J.Tek.Ling
Edisi Khusus
Hal. 9 - 16
Jakarta, Juli. 2006
ISSN 1441 – 318X
MODIFIKASI PUTARAN FAN UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI PEMAKAIAN LISTRIK Prasetiyadi Pusat Teknologi Lingkungan, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Abstract Application of Environment technology through Cleaner Production execution can be done by a simple method and sometimes don't require big investment expense. Improvement of efficiency energy consumption at fan/blower usage is not only give financial profit but also give benefit to environment. At applying Cleaner Production improvement of efficiency fan at cement plant done by rotation modification fan. This effort succeed to improve the usage of efficiency energy at fan equal to 6.652 kW or reduce 30 % from 22,097 Watt become 15,445 Watt, if it is calculated the energy efficiency then the electrics efficiency was 39.912 kWh/Year or equivalent with reduction of emission of 28.9 ton CO2/year and financially also got the cost-saving energy ( electrics price assumption of 1 kWh = Rp 512,-)of amount Rp 20.4 Million, while the investment expense spent was equal to Rp 250.000,Keywords. : environmental energy efficiency
1.
PENDAHULUAN
1.1.
Latar Belakang
Tabel 1: Perbedaan antara Fan, Blower dan Kompresor
Fan dan blower digunakan di pabrik untuk ventilasi maupun untuk proses industri yang memerlukan aliran udara. Fan dan blower dibedakan menurut metode yang digunakan dan tekanan sistim operasinya untuk menggerakan udara. The American Society of Mechanical Engineers (ASME) mendefinisikan fan dan blower menggunakan rasio spesifik, yaitu rasio tekanan pengeluaran terhadap tekanan hisap(1) . Rasio spesifik perbedaan antara Fan, Blower dan Kompresor ditunjukkan pada tabel 1.
Peralatan
Fan Blower Kompresor
(1)
Perbandingan Spesifik
Kenaikan tekanan (mmWg)
< 1,11
1136
1,11 -1,20
1136~2066
>1,20
-
Fan dan blower umumnya digerakkan oleh motor listrik. Departemen Energi Amerika Serikat memperkirakan bahwa 15 persen listrik di industri manufakturing Amerika dipakai untuk menggerakan motor. Hal yang sama di sektor komersial, listrik yang dibutuhkan
Prasetiyadi, 2006
9
untuk mengoperasikan motor fan yang merupakan bagian dari biaya energi terbesar untuk penyejuk ruangan(2) . Hal ini dijumpai pada Fan/Blower yang beroperasi pada kondisi operasi putaran tinggi dengan bukaan damper yang rendah. Putaran fan yang tinggi dengan bukaan damper yang rendah ini berpotensi untuk mengkonsumsi energi listrik lebih besar. Disisi lain biaya untuk energi listrik cenderung meningkat akibat dari ketersediaan sumber energi yang semakin terbatas.
aliran aksial (impeler, pipa aksial dan impeler aksial)
Gambar 1. Fan Sentrifugal dengan Blade (3) Radial
Pada kondisi seperti ini dibutuhkan teknologi yang dapat meningkatkan efisiensi pemakaian listrik tanpa menganggu kondisi operasional. Upaya peningkatan efisiensi bukan saja akan mengurangi biaya produksi melalui pengurangan penggunaan listrik akan tetapi berarti juga mengurangi produksi gas CO2 yang dapat mempengaruhi keseimbangan atmosphere bumi. Terkait dengan hal ini, penerapan teknologi lingkungan untuk meningkatkan efisiensi energi dalam penggunaan fan dapat dilakukan melalui penerapan produksi bersih pada sistem pengoperasian fan. 1.2.
Tinjauan Pustaka
a.
Jenis fan
Terdapat dua jenis fan yaitu fan centrifugal dan fan aksial. Fan sentrifugal menggunakan impeler berputar untuk menggerakan aliran udara sedangkan fan aksial menggerakan aliran udara sepanjang sumbu fan. Fan sentrifugal cocok untuk kondisi operasi yang kasar, seperti sistim dengan suhu tinggi, aliran udara kotor atau lembab, dan handling bahan. Fan sentrifugal dikategorikan oleh bentuk bladenya sedangkan fan aksial menggerakan aliran udara sepanjang sumbu fan. Fan ini terkenal di industri karena murah, bentuknya yang kompak dan ringan. Jenis utama fan dengan
10
Gambar 2. Fan Aksial (4) b.
Jenis Blower
Terdapat dua jenis blower yaitu blower sentrifugal dan positivedisplacement . Blower sentrifugal terlihat lebih seperti pompa sentrifugal daripada fan. Blower sentrifugal beroperasi melawan tekanan 0,35 sampai 0,70 kg/cm2, namun dapat mencapai tekanan yang lebih tinggi. Satu karakteristik blower adalah bahwa aliran udara cenderung turun secara drastis begitu tekanan sistim meningkat, yang dapat merupakan kerugian pada sistim pengangkutan bahan yang tergantung pada volum udara yang mantap. Oleh karena itu, alat ini sering digunakan untuk penerapan sistim yang cenderung tidak terjadi penyumbatan. Blower jenis positive displacement memiliki rotor, yang "menjebak" udara dan mendorongnya melalui rumah blower. Blower ini cocok digunakan untuk sistim yang cenderung terjadi penyumbatan, karena dapat menghasilkan tekanan yang cukup (biasanya sampai mencapai 1,25 kg/cm2)
Pembangunan Lingkungan......J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi Khusus: 9 - 16
tekanan P1. Sebuah fan beroperasi pada kinerja yang diberikan oleh pabrik pembuatnya untuk kecepatan fan tertentu. (grafik kinerja fan memperlihatkan kurva untuk serangkaian kecepatan fan). Pada kecepatan fan N1, fan akan beroperasi sepanjang kurva kinerja N1 sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 4. Titik operasi fan yang sebenarnya tergantung pada resistansi sistim, titik operasi fan “A” adalah aliran (Q1) terhadap tekanan (P 1).
Gambar 3. Blower Sentrifugal (3)
c. Karakteristik Sistim Untuk volum udara tertentu, fan dalam sistim dengan saluran sempit dan banyak tikungan dengan radius pendek akan bekerja lebih keras untuk mengatasi resistansi sistim yang lebih besar daripada dalam sistim dengan saluran yang lebih besar dan dengan lebih sedikit jumlah belokan. Saluran panjang yang sempit dengan banyak bengkokan dan tikungan akan memerlukan lebih banyak energi untuk menarik udara untuk melaluinya. Sebagai akibatnya, untuk kecepatan fan yang sama, fan akan mampu menarik lebih sedikit melalui sistim ini daripada yang melalui sistim pendek tanpa ada belokan.
Gambar 4: Komponen Sistim Fan (2) Dua metode dapat digunakan untuk menurunkan aliran udara dari Q1 ke Q2: §
d. Kurva Fan Pada berbagai sistim fan, resistansi terhadap aliran udara (tekanan) jika aliran udara meningkat, resistansi ini bervariasi dengan kuadrat aliran. Tekanan yang diperlukan oleh sistim pada suatu kisaran aliran dapat ditentukan dan “kurva kinerja sistim” dapat dikembangkan (ditunjukkan sebagai SC) (lihat Gambar 2). Kemudian kurva sistim ini dapat diplotkan pada kurva fan untuk menunjukan titik operasi fan yang sebenarnya pada "A" dimana dua kurva (N1 dan SC1) berpotongan. Titik operasinya yaitu aliran udara Q1 terhadap
§
Metode pertama adalah membatasi aliran udara dengan menutup sebagian damper dalam sistim. Tindakan ini menyebabkan kurva kinerja sistim yang baru (SC2) dimana tekanan yang dikehendaki lebih besar untuk aliran udara yang diberikan. Fan sekarang akan beroperasi pada "B" untuk memberikan aliran udara yang berkurang Q2 terhadap tekanan yang lebih tinggi P 2. Metode kedua untuk menurunkan aliran udara adalah dengan menurunkan kecepatan dari N1 ke N2, menjaga damper terbuka penuh. Fan akan beroperasi pada "C" untuk memberikan aliran udara Q2 yang sama, namun pada tekanan P3 yang lebih rendah. Jadi, menurunkan
Prasetiyadi, 2006
11
kecepatan fan merupakan metode yang jauh lebih efisien untuk mengurangi aliran udara karena daya yang diperlukan berkurang dan lebih sedikit energi yang dipak ai.
Dari gambar 7 tersebut dapat diperoleh bahwa perubahan RPM 10% akan menurunkan atau meningkatkan udara static pressure 19%. Daya 8 (Putaran)3
kW 1 N 1 = kW 2 N 2
Gambar 5. Kurva kinerja fan
(3)
Gambar 8. Kurva Daya terhadap Putaran .
Perubahan RPM 10% akan menurunkan atau meningkatkanudara kebutuhan daya 27%, dimana :
e. Hukum Fan Flow 8 Putaran
Q1 N 1 = Q2 N 2
Gambar 6. Kurva Flow terhadap Putaran Dari gambar 6 tersebut dapat diperoleh bahwa perubahan RPM 10% akan menurunkan atau meningkatkan udara 10%. Pressure 8 (Putaran)2
SP1 N1 = SP2 N 2
Gambar 7. Kurva Tekanan terhadap Putaran
12
3
2
Q = flow, SP =Static Pressure, kW = Daya N = putaran (RPM) 1.3.
Maksud dan Tujuan Penelitian ini dimaksudkan untuk menerapkan teknologi lingkungan produksi bersih di pabrik semen dengan tujuan meningkatkan efisiensi pemakaian energi listrik melalui modifikasi putaran fan yang digunakan. 2. METODOLOGI 2.1. Tempat dan Waktu Penerapan Teknologi lingkungan (teknologi produksi bersih) ini dilakukan pada sebuah pabrik semen yang banyak menggunakan fan, dengan melakukan berbagai modifikasi fan yang digunakan. Modifikasi putaran fan ini dapat diterapkan pada fan yang menggunakan transmissi belt dan pully, roda gigi maupun yang dihubungkan langsung ke motor. Perubahan putaran dapat dilakukan dengan memasang Variable Speed Drive (VSD) atau dengan merubah diamere pully pada trans missi yang menggunakan pully. Penelitian ini
Pembangunan Lingkungan......J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi Khusus: 9 - 16
dilaksanakan sejak bulan Oktober 2004 hingga Desember 2004, mulai dari pengamatan sebelum modifikasi sampai dengan analisa efisiensi energi sebagai hasil dari modifikasi yang telah dilaksanakan. 2.2. Peralatan Pada penelitian ini dipilih fan dengan menggunakan transmissi belt pully dengan pertimbangan modifikasinya tidak membutuhkan biaya yang besar. Untuk fan/blower dengan transmissi kopling dan roda gigi dapat dilakukan dengan cara yang sama hanya saja membutuhkan biaya investasi yang lebih besar untuk pemasangan VSD. Ilustrasi sistim fan ditunjukkan pada gambar 10. Untuk melakukan analisa kinerja fan dibutuhkan beberapa peralatan ukur, alat ukur yang dibutuhkan untuk kegiatan ini adalah sebagai berikut : Anemometer, Tabung Pitiot (pengukur trkanan), Ampere meter, Thermometer, Meteran, dan Tacho meter.
Perhitungan efisiensi fan dilaksanakan dalam beberapa tahap, yaitu : Tahap 1: Menghitung Berat Jenis Gas. Pada tahap pertama ini dilakukan penghitungan berat jenis udara atau gas dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:
Berat jenis gas (y) = 273 X 1,293 273 + t oC .............................. persamaan (1) Dimana, t oC = Suhu udara atau gas pada kondisi ditempat Tahap 2: Mengukur Kecepatan Udara dan Menghitung Kecepatan Udara Rata-Rata.
Sistem
Gambar 9. Sistem Fan 2.3. Analisa Untuk menghitung efisiensi fan, sejumlah parameter operasi harus diukur, termasuk kecepatan udara, head tekanan, suhu aliran udara pada fan dan input kW listrik dari motor. Dalam rangka mendapatkan gambaran operasi yang benar harus diyakinkan bahwa: § §
Fan dan komponennya beroperasi dengan benar pada kecepatannya Operasi berada pada kondisi stabil; suhu, berat jenis, resistansi sistim yang stabil dll.
Gambar 10. Pengukuran Tekanan Kecepatan dengan menggunakan (5) Tabung Pilot
Kecepatan udara dapat diukur dengan menggunakan sebuah tabung pitot dan manometer, atau dengan sensor aliran (instrumen tekanan diferensial), atau anemometer yang akurat. Gambar 10. memperlihatkan bagaimana tekanan kecepatan diukur dengan menggunakan sebuah tabung pitot dan manometer. Tekanan total diukur denan menggunakan pipa bagian
Prasetiyadi, 2006
13
dalam dari tabung pitot dan tekanan statis diukur dengan menggunakan pipa luar dari tabung pitot. Jika ujung tabung luar dan dalam disambungkan ke manometer, didapatkan tekanan kecepatan (yaitu perbedaan antara tekanan total dan tekanan statis). Untuk mengukur kecepatan yang rendah, lebih disukai menggunakan manometer dengan pipa tegak keatas daripada manometer pipa-U.
§
Penghitungan kecepatan udara ratarata dilakukan dengan mengambil sejumlah pembacaan tekanan kecepatan yang melintasi bagian melintang saluran dengan menggunakan persamaan berikut (catatan: jangan rata-ratakan tekanan kecepatan, namun rata-ratakan kecepatannya!):
Daya motor penggerak (kW) dapat diukur dengan alat load analyzer. kW ini dikalikan dengan efisiensi motor memberikan daya as/ poros kepada fan.
Velocity V, m/s =
Cp x v2 x 9.81x ?p x ? ? …………….. persamaan (2) Dimana: Cp = Konstanta tabung pitot, 0,85 (atau) yang diberikan oleh pabrik pembuatnya ∆p = Perbedaan tekanan rata-rata yang diukur oleh tabung pitot dengan mengambil pengukuran pada sejumlah titik pada seluruh bagian melintang saluran.
? = Berat jenis udara atau gas pada kondisi pengujian
Volumetric flow (Q), m/sec = Velocity ,V(m/sec) x Area (m2) ........................ persamaan (3) Tahap 4: Mengukur tenaga motor penggerak
Tahap 5: Menghitung efisiensi fan Efisiensi mekanik dan dihitung sebagai berikut:
dapat
Fan Mechanical Efficiency (? mechanical),% = Volume in m3 /sec x ∆p (total pressure) in mmWC 102 x power input in shaft in kW
X 100
……………… persamaan (4) b. Efisiensi Statik, yang sama kecuali jika tekanan kecepatan pada saluran keluar tidak ditambahkan ke tekanan statik fan Fan Static Efficiency (? static), % = Volume in m3 / sec2 x ∆p (static pressure) in mmWC 102 x power input to fan shaft in kW
X 100
…………… persamaan (5) 3.
14
statik
a. Efisiensi mekanik:
Tahap 3 : Menghitung Aliran Volumetrik Pada tahap ketiga ini dilakukan penghitungan aliran volumetrik sebagai berikut: § Ukur diameter saluran (atau dari sekitarnya dimana diameter dapat diperkirakan).
Hitung volum udara/gas dalam saluran dengan hubungan sebagai berikut
HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Hasil Pengukuran Hasil pengukuran terhadap kondisi awal fan (sebelum dilakukan penerapan produksi bersih) dan Pengukuran Beban Sistem, masing-masing disajikan dalam tabel 1 dan tabel 2.
Pembangunan Lingkungan......J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi Khusus: 9 - 16
Tabel 1. Hasil Pengukuran Fan (Pada Kondisi Awal) Variabel Pengukuran D1 (pully motor)
200 mm
D1 (pully fan)
300 mm
N1 (putaran motor)
1465 rpm
N2 (putaran fan)
2197 rpm
Bukaan Damper
45%
Suhu
0.273 m²
Discharge
0.196 m²
Rata-rata P Suction
- 169,7 mmH2 O
Rata-rata P Discharge
13 mmH2 O
P total
182,7 mmH2 O
P Suction static
-173,3 mmH2 O
P Suction dinamik
14 mmH2 O
Daya rata-rata
42 Ampere 22,097 Watt
Kec. Aliran Pengukuran
15,5 MPH 6,9 m/s
Sedangkan kondisi beban yang dihiting adalah : § § § §
Total Pressure Drop Total Debit Selisih tekanan (∆p) Selisih Debit
Sec. 1 2 3 4
L 4 6 5 5
Sambungan 4 Belokan 4 Pencabangan 3
D 0.22 0.22 0.22 0.22
V 15,4 15,39 15,39 15,39 15,39 15,39 15,39
= 1574,6 Pa = 7,3 m3/detik = 252.2 Pa = 3,6 m3/detik atau 33 %
Dari hasil analisa diatas menunjukkan masih terdapat peluang untuk meningkatkan efisiensi energi listrik yang digunakan. Untuk menurunkan putaran akan dilakukan penggantian pully pada fan, dengan mengikuti rumus pada hukum fan dan ketersediaan pully di padar didapat diameter pully pengganti : dari diameter 200 mm diganti menjadi 228,6 mm. Setelah dilakukan penggantian pully, hasil pengukuran kondisi kerja adalah : § § §
Tabel 2. Pengukuran Beban Sistem
Minor
Debit (Q) =10,9 m3/detik Efisiensi mekanikal = 39 % Efisiensi fan = 40 %
44°C
Suction
Mayor
§ § §
Rata-rata arus = 29,33 A Konsumsi daya = 15,445 Watt Selisih tekanan (∆p) = 252.2 Pa
Pada kondisi ini dapat diamati bahwa sistem tetap bekerja pada titik operasi yang dibutuhkan. 3.3. Analisa Penghematan Energi dan Finansial Modifikasi putaran fan ini menghasilkan beberapa keuntungan baik finansial maupun lingkungan sebagai berikut : a. Penggunaan Energi Listrik.
3.2. Pembahasan Dari hasil perhitungan melalui persamaan 1 – 5 didapat kondisi kerja fan saat ini, adalah : § § §
Selisih tekanan (∆p) = 1826.7 Pa Berat jenis gas (Y) = 1,1 Kecepatan (V) = 46,26 m/detik
Modifikasi putaran dengan penggantian pully ini menurunkan pemakaian daya 6.652 kW dari 22,097 Watt menjadi 15,445 Watt atau sekitar 30 %. Jika fan beroperasi 20 jam/hari atau 300 hari pertahun, maka penghematan yang diperoleh dalam setahun adalah : 39.912 kWh/tahun
Prasetiyadi, 2006
15
b. Manfaat Terhadap Lingkungan Apabila dikonversikan dalam bentuk emisi CO2 yang berdampak mempercepat terjadinya pemanasan global, maka penghematan penggunaan energi listrik sebesar 39.912 kWh/tahun secara langsung juga merupakan penghematan bahan bakar, terutama bahan bakar fosil. Apabila penghematan bahan bakar fosil ini dikonversikan dalam bentuk emisi CO2, maka setara dengan pengurangan emisi 28.9 ton CO2/tahun.
4. KESIMPULAN
c. Keuntungan Finansial Penerapan produksi bersih melalui menggantian pully fan ini hanya membutuhkan innestasi pembelian pully baru sebesar Rp 250.000,-, dan penyetelan belt dengan menggeser posisi motor.
1. Ganasean, Indian Institute of Technology. Fans, Pumps and Compressors.
Dari hasil penghematan energi listrik, jika diasumsikan harga listrik 1 kWh = Rp 512,- maka dalam 1 tahun diperoleh penghematan biaya listrik sebesar Rp 20,4 Juta. Dengan memperhitungkan biaya investasi pully di aas maka penerapan produksi bersih di pabrik semen melalui modifikasi fan telah menghasilkan keuntungan finansial sebesar Rp. 20,15 juta pada tahun pertama, dan keuntungan Rp. 20,4 juta pada tahun kedua dan seterusnya. Keuntungan ini baru berasal dari satu fan saja sedangkan di pabrik semen banyak sekali menggunakan fan dan blower.
16
Penerapan Teknologi Lingkungan dengan melaksanakan Produksi Bersih dapat dilakukan dengan cara yang sederhana dan terkadang tidak membutuhk an biaya investasi yang besar. Peningkatan efisiensi konsumsi energi pada penggunaan fan/blower ini tidak saja menguntungkan secara finansial tetapi juga bermanfaat untuk lingkungan hidup. DAFTAR PUSTAKA
2. US Department of Energy (US DOE), Energy Efficiency and Renewable Energy, 1989. Improving Fan System Performance – a sourcebook for industry www1.eere.energy.gov/industry/bestp ractices/pdfs/fan_sourcebook.pdf 3. Canadian Blower. Industrial Fans and Blowers, FanAir Company, product presentation. www.fanair.com/products.pdf
4. Northern Industrial Supply Company (NISCO), Products – Fans and Blowers, New York Blowers. www.nisco.net/nyb.html. 5. Bureau of Energy Efficiency (BEE), Government of India. Energy Efficiency Guide Book , chapter 5, p 93-112. 2004.
Pembangunan Lingkungan......J. Tek. Ling. PTL-BPPT. Edisi Khusus: 9 - 16
