fan-sentrifugal.pdf

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Yogi Wibisono Budhi Program Studi Teknik Kimia ITB

Modul Fan Sentrifugal 1

1. Pendahuluan

Fan dan blower banyak digunakan di industri kimia. Fan biasanya digunakan untuk

memindahkan sejumlah volume udara atau gas melalui suatu saluran (duct). Selain itu, fan

juga digunakan untuk memasok udara dalam proses pengeringan, pemindahan bahan

tersuspensi di dalam aliran gas, pembuangan asap, pengondensasian menara, pemasokan

udara untuk pembakaran boiler, pembuangan debu, aerasi sampah, pengeringan,

pendinginan proses-proses industrial, sistem ventilasi ruangan, dan aplikasi sistem

beraliran tinggi dan bertekanan rendah yang lain. Isu-isu yang berkaitan dengan kualitas

udara di dalam ruangan dan pengendalian pencemaran menyebabkan sebuah kebutuhan

yang kontinyu terhadap fan dan blower yang memiliki kualitas baik, efisien, dan murah.

Pemilihan yang tepat terhadap ukuran dan tipe fan dan blower merupakan hal yang sangat

penting dalam kaitannya dengan sistem energi yang efisien.

Dalam bangunan yang besar, blower sering digunakan karena tekanan antarannya

yang tinggi yang diperlukan untuk mengatasi turun tekan dalam sistem ventilasi. Sebagian

besar blower berbentuk sentrifugal. Blower juga dapat digunakan untuk memasok udara

draft ke boiler dan tungku.

Fan biasanya digunakan untuk tekanan rendah. Tekanan yang dihasilkan biasanya

kurang dari 0.5 lb/in2 (3.45 kPa). Sebaliknya, blower digunakan pada tekanan yang relatif

lebih tinggi, namun biasanya lebih rendah dari 1.5 lb/in2 (10.32 kPa). Secara umum, fan

dan blower dapat dikategorikan dalam dua bentuk, yaitu aliran sentrifugal dan aliran aksial.

Fan adalah piranti yang menyebabkan aliran suatu fluida gas dengan cara

menciptakan sebuah beda tekan melalui pertukaran momentum dari bilah fan ke partikel-

partikel fluida gas. Impeller fan mengubah energi mekanik rotasional menjadi baik energi

kinetik dan statik dalam fluida gas. Pembagian energi mekanik menjadi energi kinetik dan

statik yang diciptakan dan efisien energi bergantung pada jenis bilah fan yang dirancang.

Fluida yang dipindahkan oleh fan seringkali adalah udara dan atau asap-asap yang berbau,

sedangkan blower dapat memindahkan campuran partikulat dan udara.

Pengertian blower pada dasarnya sama dengan fan, namun blower dapat

menghasilkan tekanan statik yang lebih tinggi. Kadang-kadang tekanan yang lebih tinggi

dicapai melalui sebuah susunan impeller multitahap.




Dalam praktik keteknikan, fan dan blower dikategorikan sebagai piranti yang

menghasilkan tekanan relatif rendah, sedangkan kompresor menghasilkan tekanan yang

lebih tinggi. Batasan antara blower dan kompresor ditetapkan pada 7% peningkatan

densitas fluida (udara) dari umpan blower ke keluaran blower. Di dalam fan blower,

anggapan ketidakkompresibelan hanya menyebabkan kesalahan yang kecil.

Di dalam modul ini, pembahasan akan dititikberatkan pada materi fan yang

mencakup pengertian-pengertian dasar dan istilah-istilah yang digunakan, jenis-jenis fan,

dasar-dasar operasi, tujuan dan sasaran percobaan dll.

2. Tinjauan Pustaka

Gaya sentrifugal dapat diciptakan dengan menggunakan piranti tipe sentrifugal

yang bergantung pada fasa fluida yang diolah. Untuk fasa cair, pompa sentrifugal dapat

mengakomodasi keperluan tersebut, sedangkan untuk fasa gas, fan dan blower sentrifugal

biasanya digunakan. Secara fisik, piranti sentrifugal ini menunjukkan bentuk yang

beragam, namun masing-masing mempunyai prinsip dasar yang sama, yakni menciptakan

energi kinetik melalui tindakan gaya sentrifugal, lalu mengubah energi kinetik tersebut

menjadi energi tekanan melalui penurunan kecepatan fluida alir secara efisien.

Secara umum, piranti perpindahan fluida sentrifugal mempunyai karakteristik:

1. buangan biasanya bebas dari getaran

2. rancangan mekanik meminjamkannya sendiri kepada throughput, batasan kapasitas

jarang sebagai masalah

3. piranti mampu menunjukkan kinerja yang efisien pada rentang tekanan dan kapasitas

yang lebar meskipun pada kecepatan operasi yang tetap

4. tekanan buang adalah fungsi dari densitas fluida

5. piranti dapat menghasilkan kecepatan tinggi dengan ukuran alat yang relatif kecil

Beberapa jenis aliran yang diciptakan dalam fan atau blower akan dipaparkan pada

beberapa bagian berikut.

2.1. Fan Aliran Aksial

Fan aliran aksial dirancang untuk menangani laju alir yang sangat tinggi dan

tekanan rendah. Fan jenis disk (piringan) adalah sama dengan fan-fan rumah tangga. Fan-

fan tersebut umumnya untuk sirkulasi atau pembuangan yang bekerja tanpa saluran.




Fan jenis propeler dengan bilah yang dirancang secara aerodinamik dapat terdiri

dari 2 tahap atau lebih. Pada tipe ini, udara masuk dalam arah aksial dan meninggalkan

juga dalam arah aksial. Fan ini biasanya mempunyai baling-baling yang mengarahkan

aliran masuk (inlet guide vane), yang diikuti dengan bilah putar, dan bilah statis.

2.2. Blower Sentrifugal

Blower sentrifugal mengolah udara atau gas yang masuk dalam arah aksial dan

keluar dalam arah radial. Tipe blower ini mempunyai 3 bilah: bilah radial atau lurus, bilah

bengkol maju (forward curved blade), dan bilah bengkol mundur (backward curved blade).

Blower bilah radial biasanya digunakan dalam aplikasi yang mempunyai

temperatur tinggi dan diameter yang besar. Bilah yang dalam arah radial mempunyai

tegangan (stress) yang sangat rendah dibandingkan dengan bilah bengkol maju ataupun

mundur. Rotor mempunyai 4-12 bilah dan biasanya beropeasi pada kecepatan rendah.

Blower ini digunakan dalam kerja buangan (exhaust work), khususnya untuk gas-gas pada

temperatur tinggi dan dengan suspensi dalam alirannya.

2.3. Forward-curved blade blower

Blower ini mengalirkan gas buang pada kecepatan yang sangat tinggi. Tekanan

yang dipasok oleh blower ini lebih rendah dibandingkan dengan tekanan yang dihasilkan

oleh dua bilah yang lain. Banyaknya bilah dalam rotor tersebut dapat mencapai 50,

sedangkan kecepatannya dapat mencapai 3600 rpm.

2.4. Backward-curved blade blower

Blower ini digunakan ketika dibutuhkan tekanan buang yang lebih tinggi. Blower

ini digunakan pada berbagai aplikasi. Blower jenis backward dan forward curved

mempunyai tegangan yang jauh lebih besar daripada blower radial. Blower sentrifugal

menghasilkan energi dalam aliran udara (gas) melalui gaya sentrifugal dan memberikan

sebuah kecepatan kecepatan pada udara (gas) tersebut. Bilah bengkol maju memberikan

sebagian besar kecepatan kepada udara (gas). Ikal yang berbentuk gulungan (scroll shaped

volute) mendifusikan udara dan menciptakan kenaikan tekanan statik dengan cara

penurunan kecepatan gas. Perubahan tekanan total (biasanya kecil) terjadi di dalam

impeller. Tekanan statik meningkat, baik dalam impeler maupun bagian difusi. Efisiensi




operasi fan biasanya pada rentang 40-80%. Tekanan total buang adalah jumlah dari

tekanan statik dan velocity head.

3. Dasar-Dasar Operasi

3.1. Umum

1) Semua fan menghasilkan tekanan total yang merepresentasikan statik dan energi

kinetik yang diberikan oleh impeller kepada udara.

2) Bilah-bilah impeller fan yang berputar mengkonversikan energi mekanik menjadi statik

dan energi kinetik melalui perubahan vektor kecepatan dari udara yang datang, yaitu

udara yang masuk dari luar yang menuju ke bagian impeller.

3) Fan sentrifugal menghasilkan tekanan total dari gaya sentrifugal udara yang menyebar

keluar antara gang-gang bilah dan melalui energi kinetik yang diberikan kepada udara.

4) Vektor kecepatan absolut dalam fan aksial adalah jumlah dari komponen-komponen

kecepatan aksial dan tangensial, sedangkan dalam fan sentrifugal adalah jumlah dari

komponen-komponen kecepatan radial dan tangensial. Fan aksial menghasilkan

tekanan total dari perubahan kecepatan yang mengalir melalui impeller yang tidak

dihasilkan oleh gaya sentrifugal.

3.2. Fan Sentrifugal

Operasi fan sentrifugal dapat dideskripsikan oleh diagram vektor kecepatan.

Tinggi diagram yang diindikasikan oleh vektor kecepatan radial relatif (Vr) didasarkan

pada volume udara yang mengalir melalui fan.

Kecepatan udara (relatif terhadap bilah) yang ditunjukkan dengan Vb adalah hampir

tangensial terhadap bilah karena beberapa slip terjadi akibat pengaruh-pengaruh lapisan

batas.

Komponen kecepatan ujung (tip speed) ωr adalah tegak lurus dengan jari-jari roda

dimana ω adalah kecepatan putar impeller dalam radial per satuan waktu dan r adalah

jari-jari impeller pada titik ujung bilah (blade tip).

Karena laju roda adalah sama untuk setiap kasus, vektor ωr adalah konstan.

Kecepatan absolut yang diindikasikan oleh Vs adalah resultan dari Vb dan ωr.




Vektor kecepatan tangensial relatif yang diindikasikan dengan Vt diproyeksikan dari

Vs dalam arah ωr.

Jika volume menurun, vektor Vr menurun dan karena vektor Vb tidak berubah untuk

bilah tertentu, Vt meningkat terhadap bilah BI dan tetap konstan dengan bilah R dan

menurun dengan bilah FC.

Karena tekanan fan bergantunf pada hasil kali Vt dan ωr, karakteristik tekanan naik

akibat volume menurun untuk nbilah BI (lihat Gambar 1) dan konstan untuk bilah R

(lihat Gambar 2), serta menurun untuk bilah FC (lihat Gambar 3).

Diagram vektor ini mengilustrasikan bahwa pada laju tertentu, pemilihan fan terkecil

akan menjadi fan bengkol maju. Sebaliknya pemilihan terbesar adalah airfoil.

Gambar 1. Diagram vektor kecepatan keluaran untuk bilah backward-inclined (BI)

Gambar 2. Diagram vektor kecepatan untuk bilah radial (R)




Gambar 3. Diagram vektor kecepatan keluaran untuk bilah forward-curved (FC)

3.3. Kurva Kinerja Fan

Perusahaan fan menjamin kinerja fan menurut kondisi udara standar. Ketika memilih

sebuah fan, hal yang terpenting adalah mengetahui kondisi nyata dari udara umpan

(temperatur, tekanan, densitas) dan gunakan hukum fan untuk mengoreksi kinerja yang

dipublikasikan terhadap kondisi aktual.

Kurva kinerja fan dikembangkan dari data yang diperoleh dari pengujian yang

dilakukan menurut standar tertentu (AMCA dan ASHRAE).

Prosedur yang paling umum untuk mengembangkan kurva kinerja adalah menguji fan

dari kondisi diam (shut-off) menjadi kondisi yang hampir bebas pengiriman.

Sebuah fan biasanya diuji dalam sebuah set-up yang hampir mensimulasikan

bagaimana fan akan dipasang di sistem pemindahan udara.

Fan propeler biasanya diuji dalam dinding wadah dan fan sentrifugal diuji dengan

saluran keluaran dengan ketentuan untuk penghambatan aliran pada bagian

pembuangan.

Tekanan statik dan tekanan kecepatan yang mengukur stasiun ditempatkan dalam hilir

saluran dari pelurus aliran.

Pada kondisi tidak beroperasi, saluran benar-benar kosong, dan pada pengiriman bebas,

keluaran saluran terbuka lebar. Data uji dicatat dengan menjaga laju fan dan densitas

udara konstan. Pada kondisi tersebut, aliran dilepaskan untuk memperoleh data yang

cukup untuk merumuskan kurva kinerja yang berkaitan.

Untuk setiap titik uji, tekanan diukur dan laju alirnya ditentukan. Tekanan terukur

dikoreksi kembali terhadap kondisi masukan fan (lihat Gambar 4).




Kurva kinerja fan dialurkan dengan laju aliran masuk (liter per detik atau CFM pada

bagian absis). Tekanan total, tekanan statik, daya fan, dan efisiensi dialurkan pada

sumbu ordinat.

Adalah tidak praktis untuk menguji fan pada setiap kecepatan yang mana fan dapat

beroperasi atau pada setiap densitas umpan fan mungkin temui.

Dengan menggunakan persamaan-persamaan yang diacu sebagai hukum fan, adalah

mungkin untuk memprediksikan secara akurat kinerja fan pada kecepatan dan densitas

yang lain.

Perusahaan biasanya mempublikasikan kurva kinerja fan pada densitas 0,075 lb/ft3 dan

temperatur umpan 70oF.

Gambar 4. Set-up uji fan

3.4. Hukum Fan

Hukum Fan berkaitan dengan variabel kinerja untuk setiap rangkaian fan yang

sama secara dinamis pada titik penilaian (rating) yang sama pada kurva kinerja. Variabel-

variabelnya adalah ukuran fan (D), laju putara (N), densitas gas (ρ), laju alir volume (Q),

tekanan (p), efisiensi total (Ntj), dan daya poros (P).




Hukum Fan 1 adalah efek perubahan ukuran, laju atau densitas pada aliran volume,

tekanan, dan level daya.

Hukum Fan 2 adalah efek perubahan ukuran, tekanan, atau densitas pada laju alir

volume, kecepatan, dan daya.

Hukum Fan 3 adalah pengaruh perubahan ukuran, aliran volume atau densitas pada

kecepatan, tekanan, dan daya.

Hukum-hukum fan dapat diterapkan pada fan tertentu untuk menentukan pengaruh

perubahan kecepatan.l. Tetapi perlu diperhatian bahwa hukum-hukum tersebut berlaku jika

kondisi aliran adalah sama. Hukum-hukum fan tersebut tidak melibatkan koreksi untuk

aliran komprsibel.

3.5. Faktor kompresibilitas

Ketika udara mengalir ke dalam fan, udara tersebut dikompresi dan volume yang

keluar akan menjadi lebih kecil daripada volume pada bagian masukan. Hukum fan

tidak memperhitungkan efek tersebut.

Sebuah fan yang dipilih tanpa menggunakan kompresibilitas akan mempunyai ukuran

yang lebih besar daripada yang dibutuhkan, dan daya fan akan dinyatakan.

Efek kompresibilitas adalah sangat kecil ketika kenaikan tekanan fan di bawah 10”Wg,

dan hal tersebut biasanya diabaikan pada ambang batas (threshold).

Berbagai tipe fan disajikan dalam Gambar 5-8.

Gambar 5. Fan dengan bilah lurus Gambar 6. Fan dengan bilah bengkol maju




Gambar 7. Fan dengan bilah bengkol

mundur

8. Fan aliran aksial dua tahap

Beberapa jenis bilah yang digunakan dalam impeller fan sentrifugal disajikan dalam

Gambar 9.

Gambar 9. Beberapa jenis bilah yang digunakan dalam impeller fan sentrifugal

Bentuk pola aliran di dalam saluran yang keluar dari bilah fan disajikan dalam Gambar 10.




Gambar 10. Profil kecepatan keluaran fan.

4. Tujuan Percobaan

Percobaan fan sentrifugal bertujuan untuk memberikan pengetahuan dan kecekapan

dalam mengoperasikan fan sentrifugal, serta kemampuan dalam mengembangkan prosedur

operasinya. Selain itu, percobaan ini juga bertujuan untuk mempelajari karakteristik dan

kelakuan dari sebuah fan sentrifugal, teknik-teknik pengukuran, dan analisis hasil-hasil

percoban.

5. Sasaran

Sasaran dari percoban modul fan sentrifugal adalah kemampuan praktikan dalam:

1. Tekanan kecepatan, tekanan statik, dan tekanan total dengan menggunakan tabung

pitot.

2. Menghitung efisiensi overall dan mengestimasi efisiensi kerja impeller

3. Mengukur performance fan pada kecepatan putar tetap




4. Mampu menganalisis hubungan antara kinerja fan yang meliputi tekanan total dan

tekanan statis, kecepatan motor dan kerja input sebagai fungsi dari laju alir masukan.

6. Rancangan Percobaan

6.1. Perangkat dan Alat Ukur

Satu unit peralatan fan sentrifuga yang dilengkapi dengan instrument pengukur :

• Termokopel

• Pressuremeter

• Tachometer

• Orificemeter

• Voltmeter

• Amperemeter

Selain itu, berbagai bentuk impeller juga tersedia. Untuk keperluan pengukuran, diperlukan

anemometer dan jangka sorong.

6.2. Data percobaan

Penentuan luas penampang saluran:

214A Dπ= ; D merupakan diameter dalam saluran

Kalibrasi tabung pitot

Laju alir volumetric output

No v h∆ 1 2 3 4 5 6 7 8




No Bukaan keran orificeP∆ v Q 1 2 3 4 5 6 7 8

Tekanan

Kerja dari fan dapat dihitung dari tekanan dan laju alir volumetrik udara yang dihasilkan.

Apabila tekanan suction (isap) dan exhaust (buang) dapat diukur dan laju alir volumetrik

dapat ditentukan, maka:

,

, , ,

,

,

..( )

.

F i

F o T o T i

F oT

F i

W V IW Q P PQ v A

WW

η

=

= −

=

=

Kerja input motor dapat divaluasi dengan mengetahui tegangan dan arus listrik yang

disuplai. Kecepatan rata-rata fluida dapat dievaluasi dengan pengukuran melalui

orificemeter.

6.3. Contoh Data dan Perhitungan Percobaan Utama

Pada fan dengan kecepatan 700 rpm impeller tipe Backward-inclined

No Bukaan T

(oC) V

(volt) I

(A) P1(bar) P2(bar) ∆h(mm) Wf,I (w)

Pt (bar) ∆h^0.5

v (cm/s)

Q (cm3/s)

Wf,o (w) η (%)

No Bukaan keran P1 P2 P∆1 2 3 4 5 6 7 8




1 0.125 25 220 3.1 1 5.8 50 682 4.8 7.07 23.93 187.68 90.08 13.21 2 0.25 26 220 3 1 6 80 660 5 8.94 33.03 259.07 129.53 19.63 3 0.375 26 220 3.1 1 5.4 130 682 4.4 11.40 44.97 352.73 155.20 22.76 4 0.5 26 220 2.9 1.02 4.5 160 638 3.48 12.65 51.03 400.26 139.29 21.83 5 0.625 26.5 220 3 1 3.9 180 660 2.9 13.42 54.75 429.51 124.56 18.87 6 0.75 26.5 220 3 1.01 3.2 210 660 2.19 14.49 59.98 470.48 103.03 15.61 7 0.875 26 220 3.1 1 2.8 225 682 1.8 15.00 62.45 489.86 88.17 12.93 8 1 26 220 3 1 2.2 240 660 1.2 15.49 64.84 508.61 61.03 9.25

7. Daftar Termonilogi

Istilah-istilah berikut didefinisikan secara sederhana dan akan digunakan dalam

melakukan kajian modul fan sentrifugal ini.

Tekanan kecepatan:

Tekanan pada sebuah titik di dalam aliran (udara) yang disebabkan oleh densitas (udara)

dan laju gerakannya.

Tekanan statik:

Tekanan pada sebuah titik di dalam aliran (udara) yang disebabkan oleh densitas (udara)

dan derajat kompresinya. Tekanan statik tidak bergantung dari laju gerakan udara.

Tekanan total:

Juga disebut dengan tekanan stagnasi, yaitu jumlah dari tekanan statik dan tekanan

kecepatan.

Kenaikan tekanan total fan:

Beda antara tekanan total fan pada keluaran dengan tekanan total fan pada masukan.

Ketika udara yang bergerak masuk ke dalam daerah tertutup, udara akan mengubah

tekanan kecepatan menjadi tekanan statik.

Tekanan kecepatan fan:

Tekanan yang berhubungan dengan kecepatan rata-rata yang ditentukan dari laju alir

volume dan luas penampang permukaan outlet.

Tekanan statik fan:

Kenaikan tekanan total dikurangi dengan tekanan kecepatan.

Duty fan:

Rentang titik-titik operasi yang memberikan laju alir volume inlet pada sebuah tekanan fan

yang dinilai.

Daya output fan:




Daya output fan atau daya berguna, yaitu daya yang dipindahkan oleh fan ke fluida tak

kompresibel yang sama dengan hasil kali laju alir fan dan tekanan total fan dibagai oleh

sebuah tetapan (bergantung pada satuan).

Efisien fan:

Efisiensi mekanik atau total fan didefinisikan sebagai nisbah dari daya udara fan terhadap

daya poros fan.

Kurva sistem:

Sekumpulan titik-titik operasi yang didefinisikan oleh sebuah rancangan fan, ukuran, dan

kecepatan (lihat Gambar 11).

Gambar 11. Titik-titik operasi




Pembicaraan Modul Fan Sentrifugal:

Praktikan harus mengatur jadwal pembicaraan awal dan akhir dengan baik sesuai dengan

aturan yang berlaku di Laboratorium Instruksional. Untuk modul fan sentrifugal ini,

pembicaraan dilakukan secara bertahap, yaitu dengan asisten dan dengan dosen

pembimbing. Pembicaraan dengan dosen pembimbing dilakukan setelah praktikan lulus

pembicaraan dengan asisten. Penting untuk diperhatikan bahwa pembicaraan dengan dosen

pembimbing harus sudah selesai dan dinyatakan lulus pada hari H-1. Hal-hal yang

berkaitan dengan pembicaraan dipaparkan sebagai berikut.

1. Dengan asisten

a. Pengecekan buku jurnal

b. Pengenalan alat utama dan alat ukur

c. Penentuan variasi percobaan

d. Memahami hakikat keselamatan kerja

e. Praktikan kemudian:

i. Mengerjakan tugas yang diberikan asisten

ii. Melakukan rancangan percobaan

iii. Membuat prosedur operasi

iv. Menaksir data dan kurva hasil percobaan

2. Dengan dosen pembimbing

a. Pembicaraan awal:

i. Penguasaan dasar-dasar teori fan sentrifugal dan implementasinya

ii. Penguasaan dasar-dasar alat ukur dan pengukuran yang digunakan

iii. Pengujian kemampuan menganalisis

b. Pembicaraan akhir:

i. Presentasi laporan

ii. Pembahasan isi laporan akhir

iii. Pembahasan format dan tata cara penulisan laporan

c. Mempresentasikan hasil-hasil percobaan

fan-sentrifugal.pdf

Documents