skripsi - uns institutional repository · elektromagnetik dengan menggunakan solenoida. aliran...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

ANALISIS PENGARUH MEDAN MAGNET SOLENOIDA TERHADAP

PEMISAHAN PARTIKEL DEBU ALIRAN UDARA SERAGAM

MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK MATLAB 6.5

SKRIPSI

OLEH

UMI NURFITRIANI

M0204012

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2011


commit to user

ii



MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK MATLAB 6.5

OLEH

UMI NURFITRIANI

M0204012

SKRIPSI

Ditulis dan Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Mendapatkan

Gelar Sarjana Fisika

Jurusan Fisika

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

2011


commit to user

iii

LEMBAR PENGESAHAN

Skripsi ini dibimbing oleh :

Pembimbing I

Drs. Iwan Yahya, M. Si.

NIP. 196707730 199302 1 001

Pembimbing II

Drs. Darmanto, M. Si.

NIP. 19610614 198803 1 002

Dipertahankan di depan Tim Penguji Skripsi pada :

Hari : Senin

Tanggal : 18 April 2011

Anggota Tim Penguji

1. Drs. Hery Purwanto, M. Sc. ( . . . . . . . )

NIP. 19590518 198703 1 002

2. Drs. Usman Santosa, M. S. ( . . . . . . . )

NIP. 19510407 197503 1 003

Disahkan oleh

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Sebelas Maret Surakarta

Ketua Jurusan Fisika

Drs. Harjana. M. Si., Ph. D.

NIP. 19590725 198601 1 001


commit to user

iv

PERNYATAAN

Analisis Pengaruh Medan Magnet Solenoida terhadap Pemisahan Partikel

Debu Aliran Udara Seragam Menggunakan Perangkat Lunak Matlab 6.5

Umi Nurfitriani

M0204012

“Saya dengan ini menyatakan bahwa skripsi ini hasil penelitian saya yang ide

dasarnya merupakan konsep yang telah dikerjakan oleh pembimbing,

sepengetahuan saya hingga saat ini konsep tersebut tidak berisi materi yang telah

dipublikasikan atau ditulis orang lain atau materi yang telah diajukan untuk

mendapat gelar kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di perguruan tinggi

manapun, kecuali telah dituliskan di bagian daftar pustaka skripsi ini. Semua

bantuan dari semua pihak telah saya tulis di bagian ucapan terima kasih skripsi

ini.”

Surakarta, April 2011

Penulis

Umi Nurfitriani


commit to user

v

ABSTRACT

Analysis of A Solenoid’s Magnetic Field Effect

to the Particle Separation Performance for Uniflow Deduster

using Matlab 6.5

By

Umi Nurfitriani

M0204012

A computation modeling using Matlab 6.5 has been done to analyze performance

of particulate separation system designed by combining mechanical way and

electromagnetic system using solenoids. Uniflow air comes into the tube through a

static fan, which constitute a cyclonic airflow. Particles experience Lorentz force

gained from electrically charged solenoids installed along the outside trapper tube.

The analysis resulted in improvement in the diameter of trapped particulate up to

10-12

meters, better than either non magnetic prototype of dust trapper or magnetic

trapper sourced from single wire. Diameter of trapped particulate gained on

condition of 0,6 meters tube length and electrical current of 0,2 miliampere. The

values are much better compared to non magnetic model which reach only 4 m,

and to single wire magnetic model which amprove as well as 0,6 m of the same

tube length. Parameter analysis has been done to configure which variables affect

the system’s performance.

Keywords: particulate trapper, magnetic field, solenoids, constant of G, Matlab


commit to user

vi



MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK MATLAB

Umi Nurfitriani

M0204012

Telah dilakukan pemodelan komputasi dengan menggunakan program Matlab 6.5

untuk menganalisis kinerja sistem pemisahan partikulat yang dirancang dengan

prinsip penggabungan sistem mekanik dengan menggunakan baling-baling dan

elektromagnetik dengan menggunakan solenoida. Aliran udara searah masuk pada

tabung melewati baling-baling dan bergerak sebagai aliran siklon. Di sepanjang

tabung partikel mengalami gaya Lorentz yang bersumber dari kumparan kawat

berarus yang dipasang di sisi luar tabung penjebak.

Hasil analisis menunjukkan bahwa penambahan medan magnet dengan

menggunakan solenoida memberikan hasil yang lebih baik daripada rancangan

tanpa medan magnet dan rancangan dengan medan magnet menggunakan satu

kawat lurus berarus. Ukuran diameter partikulat yang terlontar mencapai 10-12

meter pada keadaan panjang tabung 0,5 meter dan kuat arus 20 mA. Nilai tersebut

jauh lebih baik dibandingkan keadaan tanpa B di mana diameter partikel terlontar

mencapai 4 m, dan pada keadaan B bersumber dari kawat lurus berarus di mana

diameternya sebesar 0,6 m untuk keadaan panjang tabung yang sama. Analisis

parameter dilakukan untuk mengetahui variabel-variabel yang memiliki pengaruh

cukup besar terhadap kinerja sistem.

Kata kunci: penjebak partikulat, medan magnet, solenoida, tetapan G, Matlab


commit to user

vii

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL ................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... iii

HALAMAN PERNYATAAN ..................................................................... iv

HALAMAN ABSTRAK .............................................................................. v

HALAMAN MOTTO .................................................................................. vii

HALAMAN PERSEMBAHAN .................................................................. viii

KATA PENGANTAR ................................................................................. ix

DAFTAR ISI ................................................................................................ xi

DAFTAR GAMBAR ................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah ..................................................... 1

B. Perumusan Masalah ........................................................... 4

C. Batasan Masalah ................................................................. 4

D. Tujuan Penelitian ............................................................... 5

E. Manfaat Penelitian ............................................................. 5

F. Sistematika Penulisan ........................................................ 5

BAB II LANDASAN TEORI

A. Solenoida ............................................................................ 7

B. Gaya Lorentz ....................................................................... 8

C. Partikulat ............................................................................. 9

D. Aliran Berputar .................................................................... 10

E. Pemisah aliran siklon .......................................................... 11

F. Analisis Teori ...................................................................... 12

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

A. Alat Penelitian .................................................................... 22


commit to user

viii

B. Prosedur Penelitian.............................................................. 22

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................ 24

BAB V PENUTUP

A. Kesimpulan ........................................................................ 31

B. Saran ................................................................................... 31

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................. 32

LAMPIRAN ................................................................................................. 33


commit to user

ix

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1. Bentuk Fisik Solenoida ........................................................... 7

Gambar 2.2. Penampang melintang Solenoida ............................................ 8

Gambar 2.3. Perjalanan partikel di sepanjang tabung .................................. 12


commit to user

x

Daftar Pustaka

[1] Lippmann, Morton, Ph.D. Health Effects of Airborne Particulate Matter.

Volume 357:2395-2397, December 6, 2007

http://content.nejm.org/cgi/content/full/357/23/2395

[2] Sumorek,Andrzej, & Wiktor Pietrzyk. Electrostatic Bifilar Deduster for

Organic Dust Removing. PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLID STATE

V. 7, № 1 (2006) P. 152-156

http://www.pu.if.ua/inst/phys_che/start/pcss/vol7/0701-28.pdf

[3] Peraturan Pemerintah, Pengendalian Pencemaran Udara. PP RI No. 41 tahun

1999.

http://www.ima-api.com/downloads.php?pid=39&cat=1

[4] Zhao biing-tao. 2006. Effects of Flow Parameters and Inlet Geometry on

Cyclone Efficiency. The Chinese Journal of Process Enginering Vol. 6 No. 2,

April 2006

[5] Ruhmini. 2008. Analisis Pengaruh Medan Magnet terhadap Pemisahan Aliran

Partikel Debu Aliran Udara Seragam Menggunakan Perangkat Lunak

MATLAB 6.5. Surakarta : Jurusan Fisika Fakultas Matematika Universitas

Sebelas Maret

[6] Young, Hugh D. and R. A. Freedman. 2002. Fisika Universitas. Jilid 1. Edisi

ke-10. Jakarta: Erlangga. Terjemahan: University Physics. Edisi ke-8. 2000.

Addison Wesley Longman, Inc.

[7] Giancoli, Douglas C. 2000. Physics Principles with Applications. California:

Prentice Hall, Inc.

[8] Serway, Raymond. A. 2001. Physics for Scientists and Engineers. Philadelphia

: Saunders College Publishing

[9] Wardhana, Dampak Pencemaran Lingkungan, 2001.

http://unila.smdujsade/download.jsp?MC_ID=5&MP_ID=252

[10] Zhang, Y. 1999. Modelling and Sensitivity Analysis of Dust Particle

Separation for Uniflow Dedusters. Transactions of ASHRAE: in review.

http://www.age.uiuc.edu/bee/RESEARCH/Deduster/dedpaper1/htm.

http://content.nejm.org/cgi/content/full/357/23/2395

http://www.pu.if.ua/inst/phys_che/start/pcss/vol7/0701-28.pdf

http://www.ima-api.com/downloads.php?pid=39&cat=1

http://unila.smdujsade/download.jsp?MC_ID=5&MP_ID=252

http://www.age.uiuc.edu/bee/RESEARCH/Deduster/dedpaper1/htm


commit to user

1

PENGARUH MEDAN MAGNET SOLENOIDA TERHADAP KINERJA PEMISAHAN

PARTIKEL DEBU ALIRAN UDARA SERAGAM

Jurusan Fisika. Fakultas MIPA. Universitas Sebelas Maret

Umi Nurfitriani, Iwan Yahya, Darmanto

Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret [email protected]

ABSTRAK

Telah dilakukan pemodelan komputasi dengan menggunakan program Matlab 6.5 untuk menganalisis kinerja sistem pemisahan partikulat yang dirancang dengan prinsip penggabungan sistem mekanik dengan menggunakan baling-baling dan elektromagnetik dengan menggunakan solenoida. Aliran udara searah masuk pada tabung melewati baling-baling dan bergerak sebagai aliran siklon. Di sepanjang tabung partikel mengalami gaya Lorentz yang bersumber dari kumparan kawat berarus yang dipasang di sisi luar tabung penjebak. Hasil analisis menunjukkan bahwa penambahan medan magnet dengan menggunakan solenoida memberikan hasil yang lebih baik daripada rancangan tanpa medan magnet dan rancangan dengan medan magnet menggunakan satu kawat lurus berarus. Ukuran diameter partikulat yang terlontar mencapai 1,017.10-12 meter pada keadaan panjang tabung 0,6 meter dan kuat arus 20 mA. Nilai tersebut jauh lebih baik dibandingkan keadaan tanpa B di mana diameter partikel terlontar mencapai 4 µm, dan pada keadaan B bersumber dari kawat lurus berarus di mana diameternya sebesar 0,6 µm untuk keadaan panjang tabung yang sama. Analisis parameter dilakukan untuk mengetahui variabel-variabel yang memiliki pengaruh cukup besar terhadap kinerja sistem. Kata kunci: penjebak partikulat, medan magnet, solenoida, tetapan G, Matlab6.5 I. PENDAHULUAN Perkembangan industri yang sangat cepat menyebabkan banyak perubahan pada lingkungan. Karbon dan partikulat debu yang disebabkan gas buang dari industri telah mengakibatkan penurunan fungsi paru-paru, gangguan efek pernapasan pada penderita asma, dan pertambahan tingkat kematian.[1] Depkes mengisyaratkan bahwa ukuran debu yang membahayakan berkisar 0,1-10 µm. Berbagai upaya telah dikembangkan untuk mengatasi hal ini. Selain penelitian-penelitian yang dilakukan di bidang pengembangan mesin berteknologi pembakaran yang lebih baik, penelitian tentang reduksi partikulat debu pada gas buang juga telah banyak dikembangkan. Pada umumnya, pemisahan aliran debu dapat dibagi menjadi dua metode utama, yaitu filter mekanik dan pemisah elektrostatis.[2] Pemisah elektrostatis memiliki beberapa keunggulan antara lain lebih efisien dalam pemisahan partikulat, membutuhkan

lebih sedikit energi, dan fleksibel pada interval temperatur dan konsentrasi partikulat yang besar.[2] Salah satu metode pemisahan aliran debu dilakukan dengan sistem penjebak partikulat yang memanfaatkan prinsip gaya sentrifugal. Pada sistem ini, udara sisa pembakaran diperlakukan sedemikian rupa sehingga mengalir secara spiral di dalam penjebak. Berdasarkan sistem ini, telah dikembangkan konsep teknologi iSMagic (Intelligent Shark Type Muffler with Magnetic Field Induced Cyclon Deduster) dalam riset pengembangan konsep knalpot iARG-OXX. Konsep iSMagic pada iARG-OXX adalah sebuah sistem penjebak partikulat yang memanfaatkan medan magnet induksi menggunakan solenoid yang terpasang pada dinding tabung penjebak partikulat.[3]


commit to user

2

II. METODE EKSPERIMEN

Partikel berada pada posisi awal (rp1) dengan kecepatan awal Uz memasuki tabung melalui baling-baling statis yang terpasang pada sumbu tabung. Partikel menempuh perjalanan sepanjang jarak L dan sampai pada ujung tabung dengan posisi akhir (rp2). Pada kondisi terdapat medan magnet, partikel akan bergerak lebih cepat pada lintasan spiral karena pengaruh gaya Lorentz. Misalkan gaya Lorentz pada jarak r dari sumbu adalah:

θGBrqvFL = di mana G adalah sebuah konstanta dan B adalah medan pada sumbu solenoida. Tetapan G berdimensi [L]-1 dan menggambarkan kelipatan nilai medan magnet B terhadap jaraknya dari pusat lingkaran. Pada setiap titik pada lintasan berlaku:

rmm

stokessentL

XUr

vXrvX

mqGB

FFF

πµρπρπ θθ 3

66

233 =+

=+

Dengan penurunan penyelesaian persamaan diferensial orde 1, diperoleh fungsi partikel terjebak sebesar:

2

92 22 1

m

z

GBq X V LU mmV mVr r e

GBqX GBqX

θρµθ θ

+ = + (1)

Penelitian dilakukan dengan membuat program Matlab 6.5 untuk menganalisis kinerja sistem sehingga diperoleh ukuran partikel terjebak berdasarkan persamaan di atas.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Penelitian dengan kawat lurus berarus menunjukkan pertambahan kemampuan menjebak partikel hingga kisaran puluhan nanometer (10-9 m). telah dibuat program untuk menunjukkan bahwa kemampuan penjebak partikel bertambah secara signifikan. Program dibuat dengan menggunakan variabel-variabel yang telah terdefinisi dalam penelitian sebelumnya, sehingga pertambahan

kemampuan sistem penjebak lebih mudah untuk diamati. Variabel G pada gaya Lorentz muncul sebagai konsekuensi posisi partikel dari pusat silinder (r) terhadap gaya Lorentz yang dibentuk oleh solenoid, besaran ini berdimensi [L-1]. Besarnya G menggambarkan pelipatan kuat medan magnet B di titik tertentu dari pusat mulai dari r1 sampai pada posisi partikel di rz. Misalkan saat partikel berada pada posisi r1, kuat medan magnet yang dialami partikel adalah sebesar B. saat partikel berada pada r2, kuat medan magnet di titik r2 adalah

BGB .1 = , kuat medan di titik r3 adalah 12 .BGB = , dan seterusnya.

Ukuran partikel terjebak diperoleh dengan memberikan nilai G sebesar 1,2 pada persamaan 2.21 yang dipindahruaskan:

+−

+= mv

vXGNIq

cscs

z

csm

eNIqXG

Lmvr

NIqXGLmv

rGF 921

22

2

)(θρ

θθ

µµ

...(2) Grafik fungsi dibuat dengan menggunakan perintah plot pada Matlab 6.5, memberikan hasil seperti pada gambar 3.1.

Gambar 3.1. Grafik fungsi F(X) –X dengan

nilai G sebesar 1,2 Grafik fungsi f(X) menunjukkan bahwa pada nilai f(X) = 0, ukuran partikel terpisah (Xcs) adalah 1,017.10-12 meter atau 1,017 pikometer. Pemodelan persamaan 2 terbukti memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan hasil pemodelan sistem penjebak untuk satu kawat


commit to user

3

lurus yang dilakukan oleh Ruhmini. Pada sistem dengan satu kawat lurus, kemampuan penjebak sampai dengan kisaran 10-7 meter, sedangkan pada sistem dengan menggunakan solenoida, kemampuan menjebak sampai dengan kisaran nanometer (10-12 m). Artinya, efektivitas penjebakan partikulat penyaring udara dengan elektromagnet mampu diperlebar hingga 1 pikometer dengan menggunakan gabungan satu kawat lurus dan kumparan di sepanjang tabung penjebak. Variasi nilai diterapkan pada masing-masing parameter untuk mengetahui parameter mana yang memberikan pengaruh signifikan terhadap kualitas penjebak elektromagnet. Pada gambar 3.1 di atas, banyaknya lilitan adalah sebesar 1000. Pada kondisi besaran yang lain tetap, jumlah lilitan diubah menjadi 500 lilitan dan 100 lilitan, menghasilkan partikel terjebak seperti pada gambar 3.2 berikut.

(a)

(b)

Gambar 3.2. Kemampuan Penjebak Partikel untuk jumlah lilitan (a) 500 lilitan dan (b) 100

lilitan

Pada kondisi jumlah lilitan tetap sebanyak 1000, dilakukan variasi diameter tabung luar dan dalam. Gambar 3.3(a) merupakan grafik yang diperoleh dengan memberikan nilai r1 sebesar 1 cm dan r2 sebesar 3 cm. Sedangkan gambar 3.3(b) diperoleh dengan memberikan nilai nilai r1 sebesar 1 cm dan r2 sebesar 5 cm. Hasil pengolahan menunjukkan bahwa semakin kecil radius tabung luar pada penjebak akan memberikan hasil diameter partikel terjebak yang lebih kecil.

(a)

(b)

Gambar 3.3. Kemampuan Penjebak Partikel untuk (a) jari-jari tabung luar 3 cm, dan (b)

jari-jari tabung luar 5 cm Pada kondisi arus diperbesar hingga 0,2 Ampere, diperoleh ukuran partikel terjebak sebesar 1,017 x 10-12 m. Sedangkan pada arus sebesar 2 Ampere, diperoleh ukuran partikel terjebak sebesar 9 x 10-13 m. Dua gambaran tersebut dapat dilihat pada gambar 4.4 (a) dan (b). Kedua grafik tersebut menunjukkan tidak ada pengaruh arus terhadap diameter partikel yang dapat dijebak.


commit to user

4

(a)

(b)

Gambar 3.3. Kemampuan Penjebak Partikel untuk (a) arus 0,2 Ampere, dan (b) arus 2

Ampere VI. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat disimpulkan:

1. Pengembangan model sintetis sistem penjebak partikulat dengan menggunakan solenoida yang terpasang pada dinding tabung penjebak terbukti memberikan hasil yang lebih baik dari satu kawat lurus yang terpasang di tengah sistem penjebak, dengan penurunan diameter partikel terjebak sampai dengan 10-12 meter.

2. Parameter yang berpengaruh terhadap kinerja sistem penjebak antara lain jari-jari dalam dan jari-jari luar tabung penjebak, serta arus pada solenoida. Sedangkan pengaruh jumlah lilitan kawat solenoida masih perlu diteliti

lebih lanjut melalui pemodelan maupun simulasi laboratorium.

4.2 Saran Beberapa saran yang dapat dilakukan

untuk perbaikan penelitian selanjutnya adalah: 1. Dilakukan penelitian lebih lanjut

mengenai optimasi nilai G berdasarkan pada karakteristik solenoida dan parameter lain yang berpengaruh.

2. Dilakukan eksperimen simulasi prototip sistem penjebak partikulat dengan menggunakan solenoida sebagai sumber medan magnet dengan parameter-parameter yang telah dianalisis selama penelitian terdahulu.

V.DAFTAR PUSTAKA [1] Lipmann, Morton, Ph. D. Health effects of

Airborne Particulate Matter. Volume 357:2395-2397, December 6, 2007 http://content.nejm.org/cgi/content/full/357/23/2395

[2] Sumorek,Andrzej, & Wiktor Pietrzyk. Electrostatic Bifilar Deduster for Organic Dust Removing. PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLID STATE V. 7, № 1 (2006) P. 152-156 http://www.pu.if.ua/inst/phys_che/start/pcss/vol7/0701-28.pdf

[3] Ruhmini. 2008. Analisis Pengaruh Medan Magnet terhadap Pemisahan Aliran Partikel Debu Aliran Udara Seragam Menggunakan Perangkat Lunak MATLAB 6.5. Surakarta : Jurusan Fisika Fakultas Matematika Universitas Sebelas Maret

[4] Tipler, P.A., 1998, Fisika untuk Sains dan Teknik–.Jilid I (terjemahan), Jakarta:Erlangga.

[5] Zhao biing-tao. 2006. Effects of Flow Parameters and Inlet Geometry on Cyclone Efficiency. The Chinese Journal of Process Enginering Vol. 6 No. 2, April 2006

skripsi - uns institutional repository · elektromagnetik dengan menggunakan solenoida. aliran...

Documents