General Principles of Industrial Ventilation PRINSIP UMUM General Principles of Industrial Ventilation Ir. MUH. ARIF LATAR, MSc ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING/ M.ARIEF LATAR

Modul-2, General Principles of Industrial Ventilation 11/11/2018 Defenisi Dasar Prinsip Kerja Aliran Udara/Air Flow Percepatan Udara dan Kehilangan pada Tudung/Hood Kehilangan pada pipa/Duct Losses Kehilangan pada Fitting/Fitting Losses ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

2. I. DEFENISI DASAR ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L 11/11/2018 2. I. DEFENISI DASAR ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

ρ = m / v ------------- (2.1) 2.1.1. DENSITAS/RAPAT MASSA (ρ) Densitas/Rapat Massa didefenisikan dalam satuan massa per satuan volum Rapat massa dilambangkan dalam huruf Yunani ρ (rho) ρ = m / v ------------- (2.1) ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L dimana ; ρ = massa jenis, m = massa, v = volume.

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L definisi EPA (Environmental Protection Agency) kondisi standar tekanan (14,7 psia) ------pada temperatur (70 0F = ρ Standar = 0,075 lbm/ft3) ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Gambar,3.1

p = ρ RT ............. (2.2) Untuk menghitung besarnya tekanan absulut dimana ; p = tekanan absulut , lb/ft ρ = densitas/rapat massa, lbm/ft R= Konstate gas = 53,35 ft- lb/lbm T = temperatur absolut dalam derajat Renkine (=R)----- 0R = 0F + 459,7 ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

ρ = ρ Satandar TStd = 0,075 530 ..........(2.2) T T Pada : t dan p, konstan, maka ρ = densitas dalam udara sebagai berikut :  ρ = ρ Satandar TStd = 0,075 530 ..........(2.2) T T Contoh ; untuk menghitung densitas ρ, dengan T= 250 0F ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L ρ = 0,075 530 = 0,056 lbf/ft3 459,7 + 250 Catatan; ------------- 0R = 0F + 459,7

    2.1.2. PRINSIP DESAIN   Aliran udara dihitung sebagai sistem luas penampang, dan kecepatan udara. ini dinyatakan sbb : Q = V.A ........ 2.3 ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L dimana ; Q = volumemetrik flow rate, cfm --- atau aliran udara di cfm (kaki kubik per menit) V = Anerage velocity, fpm ---atau kecepatan linier di kaki per menit A = Cross-sectional area, ft2,--- atau luas penampang (duct, hood, dll) sistem di kaki persegi

Contoh Luas penampang pipa sebesar 2.75 ft2. Kecepatan aliran udara dalam pipa sebesar 3600 fpm. Berapa besarnya aliran udara ? DIKETAHUI A = 2.75 sq. ft. V = 3600 fpm Besarnya Aliran Udara Hitung, Q = 3600 * 2.75 = 9900 cfm ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Q = V.A

VP = P 𝑉 1096 2 ------------- (2.4)  V------f(x) VP. -------- diberi aliran udara Kecepatan dinyatakan sebagai fungsi dari kecepatan tekanan, yang selalu diberikan dalam arah aliran udara. Untuk sistem saluran terkontaminasi udara pada suhu kamar dan tekanan atmosfer, hubungan ini adalah: V = 1096 . 𝑉𝑃 𝑃 , atau , VP = P 𝑉 1096 2 ------------- (2.4) ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L  dimana : V = kecepatan,/velocity, fpm VP = kecepatan tekanan /velocity pressure, “wg

Takanan statik/Static pressure (SP) Kecepatan tekanan/Velocity pressure (VP), adalah tekanan kinetik (akibat dari gerakan) dalam arah aliran yang diperlukan untuk menyebabkan aliran udara dengan kecepatan tertentu, dengan satuan inches of water gage (“wg) atau . dalam inci air ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Takanan statik/Static pressure (SP) adalah perbedaan tekanan dalam pipa dan tekanan dalam atmosfir dengan satuan inches of water gage (“wg), atau dalam inci air

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L u/ densitas standar; ρ Standar = 0,075 lbm/ft3, ------- kecepatan udara sbb : V = 4005 . VP , Atau VP = 𝑉 4005 2 ------------- (2.5) ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L 3.1.3. Konsep Dasar Tekanan Tujuan  Mengkonversi dari satu skala tekanan untuk tekanan yang lain   ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Gbr,2.3- Laju aliran volumetrik Aliran udara disebabkan oleh perbedaan tekanan antara dua titik. Arus akan berasal dari daerah energi tinggi, atau tekanan (P1), dan ke area (A) dari energi yang lebih rendah atau tekanan (Pn), gbr - 2.3. Saluran udara bergerak menurut, tiga hukum dasar fisika yaitu ; konservasi massa, konservasi energi, dan konservasi momentum.

Gambar, -2.4 semacan tabung-tabung prcobaan (U-Tube, alat untuk mengukur kelajuan gas dalam pipa dari tabung gas ), yaitu ujungnya terbuka menghadap ke sebelah hulu aliran udara, dan diujung terbuka menghadap ke sebelah udik aliran Di ujung terbuka ini terbentuk sebuah titik stagnasi, dimana tekanan negative, yaitu kurang dari atmosfir. ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Gambar, 2.4- tabung prcobaan (pipa pitot = U),

Gambar, -2.5 semacan tabung-tabung prcobaan (U-Tube), yaitu yang ujungnya terbuka menghadap ke sebelah hulu aliran udara, dan diujung terbuka ini terbentuk sebuah titik stragnasi, dimana tekanan positiv, yaitu tekanan lebih besar dari atmosfir. ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Gambar, 2.5- tabung prcobaan (pipa pitot = U),

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Salah satu sensor pitot adalah menunjuk ke arah aliran gas (Point 1) sehingga dapat mengukur tekanan statis dan tekanan gabungan kecepatan. Sensor lain dari tabung pitot (Point 2) mengukur tekanan statis dari aliran gas bergerak. Dengan menghubungkan dua sensor bersama-sama, tekanan kecepatan diukur seperti ditunjukkan pada persamaan ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L VP = TP - SP. Gbr,2.6- Tipe Pitet Tube pada gambar, 2.6 , adalah mengukur tekanan kecepatan pada aliran udara/ducting atau stack.

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Tekanan Kecepatan/Velocity pressure (VP) Tekanan kecepatan /Velocity pressure (VP), adalah tekanan kinetik (akibat dari gerakan) dalam arah aliran yang diperlukan untuk menyebabkan aliran udara dengan kecepatan tertentu, dengan satuan inches of water gage (“wg) atau . dalam inci air ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING/ M.ARIEF LATAR Gambar, 2.7- Tekanan Kecepatan (VP)

Tekanan Statik/Static pressure (SP) 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. ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Gambar, 2.8- Tekanan Statik (SP)

Tekanan Total/Total pressure (TP) Jumlah dari tekanan kecepatan dan tekanan statis udara dalam sebuah saluran. ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Gambar, 2.8- Tekanan Total (TP)

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Gambar, -2.9, memperlihatkan proses aliran udara Tekanan Kecepatan(VP) Tekanan Statik (SP),. Tekanan Total (TP), yang mana telah dijelaskan pada gambar 2.6 sampai dengan gambar 2.8 . ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Gambar, 2.9 SP,VP dan TP

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Dari keteragan keterangan diatas Tekanan Total (TP) didefenisikan secara aljabar dengan penjumlahan tekanan statik dan tekanan kecepatan, adalah sebgai berikut :   TP = SP + VP ......................2.6 ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L dimana TP = tekanan total sistem, dalam inci air (“wg) SP = tekanan statik sistem, dalam inci air (“wg) VP = kecepatan tekanan, dalam inci air (“wg)

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Tekanan Statik / Static pressure (SP) – Tekanan potensial diberikan oleh udara diam. . Dengan kata lain, itu adalah perbedaan antara tekanan dalam pipa dan tekakan dalam atmosfir. Tekanan Total/Total pressure (TP) - Jumlah dari tekanan kecepatan dan tekanan statis udara dalam sebuah saluran. Tekanan Kecepatan/Velocity pressure (VP) - Tekanan kinetik (akibat dari gerakan) dalam arah aliran yang diperlukan untuk menyebabkan aliran udara dengan kecepatan tertentu.   ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

diisap ditekan ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Pada gambar 2.2, SP dan TP negative (diisap/suctioan side), dengan penambahan tekanan aliran fan, SP dan TP positif (ditekan/pressure side). Maka dapat diamsusikan bila ditekan SP dan TP positif, dan bila diisap SP dan TP negative . diisap ditekan ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

2.2. PRINSIP KERJA ALIRAN UDARA (AIR FLOW) ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

Konservasi massa (persamaan kontinutas) Ada dua prinsip dasar aliran udara dalam sistem ventilasi, yaitu Konservasi massa (persamaan kontinutas) Konservasi energy (persamaan energi) Energi kinetis atau energi gerak (juga disebut energi kinetik) adalah energi yang dimiliki oleh sebuah benda karena gerakannya. Energi kinetis sebuah benda didefinisikan sebagai usaha yang dibutuhkan untuk menggerakkan sebuah benda dengan massa tertentu dari keadaan diam hingga mencapai kecepatan tertentu. ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

2.2.1. Konservasi Massa Tingkat massa dari aliran udara tetap konstant sepanjang jalur yang dialiri cairan (asumsi ; tidak ada kebocoran sepanjang pipa). Pembuluh aliran/tube of flow, sifatnya homogen dan kecapatan dalam pembuluh adalah sama, 50 fpm (ttk-1 gbr-2.3) Untuk menghitung volume dari aliran udara Q, pada gambar, 2.3 ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

Q1 = Q2 V1.A1 = V2.A2 ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L dimana : Gambar, 2.3 volumemetric flow rates in various situations (a) Flow through a hood (b) Flow through a branch entry. ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Q1 = Q2 V1.A1 = V2.A2   dimana : Q - adalah tingkat volume dari aliran udara V - adalah kecepatan udara A adalah area cros sectional

2.2.2. Konservasi Energi Konservasi energi dapat merujuk kepada, i. Hukum kekekalan energi atau hukum konservasi energi ii. Penghematan energi Hukum Kekekalan Energi (Hukum I Termodinamika) berbunyi: "Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain tapi tidak bisa diciptakan ataupun dimusnahkan (konversi energi)".

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L SP1 + VP1 = SP2 + VP2 + hL .......2.7 TP1 = TP2 + hL Dimana :  Titik -1 - upstream point Titik -2 - downstream point hL - kerugian energi, karena gesekan, tahanan, dll. ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L 2.3. PERCEPATAN UDARA DAN KEHILANGAN PADA TUDUNG (ACCELERATION OF AIR AND HOOD ENTRY LOSSES) Aplikasi seperti dicontohkan pada gambar, 2.4 . Hood/tudung aliran udara sebesar 300 cfm, dan diameternya sebesar 3,5 inch (A= 0,0668 ft2 area) ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Contoh perhitungan Volume flowrate/aliran udara ---- Q = 300 cfm Duct diameter------------------------- D = 3,5 inc Duct Area ---------------------------- A = 𝜋 4 . 𝐷 2 Duct Velocity ------------------------- V = …..? A = 3,14(3,5)2 = 0,668 ft2 4 12 ---- 1ft = 12 inci ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Q = V.A,----- V = Q/A V = 300 /0,0668 = 4490 fpm

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Pada Gbr, 2.4 memperlihatkan aliran udara dalam ruang titik -1 ke titik 2 , yaitu dari hood --- duct , maka kecepatan pada duct velocity sebesar 4490 fpm Bila tekanan kecepatan (VP) = 1,26 “wg ---- (standar udara), TP = SP + VP SP1 + VP1 = SP2 + VP2 ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L TP = tekanan total sistem, dalam inci air (“wg) SP = tekanan statik sistem, dalam inci air (“wg) VP = tekanan kecepatan, dalam inci air (“wg) Gbr,2.4, pada titik – 1; SP1 = 0, dan VP1 = 0 ,maka Pada titik -2; SP2 = - VP2 = - 1,26 “wg

SP2 = - VP2 = - 1,26 “wg Pada titik – 1---- SP1 = 0, VP1 = 0 Gambar, 2.4 Variation of SP, VP and TP through a Ventilation Siystem ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING/ M.ARIEF LATAR

Entri losses (Hc), dan losses koefisien (Fh), maka tekanan kecepatan dalam pipa /Duct velocity pressure (VP), maka . Hc = Fh .VP Prinsip hukum kekekalan energi atau hukum konservasi energy, dapat dihitung persamaan 2.8, SP2 = - (VP2 + Hc )............... ..2.8 Untuk menghitung pada Hood Static Pressure (SPh) --- SP2 = SPh SPh = - SP2 = VP2 + hc ......... .2.9

SPh = - SP2 = VP2 + hc = 1,26 + (0,40)(1,26) = 1,26 + 0,50 = 1,76 “wg Contoh pada gambar, -2.4 yang diasumsikan---------- entry losses koefisien (hc) = 0,40 SPh = - SP2 = VP2 + hc = 1,26 + (0,40)(1,26) = 1,26 + 0,50 = 1,76 “wg diameter 3,5 inch (A = 0,0668 ft2 area),dan Ce = 0,845 Q = 4005 A.Ce √𝑆𝑃ℎ = 4004 (0,0668)(0,845) 1,76 = 300 cfm

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING/ M.ARIEF LATAR TP2 = - hc, hood entry koefisien (Ce), defenisikan akar dari perbandingan antara duc velocity pressure dengan hood atatis suction, atau ; Ce = 𝑉𝑃 SPh ---------- 3.10 Bila -------- SPh = VP, dan Ce = 1,00   ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING/ M.ARIEF LATAR Ce = 𝑉𝑃 SPh = 1.26 1.76 = 0,845

hood entry koefisien (Ce), pada Hood Static Pressure ;   Q = V.A = 1096.A. 𝑉𝑃 − 𝜌 = 1096 A Ce 𝑆𝑃ℎ − 𝜌 ...... 2.11 Standar   Q = 4005 A.Ce √𝑆𝑃ℎ ............ 2.12

Q = 4005 A.Ce √𝑆𝑃ℎ = 4005 (0,0668)(0,845) 1,76 = 300 cfm Hitungan : Contoh, gbr, 2.4, diameternya sebesar 3,5 inch (A = 0,0668 ft2),dan Ce = 0,845 Hitungan : Q = 4005 A.Ce √𝑆𝑃ℎ = 4005 (0,0668)(0,845) 1,76 = 300 cfm

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING/ M.ARIEF LATAR Lanjutan ------------- 2.4. KEHILANGAN PADA SISTEM SALURAN UDARA/DUCT LOSSES ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING/ M.ARIEF LATAR

ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L Terima Kasih ETAPRIMA SAFETY ENGINEERING, M.ARIEFF.L