PENINGKATAN VOLUMETRIC FLOW RATE VENTILASI TURBINE VENTILATOR
Teguh Hady Ariwibowo1), Triyogi Yuwono2)
Mahasiswa Pascasarjana Jurusan Teknik Mesin ITS1)
Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin ITS 2)
Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Indonesia
Phone: 0062-852-3036-71291)
E-mail :[email protected]), [email protected])
ABSTRAK
Turbine ventilator merupakan alat ventilasi yang telah diaplikasikan pada berbagai macam bangunan. Namun pengembangan turbine ventilator tidak mengalami banyak perubahan sejak pertamakali ditemukan. Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh jumlah sudu inner fan terhadap peningkatan volumetric flow rate ventilasi turbine ventilator dengan melakukan tinjauan eksperimen. Turbine ventilator yang diuji terpasang pada sebuah cerobong yang terhubung dengan sebuah plenum. Inner fan dipasang di dalam cerobong. Sebuah blower dipasang pada ketinggian yang sama dengan turbine ventilator. Aliran angin free stream pada kondisi riil diasumsikan dengan aliran angin free stream blower. Sudu yang dipergunakan tipe NACA 0015. Eksperimen dilakukan pada variasi jumlah sudu 3, 4, 6, dan 8 dengan sudut sudu 30o dengan variasi kecepatan angin free stream 1.5, 3, 4.5, dan 6 m/s. Inner fan tersebut berputar pada 500 RPM. Hasil penelitian menunjukkan peningkatan jumlah sudu inner fan dapat meningkatkan volumetric flow rate ventilasi turbine ventilator. Jika dibandingkan volumetric flow rate rata-rata jumlah sudu 3, jumlah sudu 4 menghasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.073 kali, jumlah sudu 6 menghasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.136 kali dan jumlah sudu 8 menghasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.148 kali.
Kata kunci: turbine ventilator, ventilasi, inner fan 1. PENDAHULUAN
Ventilasi bangunan merupakan bagian bangunan yang berguna mengatur aliran udara dalam bangunan sehingga udara di dalam bangunan dapat mendukung aktivitas manusia dalam bangunan tersebut [2]. Ventilasi telah menjadi salah satu ilmu yang diperlukan desainer sistem bangunan, ilmuwan dan engineer yang terlibat dalam pembuatan hunian yang sehat [2]. Beberapa lembaga telah mengeluarkan standar-standar tentang ventilasi berbagai macam bangunan. Lai [6] menyatakan standar tersebut dibuat berdasarkan variasi debit yang besar, kondisi lingkungan, kualitas udara, faktor ekonomi, dan kebiasaan hidup penghuni.
Turbine ventilator merupakan alat ventilasi yang ditemu- kan Vaughn H. Meadows pada tahun 1929. Alat ini digerak- kan oleh aliran angin diluar bangunan. Turbin ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu: inner fan dan turbine. Turbine
menghasilkan gaya seret dan menyebabkan inner fan yang
terhubung shaft dengan turbine dapat ikut berputar. Gerakan
ini menghasilkan tekanan negatif di dalam Turbine ventilator
sehingga udara terhisap dari dasar saluran.
Lai [6] melakukan modifikasi untuk mengetahui
pengaruh pemasangan inner fan pada flowrate turbine
ventilator. Penelitian tersebut menunjukkan adanya kenaikan
flow rate pada turbine ventilator yang memakai inner fan
namun kenaikan flow rate tersebut tidak signifikan. Hal ini
dikarenakan karakter sudu tidak dikaji mendalam. NACA
0015 dipergunakan sebagai sudu inner fan dikarenakan
karakter aerodinamikanya lebih unggul jika dibandingkan airfoil simetri lainnya [7].
Istilah jumlah sudu biasanya dikenal dengan solidity ratio.
Hansen [4] menyatakan bahwa solidity ratio merupakan
perkalian jumlah sudu dengan panjang korda sebuah airfoil pada jari-jari tertentu dibagi dengan keliling lingkaran pada jari-jari tersebut. Sehingga, berdasarkan pernyataan tersebut dapat ditulis 3 sudu memiliki solidity ratio 0.175, 4 sudu memiliki solidity ratio 0.234, 6 sudu memiliki solidity ratio
0.351, dan 8 sudu memiliki solidity ratio 0.467.
Ahmed dkk [1] telah melakukan kajian numerik terhadap pengaruh solidity ratio pada kasus cascade airfoil NACA
0012. Kajian ini menyimpulkan bahwa peningkatan solidity
ratio menyebabkan titik separasi maju mendekati leading
edge. Peningkatan solidity ratio dapat menurunkan koefisien
tekanan sisi hisap trailing edge. Penurunan solidity ratio juga
dapat menurunkan ketebalan boundary layer. Eftekhari dkk
[3] telah meneliti pengaruh peningkatan solidity ratio pada
airfoil axial compressor NGTE 10C4/30C5. Didapatkan
peningkatan solidity ratio dapat menurunkan tekanan,
meningkatkan kecepatan aliran.
Usaha pengoptimalan penggunaan inner fan juga ditun-
jukkan Shun dan Ahmed [8] dengan cara penambahan pho- tovoltaic sebagai energy generator inner fan. Akan tetapi,
pada kecepatan aliran angin tertentu, penggunaan photo-
voltaic memiliki kinerja yang lebih buruk jika dibandingkan
turbine ventilator tanpa penambahan photovoltaic. Berdasar- kan pertimbangan tersebut maka pada penelitian ini difokus-
kan untuk melakukan modifikasi jumlah sudu inner fan
turbine ventilator agar diperoleh volumetric flow rate venti-
lasi yang maksimal.
2. METODOLOGI PENELITIAN
Pada penelitian ini, dilakukan pengujian jumlah sudu inner
fan 3, 4, 6 dan 8 pada variasi kecepatan angin free stream
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
variable speed drive merek Altivar 312 yang telah dikalibrasi
sebelumnya dengan anemoneter. Adapun turbine ventilator
yang digunakan adalah tipe curved berdiameter dalam 45,7 cm dan diameter luar 60,7 cm.
Pada Gambar 1, inner fan berada pada cerobong
menghubungkan plenum yang berukuran panjang 1 m, lebar
1 m, dan tinggi 2,3 m. Inner fan berkecepatan angular
konstan 500 rpm. Sudu inner fan menggunakan airfoil
NACA 0015 dengan panjang cord 5 cm dan span 16 cm.
Pengaturan kecepatan inner fan menggunakan modul
AVR Micro System yang terhubung dengan EMS 30 A H-Bridge sebagai actuator. Sedangkan, pengukuran tekanan
menggunakan low pressure transmitter merek omega tipe PT
PX655-05BDI yang terhubung pada wall pressure tap dan
pressure static tube. Pressure transmitter tersebut dikalibrasi
terlebih dahulu dengan inclined manometer sebelum dilaku-
kan pengujian. Adapun pengukuran debit menggunakan korelasi antara tekanan statik, tekanan dinamik dan tekanan total pada pitot static tube yang terpasang di plenum.
Gambar 1. Diagram Penelitian Keterangan:
1. Inner fan 6 Generator DC
2. Turbine ventilator 7. Blower
3. Pressure Transduser 8. Anemometer
4. Inlet 9. Plenum
5 Rotary Encoder 10. Nozzle
Pengaruh jumlah sudu inner fan terhadap volumetric flow
rate dilakukan pengujian seperti Gambar 2. Agar pengaruh
pengubahan jumlah sudut terhadap volumetric flow rate
dapat diamati maka perlu kiranya memastikan plenum tidak
mengalami kebocoran. Kebocoran tersebut dapat dideteksi dengan penurunan rendahnya penurunan tekanan statik di
plenum. Gambar 2 menunjukkan terdapat 2 loop dalam
pengujian. Loop 1 menunjukkan peningkatan aliran angin
free stream terhadap sebuah variasi jumlah sudu sedangkan
loop 2 menunjukkan penambahan jumlah sudu jika variasi
kecepatan angin free stream pada loop 1 sudah selesai.
Gambar 2. Diagram Alir Penelitian
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 3 menunjukkan penurunan tekanan statis plenum
terhadap variasi kecepatan angin. Secara umum, penam-
bahan jumlah sudu dapat menurunkan tekanan statis plenum.
Tetapi, terkadang 3 sudu menghasilkan tekanan negatif yang lebih besar daripada 4 sudu. Hal ini dikarenakan pada kece- patan angin free stream yang tinggi 3 sudu mampu mengatasi
blockage effect yang diakibatkan turbine ventilator.
Gambar 3. Tekanan statis plenum terhadap variasi kecepatan angin
Gambar 4 menunjukkan penurunan tekanan dinamik
plenum terhadap variasi kecepatan angin. Pada umumnya,
peningkatan jumlah sudu dapat meningkatkan tekanan dinamik. Tetapi, pada kecepatan angin 5-6 m/s, penggunaan 6 sudu menghasilkan kenaikan tekanan dinamik yang lebih besar dari pada 8 sudu.
Hasil pengukuran beda tekanan antara tekanan statis
cerobong dengan tekanan statis plenum ditunjukkan pada
Gambar 5. Gambar tersebut menunjukkan penambahan jumlah sudu mengakibatkan kenaikan beda tekanan. Tetapi,
pada kecepatan 5,5-6 m/s, Δp yang dihasilkan 3 sudu lebih
besar daripada 4 sudu. Pada kecepatan tersebut, 6 sudu
Penyetingan Ruang Uji Pengesetan Alat Ukur Eksperimen Pengesetan Alat Ukur Eksperimen Menentukan Jumlah Sudu Menentukan Kecepatan Angin Freestream Pengukuran Tekanan Total Plenum Pengukuran Tekanan Statik Plenum Pengukuran Tekanan Statik Cerobong Menyalakan Blower Mematikan Blower Selesai Menambah Jumlah Sudu Meningkatkan Kecepatan Angin Free
Stream
Loop 1 Loop 2
menghasilkan Δp yang lebih besar daripada 8 sudu. Hal ini
dikarenakan, pada kecepatan angin free stream yang tinggi
blockage effect ditimbulkan oleh aliran angin ventilasi inner
fan lebih banyak dari pada dari pada kecepatan angin free
stream kecil. Masuknya tambahan angin free stream ke- dalam ruang plenum menjadikan beda tekanan antara plenum dengan cerobong menjadi sedikit.
Gambar 4. Tekanan dinamik plenum terhadap variasi kecepatan angin
Gambar 5. Delta tekanan statis plenum dan cerobong terha- dap variasi kecepatan angin
Hasil pengukuran debit dapat dilihat pada Gambar 6. Gambar tersebut menunjukkan debit meningkat seiring kenaikan kecepatan angin. Berdasarkan gambar tersebut, pada kecepatan angin 4,5 m/s, debit terbesar terjadi pada
inner fan bersudu 8 sedangkan debit terkecil terjadi pada
inner fan bersudu 3. Akan tetapi, pada kecepatan angin > 5 m/s, debit terbesar terjadi pada inner fan bersudu 6.
Gambar 6. Debit aliran ventilasi terhadap variasi kecepatan angin dan regulasi ventilasi
Berdasarkan regulasi tentang batas terendah debit ven- tilasi untuk kamar mandi yang telah dikeluarkan beberapa
lembaga, penggunaan inner fan telah memenuhi kriteria
batas minimum debit ventilasi seperti yang terlihat pada Gambar 6. Perhitungan nilai batas tersebut menggunakan asumsi ukuran dan penggunaan kamar mandi dan yang telah dipaparkan Lai [5]. Gambar 7 menunjukkan penggunaan
inner fan memberikan peningkatan debit ventilasi yang signifikan. Pada range kecepatan angin sama, penggunaan
inner fan meningkatkan debit ventilasi hampir 4 kali lebih besar jika dibandingkan turbin ventilator yang telah diteliti oleh Khana dkk [5].
Gambar 7. Perbandingan debit ventilasi dengan penelitian Khana dkk [5]
Penggunaan inner fan dapat menghasilkan debit ventilasi
yang lebih besar dari pada tanpa menggunakan inner fan
pada kecepatan angin rendah. Gambar 8 menunjukkan
penggunaan inner fan 3 sudu pada kecepatan angin rendah
dapat menghasilkan debit aliran lebih besar dibandingkan
turbine ventilator pada tanpa menggunakan inner fan pada kecepatan angin tinggi.
Gambar 8. Perbandingan debit ventilasi penelitian saat ini dengan penelitian Lai [6]
Berdasarkan Gambar 3-8, terjadi peningkatan volumetric
flow rate hampir pada setiap penambahan jumlah sudu. Hal ini dikarenakan terjadi peningkatan gaya angkat pada sudu
inner fan secara keseluruhan. Hal ini dikarenakan penamba- han jumlah sudu dapat menurunkan tekanan dan peningkat-
kan kecepatan yang berujung pada peningkatan volumetric
flow rate ventilasi. Tetapi penambahan jumlah sudu perlu dilakukan dengan hati-hati, Ahmed dkk [1] dan Eftekhari dkk [3] menyatakan penambahan jumlah sudu dapat memajukan titik separasi pada sudu yang dapat berakibat pada sudu mengalami stall.
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
4. KESIMPULAN
Empat variasi jumlah sudu inner fan telah dites
menggunakan alat uji dan variasi kecepatan free strem yang
telah ditentukan sebelumnya. Pada kecepatan angin free
stream yang sama, penggunaan inner fan dapat mening-
katkan volumetric flow rate hampir empat kali dibandingkan
tanpa inner fan. Sedangkan, pada kecepatan angin free
stream rendah, pemodifikasian jumlah inner fan dapat
meningkatkan volumetric flow rate hampir dua kali jika
dibandingkan penggunaan inner fan pada kecepatan angin
free stream tinggi.
Secara umum, penambahan jumlah sudu dapat mening- katkan volumetric flow rate ventilasi. Dibandingkan volu- metric flow rate rata-rata jumlah sudu 3, jumlah sudu 4 menghasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.073
kali, jumlah sudu 6 menghasilkan volumetric flow rate
rata-rata lebih besar 1.136 kali dan jumlah sudu 8 meng- hasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.148 kali.
Sedikitnya penelitian yang meneliti pengaruh penggunaan
inner fan terhadap volumetric flow rate ventilasi turbine ventilator menjadi kendala dalam penelitian ini. Selain itu,
penelitian selanjutnya perlu mengkasi fenomena separasi aliran pada sudu-sudu inner fan perlu diamati secara detail agar dapat memberikan gambaran mendetail fenomena
wake, stall dan blockage effect dalam penggunaan peng- gunaan inner fan pada turbine ventilator.
4. DAFTAR PUSTAKA
[1] Ahmed, N., B.S. Yilbas dan M.O. Budair,
“Computational study into the flow field developed
around a cascade of naca 0012 airfoils”, Journal of Computer Method in Applied Mechanics and Engineering, 1998, hal. 17–32.
[2] Awbi, Hazim B, “Renewable and Sustainable Energy
Reviews 2”, Pergamon, Bab 7, 1998, hal. 157–188.
[3] Eftekhari, Reza, Reza Taghavi, Ghodrat Ghassabi,
Payam Hooshmand dan Farhud Shirinzadeh,
“Experimental and numerical study of solidity and
incidence effects on aerodynamic performance of axial
compressor sudu”, Journal of Basic and Applied
Scientific Research, TextRoad, 2012, hal. 1169–1179.
[4] Hansen, Martin O. L.,Aerodynamics of Wind Turbines,
Second Edition, Earthscan, UK, 2008.
[5] Khana, Naghman, Yuehong Su, Saffa B. Riffat dan
Colin Biggs, “Performance testing and comparison of
turbine ventilators”, Journal of Renewable Energy, Vol.
33, 2008, hal. 2441–2447.
[6] Lai, Chi-Ming, “Experiments on the ventilation
efficiency of turbine ventilators used for building and
factory ventilation”, Journal of Energy and Buildings,
Vol. 35, 2003, hal. 927–932.
[7] Sheldahl, Robert E. dan Paul C. Klimas , 1981,
Aerodynamics charactheristics of seven symmetrical airfoil section through 180-degree angle of attack for use in aerodynamics analysis of vertical axis wind turbines, Technical report, Sandia National Labora- tories.
[8] Shun, Simon dan Noor A. Ahmed, “Utilizing wind and
solar energy as power sources for a hybrid ventilation
device”, Journal of Renewable Energy, Vol. 33, 2008,