SISTIM SIRKULASI UDARA DI RUANG PRODUKSI. Ir. ANDIANTO P. Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara

SISTIM SIRKULASI UDARA DI RUANG PRODUKSI Ir. ANDIANTO P. Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara VENTILASI INDUSTRI UMUM Masalah pencemaran udara lingkungan industri Sebagai akibat kegiatan-kegiatan dalam proses industri seperti pembuatan, pengolahan, pemurnian, perakitan, ekstraksi bahan dan lain-lain dalam industri kimia, industri pengolahan minyak bumi, pabrik peleburan biji logam, pusat pembangkit tenaga listrik uap dan gas, pabrik pengolahan makanan, pembakaran limbah organik atau limbah padat dan lain-lain, udara sekitar lingkungan industri cenderung mengalami pencemaran oleh gas-gas yang berbahaya bagi kesehatan manusia. Beberapa jenis zat-zat pencemar (polutan) yang dihasilkan oleh (polutan) yang dihasilkan oleh kegiatan-kegiatan industri adalah sulfur dioksid hasil pembakaran batu bara dan pengolahan minyak bumi, hidrogen sulfit hasil pengolahan industri kimia, karbon monoksid hasil pembakaran zat hidrokarbon batu bara, minyak bumi dan gas alam, nitrogen oksid hasil pembakaran bahan bakar minyak bumi, karbon dioksid hasil pembakaran bahan bakar minyak dan hasil proses industri kimia, ammonia hasil pengolahan limbah, dan beberapa jenis gas halogen seperti klorin, fluorin, dan lain-lain. Polutan yang dihasilkan dari kegiatan-kegiatan industri tersebut diatas dibuang ke atmosifr, bercampur dengan udara dan menyebar kemana-maka. Gasgas polutan ini sebagian besar terkonsentrasi di sekitar daerah industri. Bila konsentrasi polutan melebihi konsentrasi maksimum yang diizinkan bagi kesehatan akan menimbulkan berbagai penyakit seperti gangguan sistem pernafasan, gangguan fungsi jantung, gangguan penglihatan dan fungsi otak, sesak nafas, sakit kepala, pusing, iritasi kulit, mata, hidung dan kerongkongan, kerusakan pada jaringan paru-paru dan lain-lain. Pengaruh pencemaran udara terhadap kesehatan ditentukan oleh konsentrasi polutan dan respons tubuh manusia terhadap polutan. Pencemaran dapat menjadi akut (konsentrasi tinggi dalam jangka waktu pendek) atau kronis (konsentrasi rendah dalam jangka waktu lama). Pengaruh polutan sering dinyatakan dalam hubungan dosis dan respons. Respons dapat berupa iritasi mata, sakit kepala, sampai kanker paru atau kematian. Dosis polutan menyatakan jumlah kontaminan yang dihirup dan mencapai bagian tertentu tubuh. Standard kesehatan biasanya ditentukan dari analisis hubungan dosis dan respons. The Environmental Protection Agency (EPA) menyusun suatu standard nasional kualitas udara sebagai berikut :

2002 digitized by USU digital library

1

Kematian Sulfur oksid Karbon monoksida Ozon Nitrogen dioksid Partikel •

Jangka Panjang Konsentrasi Rata-rata (ppm) Waktu (tahun) 0.03 1 0.05 1 75.0* 1

Jangka Pendek Konsentrasi Rata-rata (ppm) Waktu (jam) 0.14 24 9.0 8 35.0 1 0.12 1 260.0 24

Diukur dalam mikrogram per meter kubik (mg/m3).

Untuk mencegah atau mengurangi konsentrasi polutan yang terdapat dalam udara perlu dilakukan pengendalian dengan cara merubah metoda operasi peralatan atau mengganti bahan baku yang digunakan dalam pengolahan, memindahkan sumber polusi, mengurangi polusi; misalnya menggantikan pemakaian bahan bakar minyak atau mengurangi produksi CO atau NOx, membersihkan bahan bakar yang akan digunakan, memindahkan lokasi pabrik jauh dari daerah pemukiman atau perdagangan. Pembersihan udara untuk mengurangi kontaminan dapat dilakukan dengan cara absorpsi dengan mengalirkan gas melalui bahan absorben yang akan menyerap atau bereaksi dengan kontaminan sehingga kontaminan dapat disingkirkan atau dikurangi. Absorben dapat berupa cairan seperti hidrogen sulfid dalam larutan alkalin, sodium sulfid, metil dan etil amina, dan absorben padat seperti silika gel, alumina, atau arang aktif. Polutan hidrokarbon dan karbon monoksida dapat dibersihkan dengan pembakaran secara oksidasi menjadi karbon dioksid dan air. Gas polutan dimasukkan dalam ruang pembakaran dan dibakar dengan udara yang telah dicampur sebelumnya seperti pada pembakar Bunsen. Polutan berbentuk partikel seperti partikel karbon yang banyak terdapat dalam asap yang terjadi dari pembakaran bahan bakar yang kurang sempurna dikendalikan dengan cara memasukkan udara dalam ruangan penyaring udara/filter dari bahanbahan porous seperti kain, kertas, arang, untuk memisahkan partikel dari gas. Pembersihan udara dapat juga dilakukan dengan cara pengendapan elektrostatis dimana partikel-partikel bermuatan dipisahkan secara elektrostatis (muatan positip dan negatip saling tarik menarik) oleh medan listrik dari tabung atau deretan pelatpelat logam bermuatan listrik yang ditanahkan. Cara ini biasanya dilakukan untuk mengumpulkan debu semen dalam pabrik semen, mengumpulkan tetesan asam sulfur dalam pabrik zat-azam, mengumpulkan debu terbang (fly ash) dalam pembangkit listrik batu bara. Gas buangan industri yang telah dibersihkan masih mengandung bahan polutan dalam jumlah kecil (0,1 % sisa buangan), namun jumlah ini cukup besar bagi suatu pabrik asam sulfat yang besar, sehingga masih berbahaya bila dibuang ke atmosfir pada ketinggian rendah. Untuk mengurangi konsentrasi polutan dalam ketinggian rendah. Untuk mengurangi konsentrasi polutan dalam gas buangan tersebut digunakan cerobong asap yang tinggi yang akan membuang sisa gas buangan ke atmosfir pada ketinggian yang cukup untuk pengenceran/penurunan konsentrasi polutan dalam gas buangan. Proses pengenceran terjadi di atmosfir akibat tercampurnya dan tersebarnya gas sisa buangan. Pengendalian udara tercemar dalam ruangan lingkungan industri dapat dilakukan dengan sistem ventilasi untuk menurunkan konsentrasi kontaminan dengan pemasukan udara segar dan pengeluaran udara terkontaminasi melalui bukaan atau


2

lubang seperti jendela, pintu, lobang angin atau dibantu peralatan kipas angin (fan), atau dengan ventilasi lokal dan ventilasi sistem pengendalian suhu dan kelembaban udara (sistem air conditioning). Untuk meningkatkan atau mempertahankan kualitas udara perlu dilakukan pengukuran konsentrasi polutan untuk mengetahui pengaruh dan tingkat pencemaran, sampai sejauh maha standard kualitas udara dilampaui, untuk mengetahui sehubungan antara konsentrasi, gas buangan dan keadaan cuaca, untuk mendapatkan informasi tentang gas buangan dalam hubungannya dengan sumbernya, apakah telah memenuhi standard pengaturan yang ditetapkan. Pada pabrik-pabrik besar pengukuran polutan dalam gas buangan telah merupakan bagian dari pengendalian proses yang mengacu pada standard pelaksanaan yang ditetapkan. Analisa gas buangan dengan cara kimiawi sederhana adalah dengan metoda Orsat menggunakan iodimetrik titrasi, untuk menentukan sulfur dioksid dalam gas buangan. Cara fisika yang digunakan adalah dengan spektroskopi infra merah untuk karbon dioksid, karbon monoksid dan sulfur dioksid, untuk sulfur dioksid, nitrogen dioksid digunakan spektroskopi ultra-violet. Untuk bahan partikel atau debu ditentukan dengan peta Ringelman. Kerapatan asap dibandingkan dengan kepekatan kertas untuk menentukan angka Ringelman dari 1 sampai 4, dinyatakan dalam persen kepekatan kertas berkisar antara 20-80%. VENTILASI INDUSTRI Pengendalian udara dalam lingkungan kerja industri diperlukan untuk menjaga agar kualitas udara memenuhi standard kualitas yang ditetapkan bagi kesehatan pekerja, dan memenuhi syarat kondisi udara yang seusia bagi proses produksi, lingkungan kerja mesin-mesin atau peralatan yang digunakan dan penyimpanan barang atau hasil produksi. Salah satu cara pengendalian udara dalam ruang adalah ventilasi, yaitu pemasukan dan pengeluaran udara kedalam ruang melalui bukaan atau lubang yang ada untuk mendapatkan udara yang memenuhi standard kualitas kesehatan dan proses produksi industri. Fungsi ventilasi a. Menurunkan konsentrasi kontaminan dalam udara ruang kerja dengan memasukkan udara segar dan mengeluarkan udara terkontaminan sampai tingkat tidak membahayakan. b. Memberikan penyegaran udara dalam ruang pada suhu dan kelembaban tertentu untuk kenyamanan pekerja. c. Memberikan kondisi udara yang sesuai bagi proses produksi, penyimpanan bahan dan hasil produksi, lingkungan kerja mesin dan peralatan industri. d. Menurunkan konsentrasi gas buangan yang dapat menimbulkan kebakaran atau ledakan sampai dibawah batas ledak terendah. Jenis-jenis Ventilator 1. Ventilasi umum Ventilasi umum secara umum diartikan pergantian udara. Udara terkontaminasi dari suatu ruang kerja dikeluarkan melalui bukaan atau lubang pada dinding dan memasukkan udara segar melalui bukaan pada dinding lain. Ventilasi umum dapat juga diartikan dengan pengenceran, yaitu penurunan konsentrasi kontaminan udara dalam ruang kerja sampai pada tingkat yang tidak membahayakan kesehatan (NAB) dan keselamatan tenaga kerja. Ventilasi umum dapat berlangsung dengan baik bila : 2002 digitized by USU digital library

3

1.

Kadar kontaminan udara dalam ruang tidak terlalu tinggi agar volume udara pengencer tidak terlalu besar. 2. Pekerja berada cukup jauh dari sumber pengencer agar tidak terpengaruh pencemaran, kadar kontaminan udara masih dibawah nilai ambang batas. 3. Toksisitas kontaminan masih rendah 4. Pencemaran terjadi merata. Ventilasi umum terlaksana dengan dua cara : Ventilasi alamiah Pemasukan dan pengeluaran udara dalam ruang terjadi disebabkan adanya perbedaan tekanan udara luar dan dalam. Udara akan mengalir dari udara bertekanan tinggi ke udara bertekanan rendah. Perbedaan tekanan dapat terjadi karena adanya perbedaan suhu udara dan mengakibatkan terjadinya perbedaan kerapatan udara atau berat jenis udara. Udara panas dengan berat jenis rendah mengalir keatas, sedang udara dingin dengan berat jenis tinggi akan mengalir kebawah. Pada ventilasi alamiah udara mengalir secara alamiah. 1. Ventilasi horizontal (ventilasi silang) Arus angin datang dari luar ruang secara horizontal, dapat terjadi bila terdapat perbedaan suhu udara luar dan dalam ruang atau antar ruang dalam bangunan. Agar ventilasi silang berfungsi dengan baik maka pada dinding harus ada bukaan atau lubang seperti pintu, jendela atau lubang angin. Aliran udara masuk kedalam ruangan tidak terlalu kuat dan tidak terhambat, dan harus diarahkan ke bagian-bagian ruang yang ditempati atau dipakai. Kemungkinan penempatan lubang ventilasi Penempatan lubang ventilasi adalah penting untuk pengarahan aliran udara dari lubang masuk (inlet) ke lubang keluar (outlet). Keadaan 1 Tidak ada lubang keluar tidak ada aliran udara keluar, ventilasi tidak efektif, menimbulkan ketidaknyamanan. Keadaan 2 Pada dinding yang berhadapan terdapat masing-masing satu lubang masuk dan satu lubang keluar yang sama luasnya. Lubang masuk letaknya keluar, terletak dalam batas daerah hunian atau kerja (living zone) : 0.30m – 1.80m diatas lantai. Luas lubang keluar lebih besar dari lubang masuk adalah lebih baik. Keadaan 3 Lubang masuk terletak tinggi, lubang keluar rendah. Terjadi kantung udara dibawah lubang masuk, tidak ada aliran udara dalam daerah hunian. Ventilasi kurang efektif. Keadaan 4 Lubang masuk dan keluar sama tinggi dan sama luas. Ventilasi baik sekali. Pemasangan kisi-kisi, jalusi, sungkup (kanopi) pada lubang masukan dapat memperbaiki pola aliran udara masuk kedalam ruang : Penampatan lubang keluar


4

Penempatan lubang keluar hampir tidak merubah pola aliran udara dalam ruang. Aliran udara dalam ruang hanya tergantung pada ukuran, bentuk dan letak lubang angin masuk. Ventilasi lebih baik lagi bila dibuat dua lubang masuk dengan lubang besar pada bagian bawah dna lubang kecil atau jalusi dbagian atas. Kecepatan aliran udara masuk dapat diperbesar bila lubang keluar dibuat lebih besar. Perbandingan ukuran lubang keluar dengan lubang masuk mempengaruhi kecepatan aliran udara dalam ruang. Makin besar perbandingan lubang, makin tinggi kecepatan aliran udara. Dalam gambar ditunjukkan besar kecepatan aliran udara dalam ruang dinyatakan dalam persen kecepatan udara luar. 2.

Ventilasi vertikal Aliran udara terjadi karena perbedaan berat jenis lapisan-lapisan udara luar dan dalam bangunan. Berat jenis kecil udara mengalir keatas, berat jenis besar udara mengalir kebawah (efek cerobong). Kesimpulan : a. Lubang-lubang ventilasi ditempatkan pada dinding-dinging yang saling berhadapan agar terjadi aliran udara yang baik dalam ruang. b. Lubang-lubang ventilasi ditempatkan tidak sama tinggi dari lantai agar terjadi aliran udara yang baik dalam ruang. c. Cerobong udara keluar dibuat setinggi mungkin agar terjadi aliran udara yang baik dalam ruang (efek cerobong). d. Tinggi letak lubang ventilasi masuk sedemikian sehingga aliran udara masuk mengenai daerah hunian (living zone) pada batas ketinggian 0.30 m1.80m diatas lantai. e. Lubang-lubang ventilasi sebaiknya dibuat dengan kombinasi ventilasi horizontal dan vertikal. f. Untuk kenyamanan ruang, kecepatan aliran udara dibuat berkisar antara 0.10-0.15 m/detik. Untuk kesehatan tidak melebihi 0.5 m/det, atau kurang dari 0.10 m/det. Suhu udara yang mengalir mempengaruhi kenyamanan, udara yang mengalir dengan kecepatan 0.6 m/det pada suhu 300C tidak terasa jelek, tetapi aliran udara dengan kecepatan 0.15 m/det. Pada suhu 120C terasa tidak enak. Udara yang mengalir diatas lantai yang dingin terasa tidak enak. Udara yang mengalir dengan kecepatan 0.10 m/det didaerah pegunungan terasa sangat dingin pada kaki. Pada tempat-tempat dengan kecepatan udara tinggi, dikendalikan dengan memasang penahan atau pembelok arah angin (deflektor) pada bukaan, yang dapat digerakkan untuk mengatur arah angin, dan kecepatan angin masuk. Penahan angin (deflektor) : Tidak dapat berPutar (tetap) Kecepatan angin Masuk dapat di Kurangi

Dapat berputar pada sumbu horizontal. Arah dan kecepatan angin masuk dapat diatur


Dapat berputar Pada sumbu horizontal. Dapat menurunkan kecepatan dari 40 km/jam Menjadi 5-7.5 km/jam.

5

2.

Ventilasi buatan (mekanis) Penggantian udara terjadi dengan bantuan alat mekanik seperti kipas angin (fan), penyedot udara (blower), exhauster. Cara ini digunakan bila cara alamiah tidak mencukupi, misalnya ukuran ruang luas. Ada dua jenis kipas angin yaitu sistem baling-baling dan sistem sedot pompa sentrifugal. Kipas angin yang digunakan garis tengah besar dengan putar per menit sekecil mungkin untuk memberikan kenyamanan. Aliran udara dibuat merata dalam seluruh ruang, diletakkan dekat sumber kontaminan. Bila sumber kontaminan dekat dinding kipas angin berfungsi sebagai pengisap kontaminan keluar (exhauster). Bila berat jenis kontaminan lebih besar dari berat jenis udara, maka kipas dipasang dekat lantai. Bila dipasang pada langit-langit, tinggi ruang harus lebih dari 3 m; Kapasitas kipas ditentukan oleh volume ruang, jumlah pergantian udara dalam ruang yang diperlukan. Contoh : bila volume ruang 90 m3 dan dibutuhkan pergantian udara 30 kali per jam, maka kapasitas adalah : 30x90 = 2700 m3 / jam.

3.

Ventilasi lokal Pembuangan udara dilakukan langsung dari sumber kontaminan melalui corong (hood) pengisap yang dipasang dan ditempatkan dekat sumber kontaminan. Dari corong pengisap kontaminan disalurkan dalam pipa (duct) menggunakan penyedot udara (blower) kemudian kontaminan dipisahkan oleh sistem pembersih udara. Udara bersih selanjutnya dibuang ke atmosfir. Tipe corong penghisap dan sistem pemasangannya harus disesuaikan dengan jenis kontaminan dan cara kerja operator sehingga terhindar dari pengaruh kontaminasi dari hasil proses produksi. Kapasitas penghisap harus kecil, sehingga pemakaian energi kecil dan ekonomi. Kontaminan harus dapat diisap seluruhnya, jangan sempat menyebar dalam ruang atau zona pernafasan operator. Kontaminan harus terkonsentrasi dalam sistem ventilasi untuk dapat dipisahkan menjadi udara bersih dan sisa buangan yang dapat dimakfaatkan selanjutnya.

Ventilasi lokal dengan sistem pembersih kontaminan Tipe-tipe sistem ventilasi lokal a. Ventilasi lokal menggunakan sistem pembersih kontaminan. Corong penghisap dipasang tepat diatas sumber kontaminan. Kontaminan disalurkan melalui sistem perpipaan ke sistem pembersih udara menggunakan alat penyedot (blower) dan udara bersih dipisahkan dari kontaminan selanjutnya dibuang ke atmosfir, sedang sisanya berupa kontaminan dapat dimanfaatkan selanjutnya. b. Ventilasi lokal menggunakan corong pengeluaran setempat tepat diatas sumber kontaminan. Dengan cara ini udara terkontaminasi tidak tersebar dalam ruang. Operator terhindar dari pengaruh kontaminan. Operator tidak diperkenankan membungkuk diatas bak kerja. c. Ventilasi lokal menggunakan corong celah (slot), dipasang disisi sumber kontaminan. Gas buangan diisap melalui saluran samping. Operator dapat bekerja dengan membungkuk diatas sumber kontaminan/bak kerja. d. Ventilasi lokal menggunakan sistem tiup dan isa (push and pull exhauster).


6

e. 4.

Sumber kontaminan diberi udara yang ditiupkan dari saluran tiup memakai exhauster, udara kontaminan ditiup dan dibuang melalui salurang buang memakai exhauster yang dipasang disebelahnya. Ventilasi loal untuk pengeluaran kontaminan pada pabrik penyepuhan logam (galvanisasi) Ventilasi pengendalian suhu udara Pengendalian suhu bertujuan untuk penyegaran udara dalam lingkungan kerja, dilaksanakan dengan menurunkan panas dengan cara mengalirkan udara segar dan dingin menggantikan udara panas dalam ruang kerja.

Dapat dilaksanakan dengan cara-cara : a. Ventilasi alamiah, dengan mengadakan lubang/bukaan seperti pintu, jendela, lobang angin sehingga terjadi pengaliran udara secara alami. b. Ventilasi mekanis, menggunakan peralatan bantu mekanis seperti : Kipas angin, blower, untuk mengalirkan udara segar dan mengganti udara panas serta menaikkan kecepatan liner udara dalam ruang. Alat pendingin udara (air conditioning), untuk menurunkan suhu udara dan kelembaban ruang. Udara panas dalam ruang diisap dan panasnya diserap untuk pendinginan dan pengembunan dan kemudian diembuskan kembali masuk dalam ruang. Pendinginan udara bertujuan untuk : a. Penyegaran udara bagi karyawan b. Penyegaran udara yang diperlukan untuk proses produksi, penyimpanan, lingkungan kerja mesin dan lain-lain. Sistem pendingin ruang terdiri dari : a. Sistem langsung (direct cooling), udara didinginkan langsung oleh zat pendingin (refrigerant) menggunakan mesin sistem paket (package air conditioner). b. Sistem tidak langsung (indirect cooling), menggunakan media air es, mesin pengolah udara (air handling unit AHU). PERENCANAAN VENTILASI INDUSTRI Ventilasi Umum 1. Ventilasi alamiah a. Ventilasi horizontal Jumlah pemasukan udara kedalam ruang per satuan waktu (debit) dihitung dari rumus : Q=EAV Dimana : Q = jumlah pemasukan udara per satuan waktu A = luas penampung bukaan ventilasi V = Kecepatan angin E = Koefisien arah datang angin, bila : Searah angin : 0.5 – 0.6 Menyudut : 0.25 – 0.35 Kecepatan rencana angin V diambil sebesar setengah dari kecepatan angin ratarata sepanjang siklus musim. Sistem ventilasi alamiah akan efektif bila kecepatan angin ditentukan berdasarkan keadaan meteorologi setempat seperti kecepatan angin rata-rata, arah angin, perubahan arah dan kecepatan angin, keadaan topografi yang mempengaruhi sifat-sifat angin.


7

b.

2.

Ventilasi vertikal Jumlah pemasukan udara kedalam ruang ditentukan oleh beda kerapatan udara/beda tekanan akibat adanya beda suhu pada lubang pemasukan dan pengeluaran, beda jarak vertikal antara lubang pemasukan dan pengeluaran, dan luas penampung lubang bukaan. Ventilasi mekanis Jumlah udara yang masuk dalam ruang menggunakan kipas angin ditentukan oleh kecepatan udara masuk, total tekanan udara masuk dan keluar, jenis dan ukuran kipas angin, kecepatan putaran kipas angin. Tenaga kipas angin dihitung sebagai berikut : Total tek (Pa) x jumlah udara masuk (m3s-) x100 Tenaga kipas = Efisiensi kipas (η) Total tekanan kipas =

3.

total tekanan pada kipas pengeluaran – total tekanan pada kipas pemasukan.

Ventilasi lokal Perencanaan ventilasi didasarkan kepada : Jumlah kebutuhan minimum udara segar yang diperlukan untuk pernafasan. Tingkat pengurangan (pengenceran) konsentrasi kontaminan sampai batas yang diizinkan (nilai ambang batas) Tingkat kenyamanan udara yang diperlukan dalam ruang. Perhitungan tingkat pengurangan konsentrasi kontaminan. Suatu ruang mempunyai volume V m3, konsentrasi CO2 dalam ruang C (dinyatakan dalam ppm/part per million parts). Udara bersih (bebas CO2) masuk ruangan dalam waktu ∆ t adalah sebesar ∆ q. Udara terkontaminasi yang keluar dari ruangan sama dengan udara yang masuk ∆ q. Pengurangan konsentrasi dalam ruang adalah sebesar : ∆a ∆ c = - -----.c (tanda – adalah pengurangan konsentrasi) V Tingkat pengurangan konsentrasi adalah : ∆c c. ∆ q ----- = - --------∆t V. ∆t Bila tingkat ventilasi (jumlah udara masuk per satuan waktu) dinyatakan dengan ∆ q = Q konstan, maka tingkat pengurangan ∆t konsentrasi dinyatakan dengan : dc cQ ----- = - -----dt V dc ----- = c

Q - ----- dt V


8

Dengan integrasi persamaan diatas diperoleh : dc ----- = c

Q - ---- dt V

Q.t log c = - ----- + log A V Dimana A adalah konstant integrasi log c – log A A. c

-

=

Q.t - ----A

(QT / V) = c

A ditentukan dari syarat batas sebagai berikut : Pada t = 0 (saat mulai ventilasi), didapat c = c0, maka : C = c0 . e – (Qt/V). Jumlah pertukaran udara dalam ruang adalah : Q.t n = - ----V Maka : c = c0. e-n menyatakan hubungan antara konsentrasi c dan jumlah pertukaran udara dalam ruang n dapat digambarkan dalam bentuk grafik : Contoh : Suatu ruang berisi udara dengan konsentrasi H2 sebesar 1000 ppm akan dihitung jumlah pertukaran udara yang dibutuhkan untuk menurunkan konsentrasi H2 menjadi 50 ppm. Perhitungan : Jumlah pertukaran udara : n = log (c0/c) = log 20 = 3 Bila udara segar yang masuk juga mengandung CO2 dan orang-orang dalam ruangan menambah jumlah CO2 trus menerus melalui pernafasan dengan volume Vc (m3 s –1 per orang), maka penambahan udara segar menjadi Q’ (dalam m3 s-1 per orang) dan volume ruang per orang menjadi V’ (dalam m3 per orang), sehingga volume udara masuk dalam ruang dalam waktu At berubah menjadi : Q’At (dalam m3 per orang) dan pertambahan CO2 dalam waktu At adalah : (A’ At) (ca / 106) dalam m3 per orang). Volume udara keluar ruang = volume udara masuk = Q’At jumlah CO2 dibuang keluar ruang adalah (Q’At) (c/106) (dalam m3 per orang). Penambahan netto Co2 = Vc At + (Q’At.Ca/106) – (Q’At.c/106) dimana : Vc At = volume Co2 yang dikeluarkan seseorang dalam waktu At dari pernafasannya (dalam m3 per orang). Volume Co2 Konsentrasi = ----------------Volume ruang


9

Perubahan netto Co2 Penambahan konsentrasi per orang = ----------------------------Volume ruang ∆c = [Vc∆t + (Q’∆t. ca / 106) – (Q’∆t.c / 106] / V’ ∆c --- = [ Vc + (Q’ca/106) – (Q’c / 106) ] / V’, bila dikali106 didapat : ∆t dc --- + dt

Q’c 106 Vc + Q’ca ------ = ----------------- , V’ V’

yang merupakan perubahan konsen-

trasi bagian Co2 per 106 bagian udara persatuan waktu t. Bila persamaan diatas dikalikan dengan faktor integrasi e(Q’t persamaam menjadi : dc --- : = e (Q’t/V’) + Q’c, e (Q’t/V’) = 106Vc + Q’ca. e (Q’t/V’) dt

/

V’)

, maka

bila diintegrasikan akan didapat persamaan sebagai berikut : V’ 106 Vc + Q’ ca. A + c.e (Q’t/V’) = ------------------- . ------ . e (Q’t/V’) dt V’ V’ Q’ dimana A = konstante integrasi. Bila B = A.Q’, maka B.e (-Q’t/V’) = 106 Vc + Q’ ca – Q’c Dengan syarat batas untuk t = 0, c co, maka B = 106 Vc + Q’ ca – Q’ co Bila harga B ini dimasukkan dalam persamaan diatas akan diperoleh : (106 Vc + ca) (1 – e-n) + c0e-n. c = --------Q’ Dimana : n = jumla pergantian udara dalam waktu t n = Q’t / V’ c adalah fungsi waktu : c f(t), yang dapat digambarkan dalam grafik sebagai berikut : 1. Bila pada saat awal t=0, ruangan bebas dari CO2, Vc =0, maka konsentrasi : c = ca (1 – e-n) dinyatakan oleh grafik (2). 2. Bila dalam ruang terdapat orang tetapi ruang bebas dari Co2 maka : (106 Vc + ca) (1 – e-n) + c0e-n.), dinyatakan oleh grafik (3) c = --------Q’ 3.

Bila konsentrasi awal dalam ruang C0, terdapat orang dan konsentrasi udara masuk ca, maka konsentrasi dalam ruang adalah : (106 Vc + ca) (1 – e-n) + c0e-n) c = --------Q’


10

Untuk n -> ς, e –n ( 0, persamaan diatas berubah menjadi : C = (106 Vc / Q’) + ca Q’ = 106 Vc / (c - ca ), merupakan persamaan pengurangan atau pengenceran konsentrasi seperti yang diberikan oleh “The Chartered Institution of Building Services (CIBS) Guide”. CONTOH : 1. Bila oleh peraturan ditetapkan jumlah udara segar minimum yang dapat disediakan untuk suatu ruang adalah 8 liter s-1 per orang, ruang yang diizinkan minimum 12 m3 per orang. Udara segar mengandung 0.03 persen CO2 dan pernafasan menghasilkan 4.72 x 10-3 liter s-1 Co2 per orang. Akan dihitung konsentrasi CO2 yang terdapat sesudah 1 jam dinyatakan dalam %. Perhitungan : Q’ = 0.008 m3 s-1 per orang ca = 300 parts per million Vc = 4.72 x 10-6 m3 s-1 per orang N = Qt/V’ untuk ventilasi minimum V’ = 12 m3 per orang Maka : n = 0.008 x 3600/12 = 2.4 jumlah pertukaran udara. Konsentrasi : c = (106 x 4.72 x 10-6 + 300) (1 – e-2.4) + 0.008

2.

= 300 e-2.4 = 836.5 ppm = 0.084 persen Suatu ruang ukuran 60m x 30m, tinggi 3m berisi udara yang mengandung 0.0024 m-3 s-1 Co2. a). Bila konsentrasi yang diizinkan maksimum 0.01 persen Co2, berapa kali pertukaran udara per jam yang diperlukan bila ruang digunakan terusmenerus. b). Bila ruang digunakan hanya 8 jam dan bila pada awalnya konsentrasi Co2 sama dengan nol, berapa kali pertukaran udara per kam yang dibutuhkan, bila konsentrasi hanya mencapai 0.01 persen pada akhir waktu 8 jam. c). Berapa konsentrasi sesudah 20 menit pertama dari waktu 8 jam. d). Bila pada akhir waktu 8 jam konsentrasi adalah 0.01 persen, berapa lama peralatan ventilasi dijalankan agar konsentrasi berkurang menjadi 0.01 persen. Perhitungan : a). cmax = 100 ppm Karena ruang digunakan terus-menrus maka c0 = 100 ppm Q’ = V’.n / 3600 (t = 1 jam) V’ = 5400 m3 Ca = 0 Vc = 0.0024 m3 s-1 C = (106 Vc + ca) (1 – e-n) + coe-n Q’ 100 = ( 106 x 0.0024 x 3600 + 0) (1 – e-n) + 100 e-n 5400 n 1 = 16 (1 – e-n) + e –n n


11

(1 – e-n) = 16 (1 – e-n) n n = 16, pertukaran udara sesudah 1 jam b). Untuk 8 jam, persamaan diatas menjadi : 100 = ( 106 x 0.0024 x 3600 x 8) (1 – e-n) 5400 x n 1 = 128 n

(1 – e-n)

n = (1 – e-n) 128 Bila e-n 0,n = 128, jadi pertukaran udara diperlukan 128 8 c).

= 16 per jam

c = ( 106 x 0.0008 x 3600) (1 – e-5.33) + 0 x e-5-33 5400 x 5.33 = 99 ppm 0.0008 adalah produksi Co2 (m3) dalam 20 menit.

d). c = c0 e-n, sesudah 8 jam tidak ada produksi CO, udara masuk tidak mengandung kontaminan Konsentrasi 0.01 persen = 10 ppm, c0 = 10 ppm : 10 = 100 e-n n = 2.3 Pertukaran udara per jam = 16, untuk pertukaran udara n = 2.3 memerlukan waktu 8.6 menit. Perhitungan perubahan panas/kelembaban dalam ruang air conditioned. Proses penjabaran rumus sama seperti diatas. Hubungan antara perubahan panas, entalpi (jumlah panas) dan massa udara terkondisi dalam ruang adalah : H = m {[ ha + H (t) ] (1 – e-n) } + Ho e-n Dimana : M = massa udara dalam ruang (kg) H0 = entalpi awal udara dalam ruang (kj), dimana Ha = M.ho, h0 = entalpi spesifik (kjkg-1) ha = entalpi spesifik udara masuk ke ruang (Kjkg-1) H(t) = jumlah panas yang diberikan kedalam ruang (kJs-1) per kgs-1 udara masuk pada waktu t Ga = jumlah aliran massa udara masuk kedalam ruang (kgs-1) Dalam rumus diatas pengaruh inersia ruangan diabaikan (sesuai konsep pedoman CIBS), karena pengaruhnya kecil. 2002 digitized by USU digital library

12

CONTOH : Suatu ruang ukuran 3mx6m, tinggi 3m akan di-air conditioned. Tentukan temperatur udara kering dan kelembaban relatif dalam ruang selama 3 menit setelah alat air conditioning dijalankan. Dianggap kondisi awal dalam ruang sama dengan kondisi luar, inersia panas ruang diabaikan. Diketahui : Beban panas sensibel : 2 kW Beban panas laten : 0.2 kW Kondisi luar ruang : - temperatur kering 280C - temperatur basah 200C Kondisi dalam ruang rencana : - temperatur kering 220C - kelembaban 50 % Kondisi udara masuk konstan : temperatur udara kering 130C, 8.055 kgk –1 Jumlah udara masuk konstan : 0.217 kgs –1 Kapasitas panas spesifik udara lembab : 1.025 kJkg-1K-1 Perhitungan : Volume udara lembab pada kondisi antara, antara kondisi dalam dan luar ruang adalah kira-kira 0.8572 m3 kg-1 udara kering, dengan massa udara terkandung dalam ruang sekitar 63 kg. Pada saat alat air conditioning mulai dijalankan, yang pertama ditinjau adalah perubahan temperatur, maka persamaan H = M { [ha + H (t) ] (1 – e-n) } + H0 e-n Hanya dinyatakan dalam beban panas sensibel Dari data yang diketahui didapat : Ga = 0.217 kgs-1 M = 63 kg H0 = 63x1.025x(28 – 0) = 1807 kJ H (t) = 2.0 kW – 1 = 9.22 kJkg-1 0.21 (kgs ha = 1x1.025x (13 – 0) = 13.32 kJkg-1 n = Gat/M = 0.217t/63 = 0.00344t H = 63 (13.32 + 9.22) (1 – e-0.00344) + 1807 e-0.00344t Bila t, H 63x22.54kJ, maka beban sensibel spesifik udara dalam ruang mendekati harga 22.54kJkg-1 dan temperatur udara kering dalam ruang juga mencapai harga 220C seperti yang direncanakan. Ini tidak cukup karena pada saat air conditioning dijalankan, beban rencana tidak penuh, sehingga temperatur udara dalam ruang dapat diturunkan sampai 220C dengan beban lebih kecil. Setelah alat berjalan 3 menit : t = 3 menit = 80 detik, e-0.00344x180 = e-0.62 = 0.538 H = (63x22.54) (1 – 0.538) + 1807x0.538 = 1627 kJ Temperatur udara kering = 1627 = 25.20C 63x1.025 Untuk menentukan perubahan kadar kelembaban digunakan cara dengan hanya memperhitungkan beban panas laten. Dari tabel diketahui entalpi spesifik udara kering pada temperatur 280C adalah 28.17 kJkg-1, dan pada kondisi udara luar rencana adalah 55.36 kJkg-1, maka :


13

Ga = 0.217 kgs-1 M = 63 kg H0 = 63x(55.36 – 28.17) = 1712 kJ H (t) = 0.2/0.217 = 0.9215 kJkg-1 ha = 33.41 – 13.08 = 20.33 kJkg-1 dimana 33.41 entalpi udara masuk dan 13.08 entalpi udara kering pada temperatur 130 C. H = 63 (20.33+0.9215) (1-e –0.00344t) + 1712e –0.00344t Bila t -> S, H -> 63x21.25, maka entalpi spesifik dalam ruang mendekati harga 21.25 + 22.13 = 43.38 kJkg-1, merupakan nilai rencana, dimana 22.13 kJkg-1 adalah entalpi udara kering pada 220C dalam jangka waktu lama. Setelah 3 menit, didapat : H = 63x21.25 (I – e-.62-) + 1712 e -0.62 = 1541 kJ atau 1541/63 = 25.5 kJkg-1 Beban sensibel pada 25.2-0C didapat dari tabel 25.25 kJkg-1. Total entalpi adalah 49.75 kJkg-1 Pada temperatur udara kering 25.20C dan entalpi 49.75 kJkg-1 kelembaban relatif adalah kira-kira 48%. TUGAS LATIHAN 1. Bila beban panas dalam ruang terkondisi tiba-tiba berubah dari harga q1 menjadi q2 dan temperatur udara masuk berubah dari t1 menjadi t2 temperatur ruang tr berubah menurut persamaan : -mc =

dtr dT

= Mc (tr – t2) – q2

dimana :

m = massa udara dalam ruang c = panas spesifik udara M = massa aliran udara masuk T = waktu Buktikan bahwa temperatur ruang seterusnya tr2 adalah : tr2 - trl -E= = l – e-NT -t trmax rl

2.

dimana : N = jumlah pertukaran udara trl = temperatur awal ruang Buktikan juga bila jumlah pertukaran udara 10, t r2 besarnya 90% dari harga maksimum pada t = 14 menit. Suatu ruang mempunyai volume 283 m3, mengalami pertukaran udara dari ventilasi alamiah sebesar 1,5 kali per jam. Konsentrasi CO2 dalam udara luar 0.03 persen dan produksi Co2 per orang adalah 4.72x10-6 m3 s-1 Tentukan : a). Jumlah penghuni maksimum bila konsentrasi Co2 kurang dari 0.1% pada akhir 1 jam pertama, misalkan konsentrasi awal 0.03 persen. b). Jumlah penghuni maksimum bila ruang dihuni terus menerus dan konsentrasi tidak dari 0.1%. Jawaban : a). 225 b). 175


14

DAFTAR PUSTAKA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

W. Straus, S.J. Mainwaring, Air Pollution, Edward Arnold, 1984, USA. C.P. Yaglou et al, Ventilation requirements, Trans ASHVE, 1936, 42, 133. CIBS Guide, Al Environmental criteria for design, 1978. Standard for natural and mechanical ventilation, ASHRAE Standard 62-731973. Ventilation of buildings : fresh air requirements. Guidance Note EH 22 from Health and Safety Executive, Environmental Hygiene, March 1979,22. Ventilation requirements, BRE Digest 206, Oct. 1977 J.L. Repace and A.H. Lowrey, Ventilation and indoor air quality, ASHRAE Trans, 1982, 88,895-914. W.P. Jones, Air Conditioning Engineering, Edward Arnold, 1985. Soedirman : Upaya Pencegahan Pengaruh-pengaruh Faktor Bahaya Kimiawi dalam lingkungan Kerja, Pusat Hiperkes, jakarta.


15

SISTIM SIRKULASI UDARA DI RUANG PRODUKSI. Ir. ANDIANTO P. Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara

Recommend Documents