BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Umum
2.1.1.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.
2.1.2. 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
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.
Gambar 2.2. Lima Jenis Blade Centrifugal Fan
(a) (b)
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.
2.1.3. 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.
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.
2.1.4. 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
•
Diameter puli
: 100 mm di elektro motor
100 mm di fan/ blade
•
Diameter poros
: 25 mm
•
Jenis Bantalan
: bantalan bola (UKF 206 J/ FYH)
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.
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
elemen-elemen 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.
2.3. 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.
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.
2.4. 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
tdiambil 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
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
sdiproleh:
d
s=
3 11
,
5
T
C
K
t b aτ
………...………….[4, hal.8]
dimana :
d
s= diameter poros yang direncanakan (mm)
a
τ
= kekuatan tarik bahan (kg/mm
2)
K
t= faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya tumbukan
C
b= faktor koreksi untuk kemungkinan terjadinya beban lentur.
2.5. 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.
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
cDaya rata-rata yang diperlukan
Daya maksimum yang diperlukan
Daya normal
1,2 - 2,0
0,8 – 1,2
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
dyaitu :
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
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 :
T = 9,74 .10
5n
P
d……….[4, hal. 7]
Dimana :
T = momen puntir rencana (kg.mm)
P
d= daya rencana (kW)
n = putaran (rpm)
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
Lambang
Perlakuan
panas
Kekuatan tarik
(kg/mm
2)
Keterangan
Baja karbon konstruksi
mesin (JIS G 4501)
S30C
S35C
S40C
S45C
S50C
S55C
Penormalan
“
“
“
“
“
48
52
55
58
62
66
Sumber: Sularso,Kiyokatsu Suga, “
Dasar Perencanaan Dan Pemilihan Elemen
Dalam perencanaan poros ini dipilih bahan jenis S30C yang dalam
perencanaannya diambil kekuatan tarik sebesar
2/
48
kg
mm
b=
σ
. Maka tegangan
puntir izin dari bahan dapat diperoleh dari rumus :
2 1
.sf
sf
b aσ
τ
=
...………...………..[4, hal. 8]
Dimana :
aτ
= tegangan geser izin (kg/mm
2)
b
σ
= 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
b, dimana untuk harga ini faktor keamanan diambil sebesar
10,18
=5,6. Harga 5,6 diambil untuk bahan SF dan 6,0 untuk bahan S-C dengan
pengaruh massa dan baja paduan. Harga S
f1diambil 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.
2.6. 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
tegangan geser izin yang dapat ditahan oleh bahan maka poros mengalami
kegagalan. Besar tegangan geser akibat momen puntir yang bekerja pada poros
diperoleh dari:
316
p sT
d
τ
π
=
…...……….[2, hal. 263]
dimana:
=
τ
ptegangan 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.
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
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.
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 2.7.
2.8. 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.
Gambar 2.8. Kondisi Pembebanan pada Poros
W1 W2
W3
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 RAY arah sumbu y). Kedua adalah pin (engsel), pada tumpuan jenis ini terdapat 2 variabel (kita
misalkan tumpuan itu sama yakni A, maka variabelnya RAY untuk sumbu y dan RAX untuk sumbu
x). Berikutnya overhang (jepitan), pada tumpuan ini terdapat 3 variabel (dengan permisalan yang sama, maka variabelnya RAY arah sumbu y, RAX arah sumbu x dan MA 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.
Gambar 2.9. Jenis-Jenis Gaya Dalam NY NY V V M NX M NX
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.
Gambar 2.10. Jenis-Jenis Gaya Luar
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.
F
RA
Y W
RBY
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.