model untuk menghitung

koefisien heat transfer. Hasil 2D dibandingkan

dengan hasil axi-simetri model. Gambar 3

menunjukkan nilai koefisien heat transfer 2D

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400 500 600

Time (s)

200 600400

(M

Pa)

Maximum stress

400

200

0

-100

-200

-300

0 100 300 500

300

100

-400

1max

3max

max

min

maxz

minz

maxr

minr

maxrz

minrz

max 128z MPa

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400 500 600

Time (s)

200 600400

(M

Pa)

Maximum stress

400

200

0

-100

-200

-300

0 100 300 500

300

100

-400

1max

3max

max

min

maxz

minz

maxr

minr

maxrz

minrz

max 128z MPa

Gambar 4 Tegangan maksimum vs. waktu pada pencelupan lambat ( 2mm/su )

-300

-200

-100

0

100

200

0 5 10 15 20 25 3010 3020

200

100

0

-100

-200

-300

zmax

maxrzmax

zminmin

(M

Pa)

Time (s)

1max

3max

rmax

rzmin rmin

Maximum stress zmax 128MPa

0-300

-200

-100

0

100

200

0 5 10 15 20 25 3010 3020

200

100

0

-100

-200

-300

zmax

maxrzmax

zminmin

(M

Pa)

Time (s)

1max

3max

rmax

rzmin rmin

Maximum stress zmax 128MPa

0

a.

b. Perbesaran gambar (a)


27

dan axi-simetri model dengan kecepatan celup

cepat = 25mm/su . Axi-simetri model menunjukkan nilai koefisien heat transfer bagian dalam berbeda dengan bagian luar

seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3. Jika

diameter axi-simetri model tak hingga maka

nilai akan mendekati nilai pada hasil 2D. Tabel 3 menunjukkan nilai koefisien heat

transfer untuk ceramic stalk dengan kecepatan celup lambat = 2mm/su and

kecepatan celup cepat = 25mm/su . Apabila kecepatan celupnya lebih lambat daripada

= 2mm/su ini sangat lambat pada proses

pencelupan dan jika melebihi = 25mm/su sangat berbahaya. Sehingga dipilih range

pencelupan yaitu = 2mm/su dan

= 25mm/su .

3. TEGANGAN THERMAL PADA

CERAMIC STALK

3.1. Hasil Pengujian Pencelupan Lambat

Pada kecepatan celup lambat

= 2mm/su , nilai koefisien perpindahan

panas 3 2=1.510 W/m Km digunakan

untuk tiap level pencelupan pada bagian dalam

dan luar ceramic stalk sampai mencapai titik

tengah ceramic stalk. Level pencelupan

bervariasi antara 8 level, 16 level dan 32 level.

Hasil yang diperoleh ditunjukkan oleh Gambar

4. Gambar 4 menunjukkan nilai maksimum

tegangan tarik 1 , maksimum tegangan tekan

3 , komponen maksimum tegangan r , ,

z dan maksimum regangan geser rz dengan

16 level pencelupan. Gambar 4 menunjukkan

maksimum tegangan maxz hampir sama

dengan maksimum tegangan tarik 1 pada

waktu = 20.5st Oleh sebab itu hanya

maksimum tegangan komponen maxz yang

akan dibahas dalam tulisan ini karena nilai

komponen maxz sama dengan nilai

Gambar 5 Distribusi temperatur dan tegangan ( = 2mm/su pada saat = 20.5st ),

displacement 50

z

Detail of A Detail of B

Temperature

950C

1700C

2460C3220C

3970C

4720C5480C

6230C

A

r

B

r

-138MPa

9.6MPa

-108MPa

-49MPa

-79MPa

68MPa

98MPa

-19MPa

39MPa-19MPa

z

z

max 128MPaz

z

Detail of A Detail of B

Temperature

950C

1700C

2460C3220C

3970C

4720C5480C

6230C

A

r

B

r

-138MPa

9.6MPa

-108MPa

-49MPa

-79MPa

68MPa

98MPa

-19MPa

39MPa-19MPa

z

z

max 128MPaz

Temperature Stress z


28

maksimum tegangan tarik 1 . Maksimum

tegangan maxz memiliki nilai puncak

128MPa pada waktu = 20.5st untuk level pencelupan 16 level. Pada level 8 dan 32

nilainya sama tetapi waktu mencapai nilai

puncaknya berbeda. Hal ini disebabkan oleh

level pencelupan menimbulkan efek getaran

akibat adanya perbedaan panas yang terjadi

pada daerah dibawah dan diatas level

pencelupan.

Maksimum tegangan max =128MPaz

terjadi pada saat waktu = 20.5st dan tidak mengalami penurunan nilai sampai level

pencelupan mencapai pertengahan ceramic

stalk. Setelah mencapai pertengahan ceramic

stalk tegangan akan mengalami penurunan.

Dengan adanya level pencelupan 16

menunjukkan terjadinya fluktuasi nilai

tegangan seperti ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 5 menunjukkan distribusi

temperatur dan tegangan z pada ceramic

stalk dengan kecepatan pencelupan lambat

= 2mm/su dan waktu = 20.5st . Gambar 5 menunjukkan tegangan maksimum terjadi pada

bagian dalam dari ceramic stalk 128MPa yang

mana tegangan maksimum max = 296MPaz

terdapat pada bagian diameter dalam dan

bawah ceramic stalk.

3.2 Hasil Pengujian Pencelupan Cepat

Tegangan thermal dengan pencelupan

cepat = 25mm/su ditunjukkan pada Gambar 1. Tabel 3 menunjukkan nilai koefisien

perpindahan panas yang digunakan pada

pencelupan cepat = 25mm/su . Tabel 3 menjelaskan nilai koefisien perpindahan panas

yang digunakan pada permukaan ceramic stalk

dan dibagi menjadi dua proses:

1. Saat waktu pencelupan = 0-60st , nilai

koefisien heat transfer 3 2= (0.831-19.51)10 W/m K

digunakan untuk bagian dalam dan luar

permukaan ceramic stalk. Maksimum nilai

koefisien heat transfer 3 2=16.110 W/m K digunakan pada

permukaan bagian bawah ceramic stalk

( 0mmz ) seperti ditunjukkan oleh Tabel 3.

2. Saat waktu pencelupan > 60st , nilai

minimal koefisien perpindahan panas 3 2= 0.83110 W/m K digunakan

pada seluruh permukaan ceramic stalk

yang dicelup sampai pertengahan ceramic

stalk.

Gambar 6 menunjukkan distribusi

temperatur dan tegangan z pada ceramic stalk

dengan pencelupan cepat ( = 25mm/su pada

saat =1.1st ). Gambar 6 menunjukkan nilai tegangan maksimum terdapat pada bagian

bawah dari ceramic tube. Hal ini disebabkan

oleh perbedaan temperatur yang besar terjadi

pada bagian dalam dan luar ceramic stalk.

Gambar 7 menunjukkan tegangan maksimum

1 , r , , z dan rz . Seperti ditunjukkan

pada Gambar 7, tegangan tarik maksimum

1 = meningkat dalam waktu singkat.

Setelah mencapai nilai puncak

max = 246MPa pada waktu =1.1st , nilai

tegangan tarik akan menurun.


29

(a)

-600

-400

-200

0

200

0 1 2 3 4 5

zmaxmax

rzmax

zmin

min

(M

Pa)

Time (s)

1max

3max

rmax

rzminrmin

Maximum stress300

100

0

-100

-500

-600

-300

1 2 3 4 50

200

-200

-400

max 246MPa

-600

-400

-200

0

200

0 1 2 3 4 5

zmaxmax

rzmax

zmin

min

(M

Pa)

Time (s)

1max

3max

rmax

rzminrmin

Maximum stress300

100

0

-100

-500

-600

-300

1 2 3 4 50

200

-200

-400

max 246MPa

Gambar 6 Tegangan maksimum vs. waktu pada pencelupan cepat ( = 25mm/su )

-600

-400

-200

0

200

0 10 20 30 40 50

zmaxmaxrzmax

zminmin

(M

Pa)

Time (s)

1max

3max

rmax

rzminrmin

Maximum stress max 246MPa300

100

0

-100

-500

-600

-300

10 20 30 40 500

200

-200

-400

-600

-400

-200

0

200

0 10 20 30 40 50

zmaxmaxrzmax

zminmin

(M

Pa)

Time (s)

1max

3max

rmax

rzminrmin

Maximum stress max 246MPa300

100

0

-100

-500

-600

-300

10 20 30 40 500

200

-200

-400

(b). Pembesaran gambar (a)

u=25mm/su=25mm/s

u=25mm/su=25mm/s u=25mm/su=25mm/s u=25mm/su=25mm/s


30

Gambar 7 Distribusi temperatur dan tegangan ( = 25mm/su pada saat

=1.1st ), displacement 50

Temperature

Detail of C Detail of D

900C

1600C

5790C

7190C6490C

5090C

4390C3690C

2990C

z

D

rr

C

z

-167MPa

108MPa

-373MPa

-235MPa

-98MPa

39MPa

177MPa

max=246MPa

Temperature

Detail of C Detail of D

900C

1600C

5790C

7190C6490C

5090C

4390C3690C

2990C

z

D

rr

C

z

-167MPa

108MPa

-373MPa

-235MPa

-98MPa

39MPa

177MPa

max=246MPa

Temperature Stress


31

3.3 Perbandingan Tegangan Maksimal

Antara Pencelupan Cepat Dan Lambat

Perbandingan tegangan maksimum antara

pencelupan cepat = 25mm/su dan lambat

= 2mm/su dapat dilihat pada Gambar 4 sampai dengan 7. Gambar 6 menunjukkan

maksimum tegangan untuk pencelupan cepat

= 25mm/su yaitu max = 246MPa , 2 kali

lebih tinggi dibanding dengan pencelupan

lambat = 2mm/su yaitu max =128MPaz

(lihat gambar 4). Tabel 4 menunjukkan posisi

maksimum tegangan dan perbandingan

tegangan maksimum pencelupan cepat

= 25mm/su dan pencelupan lambat.

= 2mm/su .

DAFTAR PUSTAKA

[1] The A to Z of Materials Aluminum Casting Techniques-Sand Casting and Die

Casting Processes. (Online), available

from , (accessed 2008-4-23).

[2] F. Bonollo, J. Urban, B. Bonatto, M. Botter. Gravity and Low Pressure Die

Casting of Aluminium Alloys: a Technical

and Economical Benchmark. Allumino E

Leghe, 2005.

[3] Nogami S. Large Sialon Ceramics Product for Structural Use. Hitachi Metal Report,

vol.15; 1999.pp.115-120 [in Japanese].

[4] Editorial committee of JSME. Data of heat transfer. Tokyo: JSME; 1986. p.323 [in

Japanese].

Ceramic Stalk

u=25mm/s

u=2mm/s

Model

Ceramic Stalk

u=25mm/s

u=2mm/s

Model

246MPa(A)

209MPa(A)z

98MPa(B)rz

89MPa(A)r

1 246MPa(A)

BA

128MPa(A)z

105MPa(B)

21MPa(C)rz 4MPa(A)r

1 128MPa(A)

C

A

B

Saat t=20.5s

(maksimum tegangan)

Saat t=1.1s

(maksimum tegangan)

246MPa(A)

209MPa(A)z

98MPa(B)rz

89MPa(A)r

1 246MPa(A)

BA

128MPa(A)z

105MPa(B)

21MPa(C)rz 4MPa(A)r

1 128MPa(A)

C

A

B

C

A

B

Saat t=20.5s

(maksimum tegangan)

Saat t=1.1s

(maksimum tegangan)

Tabel 4 Nilai maksimum tegangan tarik

pada ceramic stalk


32

PENGARUH PRESTRAIN BERTINGKAT TERHADAP KEKERASAN

DAN KEKUATAN TARIK BAJA KARBON SEDANG

Zulhanif Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Lampung

Gedung H Fakultas Teknik , Jl. Prof. Soemantri Brojonegoro No. 1

Bandar Lampung, 35145 Telp: (0721) 3555519 Fax: (0721) 704947

Abstrak

Prestrain adalah suatu gejala deformasi plastis yang terjadi pada material logam, dimana

material yang mengalami beban tarik dengan besar tegangan yang terjadi di atas tegangan luluh

(yield) dari material logam tersebut. Efek prestrain akan meningkatkan tegangan luluh dan tegangan tarik material. Tegangan tarik dapat meningkat karena tegangan yang dibutuhkan untuk

menimbulkan deformasi plastis ditingkatkan dengan prestrain. Regangan awal yang diberikan

terhadap material akan mengakibatkan gerakan dislokasi sehingga menyebabkan pengerasan-

regang. Pengerasan-regang banyak digunakan untuk mengeraskan logam atau paduan yang tidak

bereaksi terhadap perlakuan panas.

Material yang digunakan yaitu baja karbon sedang. Setelah material dibentuk, material

tersebut di uji tarik sehingga didapat grafik stress strain dan load displacement. Dari grafik tersebut dapat dicari nilai prestrain 3 %, 5 %, 7%, dan 6 %, 10 %, 14 %. Spesimen dipasang pada

alat uji dan dijepit sehingga spesimen tidak bergeser pada saat pemberian beban tarik. Pada

pengujian prestrain sekali diukur pada prestrain 3%, 5 %, 7 % dan 6 %, 10 %, 14 %. Setelah itu

dibiarkan selama 1 hari, kemudian dilakukan pengujian tarik. Dari pengujian tarik ini akan

didapatkan tegangan-regangan sehingga diperoleh data-data y (MPa), ult (MPa), dan (%). Nilai

uji tarik material ult akan dapat diketahui dengan melihat kertas grafik dari hasil pengujian spesimen. Sedangkan untuk prestrain dua kali diukur pada prestrain 3%, 5 %, 7 %. Setelah itu

dibiarkan sampai setengah hari, kemudian di prestrain 3%, 5 %, 7 %. Selanjutnya dibiarkan sampai

hari besoknya, kemudian dilakukan pengujian tarik. Dari pengujian tarik ini akan didapatkan

tegangan-regangan sehingga diperoleh data-data y (MPa), ult (MPa), dan (%). Hasil pengujian yang didapatkan untuk spesimen yang diberi perlakuan prestrain, mengalami

peningkatan nilai kekerasan dan kekuatan tariknya. Peningkatan nilai kekuatan tarik tertinggi terjadi

pada prestrain 14 % sekali, sebesar 669,57 MPa (8,20%).sedangkan yang terendah terjadi pada

prestrain 3 % sekali, sebesar 626,89 MPa(1,30%).

Kata kunci : Prestrain, Dislokasi, Pengerasan Regangan, Deformasi Plastis,.

PENDAHULUAN

Baja karbon adalah baja yang mengandung

unsur besi, karbon dan juga unsur lainnya

(mangan, silikon, belerang, dan lain-lain),

dalam batas-batas tertentu yang tidak banyak

berpengaruh terhadap sifatnya.

Baja karbon sedang mengandung kadar

karbon sampai 0,3 - 0,6 %, lebih kuat dan

keras dibandingkan dengan baja karbon

rendah. Penggunaannya hampir sama dengan

baja karbon rendah. Baja ini digunakan

terutama untuk yang memerlukan kekuatan

dan ketangguhan yang lebih tinggi. Banyak

juga digunakan sebagai baja konstruksi

mesin, untuk poros, roda gigi, rantai dan

lain-lain. Untuk meningkatkan sifat mekanik

baja ini dapat dilakukan dengan beberapa cara,

diantaranya yaitu, dengan pelapisan, heat

treatment, prestrain dan lain lain.

Prestrain dapat meningkatkan sifat mekanik

material, karena prestrain dapat menimbulkan

tegangan sisa dan dislokasi. Adanya tegangan

sisa dan dislokasi dap

Jurnal Mechanical-Maret 2012-1-2

Documents

Transcript of Jurnal Mechanical-Maret 2012-1-2