BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Tinjauan Umum Model Skala Centrifugal Fan Secara teknis, fan dan blower merupakan dua alat/mesin yang berbeda yang memiliki fungsi yang sama yaitu memindahkan sejumlah udara atau gas pada tekanan tertentu. Istilah fan digunakan untuk menyatakan mesin yang tekanannya tidak melebihi 2 psig, sedangkan blower untuk menyatakan mesin dengan tekanan discharge antara 2 10 psig. Untuk mesin dengan tekanan discharge di atas 10 psig disebut sebagai kompresor. Istilah blower juga digunakan untuk kompresor rotari (positive displacement) kapasitas aliran rendah yang memiliki rasio kompresi tinggi Klasifikasi Fan Fan dapat diklasifikasikan dalam 2 (dua) tipe yaitu: axial dan centrifugal. Axial fan beroperasi seperti propeler, yang menghasilkan aliran udara disepanjang porosnya. Axial fan dapat dibagi menjadi 3 jenis, yaitu: tube-axial fan, vane axial fan dan propeller fan, yang dapat dilihat pada Gambar 2.1. Tube-axial fan lebih efisien dari pada propeller fan dengan ciri housing fan yang berbentuk silinder dipasang teapt pada radius ujung blade, dan diaplikasikan untuk sistem pemanas, ventilasi, air conditioning dan industri, dengan tekanan rendah dan jumlah volume udara yang dialirkan besar. Vane axial fan merupakan fan axial dengan efisiensi tinggi dengan ciri housing fan yang berbentuk silinder dipasang tepat pada radius blade, dan diaplikasikan untuk sistem sistem pemanas, ventilasi, dan air conditioning yang memerlukan aliran lurus dan efisiensi tinggi. Propeller fan merupakan desain dasar fan aksial yang diaplikasikan untuk tekanan rendah dan volume udara

2 yang dialirkan sangat besar volume. Fan jenis ini biasa diaplikasikan untuk sistem ventilasi yang menembus tembok. Gambar 2.1. Tiga Jenis Blade Axial Fan Tipe kedua yaitu centrifugal fan menghasilkan aliran udara dengan mempercepat arus udara secara radial dan mengubah energi kinetik menjadi tekanan. Centrifugal fan dapat menghasilkan tekanan tinggi dengan efisiensi tinggi, dan dapat dibuat dalam berbagai tingkat kondisi operasional. Fan jenis ini memiliki beberapa jenis blade. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.2 (a) forward curve, (b) radial blade, (c) radial tip, (d) backward-inclined, dan (e) air foil. (a) (b) (c) (d) (e) Gambar 2.2. Lima Jenis Blade Centrifugal Fan

3 Forward curve fan memiliki kecepatan putar yang sangat rendah untuk mengalirkan sejumlah udara serta bentuk lengkungan blade menghadap arah putaran, sehingga kurang efisien dibandingkan tipe air foil dan backward inclined. Fan jenis ini biasanya diaplikasikan untuk sistem pemanas bertekanan rendah, ventilasi, dan air conditioning radial blade fan secara umum yang paling efisien diantara centrifugal fan yang memiliki bentuk blade mengarah titik poros. Fan jenis ini digunakan untuk pemindahan bahan dan industri yang membutuhkan fan dengan tekanan di atas menengah. Radial tip fan lebih efisien dibandingkan fan tipe radial blade yang di desain tahan terhadap keausan dan aliran udara yang erosif. Backward-inclined fan memiliki blade yang lurus dengan ketebalan tunggal. Fan ini diaplikasikan pada sistem pemanas, ventilasi, air conditioning dan industri dimana blade akan mengalami lingkungan yang korosif dan lingkungan yang erosif. Air foil fan adalah tipe centrifugal fan yang dikembangkan untuk memperoleh efisiensi tinggi. Fan ini diaplikasikan pada sistem pemanas, ventilasi, air conditioning dan udara bersih industri dimana penghematan energi sangatlah penting Prinsip dan Desain Pengujian Model Skala Persyaratan dari suatu model yang diskalakan harus memenuhi ketiga tujuan berikut ini: a. Dapat mentranformasikan secara proporsional fitur pada kondisi asli yang sulit untuk ditangani sehingga dapat dikelola, seperti: ukuran yang sangat besar, aliran yang sangat lambat, pelepasan energi yang sangat cepat, dan dimensi yang mikroskopis. b. Memperpendek waktu eksperimen dengan menyederhanakan sejumlah variabel. c. Dapat memberikan pemahaman yang mendalam terhadap suatu fenomena. Berbagai jenis model telah banyak digunakan dengan tujuan yang berbeda, antara lain: a. Model subjektif, model ini merupakan model konseptual yang dikembangkan oleh filsuf atau sosiologis, untuk merefleksikan pandangannya terhadap struktur kemanusiaan dan lingkungan sosial.

4 b. Model kualitatif, model ini merupakan model yang sesuai dengan spesifikasi, contohnya: i. Breadboard model, yang memiliki sedikit kemiripan, namun fisiknya dapat membantu dalam memastikan suatu alat baru dapat berfungsi dengan baik ii. Mock-up model, yang menampilkan bagian eksternal dari suatu konsep baru namun kurang berfungsi dengan baik. iii. Test bed, pilot plant, dan development model, yang merupakan perangkaian awal elemen yang esensial dari mesin baru, dengan tujuan untuk mengetahui adanya malfuction dan untuk mengarahkan pengembangan selanjutnya. iv. Prototype, merupakan produk akhir dari tahap pengembangan, dapat dilakukan penyesuaian final dan mengawali suatu seri dari produksi awal. c. Model Analog, model ini dirancang untuk menampilkan hubungan kuantitatif antar parameter yang dapat diatur, contoh sederhananya: model boneka dari mobil, kapal, pesawat terbang, dan peta geografi. d. Model Matematis, model ini berkembang dengan adanya komputer dan analisis sistem yang diterapkan mulai ilmu pengetahuan hingga keilmuan yang tidak dapat diukur secara kualitatif seperti, perilaku manusia, proses kejiwaan, fungsi biologis, rencana tata kota, dan management. e. Model Skala, merupakan suatu model eksperimen/pengujian untuk menampilkan perilaku fisik dari suatu fenomena asli, atau suatu prototype Bahan Poros Pada Centrifugal Fan Dalam penelitian ini, poros ditumpu oleh dua buah bantalan yang terhubung dengan motor listrik melalui V Belt serta puli pada gambar 3.1 dengan data sebagai berikut : Daya motor : 1 HP Voltage : 380 volt Phase : 3 Frekuensi : 50 Hz

5 Diameter puli : 100 mm di elektro motor 100 mm di fan/ blade Diameter poros : 25 mm Jenis Bantalan : bantalan bola (UKF 206 J/ FYH) V-Belt : A-37 (MITSUBOSHI)

6 Gambar 2.3. Skematik bahan uji backward inclined curve centrifugal fan 2 SWSI ; (1) Fan casing, (2) Fan impeller, (3) bantalan, (4) poros fan (5) Puli Fan, (6) V-belt, (7) Puli Motor, dan (8) Motor penggerak.

7 Material yang digunakan pada poros adalah DURINOX F12N sesuai data terlampir, dengan data sebagai berikut : Tensile Strenght : 455 Mpa Modulus Elastisitas : 220 GPa 2.2. Pengertian Dan Fungsi Poros Poros merupakan salah satu bagian terpenting dalam setiap mesin yang berfungsi untuk meneruskan daya dan putaran. Poros adalah suatu bagian stasioner yang berputar, biasanya berpenampang bulat, dimana terpasang elemenelemen seperti roda gigi, pulley, roda gila (flywheel), engkol, sproket, dan elemen pemindah daya lainnya. Poros bisa menerima lenturan, tarikan, tekan, atau puntiran, yang bekerja sendiri-sendiri atau berupa gabungan satu dengan lainnya. Bila beban tersebut tergabung, kita bisa mengharapkan untuk mencari kekuatan statis dan kekuatan lelah yang perlu untuk pertimbangan perencanaan, karena suatu poros tunggal bisa diberi tegangan-tegangan statis, tegangan bolak-balik lengkap, tegangan berulang, yang semuanya bekerja pada waktu yang sama Macam Macam Poros Menurut pembebanannya poros diklasifikasikan menjadi : a) Poros transmisi Poros macam ini mendapat beban puntir murni atau puntir dan lentur. Daya ditransmisikan kepada poros ini melalui kopling, roda gigi, puli sabuk atau sproket rantai.

8 b) Poros spindel Poros transmisi yang relatif pendek, seperti poros utama mesin perkakas, dimana beban utamanya berupa puntiran, disebut spindel. Syarat yang harus yang dipenuhi poros ini adalah deformasinya harus kecil dan bentuk serta ukurannya harus teliti. c) Poros gandar Poros seperti yang dipasang diantara roda-roda kereta barang, dimana tidak mendapat beban puntir, bahkan kadang-kadang tidak boleh berputar, disebut gandar. Gandar ini hanya mendapat beban lentur, kecuali jika digerakkan oleh penggerak mula dimana akan mengalami beban puntir juga Diameter Poros Dalam perhitungan diameter poros ada beberapa hal yang perlu diperhatikan yakni faktor koreksi yang dianjurkan ASME dan juga dipakai disini. Faktor koreksi akibat terjadinya tumbukan yang dinyatakan dengan K t, jika beban dikenakan beban secara halus, maka dipilih sebesar 1,0. Jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan, maka dipilih sebesar 1,0-1,5. Jika beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan besar, maka dipilih sebesar 1,5-3,0. Dalam hal ini harga K t diambil sebesar 3 karena cangkang terhisap langsung kedalam mesin fan sehingga mendapatkan beban kejut atau tumbukan yang besar secara tiba-tiba. Meskipun dalam perkiraan sementara ditetapkan bahwa beban hanya terdiri atas momen puntir saja, perlu ditinjau pula apakah ada kemungkinan pemakaian

9 dengan beban lentur. Dimana untuk perkiraan sementara ditetapkan bahwa beban hanya terjadi karena momen puntir saja dengan harga diantara 1,2-2,3 (jika diperkirakan tidak akan terjadi pembebanan lentur maka Cb diambil 1,0), dalam perencanaan diambil faktor koreksinya sebesar 1,2. Maka rumus untuk merencanakan diameter poros d s diproleh: d s = 5,1 K t C b T τ a [4, hal.8] dimana : d s = diameter poros yang direncanakan (mm) τ a = kekuatan tarik bahan (kg/mm 2 ) K t = faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya tumbukan C b = faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban lentur Daya Poros Di stasiun Kernel pada Pabrik Kelapa Sawit, poros Depericarper Fan akan mendapatkan daya dari boiler. Daya tersebut akan ditransmisikan dari turbin ke poros melalui V-Belt. Daya merupakan daya nominal output dari motor penggerak dalam hal ini turbin uap. Daya yang besar mungkin diperlukan pada saat mulai (start), atau mungkin beban yang besar terus bekerja setelah start. Dengan demikian sering diperlukan koreksi pada daya rata-rata yang diperlukan dengan menggunakan faktor koreksi pada perencanaan.

10 Ada beberapa jenis faktor koreksi sesuai dengan daya yang akan ditransmisikan sesuai dengan tabel 2.1. Tabel 2.1 Jenis-jenis faktor koreksi berdasarkan daya yang ditransmisikan Daya yang ditransmisikan f c Daya rata-rata yang diperlukan 1,2-2,0 Daya maksimum yang diperlukan 0,8 1,2 Daya normal 1,0 1,5 Sumber: Sularso,Kiyokatsu Suga, Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin. Dalam perhitungan poros ini diambil daya rata-rata sebagai daya rencana dengan faktor koreksi sebesar fc = 2,0. Harga ini diambil dengan pertimbangan bahwa daya yang direncanakan akan lebih besar dari daya maksimum sehingga poros yang akan direncanakan semakin aman terhadap kegagalan akibat momen puntir yang terlalu besar. Sehingga besar daya rencana P d yaitu : P d = N.f c [4, hal. 7] Dimana : P d = daya rencana (kw) f c = faktor koreksi N = daya normal keluaran motor penggerak (kw) Dengan adanya daya dan putaran, maka poros akan mendapat beban berupa momen puntir. Oleh karena itu dalam penentuan ukuran-ukuran utama

11 poros akan dihitung berdasarkan beban puntir serta kemungkinan-kemungkinan kejutan/tumbukan dalam pembebanan, seperti pada saat motor mulai berjalan. Besarnya momen puntir yang dikerjakan pada poros dapat dihitung : Dimana : T = 9, T = momen puntir rencana (kg.mm) P d = daya rencana (kw) n = putaran (rpm) P d.[4, hal. 7] n Bahan poros yang direncanakan adalah baja cor yaitu jenis baja karbon tinggi dengan kadar C > 0,5 %. Baja karbon konstruksi mesin (disebut bahan S-C) dihasilkan dari ingot yang dikil (baja yang dioksidasikan dengan ferrosilikon dan dicor), kadar karbon terjamin. Jenis-jenis baja S-C beserta dengan kekuatan tariknya dapat dilihat dari tabel 2.2. Tabel 2.2 Baja karbon untuk konstruksi mesin dan baja batang yang difinis dingin untuk poros. Standar dan macam Baja karbon konstruksi mesin (JIS G 4501) Lambang S30C S35C S40C S45C S50C S55C Perlakuan panas Penormalan Kekuatan tarik (kg/mm 2 ) Keterangan Sumber: Sularso,Kiyokatsu Suga, Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin.

12 Dalam perencanaan poros ini dipilih bahan jenis S30C yang dalam 2 perencanaannya diambil kekuatan tarik sebesar σ b = 48kg / mm. Maka tegangan puntir izin dari bahan dapat diperoleh dari rumus : Dimana : σ b τ a = sf.sf [4, hal. 8] 1 2 τ a = tegangan geser izin (kg/mm 2 ) σ b = kekuatan tarik bahan (kg/mm 2 ) S f1 = faktor keamanan yang bergantung kepada jenis bahan. S f2 = faktor keamanan yang bergantung pada bentuk poros (harga 1,3-3,0) Sesuai dengan standar ASME, batas kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik σ, dimana untuk harga ini faktor keamanan diambil sebesar 1 b =5,6. Harga 5,6 diambil untuk bahan SF dan 6,0 untuk bahan S-C dengan pengaruh massa dan baja paduan. Harga S f1 diambil 6 karena dalam perencanaan pemilihan bahan diambil jenis S30C. Sedangakan nilai S f2, karena poros yang dirancang merupakan poros bertingkat, sehingga dalam perencanaannya faktor keamanan diambil 1,4. 0, Pemeriksaan Kekuatan Poros Ukuran poros yang telah direncanakan harus diuji kekuatannya. Pengujian dilakukan dilakukan dengan memeriksa tegangan geser yang terjadi (akibat momen puntir) yang bekerja pada poros. Apabila tegangan geser ini melampaui

13 tegangan geser izin yang dapat ditahan oleh bahan maka poros mengalami kegagalan. Besar tegangan geser akibat momen puntir yang bekerja pada poros diperoleh dari: τ p = 16T π d....[2, hal. 263] 3 s dimana: τ p = tegangan geser akibat momen puntir ( kg/mm 2 ) T = momen puntir yang terjadi (direncanakan) ( kg.mm ) d s = diameter poros ( mm ) 2.7 Pemilihan Bahan a. Impeller Dalam penelitian ini bahan impeler centrifugal fan terbuat dari pelat ferritic stainless steel buatan Durinox grade F12N [8], seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.4. Gambar 2.4. Model Skala Impeler Centrifugal Fan

14 Komposisi kimia ferritic stainless stell plate Durinox F12N antara lain: Carbon : 0.01 % Chromium : 11.5 % Ni : 0.4 % PRE : 11,5 % Stainless steel grade PRE (pitting resistance equivalent) adalah petunjuk tingkat ketahanan stainless steel terhadap korosi, semakin tinggi nilainya maka semakin baik ketahanannya terhadap korosi. b. Bantalan Dalam penelitian ini Bantalan yang digunakan adalah bantalan bola unit terpadu (ball bearing units) model square four bolt flanged UKF 206 J merk FYH, seperti pada Tabel 2.3. Tabel.2.3. Spesifikasi Bantalan Bola Unit Terpadu Model Square Four Bolt Flanged Bantalan bola unit terpadu FYH dibuat dengan bentuk yang bervariasi untuk memenuhi standar bantalan bola deep groove dan housing yang lubrikasinya terlindungi. Bantalan ini memiliki keunggulan self-aligning hingga 3 o untuk yang tipe standar dan 1 o untuk yang dilengkapi dengan penutup (cover),

15 yang memudahkan dalam pemasangan serta dilengkapi dengan nipples lubrikasi (gemuk) agarmemudahkan dalam pelaksanaan lubrikasi kembali, seperti pada gambar 2.5. Gambar.2.5. Bantalan c. Poros Dalam penelitian ini bahan Poros yang digunakan adalah baja karbon konstruksi mesin (disebut bahan S-C) yang dihasilkan dari ingot yang dikil (baja yang dideoksidasikan dengan ferrosilikon dan di cor, kadar karbon terjamin). Meskipun demikian, bahan ini agak kurang tetap dan dapat mengalami deformasi karena tegangan yang kurang seimbang misalnya bila diberi alur pasak karena ada tegangan sisa di dalam terasnya, seperti yang dapat di lihat pada gambar 2.6. Gambar 2.6. Poros

16 d. Pulley Jarak yang jauh antara dua buah poros sering tidak memungkinkan transmisi langsung dengan roda gigi. Dalam hal demikian, cara transmisi putaran atau daya yang lain dapat diterapkan, dimana sebuah sabuk-v dibelitkan sekelilig puli. Puli ini berpenampang bulat dengan diameter (4 in) bertujuan untuk menghubungkan antara poros penggerak dengan poros motor, seperti yang dapat dilihat pada gambar Kondisi Pembebanan Poros Dari hasil pengamatan survey pada Depericarper Fan skala model, poros yang direncanakan ditumpu oleh dua buah bantalan (bearing) serta menumpu satu Impeller (fan), dan satu buah pulley untuk menghubungkan ke motor penggeraknya. Dengan kondisi pembebanan yang terjadi pada Poros dapat di lihat pada gambar 2.8 di bawah ini. W 1 W 2 W 3 A B Gambar 2.8. Kondisi Pembebanan pada Poros

17 Keterangan gambar: 1. Impeller 2. Pulley 3. Bearing (Bantalan) 4. Poros 5. Bearing (Bantalan) Dalam ilmu statika struktur, kita mengenal berbagai jenis tumpuan, yakni : roller (rol), pada tumpuan jenis terdapat 1 variabel (kita misalkan tumpuan itu adalah A, maka variabelnya R AY arah sumbu y). Kedua adalah pin (engsel), pada tumpuan jenis ini terdapat 2 variabel (kita misalkan tumpuan itu sama yakni A, maka variabelnya R AY untuk sumbu y dan R AX untuk sumbu x). Berikutnya overhang (jepitan), pada tumpuan ini terdapat 3 variabel (dengan permisalan yang sama, maka variabelnya R AY arah sumbu y, R AX arah sumbu x dan M A momen yang terjadi). Dan terakhir adalah kabel (batang) dengan variabel T. Suatu benda yang mendapat pembebanan, maka benda tersebut mendapat gaya yang diperoleh dari luar yang disebut gaya luar yakni: gaya berat, gaya reaksi dan gaya yang diberikan (load) dapat dilihat pada gambar 2.7. N Y M V M N X V N X N Y Gambar 2.9. Jenis-Jenis Gaya Dalam

18 Sedangkan gaya yang diperoleh dari dalam benda tersebut yang seterusnya disebut gaya dalam yakni: gaya normal (N), gaya geser (V) dan momen lentur (M) dapat dilihat pada gambar 2.8. F A B R A Y W Gambar Jenis-Jenis Gaya Luar R BY 2.9. MSC/NASTRAN 4.5 Metode Elemen Hingga (MEH) yang digunakan untuk menganalisa struktur diselesaikan dengan bantuan NASTRAN, suatu paket program yang dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat Schwendler Corporation adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan MSC/NASTRAN, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan MSC/NASTRAN. Tidak ada masalah dimana kita membuat geometry, kita dapat memakai untuk membuat model elemen hingga yang lengkap. Mesh, dapat dibuat dengan banyak metode: secara manual sampai automatis. Pemakaian material dan penentuan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari MSC/NASTRAN s libraries. Demikian juga banyak tipe kondisi batas dan kondisi pembebanan dapat diterapkan. Analisa tegangan dengan metode elemen hingga dapat memecahkan beberapa kasus banyak menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur dua dimensi digunakan karena praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi dengan metode elemen hingga mendekati masalah yang sebenarnya.

19 Kajian numerik yang umum digunakan dilakukan dengan dua cara yaitu dengan beda hingga dan elemen hingga. Beda hingga (finite difference) dilakukan dengan mendiskretisasi persamaan differensial. Metode ini memiliki kelemahan utama yaitu syarat-syarat batasnya sangat susah dipenuhi. Kelemahan yang lain adalah akurasi hasil perhitungan yang relatif rendah. Kajian elemen hingga adalah analisis pendekatan yang berasumsi peralihan atau asumsi tegangan atau berdasarkan kombinasi keduanya pada setiap elemennya. Mesh dapat dibuat dengan berbagai metode yaitu Generate Between, Generate Region, On Geometry, Boundary Mesh, dan Transition. Material dan sifat material dapat dibuat atau dipilih dari MSC/NASTRAN libraries. MSC/NASTRAN juga dapat menampilkan secara grafik setiap langkah proses modelling dan masih banyak lagi keunggulan dan kemudahan yang disediakannya.