BAB IV PERENCANAAN DAN PERHITUNGAN

(1)

BAB IV

PERENCANAAN DAN PERHITUNGAN

4.1 Gambaran Umum Sistem Rancangan

Dengan teori dasar yang telah dijelaskan dalam bab II maka pada bab ini akan dijadikan acuan dalam penjelasan prinsip kerja rancangan.

Penulis dalam mendesain sistem monitoring filter udara pada Air Handling

Unit (AHU) membuat beberapa asumsi perubahan laju aliran udara yang

menyebabkan kayu balsa bergerak memotong sinar laser yang diakibatkan oleh debu atau kotoran, Cara kerja rancangan adalah mengandalkan perubahan kecepatan laju aliran udara yang tertahan oleh debu atau kotoran. Berikut dibawah ini spesifikasi Air

Handling Unit dan komponen sebagai berikut:

Tabel 4.1 Spesifikasi AHU dan Komponen

No. Nama Ukuran Keterangan

1. Air Handling Unit Series

2000 size 120 23,63 ft2 _atau 2,20 m2 - Debit udara 17720 fpm atau 8,36 m3_/s - Daya 180.1 kW - Tegangan 380-415V 2. Kayu balsa P X L X T (m) 1 X 0.8 X 0.3 Berat kayu 1,8 kg

3. Toggle swicth 5 X 6 mm _{12 dc volt}

4. Laser

Tipe O1D100

LED window: polycarbonate

Class 2 source required Caution: Laser Light Power <= 4.1 mW wavelength = 650 nm pulse 1.3 ns

(2)

5. Phototransistor

Tipe 3MM BPT1331

3mm Silicon Photo Transistor Water Clear

yang bekerja pada panjang gelombang 940 nm. Spesifikasi :

- Catu daya : 5 Volt (Vce) - Frekuensi : 56,8 Khz - jangkauan : 80 – 100cm - Sudut pancaran : 30 deg

6. Buzzer 62 x 46 mm _{1.Type Panel Surface Mount}

2.Voltage: 220V AC 3.Mechanical Loud Buzzer 4.Sound: Single Sound 5.Sound Output: 85db/ 10ft 6.Rated Current: 60m

4.1.1 Aliran Udara

Laju aliran udara yang dihasilkan oleh blower melewati filter pada AHU dimanfaatkan untuk menggerakkan kayu balsa dimana laju aliran udara berdasarkan dengan spesifikasi produk sebagai berikut:

(3)

Pada tabel 4.2 kecepatan udara yang melalui filter adalah 3,81m/s dalam keadaan bersih. Penyumbatan penyaring udara (clog) tidak boleh lebih dari 35%, atau tingkat kekotoran pada filter adalah 75 % (sumber: Handbook of Air Conditioning

and Refrigeration, Shan K. Wang,2001,hal 712) yang artinya kecepatan udara

tidak boleh dibawah 2, 66 m/s.

4.2 Tahapan Perancangan

Berdasarkan uraian diatas dan juga flowchart yang terdapat pada Bab III, rancangan sistem monitoring filter udara pada Air Handling Unit (AHU) ini menjalani beberapa tahapan sebagai berikut :

4.2.1 Konsep Rancangan dan material 1) kayu balsa

material kayu jenis ini tergolong dalam jenis kayu yang ringan, dan sering digunakkan untuk pembuatan aeromodelling.

Gambar 4.1 Mechanical Properties Kayu Balsa

(4)

Gambar 4.2 Dimensi Kayu Balsa Yang Digunakan

Berdasarkan bobot yang ringan tersebut penulis memilih menggunakan kayu balsa sebagai alat pemutus sinar laser dengan memanfaatkan laju aliran udara yang dihasilkan oleh fan. Prinsip kerjanya sangat sederhana yaitu pada gambar 4.2 apabila aliran udara tidak terhambat yang artinya dalam kondisi bersih, maka kayu balsa akan tetap berada di atas, namun apabilan aliran udara terhambat atau dalam kondisi kotor maka kayu balsa akan jatuh dan bersinggungan dengan sinar laser, kemudian memerintahkan sensor untuk memberikan tanda dengan cara buzzer berbunyi.

(5)

2) Layout Letak Sensor Pada AHU Dan Rangkaian Kontrol

Desain Sistem monitoring filter pada AHU ini pada dasarnya memanfaatkan kecepatan aliran udara, untuk itu pemasangan sensor harus berada pada lokasi yang strategis dimana udara hasil putaran fan yang dihembuskan maksimal. Adapun gambar penempatan sensor yang akan dibuat pada sistem AHU dapat dilihat sebagai berikut :

RETURN AIR CATALIC FILTER DUST FILTER CATALIC FILTER DUST FILTER FAN COIL UNIT DEFUSER GRILL GRILL GRILL DEFUSER GRILL M SENSOR

Gambar 4.4 Penempatan Sensor pada AHU

90 KW 9 KW 9 KW 9 KW L1 L2 L3 TERRE (EARTH) QG (MAIN ISOLATOR) UVW KM.1 KM.3 KM.2 F1 R1S1 T1 U1V1 W1 T Q2 KM.4 F2 F3 F4 Q.3 KM.5 T U2 V2W2 U3V3 W3 T U4 V4W4 T Fu.1 Fu.2 1 2 380 24 3 Fu.3 4 5 COMPRESSOR MACHINE FAN COND. 1 FAN COND. 2 FAN COND. 3 KM.1 KM.2 KM.3 KM.4 KM.5 380 V 1 RD RD 6 7 2 7 9 11 13 16 6 10 12 14 7 RD 7` RD 7` KM 3 KM 2 RA 10` F2 F4 F3 3 2 T 3 4 TSL91 1 2 OH 40 300 W OH 41 300 W Crankc ase Heater Conta ct or Compr essor Conta ct or Compr essor Conta ct or Compr essor

STAR DELTA STARTING

Conta ct or Fan Conta ct or Fan SUPPLY FAN 9 KW FAN COND. 4 F5 U5V5 W5 T FOR 100 & 80 TR F5 Relay sensor

(6)

19 4 24 V ~ C1 RA RD 17 18 18 5 6 RT 120' 19 19 20 1 2 4 5 6 14 15 42 43 44 24 24 25 24 24 21 22 23 TE90 9 7 RT RA L1 XY 2 10 11 XY 1 12 P 3 2 PSH31 QG RA 3 2 P 13 14 F RD 29 28 FSL90 PDSL40 27 29 26 26 RA 10' RD 3 P 2 3 2 T 29 30 31 F1 32 PSH 30-10 TSL 90 KM1 33 L2 L3 35 34 KM1 RA 38 38 1 6 1 5 36 KM1 RA Unde r

Tension Automaticity Power Redu

cing Power Redu cing Starting Rel ay Runn ing Ligh t Safety Lig ht Safety Report 5 8 18 17212024 23 19 22 25 16 41 TIC 90 Relay sensor sensor

Gambar 4.5 b) Penempatan Sensor dalam Wiring Diagram

Pada gambar dapat dilihat bahwa pada saat sensor bekerja maka sensor akan mematikan sumber tegangan utama dan memutus hubungan listrik yang menuju kompresor. Dengan demikian sistem akan mati secara keseluruhan sehingga aman untuk melakukan penggantiaan atau perawatan filter.

3) Gambar Rangkaian Sistem Monitoring

Rangkaian elektronik pada rancangan sistem monitoring filter AHU berfungsi untuk mengontrol sensor phototransistor dan sinar laser yang bekerja apabila sinar laser terputus atau bersinggungan dengan kayu balsa yang berfungsi sebaga indikator, setelah sinar terputus akan langsung mengirim sinyal ke buzzer, sehingga buzzer akan berbunyi.

(7)

Gambar 4.6 Rangkaian Kontrol Sistem Monitoring Filter

4.2.3 Proses Perhitungan Rancangan

a) Perhitungan Debit Aliran Udara

Diketahui AHU Series 2000 ukuran 120 yang dipakai memiliki kapasitas 180.100 watt, maka nilai debit udara yang mengalir pada Air Handling

Unit adalah :

Rubah satuan Watt ke Btu/hr P(Btu/hr) = 3,412141633 x P(w)

Sehingga; P(Btu/hr) = 3,412141633 x 180100 watt

= 614526,7 Btu/hr

Setelah diketahui kapasitas AHU sebesar 614526,7 Btu/hr, barulah mencari debit udara pada AHU.

dengan rumus :

Q = 1,1 x cfm x ΔT ………(8)

(8)

1) Sehingga debit udara CFM

= 17760,9 cfm

Diperoleh aliran debit udara pada AHU series 2000 adalah 17760,9 cfm

cfm dikonversikan menjadi satuan matrik menjadi m3/s sehingga;

debit aliran udara = 17760,9 ft3_{/m x 4,72 x 10}-4_m3_/s

debit aliran udara yang didapat = 8,38 m3_/s

b) Perhitungan kecepatan udara

setelah debit aliran diketahui barulah dapat mencari kecepatan laju aliran diketahui :

debit aliran berdasarkan perhitungan adalah 8,38 m3_/s

luas penampang AHU adalah 2,20 m2 _{sehingga kecepatan udara dapat dicari}

dengan rumus :

……….(8)

= = 3,8 m/s

Sesuai dengan perhitungan kecepatan udara di atas hasilnya adalah udara yang melewati filter sebesar 3,8 meter tiap detiknya. Yang nantinya akan dimanfaatkan sebagai indikator pada kayu balsa. Berdasarkan hasil perhitungan dimana yang artinya keadaan filter dalam kondisi normal atau dalam keadaan bersih, penulis berasumsi bahwa apabila kondisi dibawah 100%

(9)

maka tingkat debu dan kotoran bertambah sehingga membuat aliran kecepatan udara berkurang.

c) Perhitungan Debit dan Kecepatan Aliran Udara (90%)

- Hitungan (asumsi tingkat debu dan kotoran bertambah) maka kapasitas AHU juga berkurang menjadi 90% yaitu sebesar :

Q =1,1 x (0,90 x cfm )x ΔT

=1,1 x (0,90 x 17760,9) x 31,45

=1,1 x 15984,8x 31,45

=552994,5 Btu/hr

Kapasitas AHU menjadi, Q AHU =552994,5 btu/hr

ΔT = T supplay = 31,45 0F

Sehingga debit udara CFM

= 15982,5 cfm

Diperoleh aliran debit udara pada AHU kondisi 90% adalah 15982,5 cfm

cfm dikonversikan menjadi satuan matrik menjadi m3_{/s sehingga;}

debit aliran udara = 15982,5 ft3_{/m x 4,72 x 10}-4_m3_/s

debit aliran udara yang didapat = 7,54 m3/s

- maka kecepatan udara pada filter tersebut pada kondisi 90% adalah sebagai berikut :

(10)

=

= 3,42 m/s

Pada kondisi 90% debit dan kecepatan masih dalam keadaan aman. d) Perhitungan Debit dan Kecepatan Aliran Udara (80%)

Q =1,1 x (0,80 x cfm )x ΔT

=1,1 x (0,80 x 17760,9) x 31,45

=1,1 x 14208.7 x 31,45

= 491550.6 Btu/hr

Kapasitas AHU menjadi, Q AHU = 491550.6 btu/hr

= 14206.66 cfm

Diperoleh aliran debit udara pada AHU kondisi 80% adalah 14206.66 cfm

cfm dikonversikan menjadi satuan matrik menjadi m3/s sehingga;

debit aliran udara = 14206.66 ft3_{/m x 4,72 x 10}-4_m3_/s

(11)

- maka kecepatan udara pada filter tersebut pada kondisi 90% adalah sebagai berikut : = = 3,047 m/s

Pada kondisi 80% debit dan kecepatan udara masih dalam keadaan aman. e) perhitungan Debit dan Kecepatan Aliran Udara (70%)

Q =1,1 x (0,70 x cfm )x ΔT

=1,1 x (0,70 x 17760,9) x 31,45

=1,1 x 12432,6 x 31,45

= 430106,8 Btu/hr

Kapasitas AHU menjadi, Q AHU = 430106,8 btu/hr

= 12430,8 cfm

(12)

=

= 2.66 m/s

Pada kondisi 70% debit dan kecepatan udara sudah pada tingkat yang dianjurkan untuk melakukan penggantian atau perawatan filter. f) perhitungan Debit dan Kecepatan Aliran Udara (50%)

Q =1,1 x (0,50 x cfm )x ΔT

=1,1 x (0,50 x 17760,9) x 31,45

=1,1 x 8880.45 x 31,45

= 307219.16 Btu/hr

Kapasitas AHU menjadi, Q AHU = 307219.16 btu/hr

= 8879.16 cfm

(13)

cfm dikonversikan menjadi satuan matrik menjadi m3_{/s sehingga;}

debit aliran udara = 8879.16 ft3/m x 4,72 x 10-4 m3/s

=

= 1,9 m/s

Mengacu pada Pada tabel 4.2 kecepatan udara yang melalui filter adalah 3,81m/s dalam keadaan bersih. Penyumbatan penyaring udara (clog) tidak boleh lebih dari 35%, atau tingkat kekotoran pada filter adalah 75 % (sumber: Handbook of Air

Conditioning and Refrigeration, Shan K.Wang, 2001,hal 712), yang artinya

kecepatan udara berada pada angka 2, 66 m/s atau dibawah maka kayu balsa akan bersinggungan dengan sinar laser dan memutus sinar tersebut sehingga buzzer akan berbunyi. Dan apabila buzzer berbunyi harus segera ditindaklanjuti dengan proses perawatan atau penggantian filter. Apabila kecepatan udara aliran udara sampai dengan 1,9 m/s belum ada tindakkan perbaikkan maka bisa dipastikan performa alat pendingin (AC) akan turun dan dapat berakibat kerusakan pada mesin pendingin.

(14)

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Debit dan kecepatan aliran udara.

No Kapasitas AHU Debit m3/s m/s

1 100% 8,3 3.8 2 90% 7,54 3,42 3 80% 6,7 3,047 4 70% 8,86 2,66 5 50 % 4,19 1,9

g) Perhitungan Berat Kayu balsa

Diketahui kayu balsa yang dipakai memiliki panjang 100 mm = 1m, lebar 800mm = 0,8m, tebal 30mm = 0,03m, untuk mengetahui berat kayu balsa

mengacu pada pada tabel 4.1 : Low density kayu balsa = 75 kg/m3

Maka dapat dihitung menggunakan rumus :

Wood density = ………(2)

75 kg/m3 ₌

jadi

Weight = 75 kg/m3 _{x 0,024 m}3

Weight = 1,8 kg

h) Perhitungan efisiensi kipas

- Tipe Kipas (fan) yang digunakan pada AHU series 2000 ukuran 120 adalah

Medium Pressure Unifoil dengan fitur :

1) Efisiensi tinggi

2) Non-overloading power

(15)

Daya yang diperlukan untuk menaikkan tekanan diturunkan dari rumus sebagai berikut :

w ʃ v dp ……….(8)

dengan w = laju aliran massa, kg/det

v = volume spesifik, m3_/kg

Perubahan volume spesifik hanya sedikit, karena perubahan tekanan absolute di dalam kipas kecil, sehingga v dapat dikeluarkan dari integral, yang menghasilkan daya ideal yang dibutuhkan untuk menaikkan tekanan,

Daya untuk menaikkan tekanan = Q( p2-p1) W

Dengan Q = Laju alir Volume, m3_/det

P2-P1 = Kenaikkan Tekanan, Pa

Oleh karena daya yang diperlukan untuk membangkitkan energy kinetik udara

adalah wV2/2 maka penggabungan dua besaran daya tersebut adalah :

Dayaideal = Q( p2-p1) + W

Efisiensi kipas didefinisikan sebagai perbandingan antara daya ideal dan daya nyata

Efisiensi =

………….(8)

Diketahui kecepatan putar 20 put/det dan laju aliran 1,5m3/det, memuat daya

yang dibutuhkan oleh kipas yang titik kerjanya hingga 1,2kW, kipas tersebut dapat menaikkan tekanan udara sebesar 500 pa, daya ideal yang dibutuhkan

untuk menaikkan tekanan tersebut adalah (1,5 m3_{/det)(500pa) =750 Watt}

Dengan asumsi rapat massa udara 1,2 kg/m3_{, maka laju aliran massa adalah}

(1,5 m3/det)(1,2 kg/m3) = 1,8 kg/det,

(16)

Daya yang dibutuhkan untuk energi kinetik pada udara Ek udara= (1,8 kg/det)(10,12/2) = 91 watt

Maka persamaan tadi dapat diselesaikan dengan rumus :

Efisiensi = = 70%

Dari perhitungan efisiensi kipas , didapat efisiensi kipas pada AHU minimum adalah 70% sehingga apabila filter dalam kondisi bersih maka performa kipas akan terjaga.

Gambar 4.7 Air Handling Unit yang terdapat di Gedung Simulator