Upload
hoangthu
View
363
Download
21
Embed Size (px)
Citation preview
Nama : Rachmat Shaleh
NPM : 25411710
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknologi Industri
Pembimbing : Dr. –Ing. Mohamad Yamin
ANALISIS PEMILIHAN
FAN DAN PERHITUNGAN
DAYA MOTOR PADA
OPEN CIRCUIT WIND
TUNNEL
Latar Belakang
Terowongan angin pertama kali dibuat oleh Francis Wenham dan John Browning
dari Inggris pada tahun 1871 berdasarkan keinginan untuk mensimulasikan
penerbangan dalam atmosfer. Hingga saat ini terowongan angin mengalami
perkembangan yang sangat pesat dengan berbagai jenis sesuai dengan kebutuhan.
Diperlukan sarana penelitian aerodinamika kecepatan rendah di Universitas,
untuk menunjang penelitian aeronautika dan non aeronautika. Maka dirancangnya
terowongan angin berskala laboratorium serta dengan fasilitas yang ada diharapkan
dapat menunjang kegiatan penelitian di Universitas.
Fan pada wind tunnel sangat berpengaruh dalam pengujian aerodinamis suatu
objek, karena aliran yang seragam dan stabil sangat berpengaruh dalam pengujian wind
tunnel. Selain pengaruh dari konstruksi wind tunnel, fan dan motor pun ikut berperan
penting untuk menghasilkan aliran / flow stabil yang digunakan untuk pengujian, oleh
karena itu pemilihan fan dan motor haruslah tepat, seperti perhitungan nilai air volume
yang dihasilkan dari fan yang diperlukan untuk pengujian pada test section haruslah
sama atau lebih besar dari yang dibutuhkan, serta daya motor yang dibutuhkan pada
open circuit wind tunnel harus diperhitungkan.
PERMASALAHAN
Cara memilih dan menganalisis fan yang tepat yang akan diinstalasi pada open circuit wind tunnel agar
menghasilkan CFM yang diperlukan pada pengujian, minimal menghasilkan nilai CFM yang sama atau lebih
besar yang dibutuhkan pada test section, serta menghitung daya motor yang akan dubutuhkan pada wind
tunnel, serta instalasi inverter pada fan sebagai pengaturan kecepatan motor, kemudian instalasi fan pada
open circuit wind tunnel ( di bagian outlet diffuser).
BATASAN MASALAH
1. Analisis pemilihan fan yang akan digunakan pada wind tunnel open circuit.
2. Perhitungan Air Volume (CFM) yang dibutuhkan pada test section.
3. Perhitungan energy losses open circuit wind tunnel
4. Perhitungan daya motor yang dibutuhkan.
5. Instalasi fan serta inverter pada wind tunnel.
TUJUAN PENULISAN
Mengetahui cara pemilihan fan dan motor serta cara perhitungan daya motor yang dibutuhkan pada alat
uji aerodinamis yaitu open circuit low subsonic wind tunnel. Selain itu didalam pemilihan fan diharapkan
mampu menghitung nilai air volume/CMH yang diperlukan pada pengujian (test section) di open circuit
wind tunnel.
Open Circuit Wind Tunnel
Keterangan :
1. Inlet
2. Honeycomb
3. Screen
4. Contraction
5. Test Section
6. Difusser
7. Fan (Power Drive)
Dimensi Ukuran Open Circuit Wind Tunnel
Component Dimension (mm) Material
Settling Chamber
Length : 150
Height : 900
Width : 900
Acrylic
Thickness : 5
Straws
Length : 60
Ø : 10
Case:
Acryclic Clear
Honeycomb:
Straws
Mesh Screen :
Metal
Contraction
Henter : 900
Wenter : 900
Hexit : 300
Wexit : 300
Length: 800
Acrylic Clear
Thickness : 5
Acrylic Clear
Test Section
Length : 600
Height : 300
Width : 300
Acrylic Clear
Thickness : 5
Acrylic Clear
Difusser Henter : 300
Wenter : 300
Hexit : 570
Wexit : 570
Length : 1537
Acrylic Clear
Acrylic Clear
Axial Fan Direct
Fan Spesification
Ø Fan : 560
Length : 545
Jumlah Sudu : 10
ϴ Blade pada
propeller :400
Speed : 1400 RPM
Motor
Spesification
(Name Plate)
Power : 2.2 KW
3HP
Speed : 1430 RPM
I : 5A
V :380V 50Hz
Pole : 4
Phase : 3P
Blade :
Alumunium
coating Chromium
Propeller :
Alumunium
coating Chromium
Case /Ducting :
Steel
Power Drive (Fan dan Motor)
Fungsi utama penggerak daya adalah menjaga kecepatan aliran udara dalam wind
tunnel tetap konstan dan mengkompensasi semua kerugian (loss) dan disipasi tekanan.
Klasifikasi Fan
In
Out
1. Axial Fan 2. Centrifugal Fan
Tipe Axial Fan (Kelebihan dan Kelemahan)
Jenis Fan Kelebihan Kelemahan
Fan Propeller
1. Menghasilkan laju aliran
udara yang tinggi pada
tekanan rendah.
2. Tidak membutuhkan
saluran kerja yang luas
(karena tekanan yang
dihasilkan lebih kecil)
3. Murah,karena
kontruksinya sederhana
4. Mencapai efesiensi
maksimum, hampir
seperti aliran yang
mengalir sendiri, dan
sering digunakan pada
ventilasi atap
5. Dapat mnghasilkan
aliran dengan arah
berlawanan, yang
membantu dalam
penggunaan ventilasi
1. Efisiensi energy
relative rendah
2. Bising
Tube Axial Fan
(prinsipnya dimana fan
propeller ditempatkan
dibagian dalam silinder.)
1. Tekanan lebih tinggi dan
efisiensi operasinya
lebih baik dari pada fan
propeller
2. Cocok untuk tekanan
menengah,penggunaan
laju aliran udara yang
tinggi
3. Dapat dipercepat sampai
sampai ke nilai
kecepatantertentu(karena
putaran massanya
rendah) dan
menghasikan aliran pada
arah berlawanan, yang
berguna dalam berbagai
penggunaan ventilasi
4. Menciptakan tekanan
yang cukup untuk
mengatasi kehilangan di
saluran dengan ruang
yang relative efisien,
1. Relatif mahal
2. Tingkat
kebisingan dan
aliran udara
sedang
3. Efesiensi
energy relative
lebih rendah (65
%)
Axial Fan Direct
1. Cocok untuk
tekanan sedang
sampai dengan
tekanan
tinggi(sampai 500
mm WC)
2. Dapat dipercepat
sampai sampai ke
nilai kecepatan
tertentu(karena
putaran massanya
rendah) dan
menghasikan aliran
pada arah
berlawanan, yang
berguna dalam
berbagai
penggunaan ventilasi
3. Cocok untuk
hubungan langsung
ke as motor
4. Kebanyakan
energinya efisiensi
(mencapai 85 % jika
dilengkapi dengan
fan air foil dan jarak
ruang yang kecil)
1. Relative mahal
dibandingkan fan
impeller
Dasar – Dasar Pemilihan Fan
1. Air Volume
Air volume merupakan jumlah udara yang mampu ditarik oleh fan. Biasa dituliskan
dalam satuan CFM (Cubic Feet per Minute) / CMH (Cubic Meter per Hour).
2. Daya Motor
Daya yang dibutuhkan pada wind tunnel, didapat berdasarkan perhitungan energy
losses wind tunnel. Semakin Panjang terowongan angin yang dibangun, maka
semakin besar pula daya motor yang dibutuhkan.
3. RPM
RPM (Rotation atau Revolutions Per Minute), besaran RPM mengartikan bahwa
berapa banyak fan bisa melakukan putaran satu lingkaran penuh selama satu menit.
semakin tinggi RPM, semakin besar tingkat kebisingannya
4. Static Pressure
Diagram Alir Tahap Proses Analisis Pemilihan Fan dan
Perhitungan Daya Motor Pada Open Circuit Wind Tunnel
Perhitungan Air Volume
Untuk perhitungan kapasitas volume udara yang diperlukan pada test sectiondiketahui berdasarkan dari luas test section dan kecepatan udara yang diinginkan.Diasumsikan kecepatan yang diinginkan adalah 20 m/s.
Q = V x ADimana :Q = Debit aliran fluida (CFM / Cubic feet per minute (Ft3/min))V = Kecepatan aliran fluida (m/s) | kecepatan yang diinginkan : 20 m/sA = Luas test section (m2)
= 30cm x 30cm = 900 cm2 = 0,09 m2
Maka untuk mencari nilai kapasitas volume udaranya adalah :Q = 20 m/s x 0,09 m2 = 1,8 m3/sKonversi ke dalam satuan Cubic Feet per minute / CFM (Ft3/min)1 m3/s = 2119 Ft3/minMaka : 1,8 m3/s x 2119 = 3814,2 Ft3/min (CFM)Jika dikonversikan kedalam CMH :1 Ft3/min = 1,699 m3/h3814,2 Ft3/min x 1,699 = 6480 m3/h (CMH)
Perhitungan Energy Losses Pada Wind
Tunnel
Kerugian energi dihitung dengan berdasarkan pada dimensi dan kerugian yang
disebabkan oleh gesekkan udara dengan dinding terowongan angin. Kehilangan energi
total / tahanan hydraulic pada aliran utamanya karena tahanan gesek dan kehilangan
tahanan (karena eddies (pusaran) pada diffuser). Tahanan gesek utamanya bergantung
pada bilangan Reynolds dan derajat kekasaran ( ε ), sedang kehilangan tekanan
tergantung pada separasi aliran dan turbulensi. Maksud perhitungan ini adalah untuk
mengetahui berapa besar daya motor fan yang dibutuhkan pada terowongan angin.
Perhitungan Energy Losses Pada Settling Chamber
Pada bagian settling chamber terdapat 2 komponen yaitu honeycombs dan screen.
1. Menghitung Energy Losses Pada Honeycombs
Diketahui :
K = 0,30
Do = 30 cm
Mencari terlebih dahulu nilai dimensi Local (D):
D = ?
Aoutlet contraction = Ainlet test section = 30cm x 30cm = 900 cm2
Berdasarkan contraction ratio ( 6 – 9 ) dan luas penampang outlet contraction, maka luas penampang inlet
(Ainlet contraction) sebesar :
Ainlet contraction = CR x Aoutlet contraction
= 8 x 900 cm2
= 7200 cm2
Maka dapat dicari nilai kerugian untuk honeycomb (Ko) :
D = 84,853
Perhitungan Energy Losses Pada Wind
Tunnel
2. Menghitung Energy Losses Pada Screen
Saringan kawat berbentuk segi empat dan terbuat dari bahan kawat besi. Banyaknya
saringan kawat yang digunakan pada terowongan angin sebanyak dua screen. Dan nilai
kerugian energi pada screen yaitu :
Dimana :
n = Banyaknya screen yang digunakan (2 screen)
k = Koefisien screen (0,30)
Maka nilai Ko screen adalah :
Perhitungan Energy Losses Pada Wind Tunnel
3. Menghitung Energy Losses Pada Contraction
Kerugian energi pada kontraksi terutama disebabkan oleh kerugian gesekan. Bahan yang
digunakan untuk contraction yaitu berbahan acrycli clear (acrylic bening/transparan). Dan dari
referensi yang didapat nilai koefisien gesekkan/ friction coefficient (λ) untuk bahan acrylic yaitu
sebesar 0,53 (Lihat pada lampiran 1). Sehingga pada Contraction nilai kerugiannya adalah :
Dimana :
= 0,53
Lc = 87,5 cm
Do = 30 cm
Perhitungan Energy Losses Pada Wind Tunnel
4. Menghitung Energy Losses Pada Test Section
Bahan yang digunakan adalah acrylic clear (transparan). Seperti yang terlihat pada lampiran 1, untuk
nilai koefisin gesek / friction coefficient ( ) sebesar 0,53. Maka kerugian energi pada test section
didefinisikan sebagai berikut :
Dimana :
= 0,53 (Lampiran 1)
L = 60 cm
D = 30 cm (Diameter outlet)
Do = 30 cm (Diameter inlet)
Maka cara perhitungannya adalah sebagai berikut :
Perhitungan Energy Losses Pada Wind Tunnel
5. Menghitung Energy Losses Pada Diffuser
Pada diffuser kerugian energi yang terjadi tidak hanya disebabkan oleh koefisien gesekan, tetapi perlu
diperhitungkan pula pembesaran penampang diffuser dari inlet ke outlet diffuser. Maka kerugian energi
pada diffuser didefinisikan sebagai berikut :
Dimana :
α = Sudut divergensi (5o)
D1 = 30 cm
D2 = 57 cm
Perhitungan Energy Losses Pada Wind Tunnel
6. Menghitung Energy Losses Pada Saluran Discharge
Kerugian energi pada saluran discharge sukar untuk ditentukan, dan umumnya diambil 20% dari energi
yang hilang. Kerugian energi pada saluran discharge nya menjadi :
Ko = 20% x ( Ko honeycomb + Ko Screen + Ko contraction + Ko test section + Ko diffuser )
Ko = 20% x ( 0,0047 + 0,0094 + 0,4523 + 1,06 + 1,4251 )
Ko = 20% x 2,9515
Ko = 0,5903 Maka,
Ktotal = 0,0047 + 0,0094 + 0,4523 + 1,06 + 1,4251 + 0,5903
= 3,5418
No. Bagian Kerugian
1. Honeycomb 0,0047
2. Screen 0.0094
3. Contraction 0,4523
4. Test Section 1,06
5. Diffuser 1,4251
6. Saluran Discharge 0,5903
7. Jumlah Ko 3,5418
8. Energi Rasio 0,2823
Perhitungan Daya Yang Dibutuhkan
Daya total yang dibutuhkan oleh terowongan angin ditentukan oleh energi yang dibutuhkan diseksi uji,
ditambah dengan kerugian energi yang terjadi di terowongan tersebut. Jadi daya yang dibutuhkan pada
terowongan angin tipe terbuka ini, sebagai berikut :
Dimana :
= Massa Jenis Udara pada T = 26,7oC = 1,176 kg/m3
Ao = Luas seksi uji (m) = 30cm x 30cm = 900 cm2 = 0,009 m2
V = Kecepatan udara pada seksi uji (m/s) = 20 m/s
Menghitung Nilai Kecepatan Motor Dari Frekuensi Inverter
Dengan mengetahui nilai frekuensi dari inverter maka untuk mengetahui nilai RPM nya dapat dilihat
pada perhitungan berikut :
Dimana :
N = Putaran motor (RPM)
f = Frekuensi (Hz)
p = Jumlah kutub motor (4)
Misalkan nilai settingan frekuensi pada inverter 35Hz maka
Pemilihan Fan Yang Digunakan
Model
Diameter Blade
PH
Speed PowerCapacity
CMH
St.Press
Pa
Inch mm QTY RPM KW Min Max Min Max
AFD - 560 22.4” 560 10 3
1400 1.1 10000 11800 100 200
1400 2.2 12300 13500 145 200
2800 2.2 8500 14700 175 600
2800 4 14700 19000 290 600
Gambar Teknik Axial Fan Direct
Spesifikasi Fan Dan Motor
Motor Spesification :
AC Motor
Power : 2.2 KW | 3HP
Speed : 1400 RPM
I : 5A
V : 380V
f : 50 - 60Hz
Pole : 4
Phase : 3P
Fan Spesification :
No. Blade : 10
Angle : 40o
Material
Blade :Alluminium Alloy
Ducting : Steel
Shaft : Steel
Adjustable Pitch Propeller
Alat Pendukung
1. Inverter / Speed Drive
Speed drive merupakan sebuah alat pengatur kecepatan motor dengan mengubah
nilai frekuensi dan tegangan yang masuk ke motor. pengaturan nilai frekuensi dan
tegangan ini dimaksudkan untuk mendapatkan kecepatan putaran dan torsi motor yang
di inginkan atau sesuai dengan kebutuhan.
Spesification :
Product Shihlin (Taiwan)
P : 2,2 KW
3 Phase
V : 380 – 440V
f : 50 – 120 HZ
Integrated to PLC Module
Alat Pendukung
2. Magnetic Contactor
Berfungsi sebagai pengendali motor dan inverter maupun komponen listriklainnya. Dengan magnetic contactor tersebut komponen yang terpasang akan lebihmudah untuk dikendalikan dibanding menggunakan saklar biasa.
Spesification
Product Shihlin (Taiwan)
V : 380 – 440V
I : 5A
P : 2.2 KW | 3HP
Alat Pendukung
3. Saklar / Switch
Berfungsi untuk menyambung dan memutus arus listrik yang akan masuk ke dalam
komponen magnetic contactor yang bertujuan untuk menghidupkan dan mengendalikan
fan dan inverter.
Wiring Diagram Rangkaian Fan dan Inverter
Posisi Instalasi Fan dan Inverter Terhadap Open
Circuit Wind Tunnel
Kesimpulan
1. Tipe fan yang digunakan adalah axial fan direct dengan ukuran 22,4” (560mm). Tipen fan axial ini
dipilih karena mudah dalam instalasinya, dan ukurannya sesuai dengan outlet pada diffuser serta
memiliki spesifikasi yang dibutuhkan. Fan dengan penggerak dari motor listrik dengan daya 2,2
KW, 3fasa, tegangan 380V (50-60 Hz), serta motor speed 1400 RPM. Fan memiliki jumlah 10
blade, dimana propeller nya adjustable (dapat disesuaikan/diatur sudut bilahnya). Dalam tugas akhir
ini blade diatur pada sudut 40o.
2. Dari hasil dan analisa perhitungan yang telah dilakukan nilai minimal air volume yang diperlukan
pada bagian test section sebesar 6480 CMH (Cubic Meter Hour).
3. Analisa dari perhitungan Energy losses (kerugian energi) dari setiap komponen pada open circuit
wind tunnel yaitu settling chamber ( untuk nilai Honeycomb nilai Ko = 0,0047 dan screen nilai Ko =
0,0094) , contraction dengan nilai Ko = 0,4523, test section nilai Ko = 1,06 , Diffuser nilai Ko =
1,4251, dan saluran discharge nilai Ko = 0,5903. Total dari keseluruhan nilai tersebut dijumlahkan
Ko total = 3,5418. Nilai total ini digunakan untuk perhitungan daya motor yang dibutuhkan. Dimana
nilai daya motor yang dibutuhkan dari hasil perhitungan pada BAB IV sebesar 1,9 KW -> 2KW.
4. Komponen tambahan untuk fan yang akan diinstalasi pada open circuit wind tunnel ini adalah
inverter. Inverter atau variable speed adalah alat yang berfungsi untuk mengatur putaran motor fan
sesuai kebutuhan saat pengujian. Pengaturan kecepatan motor dari inverter ini mengacu pada
frekuensi yang diinginkan.
Saran
1. Pada bentuk outlet diffuser disesuaikan dengan ukuran bentuk inlet pada ducting
fan agar hasil kecepatan angin lebih stabil.
2. Instalasi RPM meter pada motor fan, agar lebih mudah untuk mengetahui berapa
nilai kecepatan motor saat pengujian.
3. Dalam pemilihan inverter yang akan digunakan harus disesuaikan dengan
spesifikasi motor fan yang digunakan. Lebih baik lagi spesifikasi inverter seperti
daya pada inverter lebih besar dari daya motor fan.
SEKIAN
&
TERIMA KASIH