ANALISIS PEMILIHAN FAN DAN PERHITUNGAN DAYA MOTOR PADA OPEN CIRCUIT WIND TUNNEL Nama : Rachmat Shaleh NPM : 25411710 Jurusan : Teknik Mesin Fakultas : Teknologi Industri Pembimbing : Dr. Ing. Mohamad Yamin
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 Case: Acryclic Clear Contraction Test Section Acrylic Thickness : 5 Straws Length : 60 Ø : 10 Henter : 900 Wenter : 900 Hexit : 300 Wexit : 300 Length: 800 Acrylic Clear Thickness : 5 Length : 600 Height : 300 Width : 300 Acrylic Clear Thickness : 5 Honeycomb: Straws Mesh Screen : Metal Acrylic Clear Acrylic Clear Axial Fan Direct Fan Spesification Ø Fan : 560 Length : 545 Jumlah Sudu : 10 ϴ Blade pada propeller :40 0 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 Difusser Henter : 300 Wenter : 300 Hexit : 570 Wexit : 570 Length : 1537 Acrylic Clear Acrylic Clear
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 1. Axial Fan 2. Centrifugal Fan Out In
Tipe Axial Fan (Kelebihan dan Kelemahan) Jenis Fan Kelebihan Kelemahan Fan Propeller Tube Axial Fan (prinsipnya dimana fan propeller ditempatkan dibagian dalam silinder.) 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. 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. Efisiensi energy relative rendah 2. Bising 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 section diketahui berdasarkan dari luas test section dan kecepatan udara yang diinginkan. Diasumsikan kecepatan yang diinginkan adalah 20 m/s. Q = V x A Dimana : Q = Debit aliran fluida (CFM / Cubic feet per minute (Ft 3 /min)) V = Kecepatan aliran fluida (m/s) kecepatan yang diinginkan : 20 m/s A = Luas test section (m 2 ) = 30cm x 30cm = 900 cm 2 = 0,09 m 2 Maka untuk mencari nilai kapasitas volume udaranya adalah : Q = 20 m/s x 0,09 m 2 = 1,8 m 3 /s Konversi ke dalam satuan Cubic Feet per minute / CFM (Ft 3 /min) 1 m 3 /s = 2119 Ft 3 /min Maka : 1,8 m 3 /s x 2119 = 3814,2 Ft 3 /min (CFM) Jika dikonversikan kedalam CMH : 1 Ft 3 /min = 1,699 m 3 /h 3814,2 Ft 3 /min x 1,699 = 6480 m 3 /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.
= 7200 cm 2 Maka dapat dicari nilai kerugian untuk honeycomb (K o ) : 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 D o = 30 cm Mencari terlebih dahulu nilai dimensi Local (D): D =? A outlet contraction = A inlet test section = 30cm x 30cm = 900 cm 2 Berdasarkan contraction ratio ( 6 9 ) dan luas penampang outlet contraction, maka luas penampang inlet (A inlet contraction ) sebesar : A inlet contraction = CR x A outlet contraction = 8 x 900 cm 2 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 K o 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 L c = 87,5 cm D o = 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 (5 o ) D1 D2 = 30 cm = 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 : K o = 20% x ( K o honeycomb + K o Screen + K o contraction + K o test section + K o diffuser ) K o = 20% x ( 0,0047 + 0,0094 + 0,4523 + 1,06 + 1,4251 ) K o = 20% x 2,9515 = 0,5903 Maka, K o K total = 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 K o 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 A o V = Luas seksi uji (m) = 30cm x 30cm = 900 cm2 = 0,009 m2 = 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 Diameter Blade Speed Power Model PH Capacity CMH St.Press Pa Inch mm QTY RPM KW Min Max Min Max 1400 1.1 10000 11800 100 200 AFD - 560 22.4 560 10 3 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 : 40 o 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 listrik lainnya. Dengan magnetic contactor tersebut komponen yang terpasang akan lebih mudah 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 40 o. 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 K o = 0,0047 dan screen nilai K o = 0,0094), contraction dengan nilai K o = 0,4523, test section nilai K o = 1,06, Diffuser nilai K o = 1,4251, dan saluran discharge nilai K o = 0,5903. Total dari keseluruhan nilai tersebut dijumlahkan K o 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