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 bagianoutlet 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. DifusserDimensi Ukuran Open Circuit Wind Tunnel
Component Dimension (mm) MaterialSettling 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
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
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
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 (Ft3/min))
V = Kecepatan aliran fluida (m/s) | kecepatan yang diinginkan : 20 m/s
A = 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/s
Konversi ke dalam satuan Cubic Feet per minute / CFM (Ft3/min)
1 m3/s = 2119 Ft3/min
Maka : 1,8 m3/s x 2119 = 3814,2 Ft3/min (CFM)
Jika dikonversikan kedalam CMH :
1 Ft3/min = 1,699 m3/h
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 chamberterdapat 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) :
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)
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)
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
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)
Pemilihan Fan Yang Digunakan
Model Diameter Blade PH Speed Power Capacity CMH St.Press PaInch 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
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 MaterialBlade :Alluminium Alloy Ducting : Steel
Shaft : Steel
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
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
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.
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 bagiantest 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.
