1
PENGGUNAAN FAN PADA
SISTIM VENTILASI LOKAL
Mata kuliah Ventilasi Industri-IKK.356
Latar Muhammad Arief, Ir, MSc
Dosen FKM, Peminatan Keselamatan dan Kesehatan Kerja Univ Esa Unggul
Disampaikan pada kuliah online
2
FANS
I. PENGENALAN
Sistem fan didalam lokal exhaust ventilasi industri penting untuk menjaga preses pekerjaan dindustri sehingga terhindar dari udara yang terkontaminan di area tempat kerja, karena fan adalah jantung dari sistem. Fans mengontrol laju aliran gas, uap, partikel pada titik generasi polutan dalam peralatan proses dan melalui perangkat pengendalian polusi udara atau air cleaner. Fans memberikan energi yang diperlukan untuk aliran gas untuk mengatasi resistensi terhadap aliran gas (diukur sebagai penurunan tekanan) yang disebabkan oleh perangkat membutuhkan saluran dan polusi udara kontrol. Sedangkan Fans terdiri dari, motor listrik, system penggerak, saluaran atau system pemipaan, dan peralatan pengendali aliran.
Istilah “resistensi sistim” digunakan bila mengacu tekanan statis. Resistensi sistim merupakan jumlah kehilangan tekanan statis dalam sistim. Resistensi sistim bervariasi terhadap kudrat volum aliran udara yang memasuki sistim. Untuk volum udara tertentu fan dalam sistim dengan saluran sempit dan banyak tikungan, belokan dengan radius pendek akan bekerja lebih ekstra darai pada sistim yang saluran lebih besar dengan sedikit jumlah belokan dan panjang. Saluran/duct yang panjang sempit dan banyak belokan dan tikungan akan memerlukan banyak energi untuk menarik udara, karena adannya kehilangan akibat gesekan dalam saluran/duct. Dengan begitu maka resistansi sistim meningkat secara substansial jika volum udara yang mengalir ke sistim meningkat ; kuadrat aliran udara. Sebaliknya, resistansi berkurang jika alirannya berkurang.
Gambar. .1 Kurva Efsiensi Fan (BEE India, 2004)
3 Pada sistim yang ada, resistansi sistim dapat diukur. Karakteristik fan dapat dinyatakan dalam bentuk kurva fan. Kurva fan merupakan kurva kinerja untuk fan tertentu pada sekumpulan kondisi yang spesifik. Kurva fan merupakan penggambaran grafik dari sejumlah parameter yang saling terkait.
Biasanya sebuah kurva akan dikembangkan untuk sekumpulan kondisi yang diberikan termasuk: volum fan, tekanan statis sistim, kecepatan fan, dan tenaga yang diperlukan untuk menggerakan fan pada kondisi yang diketahui.
Beberapa kurva fan juga akan melibatkan kurva efisiensi sehingga desainer sistim akan mengetahui kondisi pada kurva fan dimana fan akan beroperasi (lihat Gambar.1).
Dari banyak kurva yang diketahui pada gambar, kurva tekanan statis (SP) versus aliran pada merupakan kuva yang sangat penting.
Perpotongan kurva sistim dan tekanan statis merupakan titik operasi. Bila resistansi sistim berubah, titik operasi juga berubah. Sekali titik operasi ditetapkan, daya yang diperlukan dapat ditentukan dengan mengikuti garis tegak lurus yang melintas melalui titik operasi ke titik potong dengan kurva tenaga (BHP). Sebuah garis lurus yang digambar melalui perpotongan dengan kurva tenaga akan mengarah ke daya yang diperlukan pada sumbu tegak lurus sebelah kanan. Pada kurva yang digambarkan, efisiensi kurva juga disuguhkan.
II. DEFENISI DASAR
Terdapat dua jenis fans, yaitu ; (i) Fans aksial, dan (ii) Fans sentrifugal .
2.1. Fan Aksial
Fans aksial, menggerakkan aliran udara sepanjang sumbuh fans (terpasang pada poros berputar), meliputi ; fan propeller, fan pipa aksial, fan dengan baling-baling aksial, gambar..2 sampai dengan gambar .5. Untuk melihat karakteristik kelebihan dan kelemahan fan aksil, diringkas pada table .1
Tabel,.1 Karakteristik fan aksial
Jenis fan Kelebihan kelemahan
(1) (2) (3)
1. Fan propeller
Gambar. .2 Fan propeller
Menghasilkan laju aliran udara yang tinggi pada tekanan rendah
Tidak membtuhkan saluran kerja yang luas (karena tekanan yang dihasilkan lbih kecil)
Murah, karea kontruksinya sederhana
Mencapai efesiensi maksimum, hamper seperti aliran yang mengalir sendiri, dan sering digunakan pada ventilasi atap
Dapat mnghasilkan aliran dengan arah berlawanan, yang membantu dalam penggunaan ventilasi
Efisiensi energy relative rendah
4
(1) (2) (3)
2. Fan pipa aksial, prinsinya dimana fan propoler ditemapatkan dibagian dalam selinder.
Gambar .3 Fan tabung aksila
Tekanan lebih tinggi dan efisiensi operasinya lebih baik dari pada fan propoler
Cocok untuk tekanan menengah, penggunaan laju aliran udara yang tinggi
Dapat dpercepat sampai sampai ke nilai kecepatan tertentu(karena putaran massanya rendah) dan menghasikan aliran pada arah berlawanan, yang berguna dalam berbagai penggunaan ventilasi
Menciptakan tekanan yang cukup untuk mengatasi kehilangan di saluran dengan ruang yang relative efisien, yang berguna untuk pembuangan
Relatif mahal
Tingkai kebisingan dan aliran udara sedang
Efesiensi energy relative lebih rendah (65 %)
3. Fan dengan
baling-baling aksial
Gabar. .4. Fan dengan baling-baling aksial
Cocok untuk tekanan sedang sampai dengan tekanan tinggi(sampai 500 mm WC) pada buangan boiler-induced draft
Dapat dpercepat sampai sampai ke nilai kecepatan tertentu(karena putaran massanya rendah) dan menghasikan aliran pada arah berlawanan, yang berguna dalam berbagai penggunaan ventilasi
Cocok untuk hubungan langsung ke as motor
Kebanayakan energinya, efisiensi (mencapai 85 % jika dilengkapi dengan fan air foil dan jarak ruang yang kecil)
Relative mahal dibandingkan fan impeller
5
2.2. Fan Sentrifugal
Fans sentrifugal, menggunakan impeler berputer untuk menggerakan aliran udara, memiliki roda kipas yang terdiri dari sejumlah bilah kipas/blade dipasang di sekitarnya, seperti ditunjukkan dalam Gambar .6, berputar pada poros yang melewati rumah fans (housing). Gas masuk dari sisi roda kipas, ternyata 900 derajat dan mempercepat saat melewati bilah kipas. Istilah, sentrifugal, mengacu pada lintasan aliran gas saat lewat keluar dari rumah fans (housing)
Fan sentrifugal dapat menghasilkan tekanan tinggi meningkat dalam aliran gas. Dengan demikian, mereka sangat cocok untuk proses industri dan sistem kontrol polusi udara ( untuk handling padatan yang terbentang ; debu serpih kayu, skrap logam)
Gamba. .6 Kompenen-kompenen Fans setrifugal (i. udara masuk/gas inlet, ii. roda fans/fans wheel, iii. Rumah fans/housing, dan iv udara keluar/gas out)
Komponen utama dari sebuah fans sentrifugal khas termasuk roda kipas, rumah, mekanisme drive, dan inlet dan oulet fan Dalam pengaturan drive langsung, roda kipas dihubungkan langsung ke poros motor. Ini berarti bahwa kecepatan roda kipas identik dengan kecepatan motor rotasi.
Dengan jenis drive fan, kecepatan fan tidak dapat bervariasi.
6 Gambar .8 Fan Sentrifugal kompo ACGIH, data 1-88 figure 6-3
Pada Fan sentrifugal udara masuk pada mata rotor, berputar pada sudut tertentu, dan berakselarasi dan ditekan oleh tekanan sentrifugal.
Tabel.2. Kalasifikasi
Fan sentrifugal terdiri atas:
1.. Tipe Forward Curved
Gambar.9 Fan Forward Curve
Pada fan tipe ini roda-roda yang terdapat didalamnya berukuran kecil dan membelok kedalam searah dengan arah rotasi roda-roda. Fan ini beroperasi pada kecepatan yang relatif rendah. Jenis fan ini biasa juga disebut sebagai squirrel cage wheel.Tipe ini biasa digunakan pada kegiatan proses pemanasan dengan tekanan rendah, ventilasi dan pendingin ruangan seperti pada tungku pembakaran domestik dan pada alat pendingin lainnya.
2 Tipe Radial Blade
Gambar .10 Radial Blade
Pada fan tipe ini roda-roda yang terdapat didalamnya berbentuk seperti paddle. Blade yang ada memiliki arah tegak lurus dengan arah rotasi fan. Fan ini cenderung beroperasi pada kecepatan yang sedang.Tipe ini biasa digunakan pada kegiatan
material handling, memiliki bentuk yang kokoh serta
mudah untuk diperbaiki dilapangan. Jenis fan ini juga digunakan pada industri yang membutuhkan tekanan yang tinggi.
7
3. Tipe Backward Inclined
Gambar .11 Fan Backward Inclined
Pada fan tipe ini roda-roda yang terdapat didalamnya berbentuk rata dan memiliki arah yang condong dan menjauhi arah dari rotasi roda. Fan ini cenderung beroperasi pada kecepatan yang tinggi. Tipe fan ini lebih efisien daripada kedua jenis fan diatas. Tipe ini biasa digunakan pada pemanas biasa, ventilasi dan sistem pendingin udara. Digunakan pada berbagai kegiatan di industri, dimana jenis airfoil blade tidak dapat digunakan karena memiliki kemungkinan terkena korosi akibat debu halus.
.4. Tipe Airfoil Blade
Gambar.12 Fan Airfoil Blade
Walaupun tipe fan ini bukan tipe yang umum, namun tipe ini merupakan tipe penyempurnaan pada desain tipe Backward Inclined. Fan ini memiliki efisiensi yang paling tinggi dan cenderung memiliki kecepatan yang lebih cepat. Tipe ini biasa digunakan pada industri yang memiliki keadaan udara yang cukup bersih. Selain itu jenis fan ini dapat dirancang dengan konstruksi khusus pada udara yang berdebu.
5. Tipe Radial Tip
Gambar..13 Fan Radial Tip
Pada tipe fan ini roda-roda yang terdapat didalamnya memiliki bentuk yang cenderung melengkung ke arah rotasi roda-roda tetapi blade yang terdapat didalamnya bersandar kebawah, sehingga bagian luarnya akan mencapai posisi radial. Fan ini berkerja dengan kecepatan yang hampir sama dengan fan backward
inclined. Tipe ini juga dirancang untuk menangani
pada kegiatan material handling atau pada kegiatan yang menyebabkan erosive, dan juga lebih efisien daripada blade radial.
8 Gambar .14 Kurva flow Tekanan static, dan volume
Untuk melihat karakteristik kelebihan dan kelemahan fan sentrifugall, diringkas pada tabel.3 Tabel..3 Karakteristik fan sentrifugal
Jenis fan dan blade Kelebihan Kelemahan
(1) (2) (3)
Fan radial dengan blades datar
Cocok untuk tekanan statis tinggi (sampai 1400 mm WC) dan suhu tinggi.
Rancangan sederhana sehingga dapat dipakai untuk unit penggunaan khusus
Dapat beroperasi pada aliran udara yang rendah tanpa masalah getaran/vibrasi
Sangat tahan lama
Efisiensi mencapai 75 %
Memiliki jarah ruang kerja yang lebih besar yang berfungsi untuk handling padatan yang terbang (debu, serpih kayu, dan skrap logam)
Hanya cocok untuk laju aliran udara rendah sampai sedang
9
(1) (2) (3)
Fan yang melengkung kedepan, dengan blade yang melengkung kedepan
Dapat mengerakan volume udara yang besar terhadap tekanan yang relative rendah
Ukurannya relative kecil
Tingkat kebisingan rendah (diakibatkan rendahnya kecepatan) dan sangat cocok untuk pemanasan perumahan, ventilasi dan penyejuk udara
Hanya cocok untuk
layanan yang bersih, untuk layanan kasar, dan bertekanan tingggi
Keluaran fan sulit untuk diatur secara tepat
Penggerak harus dipilih secara hati-hati untuk menghindarkan beban motor lebih, sebab kuva daya meningkat sejalan dengan aliran udara
Efisiensi energy relative rendah (55 – 65 %)
Backward inclined fan, dengan blades yang miring jauh darai arah perputaran ; datar, lengkung, dan airfoil
Dapat beroperasi dengan perubahan tekanan statis (asalkan bebannya tidak berlebih ke motor)
Cocok untuk sisitim yang tidak menentu pada aliran udara yang tinggi
Cocock untuk layanan forced –draft
Fan dengan balade datar lebih kuat
Fan dengan blades lengkung lebih efisien (melebihi 85 %)
Fan dengan blades air foil yang tipis adalah yang paling efisien
Tidak cocok untuk aliran udara yang kotor (karena fan mendukung terjadinya penumpukan debu)
Fan dengan blades air foil kurang stabil karena mengandalkan
padapenangkatan yang dihasilkan oleh setiap blade
Fan blades air foil yang tipis akan menjadi sasaran erosi.
III PEMELIHAN FAN
Dalam memilih fan yang sesuai pada setiap aplikasinya, terdapat tiga informasi mendasar, yaitu dibutuhkan data aliran udara volumetrik, peningkatan tekanan statis fan yang harus disediakan, dan densitas gas pada fan. Faktor lain yang umumnya dibutuhkan untuk memilih fan yang tepat adalah tipe dan konsentrasi kontaminan (debu, liquid atau gas hasil dari pembakaran) yang akan dialirkan, area yang dibutuhkan untuk instalasi alat, dan kebisingan yang ditimbulkan merupakan hal-hal yang perlu diperhatikan.
Dalam penentuan tipe fan terdapat hal mendasar yang menetukan yaitu tipe gas yang akan dialirkan. Selanjutnya adalah pemillihan ukuran fan dilakukan dengan menggunakan tabel. Biasanya fan yang berada diantara rating tabel adalah mendekati efisiensi puncaknya.
Apabila titik operasi desain mendekati bagian atas atau bawah tabel , maka sebaiknya dipilih fan yang lebih kecil atau lebih besar, secara berurutan. Apabila titik desain mendekati batas kiri atau kanan tabel, maka perlu dipertimbangkan versi tipe fan yang telah dimodifikasi.
Fan biasanya didesain pada tingkat udara standar yaitu pada 700 F, 1 atm, 50% kelembaban relatif, dalam ketinggian permukaan air laut. Pada kondisi ini densitas udaranya adalah 0.075 lbm/ft3. Apabila
fan biasa untuk digunakan pada kondisi yang berbeda dari nilai standar ini (dimana kebanyakan terjadi),
maka koreksi harus dilakukan pada densitas udaranya. Seperti yang dapat dilihat pada Lampiran B berikut ini aliran udara volumetrik ini tidak berubah. Oleh karena itu, berikut ini adalah prosedur desainnya:
10
Gunakan aliran udara volumetrik yang aktual (Q) , dalam proses desain.
Hitung kehilangan tekan yang terjadi dalam keadaan standar ( gesekan dari duct yang terjad)i juga berdasarkan keadaan standar). Perbaiki kehilangan tekan akibat alat pengendali dalam keadaan standar.
3.1. Pengurangan Faktor Fisik
Bunyi yang bersumber dari Fan, baik lewat tali sabuk mengirimkan energi mekanik dari motor ke fan, roda fan, diameter puli, kontruksi fan, dan putaran motor (rpm), dapat menimbulkan bising antara (98 – 104) dBA bila putaran motor lebih tinggi dan bila putran motor rendah (83 -87) dBA, Untuk memenuhi kabilitas, flow rate, tekanan dan efisiensi Fan dalam persamaan- (.1).
BPF = Rpm * N * CF --- (.1)
Dimana :
BPF = blade passage frequency, Hz Rpm = Rotasi permenit, rpm
N = Jumlah blade
CF = Conversion factor = 6356 atau 1/60
3.2. Penilian Tekanan
Tekanan Total Fan/Fan Total pressure (FTP)
Jumlah dari tekanan total fan dan tekanan statik udara dalam sebuah sistim saluran. FTP = TP outlet - TP inlet --- (.2) FTP =( SPout + VP out )- (SPinlet + VP inlet) --- (.3) FTP = SPout - SPin
Tekanan Statik Fan /Fan Static pressure (FSP)
Tekanan potensial diberikan oleh udara diam. Dengan kata lain, itu adalah perbedaan antara tekanan dalam pipa yang diberikan ke segala arah, dan tekanan dalam atmosfir.
Tekanan statis fan (FSP)
FSP = FTP – VPoutlet --- (.4)
Atau,
Fan SP = TP0utlet - TPinlet - VPoutlet
Fan SP = SP outlet - SP inlet - VP inlet --- (.5)
Contoh,
Dari data gambar.15
SP out = +5.797 “wg SP in = - 4.216 “ wg VP in = 1,1383 “ wg
11 Gambar.15. Menghitung tekanan statis fan
Maka ,
Fan SP = SP outlet - SP inlet - VP inlet
= 5.797 – (-4216) - 1,1383 = 8.88 in WG
FTP = TP outlet - TP inlet FTP = Fan SP + VP0ut let
= 8,88 + 0,994 = 9,87 in WG
Untuk menghitung koefisien efsiensi dari fan, untuk mendapat besaran tenaga atau daya yang dibutuhkan untuk menarik udara dari Hood, ke pembersih udara/partikulat ke Fan (fan-inlet), dengan menggunakan persamaan (6)
Ƞ = Q * FTP = Q * (FSP + VP0ulet) --- (.6)
CF *PWR CF * PWR Dimana :
Ƞ = mechanic eficiensy, garafik-7.16 Q = volumetric rate , cfm
FTP = fan tekanan total FSP = fan tekanan static PWR = power rekruitmen, HP CF = Konfersi factor, 6356
Dari persamaan persamaan (7.6), dapat dihitung PWR, persamaan (.7) PWR= Q * FTP --- (.7) 6356 * Ƞ
Bila diketahui :
Ƞ = mechanic eficiensy = 75 % Q = volumetric rate = 1.200 cfm FTP = fan tekanan total = 9.87 in WG PWR= 1.200 * 9,87 = 2,48 HP 6356 * 0,75
12
Gamabar..16 Grafik mekanil efisiensi, dalam %
Efisiensi keseluruhan = daya output ÷ daya input
13 Putaran motor = 2.500 rpm (dimabil pada Gambar .16 grafik mekanikal efisiensi )
Pada gambar.16 Grafik kurva fan pemelihan fan, dimana bila diketahui air volume 4000 cfm, dan tekanan total statis fan FTP= fan tekanan total = 5,92 in WG, maka dalam grafik didapat putaran fan atau fan speed sebesar 1258 rpm, dengan efisiensi sebesar 70,2 %
Gambar..18 Grafik Kurva Fan
Gambar grafik .18 efisiesi fan paling masikum adalah sebesar 75 % pada tekanan total statis fan FTP= fan tekanan total = 23,0 in WG dan fan capasity 91000 ft3/min
Kinerja Fan
Tabel .4. berikut ini menunjukan kinerja tipe untuk tekanan yang lebih tinggi, seperti pada fan sentrifugal, untuk setiap ukuran fan dan jenis roda. Dalam kebanyakan kasus, tabel ini akan memiliki area berbayang mewakili Kelas I, II dan III batas RPM. Untuk menggunakan tabel ini, ditentukan kebutuhkan CFM sepanjang sumbu vertikal kiri (misalnya 14.000 CFM), kemudian bergerak horizontal ke kanan untuk yang diperlukan kolom bertekanan statis (misalnya 6,00 SP). Di persimpangan ini, Anda dapat membaca kedua RPM kipas dan BHP (contoh 1.277 RPM dan 16,8 BHP). Perhatikan titik-titik yang terletak di tabel,
14 yang menunjukkan bahwa II penggemar Kelas diperlukan.
Tabel.4 Contoh tabel peringkat
Dengan penggunaan program pemilihan fan elektronik tren untuk mengurangi jumlah data yang
dicetak dan mencetak hanya kisaran kinerja untuk setiap ukuran fan. Ada sedikit keraguan bahwa
program seleksi baik elektronik seperti CAPS dapat menentukan pilihan yang tepat dengan
sedikit usaha.
3.3 Hukum Fan
Tujuan
Untuk menjelaskan hubungan antara parameter ventilasi industri: kecepatan fan, laju aliran udara flow rate (Q), tekanan (P), density/rapat masa (ρ), putaran (rpm),PWR/power rekruitmen, (HP), mechanic eficiensy (ƞ),
Fan beroperasi dibawa beberapa hukum tentang kecepatan, daya dan tekanan. Perubahan dalam kecepatan (putaran per menit atau RPM) berbagai fan akan mempredeksi perubahan kenaikan tekanan dan daya yang diperlukan untuk mengoperasikan fan pada RPM yang baru.
Hal ini diperlihatkan pada gambar.19
Langkah selanjutnya adalah untuk memahami hukum fan,dapat digunakan untuk secara akurat memprediksi perubahan (asumsi diameter kipas dan kerapatan udara yang konstan), dengan persamaan hukum fan sebagai berikut :
15
Gambar.19 Kecepatan, tekanan, dan daya fan (BEE India, 2004)
Q
2= Q
1*(Size
2/Size
1)
3* (RPM
2/RPM
1) --- (8)
P
2= P
1* (Size
2/Size
1)
2* (RPM
2/RPM
1)
2* (ρ
2/ρ
1) --- (9)
PWR
2= PWR
1* (Size
2/Size
1)
5* (RPM
2/RPM
1)
3* (ρ
2/ρ
1) --- (10)
Dimana :Q = Air flow (cfm)
P = Fan presure (tekaban fan), in WG RPM = putaran fan
Size = Fan size atau diameter impeller (in.) PWR = power rekruitmen, HP
16 DAFTAR PUSTAKA
Air Moverment and Control Association, inc : AMCA Publication 201-90, fans and system AMCA, IL (1990) American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH).1988
Industrial Ventilation, a Manual of Recommended Practice . 1988. Industri Ventilasi, Manual Praktek Fitur.
20th edition, Chapter 6
American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH).1998
Industrial Ventilation, a Manual of Recommended Practice . 1998. Industri Ventilasi, Manual Praktek Fitur.
23th edition, Chapter 6
American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH).2006
Industrial Ventilation: A Manual of Recommended Practice for Operation and Maintenance, Signature
publications Amer Conf of Governmental Berilustrasi –p.200
Bureau Of Energy Efficiency (BEE) Government of India, 2004 Energy Efficiency Guide Book, Chapter 5, p 93-112
Fan Air Company, product presentation. www.fanair.com/products.pdf UNEP, 2006
Fan dan Blower, Pedoman efisiensi energy untuk Industri Asia-ww.energyefficienciasia.org, UNEP
