VENTILASI INDUSTRI
FAN
PENGGUNAAN FAN PADA SISTIM VENTILASI LOKAL Mata kuliah Ventilasi Industri-IKK.356
Latar Muhammad Arief, Ir, MSc Dosen FKM, Peminatan Keselamatan dan Kesehatan Kerja Univ Esa Unggul Disampaikan pada kuliah online
Universitas Esa Unggul
1
VENTILASI INDUSTRI
FAN
FANS I.
PENGENALAN
Sistem fan didalam lokal exhaust ventilasi industri penting untuk menjaga preses pekerjaan dindustri sehingga terhindar dari udara yang terkontaminan di area tempat kerja, karena fan adalah jantung dari sistem. Fans mengontrol laju aliran gas, uap, partikel pada titik generasi polutan dalam peralatan proses dan melalui perangkat pengendalian polusi udara atau air cleaner. Fans memberikan energi yang diperlukan untuk aliran gas untuk mengatasi resistensi terhadap aliran gas (diukur sebagai penurunan tekanan) yang disebabkan oleh perangkat membutuhkan saluran dan polusi udara kontrol. Sedangkan Fans terdiri dari, motor listrik, system penggerak, saluaran atau system pemipaan, dan peralatan pengendali aliran. Istilah “resistensi sistim” digunakan bila mengacu tekanan statis. Resistensi sistim merupakan jumlah kehilangan tekanan statis dalam sistim. Resistensi sistim bervariasi terhadap kudrat volum aliran udara yang memasuki sistim. Untuk volum udara tertentu fan dalam sistim dengan saluran sempit dan banyak tikungan, belokan dengan radius pendek akan bekerja lebih ekstra darai pada sistim yang saluran lebih besar dengan sedikit jumlah belokan dan panjang. Saluran/duct yang panjang sempit dan banyak belokan dan tikungan akan memerlukan banyak energi untuk menarik udara, karena adannya kehilangan akibat gesekan dalam saluran/duct. Dengan begitu maka resistansi sistim meningkat secara substansial jika volum udara yang mengalir ke sistim meningkat ; kuadrat aliran udara. Sebaliknya, resistansi berkurang jika alirannya berkurang.
Gambar. .1 Kurva Efsiensi Fan (BEE India, 2004)
Untuk menentukan berapa volum fan yang akan dihasilkan, penting untuk mengetahui karakteristik 2
VENTILASI INDUSTRI
FAN
resistansi sistim. Pada sistim yang ada, resistansi sistim dapat diukur. Karakteristik fan dapat dinyatakan dalam bentuk kurva fan. Kurva fan merupakan kurva kinerja untuk fan tertentu pada sekumpulan kondisi yang spesifik. Kurva fan merupakan penggambaran grafik dari sejumlah parameter yang saling terkait. Biasanya sebuah kurva akan dikembangkan untuk sekumpulan kondisi yang diberikan termasuk: volum fan, tekanan statis sistim, kecepatan fan, dan tenaga yang diperlukan untuk menggerakan fan pada kondisi yang diketahui. Beberapa kurva fan juga akan melibatkan kurva efisiensi sehingga desainer sistim akan mengetahui kondisi pada kurva fan dimana fan akan beroperasi (lihat Gambar.1). Dari banyak kurva yang diketahui pada gambar, kurva tekanan statis (SP) versus aliran pada merupakan kuva yang sangat penting. Perpotongan kurva sistim dan tekanan statis merupakan titik operasi. Bila resistansi sistim berubah, titik operasi juga berubah. Sekali titik operasi ditetapkan, daya yang diperlukan dapat ditentukan dengan mengikuti garis tegak lurus yang melintas melalui titik operasi ke titik potong dengan kurva tenaga (BHP). Sebuah garis lurus yang digambar melalui perpotongan dengan kurva tenaga akan mengarah ke daya yang diperlukan pada sumbu tegak lurus sebelah kanan. Pada kurva yang digambarkan, efisiensi kurva juga disuguhkan.
II.
DEFENISI DASAR
Terdapat dua jenis fans, yaitu ; (i) Fans aksial, dan (ii) Fans sentrifugal .
2.1.
Fan Aksial
Fans aksial, menggerakkan aliran udara sepanjang sumbuh fans (terpasang pada poros berputar), meliputi ; fan propeller, fan pipa aksial, fan dengan baling-baling aksial, gambar..2 sampai dengan gambar .5. Untuk melihat karakteristik kelebihan dan kelemahan fan aksil, diringkas pada table .1 Tabel,.1 Karakteristik fan aksial
1.
Jenis fan (1) Fan propeller
Gambar. .2 Fan propeller
Kelebihan (2) Menghasilkan laju aliran udara yang tinggi pada tekanan rendah Tidak membtuhkan saluran kerja yang luas (karena tekanan yang dihasilkan lbih kecil) Murah, karea kontruksinya sederhana Mencapai efesiensi maksimum, hamper seperti aliran yang mengalir sendiri, dan sering digunakan pada ventilasi atap Dapat mnghasilkan aliran dengan arah berlawanan, yang membantu dalam penggunaan ventilasi
kelemahan (3) Efisiensi energy relative rendah Bising
3
VENTILASI INDUSTRI
(1) 2. Fan pipa aksial, prinsinya dimana fan propoler ditemapatkan dibagian dalam selinder.
Gambar .3 Fan tabung aksila
3.
Fan dengan balingbaling aksial
Gabar. .4. Fan dengan balingbaling aksial
FAN
(2) Tekanan lebih tinggi dan efisiensi operasinya lebih baik dari pada fan propoler Cocok untuk tekanan menengah, penggunaan laju aliran udara yang tinggi Dapat dpercepat sampai sampai ke nilai kecepatan tertentu(karena putaran massanya rendah) dan menghasikan aliran pada arah berlawanan, yang berguna dalam berbagai penggunaan ventilasi Menciptakan tekanan yang cukup untuk mengatasi kehilangan di saluran dengan ruang yang relative efisien, yang berguna untuk pembuangan Cocok untuk tekanan sedang sampai dengan tekanan tinggi(sampai 500 mm WC) pada buangan boiler-induced draft Dapat dpercepat sampai sampai ke nilai kecepatan tertentu(karena putaran massanya rendah) dan menghasikan aliran pada arah berlawanan, yang berguna dalam berbagai penggunaan ventilasi Cocok untuk hubungan langsung ke as motor Kebanayakan energinya, efisiensi (mencapai 85 % jika dilengkapi dengan fan air foil dan jarak ruang yang kecil)
Gambar..5.
(3) Relatif mahal Tingkai kebisingan dan aliran udara sedang Efesiensi energy relative lebih rendah (65 %)
Relative mahal dibandingkan fan impeller
Drive agrement
4
VENTILASI INDUSTRI
2.2.
FAN
Fan Sentrifugal
Fans sentrifugal, menggunakan impeler berputer untuk menggerakan aliran udara, memiliki roda kipas yang terdiri dari sejumlah bilah kipas/blade dipasang di sekitarnya, seperti ditunjukkan dalam Gambar .6, 0 berputar pada poros yang melewati rumah fans (housing). Gas masuk dari sisi roda kipas, ternyata 90 derajat dan mempercepat saat melewati bilah kipas. Istilah, sentrifugal, mengacu pada lintasan aliran gas saat lewat keluar dari rumah fans (housing) Fan sentrifugal dapat menghasilkan tekanan tinggi meningkat dalam aliran gas. Dengan demikian, mereka sangat cocok untuk proses industri dan sistem kontrol polusi udara ( untuk handling padatan yang terbentang ; debu serpih kayu, skrap logam)
Gamba. .6 Kompenen-kompenen Fans setrifugal (i. udara masuk/gas inlet, ii. roda fans/fans wheel, iii. Rumah fans/housing, dan iv udara keluar/gas out)
Komponen utama dari sebuah fans sentrifugal khas termasuk roda kipas, rumah, mekanisme drive, dan inlet dan oulet fan Dalam pengaturan drive langsung, roda kipas dihubungkan langsung ke poros motor. Ini berarti bahwa kecepatan roda kipas identik dengan kecepatan motor rotasi. Dengan jenis drive fan, kecepatan fan tidak dapat bervariasi.
Gambar .7
Komponen Fan sentrifugal
5
VENTILASI INDUSTRI
FAN
Gambar .8
Fan Sentrifugal kompo ACGIH, data 1-88 figure 6-3
Pada Fan sentrifugal udara masuk pada mata rotor, berputar pada sudut tertentu, dan berakselarasi dan ditekan oleh tekanan sentrifugal. Tabel.2. Kalasifikasi Fan sentrifugal terdiri atas: 1.. Tipe Forward Curved Pada fan tipe ini roda-roda yang terdapat didalamnya berukuran kecil dan membelok kedalam searah dengan arah rotasi roda-roda. Fan ini beroperasi pada kecepatan yang relatif rendah. Jenis fan ini biasa juga disebut sebagai squirrel cage wheel.Tipe ini biasa digunakan pada kegiatan proses pemanasan dengan tekanan rendah, ventilasi dan pendingin ruangan seperti pada tungku pembakaran domestik dan pada alat pendingin lainnya. Gambar.9 Fan Forward Curve
2 Tipe Radial Blade Pada fan tipe ini roda-roda yang terdapat didalamnya berbentuk seperti paddle. Blade yang ada memiliki arah tegak lurus dengan arah rotasi fan. Fan ini cenderung beroperasi pada kecepatan yang sedang.Tipe ini biasa digunakan pada kegiatan material handling, memiliki bentuk yang kokoh serta mudah untuk diperbaiki dilapangan. Jenis fan ini juga digunakan pada industri yang membutuhkan tekanan yang tinggi. Gambar .10 Radial Blade
6
VENTILASI INDUSTRI
FAN
3. Tipe Backward Inclined
Gambar .11
Fan Backward Inclined
Pada fan tipe ini roda-roda yang terdapat didalamnya berbentuk rata dan memiliki arah yang condong dan menjauhi arah dari rotasi roda. Fan ini cenderung beroperasi pada kecepatan yang tinggi. Tipe fan ini lebih efisien daripada kedua jenis fan diatas. Tipe ini biasa digunakan pada pemanas biasa, ventilasi dan sistem pendingin udara. Digunakan pada berbagai kegiatan di industri, dimana jenis airfoil blade tidak dapat digunakan karena memiliki kemungkinan terkena korosi akibat debu halus.
.4. Tipe Airfoil Blade Walaupun tipe fan ini bukan tipe yang umum, namun tipe ini merupakan tipe penyempurnaan pada desain tipe Backward Inclined. Fan ini memiliki efisiensi yang paling tinggi dan cenderung memiliki kecepatan yang lebih cepat. Tipe ini biasa digunakan pada industri yang memiliki keadaan udara yang cukup bersih. Selain itu jenis fan ini dapat dirancang dengan konstruksi khusus pada udara yang berdebu. Gambar.12 Fan Airfoil Blade
5. Tipe Radial Tip
Gambar..13 Fan Radial Tip
Pada tipe fan ini roda-roda yang terdapat didalamnya memiliki bentuk yang cenderung melengkung ke arah rotasi roda-roda tetapi blade yang terdapat didalamnya bersandar kebawah, sehingga bagian luarnya akan mencapai posisi radial. Fan ini berkerja dengan kecepatan yang hampir sama dengan fan backward inclined. Tipe ini juga dirancang untuk menangani pada kegiatan material handling atau pada kegiatan yang menyebabkan erosive, dan juga lebih efisien daripada blade radial.
7
VENTILASI INDUSTRI
FAN
Gambar .14 Kurva flow Tekanan static, dan volume
Untuk melihat karakteristik kelebihan dan kelemahan fan sentrifugall, diringkas pada tabel.3 Tabel..3 Karakteristik fan sentrifugal Jenis fan dan blade (1) Fan radial dengan blades datar
Kelebihan
(2) Cocok untuk tekanan statis tinggi (sampai 1400 mm WC) dan suhu tinggi. Rancangan sederhana sehingga dapat dipakai untuk unit penggunaan khusus Dapat beroperasi pada aliran udara yang rendah tanpa masalah getaran/vibrasi Sangat tahan lama Efisiensi mencapai 75 % Memiliki jarah ruang kerja yang lebih besar yang berfungsi untuk handling padatan yang terbang (debu, serpih kayu, dan skrap logam)
Kelemahan
(3) Hanya cocok untuk laju aliran udara rendah sampai sedang
8
VENTILASI INDUSTRI
(1) Fan yang melengkung kedepan, dengan blade yang melengkung kedepan
FAN
(2) Dapat mengerakan volume udara yang besar terhadap tekanan yang relative rendah Ukurannya relative kecil Tingkat kebisingan rendah (diakibatkan rendahnya kecepatan) dan sangat cocok untuk pemanasan perumahan, ventilasi dan penyejuk udara
Backward inclined fan, dengan blades yang miring jauh darai arah perputaran ; datar, lengkung, dan airfoil
III
Dapat beroperasi dengan perubahan tekanan statis (asalkan bebannya tidak berlebih ke motor) Cocok untuk sisitim yang tidak menentu pada aliran udara yang tinggi Cocock untuk layanan forced –draft Fan dengan balade datar lebih kuat Fan dengan blades lengkung lebih efisien (melebihi 85 %) Fan dengan blades air foil yang tipis adalah yang paling efisien
(3) Hanya cocok untuk layanan yang bersih, untuk layanan kasar, dan bertekanan tingggi Keluaran fan sulit untuk diatur secara tepat Penggerak harus dipilih secara hati-hati untuk menghindarkan beban motor lebih, sebab kuva daya meningkat sejalan dengan aliran udara Efisiensi energy relative rendah (55 – 65 %) Tidak cocok untuk aliran udara yang kotor (karena fan mendukung terjadinya penumpukan debu) Fan dengan blades air foil kurang stabil karena mengandalkan padapenangkatan yang dihasilkan oleh setiap blade Fan blades air foil yang tipis akan menjadi sasaran erosi.
PEMELIHAN FAN
Dalam memilih fan yang sesuai pada setiap aplikasinya, terdapat tiga informasi mendasar, yaitu dibutuhkan data aliran udara volumetrik, peningkatan tekanan statis fan yang harus disediakan, dan densitas gas pada fan. Faktor lain yang umumnya dibutuhkan untuk memilih fan yang tepat adalah tipe dan konsentrasi kontaminan (debu, liquid atau gas hasil dari pembakaran) yang akan dialirkan, area yang dibutuhkan untuk instalasi alat, dan kebisingan yang ditimbulkan merupakan hal-hal yang perlu diperhatikan. Dalam penentuan tipe fan terdapat hal mendasar yang menetukan yaitu tipe gas yang akan dialirkan. Selanjutnya adalah pemillihan ukuran fan dilakukan dengan menggunakan tabel. Biasanya fan yang berada diantara rating tabel adalah mendekati efisiensi puncaknya. Apabila titik operasi desain mendekati bagian atas atau bawah tabel , maka sebaiknya dipilih fan yang lebih kecil atau lebih besar, secara berurutan. Apabila titik desain mendekati batas kiri atau kanan tabel, maka perlu dipertimbangkan versi tipe fan yang telah dimodifikasi. 0 Fan biasanya didesain pada tingkat udara standar yaitu pada 70 F, 1 atm, 50% kelembaban relatif, 3 dalam ketinggian permukaan air laut. Pada kondisi ini densitas udaranya adalah 0.075 lbm/ft . Apabila fan biasa untuk digunakan pada kondisi yang berbeda dari nilai standar ini (dimana kebanyakan terjadi), maka koreksi harus dilakukan pada densitas udaranya. Seperti yang dapat dilihat pada Lampiran B berikut ini aliran udara volumetrik ini tidak berubah. Oleh karena itu, berikut ini adalah prosedur desainnya: 9
VENTILASI INDUSTRI
3.1.
FAN
Gunakan aliran udara volumetrik yang aktual (Q) , dalam proses desain. Hitung kehilangan tekan yang terjadi dalam keadaan standar ( gesekan dari duct yang terjad)i juga berdasarkan keadaan standar). Perbaiki kehilangan tekan akibat alat pengendali dalam keadaan standar.
Pengurangan Faktor Fisik
Bunyi yang bersumber dari Fan, baik lewat tali sabuk mengirimkan energi mekanik dari motor ke fan, roda fan, diameter puli, kontruksi fan, dan putaran motor (rpm), dapat menimbulkan bising antara (98 – 104) dBA bila putaran motor lebih tinggi dan bila putran motor rendah (83 -87) dBA, Untuk memenuhi kabilitas, flow rate, tekanan dan efisiensi Fan dalam persamaan- (.1).
BPF = Rpm * N * CF Dimana : BPF Rpm N CF 3.2.
= = = =
----------- (.1)
blade passage frequency, Hz Rotasi permenit, rpm Jumlah blade Conversion factor = 6356 atau 1/60
Penilian Tekanan
Tekanan Total Fan/Fan Total pressure (FTP) Jumlah dari tekanan total fan dan tekanan statik udara dalam sebuah sistim saluran. FTP = TP outlet - TP inlet
-----------------------------------------
FTP =( SPout + VP out )- (SPinlet + VP inlet)
------------------
(.2) (.3)
FTP = SPout - SPin Tekanan Statik Fan /Fan Static pressure (FSP) Tekanan potensial diberikan oleh udara diam. Dengan kata lain, itu adalah perbedaan antara tekanan dalam pipa yang diberikan ke segala arah, dan tekanan dalam atmosfir. Tekanan statis fan (FSP) FSP = FTP – VPoutlet
------------------------------------------
(.4)
Atau, Fan SP = TP0utlet - TPinlet - VPoutlet Fan SP = SP outlet - SP inlet - VP inlet ------------------------ (.5) Contoh, Dari data gambar.15 SP out = +5.797 “wg SP in = - 4.216 “ wg VP in = 1,1383 “ wg
10
VENTILASI INDUSTRI
FAN
Gambar.15. Menghitung tekanan statis fan Maka , Fan SP = SP outlet - SP inlet - VP inlet = 5.797 – (-4216) - 1,1383 = 8.88 in WG FTP = TP outlet - TP inlet FTP = Fan SP + VP0ut let = 8,88 + 0,994 = 9,87 in WG Untuk menghitung koefisien efsiensi dari fan, untuk mendapat besaran tenaga atau daya yang dibutuhkan untuk menarik udara dari Hood, ke pembersih udara/partikulat ke Fan (fan-inlet), dengan menggunakan persamaan (6) Ƞ = Dimana : Ƞ Q FTP FSP PWR CF
Q * FTP = Q * (FSP + VP0ulet) CF *PWR CF * PWR
= = = = = =
------------------------------
(.6)
mechanic eficiensy, garafik-7.16 volumetric rate , cfm fan tekanan total fan tekanan static power rekruitmen, HP Konfersi factor, 6356
Dari persamaan persamaan (7.6), dapat dihitung PWR, persamaan (.7) PWR=
Q * FTP 6356 * Ƞ
-----------------------
Ƞ Q FTP
= mechanic eficiensy = 75 % = volumetric rate = 1.200 cfm = fan tekanan total = 9.87 in WG
(.7)
Bila diketahui :
PWR=
1.200 * 9,87 6356 * 0,75
= 2,48 HP
11
VENTILASI INDUSTRI
FAN
Gamabar..16 Grafik mekanil efisiensi, dalam %
Efisiensi keseluruhan = daya output ÷ daya input
Gambar.17
Grafik Kurva Fan 12
VENTILASI INDUSTRI
Putaran motor =
2.500 rpm
FAN
(dimabil pada Gambar .16 grafik mekanikal efisiensi )
Pada gambar.16 Grafik kurva fan pemelihan fan, dimana bila diketahui air volume 4000 cfm, dan tekanan total statis fan FTP= fan tekanan total = 5,92 in WG, maka dalam grafik didapat putaran fan atau fan speed sebesar 1258 rpm, dengan efisiensi sebesar 70,2 %
Gambar..18
Grafik Kurva Fan
Gambar grafik .18 efisiesi fan paling masikum adalah sebesar 75 % pada tekanan total statis fan FTP= 3 fan tekanan total = 23,0 in WG dan fan capasity 91000 ft /min Kinerja Fan Tabel .4. berikut ini menunjukan kinerja tipe untuk tekanan yang lebih tinggi, seperti pada fan sentrifugal, untuk setiap ukuran fan dan jenis roda. Dalam kebanyakan kasus, tabel ini akan memiliki area berbayang mewakili Kelas I, II dan III batas RPM. Untuk menggunakan tabel ini, ditentukan kebutuhkan CFM sepanjang sumbu vertikal kiri (misalnya 14.000 CFM), kemudian bergerak horizontal ke kanan untuk yang diperlukan kolom bertekanan statis (misalnya 6,00 SP). Di persimpangan ini, Anda dapat membaca kedua RPM kipas dan BHP (contoh 1.277 RPM dan 16,8 BHP). Perhatikan titik-titik yang terletak di tabel, 13
VENTILASI INDUSTRI
FAN
yang menunjukkan bahwa II penggemar Kelas diperlukan. Tabel.4
Contoh tabel peringkat
Dengan penggunaan program pemilihan fan elektronik tren untuk mengurangi jumlah data yang dicetak dan mencetak hanya kisaran kinerja untuk setiap ukuran fan. Ada sedikit keraguan bahwa program seleksi baik elektronik seperti CAPS dapat menentukan pilihan yang tepat dengan sedikit usaha.
3.3
Hukum Fan
Tujuan Untuk menjelaskan hubungan antara parameter ventilasi industri: kecepatan fan, laju aliran udara flow rate (Q), tekanan (P), density/rapat masa (ρ), putaran (rpm),PWR/power rekruitmen, (HP), mechanic eficiensy (ƞ), Fan beroperasi dibawa beberapa hukum tentang kecepatan, daya dan tekanan. Perubahan dalam kecepatan (putaran per menit atau RPM) berbagai fan akan mempredeksi perubahan kenaikan tekanan dan daya yang diperlukan untuk mengoperasikan fan pada RPM yang baru. Hal ini diperlihatkan pada gambar.19 Langkah selanjutnya adalah untuk memahami hukum fan,dapat digunakan untuk secara akurat memprediksi perubahan (asumsi diameter kipas dan kerapatan udara yang konstan), dengan persamaan hukum fan sebagai berikut :
14
VENTILASI INDUSTRI
Gambar.19
FAN
Kecepatan, tekanan, dan daya fan (BEE India, 2004)
Q2= Q1*(Size2/Size1)3 * (RPM2/RPM1)
---------------------------
P2 = P1 * (Size2/Size1)2 * (RPM2/RPM1)2 * (ρ2/ρ1)
-----------------
PWR2 = PWR1 * (Size2/Size1)5 * (RPM2/RPM1)3 * (ρ2/ρ1)
(8) (9)
-----------------
(10)
Dimana : Q P RPM Size PWR
= Air flow (cfm) = Fan presure (tekaban fan), in WG = putaran fan = Fan size atau diameter impeller (in.) = power rekruitmen, HP Tabel.5. Basis Hukum Fan
15
VENTILASI INDUSTRI
FAN
DAFTAR PUSTAKA Air Moverment and Control Association, inc : AMCA Publication 201-90, fans and system AMCA, IL (1990) American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH).1988 Industrial Ventilation, a Manual of Recommended Practice . 1988. Industri Ventilasi, Manual Praktek Fitur. 20th edition, Chapter 6 American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH).1998 Industrial Ventilation, a Manual of Recommended Practice . 1998. Industri Ventilasi, Manual Praktek Fitur. 23th edition, Chapter 6 American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH).2006 Industrial Ventilation: A Manual of Recommended Practice for Operation and Maintenance, Signature publications Amer Conf of Governmental Berilustrasi –p.200
Bureau Of Energy Efficiency (BEE) Government of India, 2004 Energy Efficiency Guide Book, Chapter 5, p 93-112 Fan Air Company, product presentation. www.fanair.com/products.pdf UNEP, 2006 Fan dan Blower, Pedoman efisiensi energy untuk Industri Asia-ww.energyefficienciasia.org, UNEP http://old.greenheck.com/technical/tech_detail.php?display=files/Product_guide/perf_basics
16
