LAPORAN
TUGAS AKHIR PERANCANGAN FAN (KIPAS) UNTUK PROSES PELAYUAN DAUN TEH Tugas Akhir ini Disusun Sebagai Salah Satu Persyaratan Meraih Gelar Sarjana Strata Satu Program Studi Teknik Mesin
Disusun Oleh :
KARWAT 4130412-041
JURUSAN TEKNIK MESIN - FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009
i
LEMBAR PENGESAHAN
Perancangan Fan (Kipas) Untuk Proses Pelayuan Daun Teh
Disusun Oleh : Nama
: KARWAT
Nim
: 4130412-041
Program studi
: Teknik Mesin
Fakultas
: Teknik
Universitas
: Mercubuana
Pembimbing,
Koord.Tugas Akhir,
(Nanang Ruhyat, ST.MT.)
(DR.H.Abdul Hamid, M.Eng)
Ka. Prodi Teknik mesin,
(DR.H.Abdul Hamid, M.Eng) ii
ABSTRAK Proses pelayuan selalu dilakukan dalam proses pengolahan daun teh, dimana proses pengolahan ini merupakan langkah awal dari proses pengolahan daun teh. Dalam proses pelayuan ini, menggunakan fan (kipas) yang berfungsi untuk menghembuskan udara dengan kapasitas dan kecepatan tertentu pada arah yang diinginkan. Parameter yang menentukan dalam perancangan Fan (kipas) adalah Kapasitas Aliran (Q) [m3/s], Head (H) [m], dan putaran (n) [rpm]. Dari data tersebut dapat dihitung kecepatan spesifik (nq) dan selanjutnya kecepatan spesifik mencerminkan jenis Fan (kipas) yang diinginkan. Dalam tugas akhir ini dipilih type profil Aerofoil Go 622, diharapkan dapat menghasilkan kandungan air dapal daun setelah melalui proses pelayuan sebesar 63%. Kemudian bagian bagian dari perancangan seperti : Motor penggerak, Poros, Bantalan, Kopling, Sudu dll digambarkan sesuai dengan hasil perhitungan dan referensi. Kata kunci: Pelayuan, Teh, Fan, Kapasitas aliran, Sudu.
iii
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena berkat rahmat-NYA penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik. Tugas akhir ini mengambil judul “Perancangan Fan (kipas) untuk Proses Pelayuan Teh” disususn sebagai syarat guna memeperoleh gelar Sarjana Strata Satu pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak DR Abdul Hamid M.eng, selaku ketua Jurusan Teknik Mesin, fakultas Teknik Universitas Mercu Buana. 2. Bapak Nanang Ruhyat, ST.MT, selaku pembimbing yang telah memberikan banyak arahan, bimbingan dan nasehat selama pengerjaan tugas akhir ini. 3. Kedua orang tua, kakak-kakakku, dan adik yang selalu mendo’akan dan memberikan bantuan baik moril maupun materil. 4. Istri tercinta yang selalu menemani dan tak bosan memberikan semangat. 5. Kedua anaku yang selalu menghibur dan selalu menambah semangat disetiap saat. 6. Keluarga besar Abah Salbi (Mang Adi Mulyadi dan Cep Indra), yang telah memberikan dukungan dan dorongan. 7. Rekan seperjuangan ( M Alhuda, Fajar Arianto, Ali Akhmadi dan semua reakan khususnya angkatan VI), dalam diskusi mengenai permasalahan yang dihadapi. 8. Rekan – rekan kerja (Mas Bowo, mas Kholiq, mas Herman) dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu), untuk bantuan yang telah diberikan. Semoga segala kebaikan yang telah diberikan dibalas oleh Allah SWT dan semoga semua yang penulis peroleh dapat menambah wawasan untuk bekal masa depan. Terima kasih atas semua kritik dan saran membangun yang telah diberikan.
Jakarta, Agustus 2009
Penulis
iv
DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR LAMBANG, SINGKATAN DAN SATUAN DAFTAR LAMPIRAN BAB I
BAB II
PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang ............................................................................................
1-1
1.2
Tujuan Perancangan ...................................................................................
1-2
1.3
Batasan Perancangan .................................................................................
1-3
1.4
Metode Perancangan ..................................................................................
1-3
DASAR TEOR I 2.1.
Budidaya Dan Pengolahan .......................................................................
2-1
2.2.
Macam Type Fan (Kipas) .........................................................................
2-2
2.3.
Kecepatan Spesifik ..................................................................................
2-3
2.4.
Perhitungan Poros ...................................................................................
2-3
2.5.
Diameter Hub ............................................................................................
2-4
2.6.
Diameter Luar Sudu...................................................................................
2-4
2.7.
Pemilihan Bentuk Profil Sudu ...................................................................
2-5
2.8.
Kopling .....................................................................................................
2-6
2.8.1. Hal-Hal Perancangan Kopling Tetap ..........................................
2-7
2.8.2. Pemilihan Jenis Kopling .............................................................
2-7
Bantalan ......................................................................................................
2-8
2.9.1. Klasifikasi Bantalan ....................................................................
2-8
Pasak .........................................................................................................
2-8
2.10.1. Gaya Tangent Sial ..........................................................................
2-10
2.10.2. Tekanan Permukaan .......................................................................
2-10
2.9. 2.10.
v
BAB III TAHAP PERANCANGAN 3.1.
Menentukan Lokasi Pengambilan Data .....................................................
3-1
3.2.
Ruangan Instalasi Pelayuan .......................................................................
3-1
3.3.
Menentukan Jenis Kapasitas Yang Dirancang .........................................
3-1
3.4.
Penentuan Jenis Fan (Kipas)......................................................................
3-1
3.5.
Penentuan Jenis Impeler ...........................................................................
3-1
3.6.
Perubahan Tekanan....................................................................................
3-2
3.7.
Penentuan Jumlah Sudu.............................................................................
3-2
3.8.
Pemilihan Bentuk Profil Sudu ...................................................................
3-2
3.9.
Gaya-Gaya Yang Terjadi Pada Sudu.........................................................
3-2
3.10. Perhitungan Kekuatan Sudu .....................................................................
3-2
3.11. Pemilihan Material ....................................................................................
3-2
3.12. Komponen Pendukung ..............................................................................
3-2
3.13. Diagram alir……………………………………………………………...
3-3
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1.
Menentukan Lokasi Pengambilan Data .....................................................
4-1
4.2.
Kandungan Air Dalam Daun The .............................................................
4-1
4.3.
Banyaknya Air Yang Diuapkan ................................................................
4-2
4.4.
Kecepatan Spesifik ....................................................................................
4-4
4.5.
Menentukan Dimensi Impeler ...................................................................
4-5
4.5.1. Penentuan Daya Motor...................................................................
4-5
4.5.2. Diameter Hub ................................................................................
4-7
4.5.3. Diameter Luar ...............................................................................
4-8
4.5.4. Diameter Rata-Rata .......................................................................
4-9
4.5.5. Panjang Sudu .................................................................................
4-9
Perubahan Tekanan ...................................................................................
4-10
4.6.1. Segi Kecepatan Seksi Masuk .........................................................
4-10
4.6.2. Segi Kecepatan Seksi Keluar ........................................................
4-12
Jumlah Sudu ..............................................................................................
4-13
4.6.
4.7.
vi
BAB V
4.8.
Lebar Roda ................................................................................................
4-14
4.9.
Pemilihan Bentuk Profil ............................................................................
4-14
4.9.1. Luas Profil Penampang Sudu ........................................................
4-14
4.9.2. Bahan Sudu Gerak ........................................................................
4-15
4.9.3. Bahan Hub Sudu ...........................................................................
4-16
4.9.4. Bahan Tutup Hub .........................................................................
4-18
4.10. Perhitungan Kekuatan Sudu Gerak ............................................................
4-19
4.10.1. Gaya-Gaya Yang Terjadi Pada Sudu Gerak ..................................
4-19
4.11. Reaksi Tumupan Kopling .........................................................................
4-22
4.12. Perhitungan Kopling .................................................................................
4-25
4.13. Perhitungan Bantalan ................................................................................
4-27
4.14. Perhitungan Pasak .....................................................................................
4-29
KESIMPULAN 5.1. Kesimpulan ..................................................................................................
5-1
5.2.Dimensi Fan (Kipas) .....................................................................................
5-1
5.3. Material Yang Dipilih ..................................................................................
5-2
5.4. Kopling ........................................................................................................
5-2
5.5. Bantalan .......................................................................................................
5-2
5.6. Pasak ............................................................................................................
5-2
5.7. Saran ............................................................................................................
5-2
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR GAMBAR Hal 1.1.
Gambar 2.1. Diagram Cordier ...................................................................................
2-5
1.2.
Gambar 2.1. Penampang Profil Sudu Gerak .............................................................
2-6
1.3.
Gambar 2.3. Gaya Geser Pada Pasak ........................................................................
2-10
1.4.
Gambar 4.1. Didagram Kecepatan Seksi Masuk .......................................................
4-10
1.5.
Gambar 4.2. Diagram Kecepatan Seksi Keluar .........................................................
4-12
1.6.
Gambar 4.3. Diagram Kecepatan Sebuah Garis Aliran Melaului Kisi Sudu ............
4-13
1.7.
Gambar 4.4.Gaya-Gaya Yang Bekerja Pada Sudu ....................................................
4-21
viii
DAFTAR TABEL Hal 1.1. Table 4.1. Harga dimensi normal profil-profil standart ...............................................
4-17
1.2. Table 4.2. Hasil perhitungan bantalan A ......................................................................
4-28
1.3. Table 4.3. Hasil perhitungan bantalan di B...................................................................
4-29
1.4. Table 4.4. Hasil perhitungan pasak ..............................................................................
4-33
ix
DAFTAR SIMBOL A
= Luas penampang
(mm2)
b
= Lebar roda gerak
(mm)
C1
= Lecepatan multak
(m/s)
C1m
= Kecepatan mutlak dalam arah meridian
(m/s)
C1u
= Kecepatan mutlak dalam arah U
(m/s)
C0
= Kecepatan fluida masuk
(m/s)
Cb
= Faktor keamanan untuk momen lentur
(-)
ds
= Diameter poros
(mm)
DH
= Diameter hub
(mm)
D0
= Diameter luar sudu
(mm)
Dr
= Diameter rata-rata
(mm)
= Perbandingan hub dengan diameter luar sudu
(mm)
Fa
= Gaya aksial
(N)
Ft
= Gaya tangensial
(N)
Fc
= Gaya sentrifigal
(N)
Fa1
= Gaya aksial untuk setiap sudu
(N)
G
= Percepatan gtafitasi
(m/s2)
H
= Head
(m)
Hth
= Head teoritis
(m)
Kt
= Faktor keamanan akibat kejutan
(-)
L
= Panjang sudu
(mm)
Lcg
= Jarak titik tangkap
(mm)
Lfa
= Jarak titik tangkap gaya aksial terhadap hub
(mm)
Lft
= Jarak titik tangkap gaya tengensial terhadap hub
(mm)
Lh
= Umur bantalan
(mm)
n
= Putaran motor
(rpm)
Pd
= Daya motor
(KW)
Q
= Kapasitas Aliran
(m3/s)
Dh/ D0
x
t
= Jarak antar sudu
(mm)
U1
= Kecepatan keliling
(m/s)
Vs
= Volume sudu
(l)
W1u
= Kecepatan relative dalam arah U
(m/s)
Ws
= Gaya berat setiap sudu
(N)
Ws1
= Gaya berat setiap kaki sudu
(N)
Y
= Kerja pemampatan spesifik
(m2/s2)
Z
= Jumlah sudu
(buah)
= Bobot spesifikasi udara
(kgf/m3)
= Efisiensi
(%)
= Masa jenis
(kg/mm3)
= Tegangan geser
(N/mm2)
= Kekuatan tarik/tekan
(N/mm2)
xi
xii
Fakultas Teknik
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Indonesia merupakan Negara agraris, iklim dan cuaca yang ada di Indonesia memungkinkan tumbuhnya bermacam-macam tanaman, baik palawija maupun tanaman hasil kebun, seperti teh, kopi, karet, tembakau, dan kina. Tanaman ini merupakan komoditi ekspor yang penting bagi Negara kita. Oleh karena itu segala usaha untuk meningkatkan perkembangannya, baik kuantitas maupun kualitasnya perlu dilakukan secara intensif, agar terus dapat memberikan sumbangan bagi pembangunan di Indonesia, baik dimasa sekarang maupun di masa-masa yang akan dating. Salah satu tanaman hasil kebun yang tak asing lagi bagi masyarakat di Indonesia adalah teh. Karena disamping telah banyak menghasilkan devisa bagi Negara, juga merupakan minuman sehari-hari. Penelitian tentang teh itu sendiri terus dikembangkan hingga lahirnya salah satu balai penelitian. Dalam hal pengolahan jenis teh di Indonesia, salah satunya adalah adalah jenis pengolahan teh hitam. Dimana dalam pengolahan jenis teh ini, daun mengalami salah proses, yaitu proses pelayuan. Proses pelayuan selalu dilakukan dalam proses pengolahan teh hitam. Proses pengolahan teh ini merupakan langkah awal dari pengolahan teh hitam. Dalam pengolahan teh ini, pucuk teh akan mengalami 2 (dua ) perubahan, yaitu perubahan fisik dan perubahan kimia. Perubahan fisik yang jelas adalah kondisi daun yang kondisinya berubah menjadi lemas yang diakibatkan menurunnya kandungan air, keadaan melemasnya daun ini memberikan kondisi mudah untuk digulung, selain itu penguapan kadar air dalam daun akan memekatkan bahan – bahan yang kondisinya sampai pada suatu kondisi yang tepat untuk terjadinya peristiwa oksidasi pada tahap pengolahan berikutnya.
Laporan Tugas Akhir
1-1
Teknik Mesin
1-2 Fakultas Teknik
Perubahan kimia selama proses pelayuan yang nyata tampak adalah timbulnya bau aroma yang sedap, bau buah buahan, serta bunga – bungaan. Dalam hal proses pelayuan yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut : 1. Selama palayuan suhu dan kelembaban udara diusahakan tetap stabil 2. Pelayuan hendaknya merata pada tiap – tiap bagian pucuk 3. Pengaturan suhu pelayuan jangan terlalu tinggi 4. Selama pemetikan, pengangkutan, dan penghamparan daun diusahakan jangan sampai rusak. Perlu diketahui hasil pelayuan yang baik ditandai dengan pucuk layu yang berwarna hijau kekuning – kuningan, tidak mongering, tangkai muda menjadi lentur, kalau digenggam terasa lembut, dan akan timbul aroma yang khas.
1.2. Tujuan Perancangan Dengan berbagai macam pertimbangan akhirnya penulis mengambil kesimpulan bahwa tidak ada salahnya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, mengambil judul ”PERANCANGAN FAN ( KIPAS ) UNTUK PROSES PELAYUAN TEH “. Tujuan utama dari perancangan ini, adalah untuk mempraktekan teoriteori yang pernah didapatkan dalam perkuliahan, sehingga pemahaman akan kesatuan ilmu Teknik Mesin akan menjadi lebih semakin mendalami “Bisa karena Biasa “ adalah ungkapan yang paling tepat dalam tujuan perancangan ini. Sesuai dengan judulnya perancangan. Maka dalam perhitungan akan didapatkan perbedaan – perbedaan dimensi dengan data – data produk hasil perancangan orang lain. Perbedaan harga – harga dimensi, kekuatan, dan umur dipengaruhi banyak faktor antara lain : -
Perbedaan metode perancangan
-
Material dari tiap komponen
-
Umur yang diinginkan
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
1-3
Fakultas Teknik
Paling tidak metode ataupun hasil dari perancangan ini dapat dijadikan masukan untuk penggunaan mesin selanjutnya.
1.3. Batasan Perancangan Mengingat luasnya ruang lingkup yang akan dibahas dalam perancangan ini, maka penulis perlu melakukan pembatasan masalah, sebagai berikut: -
dalam perancangan ini yang dibahas hanya dimensi FAN ( kipas ) itu sendiri, poros dan pemilihan tipe motor. Untuk perhitungannya yaitu dengan cara memilih bahan yang sesuai dan pembebanan maksimum yang terjadi.
-
Pemilihan jenis profil sudu gerak
-
Untuk komponen yang standar atau yang ada dipasaran seperti bantalan, kopling disesuaikan dengan kemampuan hasil perhitungan.
-
Pemilihan material yang dipakai.
1.4. Metode Perancangan Dalam penyusunan tugas akhir ini, penyusun menggunakan metode sebagai berikut : 1. Mempelajari sistem yang ada dengan cara konvensional yaitu : Pencarian data literature, text book, jurnal – jurnal, internet yang berhubungan dengan perancangan serta brosur – brosur. 2. Mengadakan survey langsung kelapangan dan wawancara dengan pihak terkait yang berlokasi di PPTK Gambung Ciwidey bandung.
BAB II Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
DASAR TEORI
Sejak tahun 2700 sebelum masehi tanaman teh telah dikenal di tiongkok dan jepang, Sejak itu pula teh memegang peranan penting dalam kehidupan rohaniah di sana. Istilah dari teh di tiongkok digambarkan oleh sastrawan Li Chin Lai yang hidup dalam dynasti soong sebagai berikut, bahwa ada tiga hal yang patut disesalkan di dunia ini adalah : 1. Rusaknya generasi muda karena pendidikan yang salah 2. Tidak dimengertinya lukisan –lukisan yang indah 3. Merusak minuman teh karena pengolahan yang kurang baik Menurut Wellenseik ( tahun 1947 ), pada tahun 1933 di Indonesia ada perkebuna seluas 193.606 ha yang telah menghasilkan 71.360 ton teh kering. Pada saat itu teh menempati 5,43% dari ekspor pertanian Negara kita. Teh di Indonesia, terutama dari dataran tinggi mempunyai nama yang baik di pasaran dunia.
2.1.
Proses dan Pengolahan Mula – mula daun yang baru dipetik dimasukkan pada trough untuk
mengalami pelayuan sehingga kurang lebih 40% dari bobotnya yang segar akan hilang menguap. Perlu diketahui lama pelayuan untuk setiap padrik berbeda –beda, berkisar antara 14-18 jam, Lama pelayuan kurang dari 14 jam hanya dilakukan pada musim yang baik ( kemarau ). Mengingat pada proses pengolahan teh hitam diperlukan aktifitas sebagai biokatalisator, suhu udara pelayuan dianjurkan tidak melebihi 280C, optimum 26,70 C (800 F), karena pada suhu diatas 280 C enzim mulai terjadi dinaturalisasi dan suhu ruangan 200 C, karena suhu yang terlalu tinggi akan 2-2 menyebabkan teh menjadi merah dan seduhannya gelap, ampasnya kurang cerah dan akan terasa asam. Sesudah itu dilakukan proses penggulungan (rolling) pada mesin yang khusus dibuat untuk keperluan tersebut. Proses selanjutnya ialah proses permentasi yang bertujuan untuk menimbulkan bau dan sifat yang khas 2-1 pada seduhan. Suhu terbaik adalah 26,7 Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
C dengan kelembaban 87-91% (Harler 1963) Yang berlangsung dalam sebuah ruangan yang telah ditentukan dan selama beberapa jam lamanya. Dalam permentasi itu terjadilah beberapa perubahan kimia, selanjutnya teh akan memasuki proses pengeringan dan disortasikan, maka selesailah pengolahan teh itu dan siaplah untuk dimasukkan kedalam peti untuk dikonsumsikan.
2.2.
Macam Tipe Fan (kipas) Fan (kipas) terdiri dari satu impeller dan dilengkapi dengan sudusudunya dan dipasang diporos yang berputar (berotasi) didalam rumahnya yang berfungsi untuk menghembuskan udara dengan kapasitas dan kecepatan tertentu pada arah yang diinginkan. Tipe Fan (kipas) terdapat dua katagori, yaitu 1. Fan (kipas aksial, dimana gerakan utamanya dari udara/gas didalam mesin ini adalah dalam arah aksial (aliran udara/gas sejajar dengan sumbu poros) yang akan digerakkan oleh sudu – sudu tetap dan susunan sudu yang bergerak. Gerakan aliran gas akan dipercepat oleh susunan sudu gerak, tetapi gerakan yang dipercepat ini diperlambat pada sudu susunan tetap yang berupa diffuser, sehingga energy kinetic diubah menjadi penambahan energy tekan. 2. Fan (kipas sentrifugal/tegak lurus sumbu poros) adalah impeller bergerak dengan kecepatan tertentu, sehingga gerakan aliran gas pun ikut dipercepat tetapi pada seksi keluar kecepatan gerak gas ini diperlambat oleh difuser sehingga energy tekanan jadi naik. Parameter yang menentukan dalam perancangan Fan (kipas) adalah 2-3 Kapasitas alitran optimum (Q), Head kerja (m), dan putaran poros (n), dimana Q, H, dan n tersebut Fan (kipas) diharapkan bekerja pada efisisnsi maksimum. Dari data tersebut diatas dapat dihitung kecepatan spesifik (nq) Fan (kipas). Selanjutnya kecepatan spesifik (nq) ini mencerminkan jenis Fan yang diinginkan (sesuai).
Kecepatan Spesifik
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Kecepatan spesifik adalah bilangan yang menyatakan, macam roda gerak (Impeler), didefinisikan oleh perbandingan dimensi tertentu. Dengan kata lain untuk roda gerak yang sebangun akan mempunyai kecepatan spesifik (nq) yang sama. Kecepatan spesifik (nq) dapat dipakai sebagai parameter untuk menyatakan bentuk fan (kipas). Kecepatan spesifik (nq) adalah roda gerak dari beberapa roda gerak. Bentuk roda gerak (impeller) tergantung pada kecepatan spesifik (nq) yang bervariasi dalam range tertentu. Penyesuaian bentuk roda gerak (impeler) dengan kecepatan spesifik dimaksudkan agar dicapai effisiensi yang optimum dan bentuk yang sesuai. Kecepatan spesifik (nq) adalah kecepatan putar roda gerak dari beberapa roda gerak yang sebangun, memberikan kapasitas aliran 1 m3/s head 1 m pada efisiensi maksimum. Untuk bisa menentukan berapa kecepatan spesififik yang sesuai bisa dihitung berdasarkan persamaan dibawah ini : nq = n
(referensi 5 hal 20)
dimana: nq = kecepatan spesifik (rpm) n = putaran poros (rpm) Q = kapasitas aliran (m3/s) H = Head optimum (m)
2.4. Perhitungan Poros Poros (Shaft) adalah suatu elemen mesin stasioner yang berotasi, 2-4 biasanya berpenampang bulat, merupakan tempat terpasangnya elemenelemen seperti roda gigi, puli, dll. Poros biasa menerima beban momen lentur atau momen torsi maupun kombinasi kedua beban tersebut. Untuk mencari diameter poros, dengan menggunakan rumus: ds=
(referensi 12 hal 8)
Dimana: Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
ds= diameter poros(mm) = tegangan geser yang diijinkan (N/mm2) T = Momen torsi (N.mm) Kt = Faktor keamanan akibat kejutan Cb = Faktor keamanan untuk momen lentur. Torsi sendiri dari referensi yang sama di dapat dari : (referensi 12 hal 7)
Dimana : Pd = daya rencana n = putaran poros Adapun daya rencana didapat dari : Pd = Fc.P
(referensi 12 hal 7)
Dengan Fc adalah faktor koreksi.
2.5. Diameter Hub Dalam menentukan diameter hub, biasanya dibuat lebih besar dari diameter poros. Dimana besarnya diameter hub: Dh= 2xds Dimana : Dh = diameter hub (mm) ds = diameter poros (mm)
2.6. Diameter Luar
2-5 Agar suatu Fan (kipas) dapat memberikan suatu rendemen yang
tinggi, maka perancangan harus terletak atau sesuai dengan diagram cordier.
Dimana untuk menghitung diameter luar adalah : (referensi 5 hal 341)
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Dimana : D0 = diameter luar (mm) = bilanagan putar Y = Kerja pemampatan spesifik (m2/s) Q = Kapasitas aliran (m3/s)
Gambar 2.1. Diagram Cordier
2.7. Pemilihan Bentuk Profil Sudu Untuk mendapatkan kekuatan mekanis yang tinggi serta mengurangi kerugian hidrolis, maka dipakai profila aerofoil untuk setiap penampang sudu fan (kipas). Dalam hal ini akan dipilih jenis profil, yaitu jenis profil Go 622. Gambar profil didapat dengan menggunakan tabel 1 (dari referensi 9) halaman 359) yang memuat harga dimensi normal profil-profil standar,
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
dengan harga-harga Yo,Yu, dan harga X semuanya dinyatakan dalam mm terhadap panjang profil L.
Gambar 2.2. penampang profil sudu gerak
2.8. Kopling Kopling adalah merupakan elemen dari suatu mesin yang merupakan unsur terpenting dari suatu rangkaian sistem yang di dalamnya terdapat poros dan putaran. Fungsi kopling adalah untuk meneruskan daya dan putaran. Kopling terbagi menjadi dua jenis, yaitu kopling tetap dan kopling tidak tetap. Kopling tetap adalah suatu elemen mesin yang berfungsi sebagai penerus putaran dan daya dari poros penggerak secara pasti (tanpa terjadi slip) yang sumbu kedua poros tersebut dalam suatu garis atau dapat sedikit berbeda 2-7 sumbunya. Kopling tidak tetap dapat dihubung-lepaskan dalam keadaan dial ataupun berputar (bekerja). 2.8.1. Hal-hal penting dalam perencanaan kopling tetap Dalam merencanakan suatu kopling tetap, hal-hal berikut ini menjadi pertimbangan. Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
1. Pemasangan yang mudah dan cepat 2. Ringkas dan ringan 3. Aman pada putaran tinggi 4. Tidak ada atau sedikit mungkin bagian yang menjorok (menonjol) 5. Dapat mencegah pembebanan lebih 6. Terdapat sedikit kemungkinan gerakan aksial pada poros sekiranya terjadi pemuaian karena panas.
2.8.2. Pemilihan jenis kopling Dalam hal ini dipilih jenis kopling flens yang termasuk dalam kategori kopling tetap. Setelah kita mengetahui diameter poros dari hasil perhitungan maka selanjutnya ukuran ukuran dari kopling ini dapat ditentukan dari tabel kopling menurut referensi 12 hal 31. Untuk mengetahui tegangan geser pada baut dapat dicari dengan rumus (referensi 12 hal 34)
dari tegangan geser pada baut ini harus diperiksa dengan :
b < ba
(referensi 12 hal 34)
Dimana ba adalah kekuatan geser ijin bahan
Sedangkan untuk Flens adalah : 2-8
(referensi 12 hal 34)
Dan ini juga harus diperiksa dengan bahan yang digunakan sehingga :
a
(referensi 12 hal 34)
2.9. Bantalan Bantalan merupakan salah satu bagian dari elemen mesin yang berfungsi untuk
Laporan Tugas Akhir
menumpu
poros berbeban
melalui
belemen
yang
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
menggelindingkan antara 2 (dua) buah cincin agar putaran atau gerak bolakbaliknya dapat berlangsung secara halus, aman dan berumur panjang. Pemasangan bantalan harus cukup kokoh unbtuk memungkinkan poros serta elemen mesin lainnya bekerja dengan baik, jika bantalan tidak berkerja dengan baik maka prestasi seluruh sistem akan menurunkan atau tidak bekerja secara semestinya.
2.9.1. Klasifikasi Bantalan Bantalan dapat dikualifikasikan sebagai berikut: 1. Atas dasar gerakan bantalan terhadap poros a. Bantalan luncur. Pada bantalan ini terjadi gesekan luncur antara poros dan bantalan karena permukaan poros oleh permukaan bantalan dengan perantara lapisan perlumas. b. Bantalan gelinding. Pada bantalan ini terjadi gesekan gelinding antara bagian berputar dengan yang diam melalui elemen gelinding seperti bola, rol dan lain-lain. 2. Atas dasar arah bebab terhadap poros a. Bantalan radial. Arah yang ditumpu bantalan ini adalah tegak lurus sumbu poros. b. Bantalan aksial. Arah beban bantlan ini sejajar dengan sumbu poros. c. Bantalan gelinding khusus. Bantalan ini dapat menumpubeban yang arahnya sejajar dan tegak lurus sumbu poros.
2.9.2. Beban Ekuivalen
2-9 Beban ekivalen sering disamakan dengan beban radial, bila
beban aksial pada suatu tidak ada.
Rumus untuk mencari beban dinamis ekivalen (Fe) digunakan rumus: Fe=x.Fr+Y.Fa
(referensi 4 hal 39)
Dimana : Fe = beban dinamis ekuivalen (N) Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Fa = beban aksial F = beban radial x = faktor beban radial Y = faktor beban aksial Untuk mencari umur bantalan, maka harus mengetahui dulu gaya ekivalen yang terjadi pada bantalan tersebut. Beban dinamis dihasilkan dari perkalian beban ekivalen dengan faktor pengali. Faktor pengali ini dihasilkan dari kurva antara hubungan kecepatan dengan ukur yang diperkirakan. = Faktor pengali
Dimana rumus untuk mencari umur bantalan adalah :
=
(Jam)
(referensi 4 halaman 28)
3.0. Pasak Pasak merupakan salah satu bagian dari elemen mesin yang berguna untuk menetapkan kedudukan bagian-bagian mesin seperti roda gigi, puli, kopling dan lain-lain pada poros. Momen pada pasak diteruskan dari poros ke naf dan dari naf ke poros. Dengan adanya pasak memungkinkan bagian-bagian mesin tersebut dapat dibuka dan dipasang secara mudah.
2-10
3.0.1. Gaya Tangensial Momen rencana dari poros adalah T (kg.mm) dan diameter poros (ds) [mm], maka gaya tangensial (F) [kg] pada permukaan poros adalah : (referensi 12 halaman 25) Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Menurut lambang pasak yang diberikan dalam gambar 2.3 di bawah ini, gaya geser bekerja pada pemampang mendatar b x 1 [mm2] oleh gaya F [kg]. dengan demikian tegangan geser (k) [kg/mm2] yang ditimbulkan adalah:
k =
F b.l
(referensi 12 halaman 25)
Dari tegangan geser yang diizinkan (ka) [kg/mm2], panjang pasak (l1) [mm] yang diperlukan dapat diperoleh.
ka ≥
F b.l 2
(referensi 12 halaman 25)
Gambar 2.3. Gaya geser pada pasak
Harga ka adalah harga yang diperoleh dengan membagi kekuatan 2-11 tarik B dengan faktor keamanan Sfk1 x Sfk2.
3.0.2. Tekanan permukaan Perhitungan untuk menghindari kerusakan permukaan samping pasak karena tekanan bidang juga diperlukan. Gaya keliling (F) [kg] yang sama seperti tersebut di atas dikenakan pada luas permukaaan samping pasak. Kedalaman alur pasak pada poros dinyatakan dengan t1 dan kedalaman alur pasak pada naf dengan t2. Abaikan
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
perngurangan luas permukaan oleh pembulatan sudut pasak. Dalam hal ini tekanan permukaan P [kg/mm2] adalah: P=
F lx(t1 atau t 2 )
(referensi 12 halaman 27)
Dari harga tekanan permukaan yang diizinkan (Pa) [kg],panjang pasak yang diperlukan dapat dihitung dari: Pa >
F lx(t1 atau t 2 )
(referensi 12 halaman 27)
Harga Pa adalah sebesar 80 [N/mm3] untuk poros dengan diameter kecil, 100 [N/mm3] untuk poros dengan diameter besar dan setengah dari harga-harga diatas untuk poros berputar.
BAB III TAHAP-TAHAP PERANCANGAN
3.1.
Menentukan Lokasi Pengambilan Data Dalam pengambilan sumber data dalam Tugas Akhir Ini, berlokasi di Pusat Penelitian Teh dan Kina (PPTK) Gambung Ciwidey.
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
3.2.
Ruangan /Instalasi Pelayuan 1. Isi ruangan pelayuan 2. Kandungan air dalam daun teh 3. Banyaknya air yang diuapkan (kg)
3.3.
Menentukan Kapasitas Yang Dirancang Dimana data yang dibutuhkan untuk perancangan Fan (kipas) dalam
perancangan ini mempunyai kektentuan sebagai berikut: Q = 12 m3/s n = 750 rpm H = 11 m
3.4.
Penentuan Jenis Fan (Kipas) Dari data di tersebut di atas dapat dihitung kecepatan (nq) Fan (kipas). Dan selanjutnya kecepatan spesifik ini akan mencerminkan jenis Fan (kipas) yang sesuai
3.5.
Penentuan Dimensi Impeler - Penentuan daya motor - Diameter poros
3-2
- Diameter hub atau naf - Diameter luar (D0)
3.6.
Perubahan tekanan
3.7.
Penentuan jumlah sumbu
3.8.
Pemilihan bentuk profil sudu
3.9.
Gaya-gaya yang terjadi pada sudu gerak
3-1
3.10. Perhitungan kekuatan poros 3.11. Pemilihan material
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Pemilihan material dalam tugas perancangan merupakan salah satu langkah penting, karena suatu proses perancangan dimana pemilihan material yang salah akan menyebabkan gagalnya hasil perancangan, dikarenakan pula pemilihan material akan mempengaruhi kekuatan, ukuran dan umur dari hasil rancangan tersebut.
3.12. Komponen Pendukung 1. Pemilihan jenis kopling 2. Pemilihan jenis bantalan 3. Penentuan jenis pasak
3-3
START
MENENTUKAN JUDUL
MEMPELAJARI PRINSIP
Laporan Tugas AkhirDAN PERHITUNGAN PELAYUAN
MEMPELAJARI PELAYUAN TEH AKTUAL
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
INPUT DATA
PERHITUNGAN PERANCANGAN
TIDAK
Kandungan air 60-65%
Penentuan : -Lokasi data -Instalasi pelayuan -Kapasitas -Jenis fan -Dimensi impeler -Perubahan tekanan -Jumlah sudu -Profil sudu -Gaya pada sudu -Kekuatan poros -Pemilihan material -Komponen pendukung
YA
Kandungan air 63%
DRAWING
END
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1.
Isi Ruangan Pelayuan Dalam pengambilan perancangan ini, sengaja diambil sebagai tempat pengambilan data di Pusat Penelitian Teh dan Kina (PPTK) Gambung. Ruangan pelayuan yang ada di gambung mempunyai ukuran-ukuran antara
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
lain panjuang ruangan 55 meter dan lebar 30 meter. Dimana terdapat troughtrough pelayuan sebanyak ( 2 x 9 ) = 18 buah. Kapasitas trough dihitung berdasarkan pada luas penghamparan pucuk (leaf bed) dari alat tersebut dengan perhitungan setiap m2 Leaf bed 20 – 35 kg pucuk segar. Jadi apabila trough mempunyai ukurann panjang 9 seksi berarti kepasitasnya 9 x 2,44 x 1,8, (20 – 35) = 1200 – 1400 kg pucuk segar. Untuk kapasitas 1200 – 1400 kg pucuk segar Fan (kipas) diharapkan dapat menghasilkan udara 21999 – 25666 cfm (cubic feet per minute). Data ini diambil dari buku kuning tentang “Petunjuk Teknis Pengolahan Teh” halaman 39
4.2.
Kandungan Air Dalam Daun Teh Cara menghitung derajat daun selama proses pelayuan dengan menggunakan daftar dari Harjono Hardjosuwito dari Balai Penelitian Perkebunan Bogor tentang “Tindjauan Pelajuan Teh dengan palung (trouhg)” halaman 129. Kandungan air dalam daun segar 80 % Dikehendaki kandungan air dalam daun layu 57 % Derajat layu (didapatkan dari daftar/tabel derajat layu) 45% Khusus untuk trough kecepatan pengapan air 4 % tiap jam, sehingga 4-2 penguapan air selama proses pelayuan 100 – 45 = 55 %, maka waktu yang diperlukan untuk pelayuan adalah dibualatkan menjadi 14 jam lamanya.
4.3.
Banyaknya Air Yang Diuapkan (Kg) 4-1 Menurut hasil percobaan yang telah dilakukan oleh Dr. Ir. H. A. Leniger ialah sebagai berikut: Kadar air yang terdapat dalam daun antaran 75% - 80 % Kadar air yang terdapat dalam tangkai antara 85% - 87% Untuk data perhitungan diambil, kadar air dalam daun 77,5% dan kadar air dalam tangkai 86%. Dari hasil pecobaan oleh Dr. Ir. H. A. Leniger, berat daun dan tangakainya adalah sebagai berikut:
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Berat daun 70 % dari berat total Berat tangkai 30 % dari berat total Penentuan/perhitungan kadar air dari petikan adalah sebagai berikut: 70% dari berat total kadar air dalam tangkai 86% 30% dari berat total kadar air dalam tangkai 86% Sehingga kadar air dari hasil petikan adalah sebagai berikut: 0,7x77,5%+0,3x86% = 54,25%+25,8%=80,05%, dibulatkan menjadi 80%. Jadi hasil petikan tersebut mempnyai kadar air 80%. Daun teh yang mempunyai kadar air 80% masih mengandung air sebanyak : 80 4 Kg air/kg daun teh kering 100 80
Daun teh yang sudah mengalami proses pelayuan sebelum mengalami proses fermentasi, berdasarkan percobaan yang dibuat, ternyata msih mengandung kadar air antara 61 % - 65%. Untuk perhitungan kadar air dari daun teh yang suah menglami proses pelayuan diambil 63 %. Jadi daun teh yang sudah mengalami proses pelayuan masih mengandung kadar air sebanyak : 63 1,7 Kg air/kg daun teh kering 100 63
4-3 Jadi kesimpulannya dalam suatu ruangan pelayuan, terjadi penguapan air dari daun teh sebanyak : (4 – 1,7) = 2,3 Kg air/kg daun teh kering. Biasanya proses pelayuan di PPTK Gambung baru bisa dimulai sekitar pukul 17.00, dengan alasan – alas an sebagai berikut: Petikan daun teh biasanya baru terkumpul dari pabrik sekitar jam 11.00 – 12.00. Penghamparan daun teh memerlukan waktu kurang lebih 2 jam, yaitu dimulai jam 14.00. Jadi waktu pelayuan baru bisa dilakukan sekitar jam 17.00. Perlu diketahui udara yang baik dipakai dalam proses pelayuan adalah udara yang bersih (tanpa debu, bau, dll), mempunuyai tingkat kelembaban yang rendah (60-75%). Kemampuan udara menguapkan air ditentukan oleh Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
besarnya perbedaan higrometrik yaitu, perbedaan suhu bola basah dan bola kering pada alat, higrometer, bukan oleh tingginya suhu udara. Perbedaan hiogrometrik udara untuk pelayuan berkisar 4 – 10 0F (Petunjuk Teknis Pengolahan Teh Hal. 38), dimana perbedaan yang paling besar terjadi diawal proses pelayuan. Pengukuran perbedaan higrometrik dapat digunakan termohigrometrik atau wirling hygrometer. Apabila perbedaan higrometrik berada di bawah 4 0F hingga 00F berarti udara terlalu lembab (banyak mengandung air) untuk proses pelayuan, sehingga diperlukan udara panas untuk membantu pelayuan daun (mempercepat pelayuan). Bila diatas 100F (perbedaan higrometriknya), maka udara terlalu kering (hal ini pernah terjadi di PPTK Gambung). Dengan perbedaan higrometrik sekitar 4 – 10 0F, daun akan layu dengan hanya dibantu oleh penghembusan udara biasa (ruangan) melalui Fan (kipas). Tanda-tanda pelayuan yang baik adalah akan ditandai dengan pucuk layu yang berwarna hijau kekuning-kuningan, tidak mengering, internodia 4-4 (tangkai) muda menjadi lentur, kalau digemgam akan tersa lembut dan bila dilempar tidak akan buyar serta akan menimbulkan bau aroma yang khas seperti buah masak. Kesimpulan proses ini sangat menentukan sekali untuk proses selanjutnya, bagus tidaknya hasil dari pelayuan akan terlihat apabila proses pengolahan sudah selesai. Dalam bab sebelumnya telah disebutkan bahwa parameter yang menentukan dalam perancangan Fan (kipas) ini adalah kapasitas aliran (Q)[m3/s], head kerja (H)[m] dan putaran poros (n)[rpm], dimana Q, H dan n tersebut Fan (kipas) diharapkan bekerja pada efisiensi maksimum. Dimana data yang dibutuhkan untuk perancangan Fan (kipas) dalam perancangan ini mempunyai ketentuan sebagai berikut: Q = 12 m3/s n = 750 rpm H = 11 m
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Dari data tersebut diatas dihitung kecepatan spesifik (nq) Fan (kipas). Selanjutnya kecepatan spesifik (nq) ini menderminkan jenis Fan (kipas) yang sesuai.
Kecepatan Spesifik (nq)
4.4.
Dengan demikian kecepatan spesifik (nq) adalah sebagai berikut:
nq n
Q H 3/ 4
jam
(referensi 3 halaman 49)
Dimana: nq = Putaran Spesifik [rpm] n = Putaran Poros [=750 rpm] Q = Kapasitas Aliran [=12 m3/s] H = Head Kerja [=11 m] Sehingga akan didapat besarnya kecepatan spesifik adalah : n q 750
4-5
12 113 / 4
= 430 rpm Berdasarkan referensi 6 halaman 70 disebutkan bahwa kecepatan spesifik dari roda axial adalah berkisar antara 250 – 600. Dan ternyata kecepatan spesifik dari Fan (kipas) yuang dirancang adalah 430. Dengan demikian, secara kecepatan spesifikpun Fan (kipas) yang dirancang ini juga memenuhi syarat, karena harganya masih
di dalam daerah yang
diperbolehkan.
4.5.
Menentukan Dimensi Impeler 4.5.1. Penentuan daya motor Terlebih dahulu akan ditentukan daya motor dimana dapat dihitung dengan persamaan : N ntot
Y Q H 75
[kW]
Dimana : Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
= Bobot Spesifik Udara [kg/m3] Q = Kapasitas Aliran Udara [m3/s] H = Head Kerja [m]
tot = Efisiensi total [0,77] Untuk mencari bobot spesifik dapat dihitung dengan rumus di bawah ini :
Pa R Ta
a
[lb/ft3]
Dimana : Pa = 14,7 psia t = 21 oC Ta = 1,8 x(21)+32 = 70 oF
4-6
Ta = (70+460) = 530 oR Konstanta Gas (R) = 53,34 lb.ft/lbm oR Maka
a
144 14,7 0,0748 53,34 530
= 12 N/m3 Sehingga daya motor :
= 2 kW a. Daya Motor Penggerak P = 2,2 Hp = 2 kW b. Daya Rencana Pd = Fc . P
(referensi 12 halaman 7)
Dimana : Pd = Daya Rencana [kW] Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Fc = Faktor Koreksi [=1,2] P = Daya Motor [=2 kW] Sehingga daya rencana : Pd = 1,2 x 2 2,4 = 3 kW Maka tipe motor yang sesuai bisa dipilih berdasarkan referensi 10 halaman 1/10 dengan daya 3 kW dan putaran 750 rpm, maka type motor adalah 1LA3 133 – OAB. c. Untuk mencari momen puntir (memon rencana) dengan menggunakan rumus: (referensi 12 halaman 7) Dimana :
4-7
n = putaran poros [=750 rpm]
Maka :
= 3896 N.mm d. Bahan Poros Bahan poros dipilih baja yang banyak dipasaran (commercial shafting), yaitu baja St. 42 dengan kekuatan tariknya
Tegangan geser yang diizinkan adalah :
a
B Sf 1 Sf 2
(referensi 12 halaman 8)
Dimana : Sf1 = Faktor keamanan untuk baja [=6] Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Sf2 = Faktor keamanan untuk poros yang beralur dan bertangga [=2] Jadi tegangan geser yang iizinkan adalah :
a
420 62
= 35 N/mm2 e. Diameter Poros Untuk menghitung diameter poros dengan menggunakan rumus:
(referensi 12 halaman 8) Dimana : Kt = Faktor keamanan akibat kejutan [=1,5]
4-8
Cb = Faktopr kemamanan untuk momen lentur [=1,2]
Maka :
= 22 mm (sesuaikan dengan tabel 1.7 refensi 12)
4.5.2. Diameter Hub (Dh) Dalam menentukan diameter hub, biasanya dibuat lebih besar dari diameter poros, dimana besarnya diameter hub adalah sebesar : Dh = 2 x Ds Sehingga di dapatkan : Dh = 2 x 22 = 44 mm 4.5.3. Diameter Luar (Do)
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Agar suatu Fan (kipas) dapat memberkkan rendemen yang tinggi, maka perancangan harus terletak atau sesuai dengan diagram Cordier. Diamana bisa dilihat pada gambar 2.1 diagram Cordier, yang mana dari penentuan putar cepat () kemudian diameter luar (Do) dapat dihitung dengan persamaan :
D0 4
2 Y Q2
2
Dimana : = bilangan diameter optimal Y = Kerja pemampatan spesifik [m2/S2] Q = Kapasitas aliran [=12 m3/s] Dengan demikian akan diperoleh bilangan putar cepat :
=
nq 157,8
4-9 (referensi 5 halaman 341)
430 157,8
= 2,7 N/mm2 Dari gambar 2.1. Diagram Cordier dilihat dengan cara menarik garis horizontal ditarik melalui = 2,7 akan memotong bilangan diameter diagram Cordier di = 1,2 Untuk mengetahui berapa besarnya kerja pemampatan spesifik (Y) bisa dicari dengan rumus : Y=gxH
(referensi 5 halaman 341)
Dimana : g = Gravitasi [=9,81 m/s2] H = Head kerja [=11 m] Maka akan didapat : Y = 9,81x 11 = 107,9 m2/s2 Dengan menggunakan persamaan diatas diameter luar akan diperoleh : Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
=1m
4.5.4. Diameter rata-rata (Dr) Untuk menghitung diameter rata-rata (Dr) bisa dihitung dengan rumus sebagai berikut: Dr
D02 Dh2 2
(referensi12 halaman 244)
Dimana : Dr = Diameter rata-rata [mm]
4-10
D0 = Diameter luar [=1000 mm] Dh = Diameter hub [=44 mm] Sehingga didapat :
= 500 mm
4.5.5. Panjang Fan (L) Untuk mengetahui berapa panjang sudu dapat dihitung :
Dimana : L = Panjang sudu [mm] D0 = Diameter luar [=1000 mm] Dh = Diameter hub [=44 mm] Sehingga panjang sudu dapat dihitung berdasarkan rumus diatas adalah :
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
1000 44 L 2
= 478 mm Kenaikan tekanan dimaksudkan untuk menghasilkan aliran udara serta mengatasi hambatan-hambatan yang terjadi pada Fan (kipas) itu sendiri. Untuk menghitung perubahan tekanan, bisa diperoleh diagram segitiga kecepatan itu sendiri, yaitu:
4.6.
Perubahan Tekanan Kenaikan tekanan dimaksudkan untuk menghasilkan aliran udara serta mengatasi hambatan-hambatan yang terjadi pada Fan (kipas) itu sendiri. Untuk menghitung perubahan tekanan, bisa diperoleh diagram 4-11 segitiga kecepatan itu sendiri, yaitu:
4.6.1. Segitiga kecepatan seksi masuk
C1
W1 C1m
Cu1 U1 Gambar 4.1. diagram kecepatan seksi masuk
Dari diagram kecepatan diperoleh
Dimana : U1 = Kecepatan seret (keliling) Do = diameter luar sudu (=1m) n = Putaran poros (=750 rpm) Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Maka :
C1 = 1.C0 Dimana : C1 = Kecepatan mutlak 1 = faktor penyempitan (1,1 ………1,2) (referensi 5 halaman 262) Co = Kecepatan fluida masuk C0
Q m 12 15,4 A 2 s 1 0,044 2 4
(referensi 5 halaman 260)
Maka : C1 = 1,2 . 15,4 = 18,5
m s
4-12
C1m = C1 . sin 1
Dimana : C1m = Kecepatan mutlak dalam arah meridian 1 = Sudut (=250 dipilih yang umum) Sehingga : C1m = 18,5 . sin 25 = 7,81 m/s C1u = C1 . cos 1 Dimana: C1u = Kecepatan mutlak dalam arah U Maka diperoleh : C1u = 18,5 . cos 25 = 16,76 m/s W1u = U1 – C1u Dimana : W1u = Kecepatan relative dalam arah U Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Sehingga : W1u = 39,3 – 16,76 = 22,54 m/s Tan 1 = =
W1 =
C1m W1u 7,81 19 0 22,5
C1m sin 1 78,1 m 20,4 sin 22,5 s
4-13
4.6.2. Segitiga seksi keluar
W2 C2m = C2
U2 Gambar 4.2. diagram kecepatan seksi keluar
Sehingga diperoleh : U1 = U2 = 39,3 C2m =
Laporan Tugas Akhir
m s
Q D0 b2
(referensi 5 halaman 256)
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Tan 2 = =
C 2m U2
12,7 17 0 39,3
W1 =
Sehingga : W2 = = = 41,3 m/s
4-14
Maka dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 4.3. Diagram kecepatan sebuah garis aliran melalui kisi sudu berprofil
4.7.
Jumlah Sudu (Z)
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Jumlah sudu untuk setiap roda sudu tergantung pada harga sudut dan perbandingan diameter hub dengan diameter roda luar. Untuk menghitung berapa jumlah sudu yang ada, bisa dihitung dengan persamaan :
Z 8,5
sin 2 1 Dh / Do
(referensi 6 halaman 51)
Dimana : 2 = sudut luar (=170) Dh/Do = perbandingan diameter hub dengan diameter luar sudu
44 0,044 mm 1000
Sehingga : 4-15 = 2,6 buah = 3 buah (ditentukan) Dari hasil perhitungan jumlah sudu, sehingga jarak antar sudu adalah:
=
4.8.
44 46 mm 3
Lebar roda (b1, b2) Untuk menghitung lebar roda bisa menggunakan rumus : Q Dh C1
b1
=
(referensi 5 halaman 265)
12 0,41 m 0,44 18,4
Q D0 C 2 m
(referensi 5 halaman 256)
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
b2
Fakultas Teknik
=
4.9.
12 0,41 m 1 12,7
Pemilihan Bentuk Profil Sudu Dipilih bentuk profil sudu gerak memakai jenis profil Go 622 referensi 9 halaman 395. Dimana penampang profil didapat dengan menggunakan tabel 1 yang memuat harga dimensi normal profil-profil standart.
4.9.1. Luas penampang profil sudu Luas profil penampang sudu dapat dihitung secara pendekatan, yaitu dengan jalan menggambarkan profil-profil tersebut pada kertas grafik. Maka dengan cara tadi, maka diperoleh luas profil penampang sudu gerak adalah
4-16
2
Ā = 494 mm
Sehingga volume sudu dapat dihitung, yaitu : Vs = Ā (ra – ri) Dimana : Vs = Volume sudu ra = jari-jari diameter luar (=500 mm) r1 = jari-jari diameter hub (=22 mm) Maka : Vs = 494 (500 – 44) = 236132 mm3 = 0,236132 dm3 4.9.2. Bahan Sudu Gerak Untuk bahan sudu gerak dipilih yang mudah didapatkan dipasaran, adalah : Besi tuang kelabu (BTK15) Dengan kekuatan tariknya B = 15 kg/mm2 Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Maka jenis = 7,25 kg/dm3 Gaya berat setiap sudu Ws1 = .g.Vs Dimana : = Massa jenis (=72,5 N/dm3) g = gravitasi (=9,81 m/s2) Vs = Volume sudu (=0,236132 l) Sehingga didapat: Ws1 = 7,25 x 9,81 x 0,236132 = 17 N Sedangkan gaya berat setiap kaki sudu diperkirakan Ws2 = 10 N Maka untuk perhitungan selanjutnya, dipergunakan harga gaya berat setiap sudu sebesar: 4-18 Ws = (17+10) = 27 N Jadi titik tangkap gaya berat sudu terhadap hub :
= 239 mm 4.9.3. Bahan Hub Sudu Untuk bahan hub dipilih, yaitu sama dengan bahan sudu gerak Volume hub bisa dicari :
Dimana : Dh = Diameter hub [=44 mm] Ds = Diameter poros [=22 mm] Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
L = Panjang hub [=44] Sehingga :
= 50177,5 mm3 = 0,0501775 dm3 m hub = V hub x = 0,0501775 x 7,25 = 0,36 kg Jadi gaya berat hub adalah : Whub = mhub . g = 0,36 x 9,81 = 3,56 N 4.9.4. Bahan Tutup Hub Untuk bahan tutup hub sama dengan bahan sudu gerak, 4-19 sehingga volume tutup hub dapat dicari: Vtutup 1 = .(r2).L
Dimana : r = Jari-jari hub [=22 mm] L = Panjang tutup [=40 mm] Sehingga : Vtutup 1 = .(222).40 = 60281,2 mm3 = 0,0602812 dm3 Vtutup 2 = .(r2).L Dimana : r = Jari-jari [=11 mm] L = Panjang lubang [=25 mm] Sehingga : Vtutup 1 = .(112).25 Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
= 9503,3 mm3 = 0,0095033 dm3 Jadi volume total untuk tutup adalah : Vtotal = Vtutup 1 – V tutup 2 = 0,0602812 - 0,0095033 =0,0513087 dm3
Jadi massa tutup hub adalah : mhub = Vtotal x = 0,0513087 x 7,25 = 0,37 Kg
Untuk gaya berat tutup hub, yaitu :
4-20
Wtutup = mtutup x g = 0,37 x 9,81 =4N Selanjutnya bisa ditentukan harga gaya berat Hub dan Tutupnya, yaitu: = 3,56 + 4 = 7,56 N Gaya berat roda gerak adalah sebagai berikut: -
Gaya berat yang dialami oleh 3 buah sudu : 3 x 27 = 81 N
-
Gaya berat hub dan tutupnya 7,56 N jadi berat seluruhnya 89 N
4.10. Perhitungan Kekuatan Sudu Gerak Gaya-gaya yang berkerja pada sudu gerak adalah : 1. Gaya Aksial (Fa) 2. Gaya Tangensial (Ft) 3. Gaya Sentrifugal (Fc) 4.10.1. Gaya-gaya yang berkerja pada sudu gerak adalah : 1. Gaya Aksial Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
g H th Fa H ra2 2
ra 1 In (referensi 11 halaman 249) r1 2
Dimana :
= berat jenis udara (= 1,2 kg/m3)
H
= head kerja (= 11 m)
ra
= jari-jari luar sudu (= 0,5 m)
ri
= jari-jari hub (= 0,022) , dimana nh = 0,75
(referensi 11 halaman230)
= 14,6 m
=
g = gravitasi (= 9,81 m/s2)
Maka didapat :
4-21
=7N Sehingga besarnya gaya aksial
Titik tangkap (Fa1) mempunuyai jarak terhadap hub sebesar :
L fa
ra r1 2 ra r1 Z ra r1
= 0,311 m
2. Gaya Tangensial (Ft) (referensi 11 halaman 250) Dimana : Laporan Tugas Akhir
= berat jenis udara (= 1,2 kg/m3) Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Z
= Jumlah sudu (= 3 buah)
n
= Putaran poros (=750 rpm)
Cm = kecepatan mutlak dalam bidang meridian (=7,81 m/s) Hth = Head teoritis (=14,6 m) ra
= jari-jari luar sudu (=0,5 m)
ri
= Jari-jari hub (=0,022 m)
maka :
= 1,74 N Jarak titik tangkap Ft terhadap hub :
4-22 =0,231 m
3. Gaya Sentrifugal (Fc)
Dimana : Ws
= Gaya berat setiap sudu (=27 N)
G
= Gravitasi (=9,81 m/s2) = Jarak titik berat sudu terhadap sumbu poros = Lcg + ri = 0,239 + 0,022 = 0,261 m
Maka didapat :
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
= 4427 N Gaya-gaya yang bekerja pada sudu gerak tersebut dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah ini:
Gambar . 4.4 Gaya-gaya yang berkerja pada sudu gerak
4-23
4.11. Reaksi Tumpuan Pada Poros Fan (Kipas)
F=89 N B
A 15 58
Fx = 0 Fx = 0 RA + RB = 89 N =0 RB.15 – 89.58 = 0
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
RA + RB = 89 RA + 344= 89 RA = 89 – 344 = - 255 N Diagram Benda Bebas Poros F=89 N
RAY=255
Fa=7 N RAX=7N
RB=344 N
15
58
4-24
Potongan I 0 < x < 15 255 N
Mx Nx X115
Vx
Nx = 0 V + 255 = 0 Vx = - 255
Mx +255.x = 0 Mx = -255.x Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
x=0
Mx = 0
x = 15 Mx = -255.15 = -3825
Potongan II 0 < x < 58 255 N
Mx Nx 344 N
15
Vx
X2 58
4-25
Nx = 0
Vx 255 – 344 = 0 Vx = 344 – 255 = 89 N
Mx +255.x-344(x-15)=0 Mx = 344 (x-15)-255.x x = 15
Mx = -3825 N
x = 58 Mx = 344 (x-15)-255.x =0 Diagram Momen 255 N A Laporan Tugas Akhir 7N
F= 89 N B
Fa = 7 N Teknik Mesin
344 N 7N
Fakultas Teknik
4-26
4.12. Perhitungan Kopling Data kopling diketahui sebagai berikut :
Daya dari motor penggerak (Pd) = 3 kW
Putaran poros (n) = 750 rpm
Bahan flens adalah baja carbon cor SC.46 dengan kekuatan tariknya
Dengan faktor koreksi Sf1 = 6 dan Sf2 = 2, maka :
Sehingga diameter poros kopling flens ini dapat dicari dengan menggunakan rumus:
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
= 22 mm(disesuaikan dengan tabel 2.1. referensi 12), yaitu: Setelah mendapatkan diameter poros kopling kita dapat melihat tabel kopling dan mendapatkan ukutan-ukuran flens sebagai berikut: A = 125 mm
B = 85 mm
C = 50 mm
L = 45 mm
d = 10 mm
n = 4 buah
karena jumlah efektif baut menerima beban setengah dari jumlah baut, maka :
4-27
ne = 0,5 jumlah baut ne = 0,5 x 4 = 2 buah
Jadi besarnya tegangan geser pada baut dapat dihitung :
= 5,8 N/mm2 Bahan baut diambil SS. 41 dengan kekuatan tariknya B 400
N mm2
dan kita mengambil faktor keamanan Sf1 = 6 dan Sf2 = 2 sehingga:
400 33 N / mm 2 6 12
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Selanjutnya tegangan geser pada baut ini kita periksa apakah dalam batas aman dengan menggunakan persamaan sbb: b a 5,8 < 33 N/mm2 Dengan demikian baut dalam keadaan aman. Untuk bahan flens diambil besi cor kelabu SC. 45 dengan kekuatan tariknya adalah :
B 450
N mm2
Dengan faktor koreksi SF = 6 dan KF = 3, maka : (referensi 12 halaman 35)
450 25 N / mm 2 63
4-28
Dengan demikian tegangan geser pada flens dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut:
= 0,5 N/mm2 Hasil tegangan geser ini dikalikan dengan faktor koreksi, yaitu KF = 3 jadi : 0,55 x 3,0 = 2 N/mm2 Dan flens ini juga harus diperiksa dengan menggunakan rumus pengecekan dimana : F Fa Dan mendapatkan 2 < 25 N/mm2, sehingga flens yang dirancang ini cukup aman.
4.13. Perhitungan Bantalan Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Untuk menopang poros Fan (kipas) dipergunakan dua buah bantalan, yaitu di titik A dipasang bantalan gelinding untuk menahan beban radial, dan pada titik B dipasang bantalan luncur untuk menahan beban radial dan beban aksial. Untuk awal perhitungan, diperkirakan mesin ini bekerja + 14 jam setiap hari dalam setahun, maka umur bantalan diperkirakan adalah 14 x 30 x 12 x 5 = 25.200 jam a. Perancangan bantalan di titik A, yaitu bantalan gelinding Dimana
Diameter poros (ds) = 22 mm
Putaran poros (n) = 750 rpm Untuk posisi poros horizontal
Beban radial (Fr) = 255 N
4-29
Menurut referensi 4 halaman 39
Beban dinamis ekivalen FeA = x.Fr + Y.Fa = 1.225 + 0 = 225 Untuk umur bantalan (Lh) di titik A Karena n = 750 rpm dan ukur bantalan Lh = 25.200 jam, maka dari diagram SKF halaman 29 adalah :
C = 11 x 255 = 2805 Bantalan bola jenis terbuka (tabel SKF 61806) C = 2805 N d = 25 mm Jadi untuk umur bantalan pada titik A yang sebenarnya adalah :
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Tabel 4.2. Hasil Perhitungan Bantalan Nama
Notasi
Besaran
Satuan
No. Bantalan A
2805
N
Umur bantalan A Lh
29.548,2
Jam
b. Perancangan di titik B, yaitu bantalan luncur
Diameter poros (ds) = 22 mm
Putaran poros (n) = 750 rpm
4-30
Untuk posisi poros horizontal
Beban radial (Fr) = 255 N
Beban aksial (Fa) = 7 N Menurut referensi 4 halaman 39
c. Beban dinamis ekivalen FeA = x.Fr + Y.Fa = 1.225 + 1.7 = 262 Untuk umur bantalan (Lh) di titik B
C = 11 x 262 = 2882 N Bantalan bola jenis terbuka (tabel SKF 61806) C = 2882 N d = 25 mm Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Jadi untuk umur bantalan pada titik A yang sebenarnya adalah :
Tabel 4.2. Hasil Perhitungan Bantalan Nama
Notasi
No. Bantalan B Umur bantalan B
Lh
Besaran
Satuan
2882
N
29.548,2
Jam 4-31
4.14. Perhitungan Pasak Pasak merupakan salah satu bagian dari elemen mesin yang berguna untuk menetapkan kedudukan baigtan-bagian mesin. Dengan adanya pasak memungkinkan bagian-bagian mesin tersbut dapat dibuka dan dipasang secara mudah. Pasak yang dipilih adalah jenis pasak benam berpenampang. a. Gaya tangensial pada permukaan pasak Momen rencana dari poros adalah T (kg.mm) dan diameter poros ds (mm), maka gaya F (kg) pada permukaan poros adalah : F
ds 2
(referensi 12 halaman 25)
Dimana : T = Momen puntir (=38960 N.mm) ds = diameter poros (=22 mm) F
38960 22 2
= 3540 kg Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
b. Penampang Pasak Penampang pasak b x h, dengan diameter poros (22 mm) dari tabel ukuran-ukuran pasak 8 x 7 Dimana : t1 = kedalaman alur pasak pada poros (= 4,0 mm) t2 = kedalaman alur pasak pada naf (=3,3 mm) c. Bahan pasak Untuk pasak diambil st. 37 dimana : Kekuatan tariknya B 370 Faktor kemanan Sfk1
N mm2
4-32 x Sfk2, yang mana harga untuk faktor
keamanan adalah :
Sfk1 umumnya diambil 6
Sfk2 dipilih antara 1,5 – 3 jika dikenakan tumbukan ringan, maka (=2) Sehingga: Sfk1 x Sfk2 6 x 2 = 12
d. Tekanan permukaan (Pa) Pa
F l t1 atau t 2
(referensi 12 halaman 27)
Dimana : Pa = 80 N/mm2 (untuk poros tergolong kecil) F = gaya tangensial yang terjadi (=3540 N) t2 = kedalaman alur pasak pada naf (=3,3 mm) Maka : 80
Laporan Tugas Akhir
3540 l 3,3
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
l
3540 13,4 mm 80
Sehingga panjang pasak ( l ), yaitu 13,4 mm, tapi untuk ukuran pasak diusahakan jangan sampai terlalu panjang dibandingkan dengan diameter poros (ds), maka panjang pasak ditentukan l = 25 mm
e. Tegangan geser (k) Menurut lambang pasak yang diberikan dalam gambar di 4-33 bawah ini, gaya geser bekerja pada penampang mendatar b x l oleh gaya F.
Gambar 4.6 Gaya Geser Pada Pasak Dengan demikian tegangan geser (k) adalah :
k
F bl
(referensi 12 halaman 25)
Dimana : k = Tegangan geser (N/mm2) F = gaya tangensial yang terjadi (=3540 N) b = lebar pasak (=8mm) l = panjang pasak (=25 mm) Maka :
k
3540 17,7 N / mm 2 8 25
f.Tegangan geser yang diizinkan
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
ka
B Sf k 1 Sf k 2
(referensi 12 halaman 25)
Dimana : ka = tegangan geser yang diizinkan (N/mm2) B = kekuatan tarik (=370 N/mm2) Sfk1 = Umumnya diambil (=6) Sfk2 = dipilih 2 4-34
Sehingga :
ka
370 31N / mm 2 62
Tegangan geser hang diizinkan (ka) > tegangan geser yang terjadi (k): 3,1 > 1,77
baik
g. Pengecekan
0,25 < 0,35 < 0,36
Baik
0,75 < 1,13 < 1,5
Baik
h. Tabel 4.4 hasil perhitungan pasak benam untuk poros dan hub No
Nama
Notasi
Besaran
Satuan
1.
Ukuran pasak
bxh
8x7
mm
2.
Kedalaman alur pasak
t1 : t2
4,0 : 3,3
mm
3.
Panjang pasak
l
25
mm
4.
Bahan pasak
st.37
370
N/mm2
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan Dari hasil perhitungan pada bab sebelumnya yaitu bab IV, sehingga dapat disimpulkan bahwa untuk dimensi dari sebuah Fan (kipas), adalah sebagai berikut: Dimana dalam rancangan ini mempunyai ketentuan : Q = 12 m3/s n = 750 rpm H = 11 m Dari hasil perhitungan kecepatan spesifik, maka didapatkan bentuk roda yaitu jenis roda aksial. 5.2.
Dimensi Fan (Kipas) Daya motor yang digunakan (Pd) = 3 kW Motor penggerak type ILA3 133-OAB Diameter poros (ds) = 22 mm Diameter hub/naf (Dh) = 44 mm Diameter luar roda (Do) = 1000 mm Panjang hub (l1) = 44 mm Panjang tutup hub (l2) = 40 mm
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
Panjang sudu (L) = 478 mm Lebar roda gerak (b1) = 471 mm (b2) = 315 mm 1 = 250 1 = 190 2 = 170 Jumlah sudu (Z) = 3 buah
5-2
Profil Aerofoil Gottangen 622
5.3.
Material yang dipilih Bahan poros St.37 Bahan sudu BTK 15 Bahan Flens SC.45
5-1
5.4.
Kopling Data-data untuk kopling bisa dilihat pada lampiran 2
5.5.
Bantan Bantalan bola jenis roda terbuka untuk bantalan di titik A Nomor bantalan 2805 Umur bantalan 29.548,2 jam Bantalan bola jenis terbuka untuk bantalan di titik B Nomor bantalan 2882 N Umur bantalan 29,548,2 jam
5.6.
Pasak Jenis pasak yang dipilih yaitu pasak benam berpenampang Panjang pasak 25 mm Lebar pasak 8 x 7 Bahan pasak St 37
5.7.
Saran Dari diskusi dan pembahasan perancangan Fan ini, penulis mempunyai saran mengenai beberapa hal :
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
Fakultas Teknik
-
-
-
Sebelum memulai perancangan hendaknya diketahui dahulu kapasitas aliran yang diinginkan, Head kerja dan Putaran motor karena akan menentukan dimensi fan, diameter dan kekuatan Poros, Pasak dan Kopling. Untuk perancangan selanjutnya bahan sudu hendaknya dipilih material yang lebih ringan tapi mempunyai kekuatan yang baik seperti alumunium alloy. Jumlah sudu di buat lebih dari tiga buah agar tekanan udara lebih besar. Dimensi sudu dibuat lebih besar agar kapasitas aliran dan tekanan lebih besar, sehingga lebih efisien. DAFTAR PUSTAKA
1. A.J Stepanoff, Ph.D, Centrifugal And Axial Flow Pums, 2 nd, Ed, John willey dan Sons, inc, New York, July 1962. 2. A.J Stepanoff, Ph.D. Turbo Blower 3. Austin H.Church, Centrifugal Pums and Blowers, New York, 1944 4. Bearing Mantainence Reflamciment Guide SKF GroupI 5. Dietzel F, Turbin, Pompa dan Kompresor 6. Eck. B, Fans, Fiest English Edition, Pergamon Press, Braunschweig, 1972 7. Niemann Gustav, Machine Elemen, Vol.I, II, English Edition,Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1978. 8. Osborn. W, Fans, Pergamon Press, Braunschweig, 1966 9. Pfleiderer/Petermann, Stromungsmachinen, ed. 4 Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1972 (perpustakkan ITB) 10. Siemens, Standarerzeugnisse der Energietechnik 11. Stephen Lazarkewics, M.I.P.Mech.E. Impeler Pumps,1 st,ed, Wydanictwa Naukowo-Techiczne, Warszawa, 1965 12. Sularso dan Kiyokatsu Suga, Dasar Perencanaan dan Penelitian Elemen Mesin, cet. 7, Pradnya Paramita, Jakarta, 1991 13. Gottingen Airfoils. www.aerospaceweb.org
Laporan Tugas Akhir
Teknik Mesin
