studi eksperimental pengaruh jumlah sudu inner fan terhadap peningkatan volumetric flow rate...

8/18/2019 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JUMLAH SUDU INNER FAN TERHADAP PENINGKATAN VOLUMETRIC FLOW RATE V…

1/4

Seminar Nasional Teknik Mesin 7

21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia

K-8

STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH JUMLAH SUDU INNER FAN TERHADAP

PENINGKATAN VOLUMETRIC FLOW RATE VENTILASI TURBINE VENTILATOR

Teguh Hady Ariwibowo1), Triyogi Yuwono2)

Mahasiswa Pascasarjana Jurusan Teknik Mesin ITS1)

Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin ITS 2)

Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Indonesia

Phone: 0062-852-3036-71291)

E-mail : [email protected]), [email protected] 2)

ABSTRAK

Turbine ventilator merupakan alat ventilasi yang telah diaplikasikan pada berbagai macam bangunan. Namun pengembangan turbine ventilator tidak mengalami banyak perubahan sejak pertamakali ditemukan.Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh jumlah sudu inner fan terhadap peningkatan volumetric flow rateventilasi turbine ventilator dengan melakukan tinjauan eksperimen. Turbine ventilator yang diuji terpasang padasebuah cerobong yang terhubung dengan sebuah plenum. Inner fan dipasang di dalam cerobong. Sebuah blowerdipasang pada ketinggian yang sama dengan turbine ventilator. Aliran angin free stream pada kondisi riil

diasumsikan dengan aliran angin free stream blower. Sudu yang dipergunakan tipe NACA 0015. Eksperimendilakukan pada variasi jumlah sudu 3, 4, 6, dan 8 dengan sudut sudu 30o dengan variasi kecepatan angin freestream 1.5, 3, 4.5, dan 6 m/s. Inner fan tersebut berputar pada 500 RPM. Hasil penelitian menunjukkan peningkatan jumlah sudu inner fan dapat meningkatkan volumetric flow rate ventilasi turbine ventilator. Jikadibandingkan volumetric flow rate rata-rata jumlah sudu 3, jumlah sudu 4 menghasilkan volumetric flow raterata-rata lebih besar 1.073 kali, jumlah sudu 6 menghasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.136 kalidan jumlah sudu 8 menghasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.148 kali.

Kata kunci: turbine ventilator, ventilasi, inner fan

1. PENDAHULUAN

Ventilasi bangunan merupakan bagian bangunan yang

berguna mengatur aliran udara dalam bangunan sehinggaudara di dalam bangunan dapat mendukung aktivitas

manusia dalam bangunan tersebut [2]. Ventilasi telahmenjadi salah satu ilmu yang diperlukan desainer sistem bangunan, ilmuwan dan engineer yang terlibat dalam

pembuatan hunian yang sehat [2]. Beberapa lembaga telahmengeluarkan standar-standar tentang ventilasi berbagai

macam bangunan. Lai [6] menyatakan standar tersebutdibuat berdasarkan variasi debit yang besar, kondisilingkungan, kualitas udara, faktor ekonomi, dan kebiasaanhidup penghuni.

Turbine ventilator merupakan alat ventilasi yang ditemu-

kan Vaughn H. Meadows pada tahun 1929. Alat ini digerak-

kan oleh aliran angin diluar bangunan. Turbin ini terdiri daridua bagian utama, yaitu: inner fan dan turbine. Turbine menghasilkan gaya seret dan menyebabkan inner fan yang

terhubung shaft dengan turbine dapat ikut berputar. Gerakanini menghasilkan tekanan negatif di dalam Turbine ventilator sehingga udara terhisap dari dasar saluran.

Lai [6] melakukan modifikasi untuk mengetahui pengaruh pemasangan inner fan pada flowrate turbine

ventilator . Penelitian tersebut menunjukkan adanya kenaikan

flow rate pada turbine ventilator yang memakai inner fan namun kenaikan flow rate tersebut tidak signifikan. Hal ini

dikarenakan karakter sudu tidak dikaji mendalam. NACA0015 dipergunakan sebagai sudu inner fan dikarenakan

karakter aerodinamikanya lebih unggul jika dibandingkanairfoil simetri lainnya [7].

Istilah jumlah sudu biasanya dikenal dengan solidity ratio.Hansen [4] menyatakan bahwa solidity ratio merupakan

perkalian jumlah sudu dengan panjang korda sebuah airfoil pada jari-jari tertentu dibagi dengan keliling lingkaran pada

jari-jari tersebut. Sehingga, berdasarkan pernyataan tersebut

dapat ditulis 3 sudu memiliki solidity ratio 0.175, 4 sudumemiliki solidity ratio 0.234, 6 sudu memiliki solidity ratio

0.351, dan 8 sudu memiliki solidity ratio 0.467.Ahmed dkk [1] telah melakukan kajian numerik terhadap

pengaruh solidity ratio pada kasus cascade airfoil NACA

0012. Kajian ini menyimpulkan bahwa peningkatan solidityratio menyebabkan titik separasi maju mendekati leading

edge. Peningkatan solidity ratio dapat menurunkan koefisientekanan sisi hisap trailing edge. Penurunan solidity ratio jugadapat menurunkan ketebalan boundary layer . Eftekhari dkk[3] telah meneliti pengaruh peningkatan solidity ratio pada

airfoil axial compressor NGTE 10C4/30C5. Didapatkan peningkatan solidity ratio dapat menurunkan tekanan,

meningkatkan kecepatan aliran.Usaha pengoptimalan penggunaan inner fan juga ditun-

jukkan Shun dan Ahmed [8] dengan cara penambahan pho-tovoltaic sebagai energy generator inner fan. Akan tetapi,

pada kecepatan aliran angin tertentu, penggunaan photo-voltaic memiliki kinerja yang lebih buruk jika dibandingkan

turbine ventilator tanpa penambahan photovoltaic. Berdasar-kan pertimbangan tersebut maka pada penelitian ini difokus-kan untuk melakukan modifikasi jumlah sudu inner fan

turbine ventilator agar diperoleh volumetric flow rate venti-lasi yang maksimal.

2. METODOLOGI PENELITIAN

Pada penelitian ini, dilakukan pengujian jumlah sudu inner fan 3, 4, 6 dan 8 pada variasi kecepatan angin free stream 1.5-6 m/s. Kecepatan angin blower diatur menggunakan


2/4



K-9

variable speed drive merek Altivar 312 yang telah dikalibrasisebelumnya dengan anemoneter. Adapun turbine ventilator

yang digunakan adalah tipe curved berdiameter dalam 45,7cm dan diameter luar 60,7 cm.

Pada Gambar 1, inner fan berada pada cerobongmenghubungkan plenum yang berukuran panjang 1 m, lebar

1 m, dan tinggi 2,3 m. Inner fan berkecepatan angularkonstan 500 rpm. Sudu inner fan menggunakan airfoil NACA 0015 dengan panjang cord 5 cm dan span 16 cm.

Pengaturan kecepatan inner fan menggunakan modul AVR Micro System yang terhubung dengan EMS 30 A H-Bridge sebagai actuator . Sedangkan, pengukuran tekananmenggunakan low pressure transmitter merek omega tipe PTPX655-05BDI yang terhubung pada wall pressure tap dan

pressure static tube. Pressure transmitter tersebut dikalibrasiterlebih dahulu dengan inclined manometer sebelum dilaku-kan pengujian. Adapun pengukuran debit menggunakankorelasi antara tekanan statik, tekanan dinamik dan tekanantotal pada pitot static tube yang terpasang di plenum.

Gambar 1. Diagram Penelitian

Keterangan:

1. Inner fan 6 Generator DC2. Turbine ventilator 7. Blower3. Pressure Transduser 8. Anemometer4. Inlet 9. Plenum5 Rotary Encoder 10. Nozzle

Pengaruh jumlah sudu inner fan terhadap volumetric flow

rate dilakukan pengujian seperti Gambar 2. Agar pengaruh pengubahan jumlah sudut terhadap volumetric flow rate dapat diamati maka perlu kiranya memastikan plenum tidakmengalami kebocoran. Kebocoran tersebut dapat dideteksi

dengan penurunan rendahnya penurunan tekanan statik di plenum. Gambar 2 menunjukkan terdapat 2 loop dalam

pengujian. Loop 1 menunjukkan peningkatan aliran angin free stream terhadap sebuah variasi jumlah sudu sedangkanloop 2 menunjukkan penambahan jumlah sudu jika variasikecepatan angin free stream pada loop 1 sudah selesai.

Gambar 2. Diagram Alir Penelitian

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 3 menunjukkan penurunan tekanan statis plenum terhadap variasi kecepatan angin. Secara umum, penam-

bahan jumlah sudu dapat menurunkan tekanan statis plenum.Tetapi, terkadang 3 sudu menghasilkan tekanan negatif yanglebih besar daripada 4 sudu. Hal ini dikarenakan pada kece-

patan angin free stream yang tinggi 3 sudu mampu mengatasi

blockage effect yang diakibatkan turbine ventilator .

Gambar 3. Tekanan statis plenum terhadap variasikecepatan angin

Gambar 4 menunjukkan penurunan tekanan dinamik

plenum terhadap variasi kecepatan angin. Pada umumnya,

peningkatan jumlah sudu dapat meningkatkan tekanandinamik. Tetapi, pada kecepatan angin 5-6 m/s, penggunaan6 sudu menghasilkan kenaikan tekanan dinamik yang lebih besar dari pada 8 sudu.

Hasil pengukuran beda tekanan antara tekanan statiscerobong dengan tekanan statis plenum ditunjukkan pada

Gambar 5. Gambar tersebut menunjukkan penambahan jumlah sudu mengakibatkan kenaikan beda tekanan. Tetapi, pada kecepatan 5,5- n 3 sudu lebih

besar daripada 4 sudu. Pada kecepatan tersebut, 6 sudu

Penyetingan

Ruang Uji

Pengesetan AlatUkur Eksperimen

Pengesetan AlatUkur Eksperimen

MenentukanJumlah Sudu

Menentukan

Kecepatan AnginFreestream

Pengukuran

Tekanan TotalPlenum

Pengukuran

Tekanan StatikPlenum

Pengukuran

Tekanan StatikCerobong

Menyalakan Blower

Mematikan Blower

Selesai

Menambah

Jumlah Sudu

Meningkatkan

Kecepatan Angin FreeStream

Loop 1

Loop 2


3/4



K-10

dikarenakan, pada kecepatan angin free stream yang tinggi

blockage effect ditimbulkan oleh aliran angin ventilasi inner fan lebih banyak dari pada dari pada kecepatan angin free

stream kecil. Masuknya tambahan angin free stream ke-dalam ruang plenum menjadikan beda tekanan antara

plenum dengan cerobong menjadi sedikit.

Gambar 4. Tekanan dinamik plenum terhadap variasikecepatan angin

Gambar 5. Delta tekanan statis plenum dan cerobong terha-

dap variasi kecepatan angin

Hasil pengukuran debit dapat dilihat pada Gambar 6.Gambar tersebut menunjukkan debit meningkat seiring

kenaikan kecepatan angin. Berdasarkan gambar tersebut, pada kecepatan angin 4,5 m/s, debit terbesar terjadi pada

inner fan bersudu 8 sedangkan debit terkecil terjadi padainner fan bersudu 3. Akan tetapi, pada kecepatan angin > 5

m/s, debit terbesar terjadi pada inner fan bersudu 6.

Gambar 6. Debit aliran ventilasi terhadap variasi kecepatan

angin dan regulasi ventilasi

Berdasarkan regulasi tentang batas terendah debit ven-tilasi untuk kamar mandi yang telah dikeluarkan beberapa

lembaga, penggunaan inner fan telah memenuhi kriteria batas minimum debit ventilasi seperti yang terlihat padaGambar 6. Perhitungan nilai batas tersebut menggunakanasumsi ukuran dan penggunaan kamar mandi dan yang telah

dipaparkan Lai [5]. Gambar 7 menunjukkan penggunaaninner fan memberikan peningkatan debit ventilasi yangsignifikan. Pada range kecepatan angin sama, penggunaan

inner fan meningkatkan debit ventilasi hampir 4 kali lebih besar jika dibandingkan turbin ventilator yang telah diteliti

oleh Khana dkk [5].

Gambar 7. Perbandingan debit ventilasi dengan penelitian

Khana dkk [5]

Penggunaan inner fan dapat menghasilkan debit ventilasiyang lebih besar dari pada tanpa menggunakan inner fan

pada kecepatan angin rendah. Gambar 8 menunjukkan penggunaan inner fan 3 sudu pada kecepatan angin rendah

dapat menghasilkan debit aliran lebih besar dibandingkanturbine ventilator pada tanpa menggunakan inner fan padakecepatan angin tinggi.

Gambar 8. Perbandingan debit ventilasi penelitian saat ini

dengan penelitian Lai [6]

Berdasarkan Gambar 3-8, terjadi peningkatan volumetric flow rate hampir pada setiap penambahan jumlah sudu. Hal

ini dikarenakan terjadi peningkatan gaya angkat pada suduinner fan secara keseluruhan. Hal ini dikarenakan penamba-

han jumlah sudu dapat menurunkan tekanan dan peningkat-kan kecepatan yang berujung pada peningkatan volumetric flow rate ventilasi. Tetapi penambahan jumlah sudu perlu

dilakukan dengan hati-hati, Ahmed dkk [1] dan Eftekharidkk [3] menyatakan penambahan jumlah sudu dapatmemajukan titik separasi pada sudu yang dapat berakibat

pada sudu mengalamistall.


4/4



K-11

4. KESIMPULAN

Empat variasi jumlah sudu inner fan telah ditesmenggunakan alat uji dan variasi kecepatan free strem yangtelah ditentukan sebelumnya. Pada kecepatan angin freestream yang sama, penggunaan inner fan dapat mening-

katkan volumetric flow rate hampir empat kali dibandingkantanpa inner fan. Sedangkan, pada kecepatan angin freestream rendah, pemodifikasian jumlah inner fan dapat

meningkatkan volumetric flow rate hampir dua kali jikadibandingkan penggunaan inner fan pada kecepatan angin

free stream tinggi.Secara umum, penambahan jumlah sudu dapat mening-

katkan volumetric flow rate ventilasi. Dibandingkan volu-metric flow rate rata-rata jumlah sudu 3, jumlah sudu 4menghasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.073kali, jumlah sudu 6 menghasilkan volumetric flow rate

rata-rata lebih besar 1.136 kali dan jumlah sudu 8 meng-hasilkan volumetric flow rate rata-rata lebih besar 1.148 kali.

Sedikitnya penelitian yang meneliti pengaruh penggunaaninner fan terhadap volumetric flow rate ventilasi turbine

ventilator menjadi kendala dalam penelitian ini. Selain itu, penelitian selanjutnya perlu mengkasi fenomena separasi

aliran pada sudu-sudu inner fan perlu diamati secara detailagar dapat memberikan gambaran mendetail fenomena

wake, stall dan blockage effect dalam penggunaan peng-

gunaan inner fan pada turbine ventilator .

4. DAFTAR PUSTAKA

[1]

Ahmed, N., B.S. Yilbas dan M.O. Budair,

ofComputer Method in Applied Mechanics and

Engineering, 1998, hal. 17 32.[2] Awbi, Hazim B, Renewable and Sustainable Energy

Reviews 2 , Pergamon, Bab 7, 1998, hal. 157 188.[3]

Eftekhari, Reza, Reza Taghavi, Ghodrat Ghassabi,

Payam Hooshmand dan Farhud Shirinzadeh,

incidence effects on aerodynamic performance of axial

compressor suduScientific Research, TextRoad, 2012, hal. 1169 1179.

[4] Hansen, Martin O. L.,Aerodynamics of Wind Turbines,Second Edition, Earthscan, UK, 2008.

[5]

Khana, Naghman, Yuehong Su, Saffa B. Riffat dan

Colin Biggs, Performance testing and comparison ofturbine ventilators , Journal of Renewable Energy, Vol.33, 2008, hal. 2441 2447.

[6]

Lai, Chi-efficiency of turbine ventilators used for building and

Vol. 35, 2003, hal. 927 932.[7] Sheldahl, Robert E. dan Paul C. Klimas , 1981,

Aerodynamics charactheristics of seven symmetrical

airfoil section through 180-degree angle of attack foruse in aerodynamics analysis of vertical axis windturbines, Technical report, Sandia National Labora-

tories.[8]

solar energy as power sources for a hybrid ventilation

hal. 1392 1397.

studi eksperimental pengaruh jumlah sudu inner fan terhadap peningkatan volumetric flow rate...

Documents