Sistem Ventilasi Kamar Mesin

Beban pendinginan konveksi kamar mesin lokomotif: Kondisi udara suplai ventilasi:

Asumsi:

Aliran dianggap incompressible (perubahan densitas yang terjadi hanya sebesar 0.0354998 kg/m3)

Sifat-sifat udara konstan

Laju massa udara yang dibutuhkan dapat diperkirakan dengan menggunakan persamaan:

dQdT

= m cp =ρAV cp

(1)

Dimana:

dQ = energi yang diserap per satuan waktu m = massa udara per satuan waktu =ρAV=ρq cp = konstan kebutuhan energi per satuan massa untuk kenaikan temperatur sebesar 1 K

Untuk aliran udara inkompresibel densitas akan konstan, sehingga didapat laju aliran volumetrik (AV). Setelah didapat laju volumetrik udara yang dibutuhkan, langkah selanjutnya menentukan daya mekanik fan yang dibutuhkan untuk mengakomodir laju volume tersebut. Untuk mendapatkan daya mekanik fan (Air Horse Power) dapat digunakan persamaan:

AHP=γQ Hfan =d Pfan Q (2)

Persamaan di atas untuk menghitung energi yang diterima fluida (dalam hal ini udara) untuk menaikkan head atau tekanan fluida tersebut. Dengan H adalah head fan dan dPfan adalah beda tekanan antara inlet dan outlet fan. Q (laju volumetrik) yang digunakan adalah Q yang dibutuhkan untuk mendinginkan kamar mesin (sudah dicari sebelumnya). Persamaan energi di bawah dapat digunakan untuk mencari kapasitas beda tekanan antara inlet dan outlet kipas.

P1 +12

ρ ν12+ρg z1+d Pfan = P2 +

12

ρ ν22 +ρg z2(3)

transmisi 72000 W

Engine141774.9

4 WGenerator 90600 W

safety 10 %30437.49

4 WHc (total) 334812.4

34 W

T lingkungan 20-35 °C

ρ udara 1.1 Kg/m3

Cp udara 1020 j/kg K

Tr 40 °C

Untuk intake fan v1=v2=0, karena udara ditarik dari luar dan didorong ke ruangan yang relatif jauh lebih besar dari luas penampang fan. Asumsi ini diambil jika intake fan tidak menggunakan duct. P1=0 Pa(gage), z1=z2 sehingga saling menghilangkan.

Perhitungan dan Grafik

Dengan menggunakan persamaan (1) dan kondisi udara di atas. Untuk temperatur kamar mesin maksimum 45°C, data disajikan dalai table dan grafik.

Kapasitas fan dihitung dengan sedikit modifikasi persamaan (3).

P1 +12

ρ ν12+ρg z1=P2 +

12

ρ ν22+ρg z2 (3a)

Dengan P2 - P1=100 Pa (pressure drop maksimum yang diperbolehkan),

v1=0 , z1=z2. Didapatv2=13.484 ms

Kecepatan yang didapat di atas adalah kecepatan maksimum yang diperbolehkan agar rugi tekanan tidak melebihi 100 Pa. Dengan rumus

kontinuitas didapat luas penampang aliran minimum agar kecepatan tidak melebihi angka

13.484 ms

A=Qv

Dengan Q=6 0.1175 m3

s dan v=13.484

ms

, didapat luas penampang aliran A=4.45844 m2.

Luas tersebut merupakan luas penampang aliran. Sedangkan luas penampang aliran fluida pada grille selalu lebih kecil dari luas penampang geometri grille tersebut. Faktor yang mempengaruhi

15 20 25 30 35 409

19

29

39

49

59

69

Tr 40 C

Ti

q

Ti(°C) q (m3/s)20 15.0294121 15.8204322 16.6993523 17.6816624 18.7867625 20.0392226 21.4705927 23.1221728 25.0490229 27.326230 30.0588231 33.3986932 37.5735333 42.9411834 50.0980435 60.11765

antara lain: perubahan luas penampang, belokan, kekasaran permukaan. Agar grille dan inlet filter tidak memiliki tahanan aliran yang besar, sebaiknya luas penampang tidak mengecil, belokkan dikurangi/dihilangkan, belokkan yang ada dibuat dengan radius besar, kekasaran permukaan material grille diusahakan serendah mungkin. Untuk analisis lebih lanjut, harus ditentukan terlebih dahulu bentuk grille yang akan digunakan. Grafik karakteristik sistem di bawah belum mempertimbangkan adanya tahanan filter udara pada inlet.

Berikut adalah grafik karakteristik sistem dengan luas penampang aliran inlet sebesar

4.45844 m2

0 20 40 60 80 100 1200

50

100

150

200

250

300

Debit [m3/s]

Pres

sure

Dro

p [P

a]

Berikut adalah grafik hubungan antara debit dengan rugi tekanan pada grille

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

rugi tekanan per 1 m panjang grill VS debit

grill kisigrill 1/4 circle

debit [m3/s]

pres

sure

dro

p [P

a]

Grafik di atas mendeskripsikan rugi tekanan untuk setiap lubang grille dengan debit tertentu, dengan arah aliran dari luar ke dalai. Sebagai contoh pemilihan ukuran, misal debit yang

dibutuhkan 60m3

s dan rugi tekanan yang diinginkan tidak lebih dari 100 Pa. Terlihat pada grafik

untuk pressure drop 100 Pa bekerja pada debit sekitar 0.254 m3

s untuk grille tipe kisi. Angka ini

merupakan debit tiap lubang, maka untuk mendapatkan 60m3

s dibutuhkan sekitar 236 lubang.

Dengan luas setiap lubang 0.02 m2 maka dibutuhkan luas 4.72 m2. Sedangkan untuk grille tipe

seperempat lingkaran dengan rugi tekanan 100 Pa debit tiap lubang 0.141245m3

s dengan luas

tiap lubang 0.017 m2 maka dibutuhkan luas sebesar 7.3 m2

Rangkuman

gambar 1 grill setengah gambar 2 grill kisi

Total beban pendinginan : 334812.434 W

Laju volumetrik udara pendingin : 60 m3/s

Kapasitas fan ekshaust (keseluruhan) : 60 m3/s

Luas penampang aliran inlet : 4.426m2

Luas penampang lubang grille (dua sisi) : 4.72 m2 (grille kisi)

7.3 m2 (grille seperempat lingkaran)

Asumsi-asumsi :

Aliran inkompresibel Temperatur kamar mesin maksimum 40 °C Temperatur udara luar 35 °C Temperatur pemukaan motor diesel maksimum 200 °C Beban pendinginan transmisi 50% dari beban pendinginan motor diesel Radiasi dan konduksi belum dipertimbangkan (selain engine) Rugi tekanan pada grille sebesar 100 Pa

Analisis numerik menggunakan perangkat lunak Fluent 6.2.16

Pemodelan dengan Fluent menggunakan asumsi-asumsi berikut:

Komponen-komponen penghasil panas berbentuk kubus dan mengeluarkan fluks panas yang merata di seluruh permukaannya

Udara sebagai gas ideal Fluida kompresibel Setiap komponen didefinisikan sebagai baja Temperatur udara luar 35 C, tekanan 1 atm Radiasi diabaikan

Fungsi kontrol:

Solver pressure-based segregated Model viscous menggunakan K-epsilon Persamaan energi Fungsi viscous heating diaktifkan Tekanan operasi 101325 Pa Gravitasi -9.8 m/s2 arah sumbu Y

Dari pemodelan oleh perangkat lunak fluent didapat hasil berikut:

Temperatur maksimum ruangan sebesar, terletak pada daerah genset yang berseberangan dengan partisi ruang kabin

Hasil iterasi yang dilakukan telah memenuhi syarat, yaitu residual hasil perhitungan tidak melebihi setengah persen dari jumlah komponen terkecil. Berlaku untuk laju aliran massa dan laju aliran panas