UJI PERFORMANSI TURBIN VORTEX MENGGUNAKAN
VARIASI DIMENSI SUDU 1 & 3 DAN LUAS SALURAN
BUANG SERTA KETINGGIAN DARI DASAR CASING
TERHADAP PRESTASI TURBIN VORTEX
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
SAUDARA VERY NANDO SIHOMBING
NIM. 080401094
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
ABSTRAK
Turbin vortex adalah turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai penggerak sudu turbin dengan head yang rendah dan bisa digunakan pada aliran sungai. Pada penelitian ini digunakan 3 dimensi sudu yang berbeda dengan bentuk casing lingkaran dan memiliki 3 variasi saluran buang. Penelitian ini dilakukan dengan memanfaatkan pompa sebagai sirkulator air dan menggunakan talang sebagai saluran masuk rumah turbin. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudu dengan ukuran ke-2 memiliki efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan ukuran sudu yang lainnya dengan diameter saluran buang 7cm.
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa atas berkat
dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “UJI PERFORMANSI TURBIN VORTEX DENGAN PENGARUH
VARIASI DIMENSI SUDU DAN ANALISA PERBANDINGAN
MENGGUNAKAN VARIASI SALURAN BUANG”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan
stara-1 (S1) pada Departement Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi
penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan dari berbagai pihak
akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati
penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku dosen pembimbing, yang
dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi
kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departement
Teknik Mesin Universitas Sumatra Utara.
3. Bapak Ir. A. Halim Nasution, MSc selaku dosen pembanding I dan
Bapak Tulus B. Sitorus, ST.MT selaku dosen pembanding II yang
memberi masukan kepada penulis.
4. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departement Teknik Mesin
yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan
5. Kedua orangtua penulis, P. Sihombing dan U. Butar-butar yang sangat
berjasa, yang memberikan kasih sayang yang tak terhingga dan doa
kepada penulis.
6. Saudara kandung penulis Jenny Riana Sihombing, Adventina
Sihombing dan Leonard Sihombing yang selalu memberikan
dukungan.
7. Rekan seperjuangan Ferdy J. Marpaung, Irham Raft Seguin, Faisal
Hajj yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.
8. Teman-teman dari Tim HORAS, Tim PELTON, Tim NACA, Tim
Hidram, Inkubator Team, Solar Dryer Team, dan M60 Group yang
turut membantu dan mendukung untuk menyelesaikan skripsi ini.
9. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2008 yang tidak mungkin disebutkan
satu-persatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah
mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa mungkin ada beberapa kesalahan dan kekeliruan
dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih
dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun untuk
memperbaiki skripsi ini untuk kepentingan ilmu pengetahuan.Semoga tulisan ini
dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata Penulis mengucapkan
banyak terima kasih.
Medan, September 2013
DAFTAR ISI
ASBSTRAK ...i
KATA PENGANTAR ...ii
DAFTAR ISI ...iv
DAFTAR TABEL ...vii
DAFTAR GAMBAR ...ix
DAFTAR SIMBOL ...xiii
AKSARA YUNANI ...xiv
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1. Latar Belakang ...1
1.2. Tujuan Penelitian ...2
1.3. Manfaat Penelitian ...3
1.4. Batasan Masalah ...3
1.5. Metodologi Penelitian ...3
1.6. Sistematika Penulisan ...4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...6
2.1. Fluida ...6
2.2. Klasifikasi Fluida ...7
2.2.1. Fluida Statis dan Fluida Dinamis ...8
2.2.3. Aliran Seperated dan Unseperated ...10
2.2.4. Aliran Laminar dan Aliran Turbulen ...12
2.2.5. Aliran Vortex ...13
2.3. Turbin Air ...17
2.4. Klasifikasi Turbin Air ...20
2.4.1. Turbin Impuls ...22
2.4.2. Turbin Reaksi ...24
2.4.3. Perbandingan Karakteristik Turbin Air ...27
2.4.4. Performansi dan Efisiensi Turbin ...29
BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN ...31
3.1. Umum ...31
3.2. Rancang Bangun Instalasi...32
3.3. Pengujian Turbin Vortex ...37
3.4. Peralatan Pengujian ...38
3.4.1. Hand Tachometer ...38
3.4.2. Timbangan Pegas ...38
3.4.3. Pulley ...39
3.4.4. Gelas Ukur ...40
3.4.5. Flow Meter ...40
3.4.6. Pompa Pengumpan ...41
3.5. Pelaksanaan Pengujian ...42
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA ...46
4.1. Perhitungan efisiensi turbin vortex pada luas saluran buang 5,5 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan menggunakan 4 sudu ...46
4.1.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30° ...47
4.1.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60° ...48
4.1.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90° ...49
4.2. Perhitungan efisiensi turbin vortex pada luas saluran buang 6 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan menggunakan 4 sudu ...51
IV.2.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30°...51
IV.2.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60°...56
IV.2.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90°...60
IV.3. Perhitungan efisiensi turbin vortex pada luas saluran buang 7 cm (bukaan katup 30°, 60°, dan 90°) dengan menggunakan 4 sudu...64
IV.3.1. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 30°...64
IV.3.2. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 60°...67
IV.3.3. Efisiensi turbin vortex bukaan katup 90°...71
IV.4. Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan saluran buang 5,5 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90°...75
IV.4.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...75
IV.4.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...76
IV.4.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...77
saluran buang 6 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90°...78
IV.5.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...78
IV.5.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...79
IV.5.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...80
IV.6. Grafik perbandingan hasil pengujian turbin vortex menggunakan saluran buang 7 cm pada bukaan katup 30°, 60° dan 90°...81
IV.6.1. Perbandingan efisiensi turbin dengan torsi...81
IV.6.2. Perbandingan putaran turbin dengan torsi...82
IV.6.3. Perbandingan putaran dengan daya turbin...83
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...84
V.1. Kesimpulan...84
V.2. Saran...85
DAFTAR PUSTAKA
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Saat ini penggunaan energi yang paling banyak digunakan di dunia adalah
sumber energi fosil. Penggunaan energi tersebut secara terus menerus yang
mengarah pada krisis energi membuat banyak orang untuk mencari sumber energi
alternatif. Salah satu sumber energi yang saat ini sedang banyak dilakukan
penelitian adalah arus air. Alih fungsi turbin angin menjadi turbin air perlu
dilakukan studi lebih lanjut tentangnya. Massa jenis air yang hampir 1000 kali
lipat massa jenis udara menyebabkan gaya dan torsi yang mempengaruhi turbin
semakin besar.
Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam
memanfaatkan sumber energi terbarukan. Namun pemanfaatan yang ada masih
menggunakan teknologi yang sedehana. Pembangkit Listrik jenis ini dalam proses
pembuatannya sangat ekonomis namun masih dalam skala kecil. Artinya
pembangkit-pembangkit ini hanya mampu mencukupi pemakaian energi listrik
untuk sejumlah rumah saja. Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Air ini sering disebut
Microhydro atau sering juga disebut Picohydro tergantung keluaran daya listrik yang dihasilkan.
Microhydro ataupun Picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun dengan head jatuh yang besar. Sedangkan untuk aliran sungai dengan
referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran
vortex.
Seorang Peneliti dari Jerman Viktor Schauberger mengembangkan
teknologi aliran vortex (pusaran) untuk diterapkan pada pemodelan turbin air. Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan
mendadak. Fenomena aliran vortex sering kali dijumpai pada pemodelan sayap pesawat, aliran vortex cendrung dianggap sebagai suatu kerugian dalam suatu aliran fluida. Dalam penelitiannya Viktor Schauberger, memanfaatkan aliran
irigasi yang kemudian diubah menjadi aliran vortex (pusaran), yang kemudian dimanfaatkan untuk menggerakkan sudu turbin. Dari penelitian ini didapatkan
efisiensi sebesar 75 % dengan tinggi air jatuh 0,6 m. Namun pada penelitiannya
Viktor Schauberger tidak menjelaskan pengaruh tinggi sudu turbin. Bertolak dari
kondisi tersebut di atas maka penyusun melakukan penelitian untuk
melihatpengaruh tinggi sudu turbin terhadap performansi turbin.
I.2. Tujuan Penelitian
Tujuan dari pelaksanaan dan penulisan laporan ini adalah untuk
mengetahui pengaruh luas saluran buang dan jarak sudu dari dasar
casingterhadap:
1. Torsi dan putaran poros maksimum yang dihasilkan turbin.
2. Daya optimal turbin yang dihasilkan.
I.3. Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah menambah pengetahuan bahwa
aliran sungai pun dapat dimanfaatkan menjadi energi listrik secara optimal.
I.4. Batasan Masalah
Dalam penulisan laporan tugas akhir ini ada beberapa batasan masalah yang
diberikan agar penelitian ini lebih terarah, yaitu:
1. Pengamatan kinerja turbin dianalisa terhadap aliran vortex.
2. Tipe sudu yang digunakan adalah lengkung.
3. Diameter dan lebar turbin.
4. Jumlah sudu yang digunakan adalah 4
5. Tinggi sudu turbin adalah 78,3cm.
I.5. Metodologi Penelitian
Adapun metode pengumpulan data dalam skripsi ini adalah sebagai
berikut:
1) Pengujian
Penulis melakukan pengujian langsung pada turbin air vortex untuk memperoleh data yang akan diolah.
a) Membaca dan mempelajari buku-buku literatur untuk dapat
mengetahui dasar teori yang berhubungan dengan permasalahan
yang dibahas.
b) Melakukan diskusi dengan dosen pembimbing dan sesama
mahasiswa.
I.6. Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan
mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam
beberapa bagian, yaitu:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan
masalah yang berisi antara lain :latar belakang, tujuan penelitian, manfaat
penelitian, batasan masalahdan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi tentang dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan
sebagai landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan
tersebut meliputi penjelasan mengenaiFluida, Hukum Bernoulli, Aliran vortex, Turbin air,Klasifikasi Turbin air dan performansi dan efisiensi.
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi tentang beberapa tahapan persiapan sebelum pengujian,
BAB IV : PENGOLAHAN DATA DAN ANALISA DATA
Bab ini berisi tentang pembahasan dari data-data yang diperoleh yakni
analisatorsi turbin, daya turbin dan efisiensi turbin
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil analisa dan saran untuk
penyempurnaan hasil penelitian untuk penelitian berikutnya.
DAFTAR PUSTAKA
ABSTRAK
Turbin vortex adalah turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai penggerak sudu turbin dengan head yang rendah dan bisa digunakan pada aliran sungai. Pada penelitian ini digunakan 3 dimensi sudu yang berbeda dengan bentuk casing lingkaran dan memiliki 3 variasi saluran buang. Penelitian ini dilakukan dengan memanfaatkan pompa sebagai sirkulator air dan menggunakan talang sebagai saluran masuk rumah turbin. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudu dengan ukuran ke-2 memiliki efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan ukuran sudu yang lainnya dengan diameter saluran buang 7cm.
BAB I
PENDAHULUAN
I.1. Latar Belakang
Saat ini penggunaan energi yang paling banyak digunakan di dunia adalah
sumber energi fosil. Penggunaan energi tersebut secara terus menerus yang
mengarah pada krisis energi membuat banyak orang untuk mencari sumber energi
alternatif. Salah satu sumber energi yang saat ini sedang banyak dilakukan
penelitian adalah arus air. Alih fungsi turbin angin menjadi turbin air perlu
dilakukan studi lebih lanjut tentangnya. Massa jenis air yang hampir 1000 kali
lipat massa jenis udara menyebabkan gaya dan torsi yang mempengaruhi turbin
semakin besar.
Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam
memanfaatkan sumber energi terbarukan. Namun pemanfaatan yang ada masih
menggunakan teknologi yang sedehana. Pembangkit Listrik jenis ini dalam proses
pembuatannya sangat ekonomis namun masih dalam skala kecil. Artinya
pembangkit-pembangkit ini hanya mampu mencukupi pemakaian energi listrik
untuk sejumlah rumah saja. Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Air ini sering disebut
Microhydro atau sering juga disebut Picohydro tergantung keluaran daya listrik yang dihasilkan.
Microhydro ataupun Picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun dengan head jatuh yang besar. Sedangkan untuk aliran sungai dengan
referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran
vortex.
Seorang Peneliti dari Jerman Viktor Schauberger mengembangkan
teknologi aliran vortex (pusaran) untuk diterapkan pada pemodelan turbin air. Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan
mendadak. Fenomena aliran vortex sering kali dijumpai pada pemodelan sayap pesawat, aliran vortex cendrung dianggap sebagai suatu kerugian dalam suatu aliran fluida. Dalam penelitiannya Viktor Schauberger, memanfaatkan aliran
irigasi yang kemudian diubah menjadi aliran vortex (pusaran), yang kemudian dimanfaatkan untuk menggerakkan sudu turbin. Dari penelitian ini didapatkan
efisiensi sebesar 75 % dengan tinggi air jatuh 0,6 m. Namun pada penelitiannya
Viktor Schauberger tidak menjelaskan pengaruh tinggi sudu turbin. Bertolak dari
kondisi tersebut di atas maka penyusun melakukan penelitian untuk
melihatpengaruh tinggi sudu turbin terhadap performansi turbin.
I.2. Tujuan Penelitian
Tujuan dari pelaksanaan dan penulisan laporan ini adalah untuk
mengetahui pengaruh luas saluran buang dan jarak sudu dari dasar
casingterhadap:
1. Torsi dan putaran poros maksimum yang dihasilkan turbin.
2. Daya optimal turbin yang dihasilkan.
I.3. Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah menambah pengetahuan bahwa
aliran sungai pun dapat dimanfaatkan menjadi energi listrik secara optimal.
I.4. Batasan Masalah
Dalam penulisan laporan tugas akhir ini ada beberapa batasan masalah yang
diberikan agar penelitian ini lebih terarah, yaitu:
1. Pengamatan kinerja turbin dianalisa terhadap aliran vortex.
2. Tipe sudu yang digunakan adalah lengkung.
3. Diameter dan lebar turbin.
4. Jumlah sudu yang digunakan adalah 4
5. Tinggi sudu turbin adalah 78,3cm.
I.5. Metodologi Penelitian
Adapun metode pengumpulan data dalam skripsi ini adalah sebagai
berikut:
1) Pengujian
Penulis melakukan pengujian langsung pada turbin air vortex untuk memperoleh data yang akan diolah.
a) Membaca dan mempelajari buku-buku literatur untuk dapat
mengetahui dasar teori yang berhubungan dengan permasalahan
yang dibahas.
b) Melakukan diskusi dengan dosen pembimbing dan sesama
mahasiswa.
I.6. Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan
mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam
beberapa bagian, yaitu:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan
masalah yang berisi antara lain :latar belakang, tujuan penelitian, manfaat
penelitian, batasan masalahdan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi tentang dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan
sebagai landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan
tersebut meliputi penjelasan mengenaiFluida, Hukum Bernoulli, Aliran vortex, Turbin air,Klasifikasi Turbin air dan performansi dan efisiensi.
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi tentang beberapa tahapan persiapan sebelum pengujian,
BAB IV : PENGOLAHAN DATA DAN ANALISA DATA
Bab ini berisi tentang pembahasan dari data-data yang diperoleh yakni
analisatorsi turbin, daya turbin dan efisiensi turbin
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil analisa dan saran untuk
penyempurnaan hasil penelitian untuk penelitian berikutnya.
DAFTAR PUSTAKA
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Fluida
Fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Istilah fluida
mencakup zat cair dan gas karena zat cair seperti air atau zat gas seperti udara
dapat mengalir. Semua zat cairitu dapat dikelompokan ke dalam fluida karena
sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain. Selain zat cair,
zat gas juga termasuk fluida. Zat gas juga dapat mengalir darisatu tempat ke
tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu
tempat ke tempat lain.
Fluida dibagi menjadi dua bagian yakni fluida statis (fluida diam)dan
fluida dinamis (fluida bergerak). Fluida statis ditinjau ketika fluidayang sedang
diam atau berada dalam keadaan setimbang. Fluidadinamis ditinjau ketika fluida
sedang dalam keadaan bergerak.Fluida statis erat kaitannya dengan hidraustatika
dan tekanan.Hidraustatika merupakan ilmu yang mempelajari tentang
gayamaupun tekanan di dalam zat cair yang diam.Sedangkan tekanan
didefinisikan sebagai gaya normal per satuan luaspermukaan.Setiap fluida selalu
memberikan tekanan pada semua bendayang bersentuhan dengannya. Air yang
dimasukan ke dalam gelasakan memberikan tekanan pada dinding gelas.
Demikian jugaseseorang yang mandi dalam kolam renang atau air laut, air
kolamatau air laut tersebut juga memberikan tekanan pada seluruh tubuhorang
tersebut. Tekanan total air pada kedalaman tertentu, misalnya tekanan airlaut pada
permukaan air laut dan tekanan terukur padakedalaman 200 meter. Jadi, selain
lapisan bagian atas air menekanlapisan air yang ada di bawahnya, terdapat juga
atmosfer (udara) yangmenekan permukaan air laut tersebut. Tekanan yang
ditimbulkan oleh lapisan fluida yang ada di atasdapat dikatakan sebagai tekanan
dalam karena tekanan itu sendiriberasal dari dalam fluida sedangkan tekanan
atmosfer dapat kitakatakan tekanan luar karena atmosfer terpisah dari fluida.
Tekananatmosfer (dalam kasus ini merupakan tekanan luar) bekerja padaseluruh
permukaan fluida dan tekanan tersebut disalurkan padaseluruh bagian fluida. Oleh
karena itu, tekanan total fluida padakedalaman tertentu selain disebabkan oleh
tekanan lapisan fluida padabagian atas, juga dipengaruhi oleh tekanan luar.
2.2 Klasifikasi Fluida
Menurut Raswari (1986), fluida merupakan suatu zat/bahan yang dalam
keadaan setimbang tak dapat menahan gaya atau tegangan geser (shear force). Dapatpula didefinisikan sebagai zat yang dapat mengalir bila ada perbedaan
tekanan dan atau tinggi. Suatusifat dasar fluida nyata, yaitu tahanan terhadap
aliran yang diukur sebagai tegangan geser yang terjadi pada bidang geser yang
dikenai tegangan tersebut adalah viskositas atau kekentalan/kerapatan zat fluida
tersebut.
Sehingga fluida terdiri dari cairan dan gas (atau fase uap). Perbedaan antara
keadaan fluida dan solid jelas jika anda membandingkan perilaku fluida dan solid.
Solid berdeformasi ketika tegangan geser diterapkan, tetapi deformasi yang tidak
terus meningkat dengan waktu. Berikut pembagian klasifikasi aliran secara
2.2.1 Fluida Statis dan Fluida Dinamis
Fluida statis atau sering disebut juga fluida diam,sedangkan fluida dinamis
adalah fluida yang bergerak. Fluida Statis misalnya air didalam wadah,fluida
dinamis misalnya pergerakan angin yang digerakkan kipas angin. Fluida statis
biasanya dipengaruhi oleh hukum kontinuitas yang dipengaruhi oleh luas
penampang dan juga Bernaouli’s law yang dipengaruhi oleh ketinggian dan
tekanan dari fluida. Kedua hukum hanya dapat diterapkan di fluida statis yang
sama – sama memeliki kecepatan alir dan massa jenis.
Fluida dinamis itu sendiri dipengaruhi oleh gaya Archimedes,misalnya gaya
angkat pada kapal laut. Hukum Pascal juga berpengaruh dalam fluida dinamis
ini,hukum Pascal secara singkat adalah tekanan terbagi banyak dan diteruskan
kesegala arah,misalnya pompa hidrolik dan dongkrak.
2.2.2 Aliran Viscous dan Inviscid
Aliran viskous atau aliran fluida nyata adalah aliran yang dipengaruhi oleh
viskositas. Adanya viskositas menyebabkan adanya tegangan geser dan
kehilangan energy. Pada aliran ini terjadi gesekan antarai fluida dengan
dasar/dinding saluran atau pipa. Gambar dibawah ini menampilkan percobaan
Gambar 2.1 Percobaan Viskositas
Aliran invisid atau aliran fluida ideal adalah aliran yang tidak dipengaruhi
viskositas/kekentalan sehingga aliran ini tidak memiliki tegangan geser dan
kehilangan energi. Dalam kenyataannya aliran fluida ideal tidak ada. Konsep ini
digunakan para peneliti terdahulu untuk membentuk persamaan aliran fluida dan
pengaplikasiannya di lapangan ditambahkan faktor penyesuaian sesuai kondisi
nyata.
2.2.3 Aliran Seperated and Unseperated
Aliran yang tidak terjadi separasi dapat terjadi pada aliran yang sangat
lambat. Penjelasan mengenai fenomena ini ditampilkan melalui sketsa pada
Gambar 2.3, mengilustrasikan sebuah percobaan sejumlah cairan sirup (viskositas
tinggi) dengan suhu rendah yang melampaui flume dengan beda tinggi dasar
tertentu dengan kecepatan sangat rendah. Saat mencapai pojok flume, cairan sirup tetap megikuti dasar flume, turun vertical dan tetap ‘menempel’ hingga akhir.
Fenomena ini disebabkan momentum yang sangat kecil pada pojok dasar flume
yang diakibatkan kecepatan yang sangat rendah.
Gambar 2.3 Aliran Unseperated
Sedangkan aliran yang terjadi separasi ditampilkan sketsa pada Gambar
Fluida dengan nilai viskositas kecil atau kecepatan tinggi menimbulkan momentum yang tinggi, sehingga sulit bagi aliran untuk ‘menempel’ pada dasar
Gambar 2.4 Aliran Seperated
Gambar 2.5 dibawah ini juga mengilustrasikan fenomena aliran pada
klasifikasi ini. Pada bagian Gambar (A) dan Gambar (B) juga mengilustrasikan
fenomena aliran viscous dan non-viskous di penjelasan sebelumnya. Gambar (C)
aliran vortex bebas, gamabr (D) aliran laminar dan gambar (E) aliran turbulen.
2.2.4 Aliran Laminar dan Aliran Turbulen
Dengan teknologi sekarang,aliran laminar bisa diprediksi lebih baik dan
akurat dengan menggunakan teknologi di laboraturium,tetapi berbeda dengan
aliran turbulen,kecuali pada aliran sederhana sangat sulit menentukan detail dan
permodelan dari aliran ini.
Misalnya pada pipa, pada sisi masuk bisa dikatakan molekul – molekul fluida masi tersusun rapi dan tidak acak. Tetapi setelah melewati titik kritis,gerakan
fluida mulai acak. Daerah inilah disebut aliran turbulen.
Untuk aliran laminar kecepatan pada suatu titik akan tetap terhadap waktu.
Sedangkan aliran turbulen kecepatannya akan mengindikasikan suatu fluktuasi
yang acak. Dalam aliran turbulen, profil kecepatan pada suatu titik dihasilkan dari
gerak acak partikel fluida berdasarkan waktu dalam jarak dan arah.
Gambar 2.6Perpindahan aliran dari laminar ke turbulen
Dari sudut pandang hidraulik, hal yang paling mudah untuk
membedakannya adalah gerak partikel/distribusi kecepatannya seragam, lurus,
dari laminer menuju turbulen atau zona transisi terjadi pada jarak tertentu dan zona transisi akan berakhir hingga terjadi kondisi ‘fully developed turbulence’.
Bilangan Reynold adalah bilangan tanpa dimensi yang dapat digunkan untuk
membedakan aliran laminar dan turbulen yang merupan perbandingan gaya
inersia dan gaya viskositas.
� =
�
�
Dimana: Re = Bilangan Reynold
U = Kecepatan Rata-Rata dari Fluida (m/s)
L= Jari jari penampung air ( m )
ρ = Massa Jenis ( kg/m3)
μ= Viskositas dinamik (kg/m.s)
Pada plat datar bilangan reynold nya adalahRe = 5 x 105 pada plat datar dan Re =
2 x 105 pada bola.
2.2.5 Aliran Vortex
Pusaran (Vortex) bentuk dalam cairan bergerak, termasuk cairan, gas, dan
plasma. Beberapa contoh umum adalah asap cincin, whirlpool yang sering terlihat
di bangun perahu, dayung, dan angin angin topan, Tornado dan badai debu.
Pusaran membentuk di bangun dari pesawat dan yang menonjol fitur atmosfer
Dalam aliran fluida,aliran inibisa berarti menunjukkan putaran ataupun
alur yang melingkar. Dalam defenisinya, aliran ratationalkecepatan vektornyaV≠
0, jika irratational kecepatan vektornya V= 0. Aliran vortex ini sendiri termasuk dalam perpaduan aliran irrotational.
Gambar 2.7Aliran vortex 2D
Untuk membedakan aliran ratational dan irratational,kecepatan aliran sama disemua tempat,dan makin meningkat secara teratur jika mendekati pusat.
Gambar 2.8Aliran rotational
Sedangkan aliran irratational,kecepatan total sama dengan nol,karena
tiap aliran kecepatannya berbeda -beda.Dalam pusaran irrotational, cairan bergerak dengan kecepatan yang berbeda di berdekatan arus, jadi ada gesekan dan
karena itu kehilangan energi seluruh vortex, terutama di dekat inti.Untuk alasan
itu, irrotational pusaran juga disebut pusaran gratis.
Gambar 2.9Aliran irratational
Aliran vortex ini adalah aliran turbulen. Dikatakan aliran turbulen karena
alirannya tidak teratur dan membentuk pusaran. Vorticity(kecepatan aliran vortex) sangat tinggi di daerah inti disekitar sumbu dan tekanan menukik tajam ke bawah
Gambar 2.10 Aliran vortex kecepatan tinggi
Aliran vortex bisa terjadi secara alami ataupun secara paksa.Aliran vortex
terjadi walaupun tidak adanya gaya yang dilakukan pada fluida
tersebut.Karateristik dari vortex bebas adalah kecepatan tangensial dari partikel fluida yang berputar pada jarak tertentu dari pusatvortex. Hubungan kecepatan partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran r dapat dilihat pada
persamaan ini:
=
�
Dimana:
V = kecepatantangensialfluida (m s-1)
r = jari-jariputaranpartikelfluidadarititikpusat (m)
Dalam vortex bebas, tidak ada perubahan energi melintas pada aliran
lurus, jadi persamaan di atassama dengan nol.Apabila suatu gaya diberikan pada
suatu fluida dengan maksud membuat aliran fluida berputar. Hubungan kecepatan
partikel fluida v terhadap jaraknya dari pusat putaran x dapat dilihat pada
persamaan berikut:
= . �
� =
�ω
X
2)
Sehingga :
� =
�
Dimana : Fc = gaya sentrifugal pada aliran vortex
W = berat partikel vortex
V = kecepatan tangensial
2.3Turbin Air
Tenaga air mulai digunakan oleh manusia sudah sekitar 2000 tahun yang lalu
yaitu ketika bangsa Yunani dan Romawi sudah mengenal kincir air, yang mana
mereka meletakkan kincir air itu secara horizontal( arah poros kincir horizontal )
di aliran sungai yang panjang.Kincir air ini digunakan tenaganya untuk
menggiling jagung dengan menggunakan roda gigi. Tenaga air yang ditimbulkan
oleh adanya energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki oleh arus sungai
beroperasi penggilingan.Penggilingan menjadi tugas yang utama dilakukan
dengan tenaga air kemudian, dan pada perkembangannya kincir ini kemudian
dikembangkan oleh bangsa-bangsa di Asia dan Eropa Timur pada masa setelah itu
yaitu sekitar abad ke 4.
Gambar 2.11Kincir Air
Karena kincir air sudah terkenal di berbagai tempat di dunia pada
waktu itu, makamanusia mulai memikirkan tentang bagaimanacara meningkatkan
kegunaan dari tenaga air tersebut.Manusia mulai mengubah bentuk kincir air dari
keadaan yang sebelumnya, hal ini merupakan suatu langkah yang penting bagi
perkembangan teknologi kinci air pada waktu itu.Bentuk kincirpun mulai
bervariasi ada yang dipasang secara horisontal dengan arah putaran roda dari kiri
ke kanan. Pada awalnya, kincir air dipasang sedemikian sehingga pusat dari kincir
tersebut berada di atas permukaan air dan arus air akan menggerakkan bagian
bawah dari kincir tersebut sehingga kincir air dapat berputar. Kemudian,
merekaakan mencelupkan kincir di bawah permukaan air yang melebihi dari
efisiensi yang lebih tinggi. Pada abad sesudahnya para insinyur telah dapat
menyempurnakan kincir air menemukan dua peningkatan, diantaranya adalah
sudu dari kincir air yang dibengkokkan dapat bekerja lebih baik ,dan yang kedua
adalah dapat diketahui posisi yang lebih tepat dari roda sehingga dihasilkan kincir
air yang efisien.Pengembangan ini membantu orang-orang dalam penggunaan dari
kincir air yang sudah mempunyai tenaga yang lebih dari sebelumnya.Tenaga yang
lebih tersebut tidak hanya untuk menggiling hasil panen seperti jagung dan
gandum, tetapi juga dapat digunakan sebagai tenaga untuk menggerakkan
konveyor, sehingga masalah pengangkutan di dalam suatu pengilingan dapat
diatasi dengan penggunaan tenaga kincir air.Pada abad ke 19, turbin air telah
ditemukan, dan lambat laun mulai menggeser penggunaan dari kincir air.Manusia
mulai meninggalkan kincir air karena melihat bahwa turbin air jauh lebih efisien
dibanding dengan kincir air.Bagaimanapun, kincir air masih tersisa di seluruh
dunia sampai hari ini.
Di negara-negara berkembang, kebutuhan serta kemungkinan untuk
membuat turbin setempat kian meningkat.Peralatan, mesin-mesin, bahan dan
tenaga terlatih maupun staf teknis yang diperlukan telah tersedia, yang belum ada
hanyalah informasi dan know-hownya.Salah satu kategori mesin yang digunakan untuk memanfaatkan tenaga air yang bisa dibuat setempat adalah turbin air.
Banyak dijumpai adanya tradisi maju di beberapa negara dalam memproduksi,
memasang dan mengoperasikan penggilingan bertenaga air kecil.Di negara Nepal
pada awal tahun 1970-antelah dibangun dan dipasang beberapa Turbin Aliran
Silang (TAS) pertama. Beberapa selang kemudian dalam dekade yang sama
bertenaga air.Turbin Aliran Silang (TAS) adalah model yang paling sederhana,
sementara TAS memerlukan kisaran tinggi terjunnya rendah dan debit air yang
dibutuhkan sangat besar.Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat
digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun
di sungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan.Pusat tenaga air tersebut dapat
dibedakan dalam dua golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat
tenaga air tekanan rendah.
2.4 KlasifikasiTurbin Air
Turbin air dapat dikelompokkan dengan berbagai cara.Menurut H. Grengg, jenis turbin dapat digolongkan menjadi tiga sesuai dengan range dari head-nya, yaitu :
1. Turbin dengan head rendah.
2. Turbin dengan head medium.
3. Turbin dengan head tinggi.
Sedangkan menurut cara kerjanya, maka terdapat dua jenis turbin yaitu :
1. Turbin Impuls (aksi).
High
Head
Medium
Head
Low
Head
Impulse
Turbine
Pelton
Turgo
Cross
Flow
Multi-Jet
Pelton
Turgo
Cross
Flow
Reaction
Turbine
Francis
Propeller
Kaplan
[image:35.595.125.501.88.477.2]Vortex
Table 2.1 Pengelompokan Turbin
(d)
Gambar 2.12 Klasifikasi Turbin Air.(a) Turbi Francis (b) Turbin Kaplan (c) Turbin Pelton
(d) Turbin Crossflow
2.4.1 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin air yang carakerjanya dengan merubah seluruh
energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia
menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi
mekanik dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air
diubah menjadi energi kinetik.
Pada turbin impuls energi potensial air dirubah menjadi energi kinetik pada
nosel. Air keluar nosel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin.
Setelah membentur sudu turbin arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi
perubahan momentum (impuls). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin
impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel
Beberapa contoh dari turbin impuls adalah:
[image:37.595.206.419.158.335.2] Turbin Pelton
Gambar 2.13 Turbin Pelton
Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air
yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton
adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah
turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.
Turbin Crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter / det hingga 10m3 /
det dan head antara 1 s/d 200m. Turbin Crossflow menggunakan nosel persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan
mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetis menjadi energi mekanis.
Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya ( lebih rendah
dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari
beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel.
2.4.2 Turbin Reaksi
Pada turbin reaksi, energi yang tersedia pada saluran masuk hanya sebagian saja
yang dirubah menjadi energi kinetik sedangkan sisanya tetap dalam bentuk energi
tekan. Ketika air mengalir melalui roda gerak / runner terjadi perubahan energi
tekan menjadi energi kinetik secara berangsur-angsur. Tekanan pada sisi masuk
roda gerak lebih tinggi dibandingkan tekanan pada sisi keluar roda gerak turbin,
dimana tekanan tersebut bervariasi terhadap laju aliran fluida yang melalui turbin.
Selanjutnya agar perubahan tekanan ini dapat terjadi, maka roda gerak / runner
dalam hal ini harus tertutup dari udara luar dan seluruhnya terisi air selama turbin
beroperasi.
Beberapa contoh dari Turbin Reaksi adalah:
Turbin Francis
Bagian – bagian utama dari turbin francis adalah
Rumah spiral yang menerima air dari pipa pesat dan mengarahkan air
Bagian turbin yang berputar (runner).
Pipa pelepas air (draft-tube) yang meneruskan air dari turbin ke
[image:39.595.199.425.186.364.2]saluran pembuangan.
Gambar 2.15 Turbin Francis
Turbin ini dipasang diantara sumber tekanan air tinggi di bagian masuk dan
air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu
pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu
pengarah pada turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap
ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya.
Turbin Kaplan dan Propeller merupakan turbin reaksi aliran aksial. Turbin ini
terususun dari propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya
mempunyai tiga hingga enam sudu.
[image:40.595.165.461.213.389.2] Turbin Vortex
Gambar 2.17 Turbin Vortex
Turbin pusaran air (vortex) merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran
air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi
perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin pusaran air
(vortex) ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan
memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan
tekanan air dengan bagian sumbu.
Turbin pusaran air (vortex) merupakan salah satu turbin yang sangat
spesial, karena dapat beroperasi pada daerah yang memiliki head yang sangat
rendah. Turbin pusaran air (vortex) bekerja pada head rendah dengan ketinggian
2.4.3 PerbandinganKarakteristikTurbin Air
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai
kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya
tiap satu satuan head.Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan
penilaian yang lainnya) dan dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi
maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan
head dan debit tertentu.
Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air
adalah sebagai berikut:
Turbin Pelton 12 < ns< 25
Turbin Francis 60 < ns< 300
Turbin Crossflow 40 < ns< 200
[image:41.595.183.440.370.528.2]Turbin Propeller 250 < ns< 1000
Tabel 2.2 KecepatanSpesifikTurbin
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak
berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang
diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan performa yang sudah
diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan
Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan
pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin
dapat diestimasi (diperkirakan).
a) Berdasarkan Arah Aliran
Jenis Turbin Arah Aliran
Francis Radial atau Gabungan
Pelton Tangensial
Kaplan Aksial
[image:42.595.120.508.211.458.2]Deriaz Diagonal
Tabel 2.3Jenis Turbin berdasarkan Arah Aliran
b) Berdasarkan Tenaga yang Dihasilkan
Besar tenaga kuda (P) yang dihasilkan oleh sebuah turbin dapat dinyatakan
sebagai berikut:
= ℎ�
dimana:
� = daya guna / efisiensi menyeluruh dari turbin
= tinggi tekan efektif
= satuan berat dari air, dimana dalam keadaan normal diambil 1000 kg/m3
c) Berdasarkan Kecepatan Spesifik
Kecepatan Spesifik Jenis Turbin
10 – 35 Pelton dengan 1 nosel
35 – 60 Pelton dengan 2 atau beberapa nosel
60 – 300 Francis
[image:43.595.126.506.195.443.2]300 – 100 Kaplan
Tabel 2.4Jenis Turbin Berdasarkan Kecepatan Spesifik
2.4.4 Performansi dan Efisiensi Turbin
Performansi pada turbin merupakan daya mekanik yang dihasilkan dari sebuah turbin. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka data yang diperlukan adalah kecepatan sudut (� ) dan torsi (T).
= . �
( Sumber : W. Paryatmo, 2007 )Dimana :
P = Daya turbin ( Watt ) T = Torsi ( Nm )
Untuk menghitung Torsi ( T ) adalah :
T = F . l ( Sumber : J.B. Winther,1975 ) F = m . g
Dimana :
l = panjang lengan ( m ) m = massa/beban ( kg ) g = gravitasi
Untuk menghitung kecepatan sudut adalah : ω = 2 � ( Sumber : Streeter Victor,1979 )
Dimana :
ω = kecepatan sudut (rad/s) n = putaran turbin (rpm )
Untuk efisiensi turbin dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
ɳ = � ��
�� x 100% ( Sumber : W. Paryatmo, 2007 )
Dimana :
� �� = Daya turbin ( Watt )
BAB III
METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1 UMUM
Turbin pusaran air (vortex) merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran
air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi
perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin pusaran air
(vortex) ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan
memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan
tekanan air dengan bagian sumbu.
Turbin pusaran air (vortex) merupakan salah satu turbin yang sangat spesial,
karena dapat beroperasi pada daerah yang memiliki head yang sangat rendah.
Turbin pusaran air (vortex) bekerja pada head rendah dengan ketinggian air jatuh
antara 0,7 m– 1,4 m. Sebagai simulasi atau pengkondisian dari air mengalir yang berada di alam. Dalam uji eksperimental turbin vortex ini, dibuat turbin vortex,
adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah:
Pembuatan rumah turbin (casing) dari bahan batako. Pembuatan sudu dari bahan besi plat.
Pembuatan dudukan turbin dari bahan besi siku.
Pembuatan poros dari bahan stell 42.
Ditambah beberapa instalasi yang mendukung turbin vortex. Adapun
penambahan beberapa instalasi yang dilakukan adalah:
Instalasi saluran perpipaan untuk air masuk.
Instalasi dudukan talang.
Instalasi dudukan pengujian Turbin vortex.
Instalasi saluran buangan air pada Turbin vortex.
Aliran air yang digunakan berasal dari tempat penampungan bawah yang
terletak di bawah bakkemudian dipompakan ke talang oleh satu unit pompa
pengumpan. Kapasitas aliran (debit) air yang akan diumpankan dapat diatur
melalui sebuah katup pengatur (gate valve) sesuai dengan kebutuhan.Aliran air yang mengalir melalui talang memiliki energi potensial sehingga akan membentuk
pusaran yang akan menggerakkan sudu turbin vortex sebagai energi input. Zat cair
yang keluar setelah menabrak sudu akan keluar tepat dibawah turbin vortex
melalui saluran buangan dari rumah turbin (casing).
3.2 Rancang Bangun Instalasi
Rancang bangun instalasiuji eksperimental Turbin Vortex terdapat pada
rooftop lantai empat. Instalasi yang terdapat pada turbin vortex adalah bak atau rumah turbin (casing) dengan diameter dalam 0,8 m,diameter luar 1 m dan tinggi 1 m(diukur dari lubang keluaran tempat penampungan bawah ke permukaan bak .
Adapun elemen yang meliputi perancangan turbin vortex adalah : Rumah turbin ( casing )
Rumah turbin berbentuk lingkaran yang terbuat dari beton dengan diameter luar 1 m , diameter dalam 0,8 m dan tingginya 0,97 m dan memiliki lubang saluran buang pada dasar bak.
Gambar 3.1 Rumah turbin
Sudu turbin ( blade )
[image:47.595.150.466.595.733.2] Dudukan turbin
Dudukan turbin terbuat dari besi siku yang sudah dilas.
Gambar 3.3 Dudukan turbin
Poros turbin
Poros yang digunakan terbuat dari bahan besi steel 42.Dengan diameter 2 cm dan tinggi poros 1,3 m.
Saluran buang
[image:49.595.177.464.194.365.2]Saluran buang terbuat dari baja dan diletakkan di bagian tengah dasar rumah turbin.Saluran buang yang digunakan ada 3 jenis dengan diameter yang berbeda,yaitu 5,5 cm , 6 cm dan 7 cm.
Gambar 3.5 Saluran buang
Talang
Talang yang digunakan terbuat dari plastik dengan panjang 80 inchi dengan lebar 12,9 cm.
[image:49.595.152.451.487.679.2] Bantalan ( bearing )
[image:50.595.254.401.170.298.2]Bantalan yang digunakan adalah P204dengan jumlah 2 buah dan bantalan ini dibautkan di dudukan turbin.
Gambar 3.7 Bantalan
Pipa, elbow, katup pengatur dan pompa
Pipa yang digunakan adalah pipa 2 inchi dengan panjang keseluruhan 6,7 m.Elbow yang digunakan ada 4 buah dan katup pengatur bola 1 buah.Pompa yang digunakan 1 buah dengan kapasitas Omaks 800 L/min.
[image:50.595.176.477.492.717.2]3.3
PENGUJIAN TURBIN VORTEX
Turbin Vortex yang digunakan dalam uji eksperimental turbin vortex
menggunakan jumlah sudu sebanyak 4 sudu dengan tinggi 78,3 cm dan lebar 27,5
cm.
Gambar 3.9 Sudu dan poros turbin vortex sebelum dirakit.
3.4
PERALATAN PENGUJIAN
3.4.1 Hand TachometerAlat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin vortex.
Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit1, debit2 dan debit 3, hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:
Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit
Range : autorange
Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)
Gambar 3.11 Hand Tachometer.
3.4.2 Timbangan Pegas
Timbangan Pegasdigunakan untuk mengukur besarnya momen puntir
(kilogram) yang dihasilkan melalui pulleypada poros dengan cara melingkarkan tali pada pulley kemudian diikatkan ke timbangan pegas. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit1, debit2 dan debit 3, timbangan pegas yang digunakan
Gambar 3.12Timbangan Pegas.
3.4.3 PULLEY
Pulley digunakan untuk mengukur besarnya momen puntir (kilogram) yang
dihasilkan oleh putaran sudu melalui poros dengan cara dihubungkan
ketimbangan pegas menggunakan tali. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada
debit1, debit2 dan debit 3, pulley yang digunakan memiliki spesifikasi diameter 18 cm.
3.4.4 Gelas Ukur
Gelas ukur digunakan untuk mengetahui debit air masuk melalui talang ke
[image:54.595.226.400.188.391.2]bak. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit1, debit2 dan debit 3.
Gambar 3.14Gelas Ukur.
3.4.5 Flow Meter
Flow meter adalah alat untuk mengukur jumlah atau laju aliran dari suatu
fluida yang mengalir dalam pipa atau sambungan terbuka. Alat ini terdiri dari
primary device, yanf di sebut sebagai alat utama dan secondary device (alat bantu
skunder). Flow meter umumnya terdiri dari dua bagian, yaitu alat utama dan alat
bantu skunder. Alat utama menghasilkan suatu sinyal yang yang merespon
terhadap aliran karena laju aliran tersebut telah terganggu. Alat utamanya
merupakan sebuah orifis yang mengganggu laju aliran, yaitu menyebabkan
terjadinya penurunan tekanan. Alat bantu skunder menerima sinyal dari alat utama
lalu menampilkan, merekam, dan mentranmisikannya sebagai hasil pengukuran
Gambar 3.15Flow meter.
3.4.6 Pompa Pengumpan
Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan
bawah ke talang. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit1, debit2 dan
debit 3, pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa sentrifugal 2 (dua)
inchi dengan daya motor penggerak (P) 0,75 kW, putaran (n) 1440 rpm ?dan
dihubungkan secara direct drive.
3.5
PELAKSANAAN PENGUJIAN
Uji eksperimental turbin vortexdengan menggunakan jumlah sudu sebanyak
4 sududilakukan di rooftop lantai empat, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan
tehadap penelitian ini meliputi:
1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin vortex dengan menggunakan
HandTachometer.
2. Pengukuran momen puntir (kilogram) dengan menggunakan Timbangan Pegas.
3. Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch.
Sebelum dilakukan pengujian turbin vortex dan pengambilan data, terlebih
dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi:
1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah.
2. Pemeriksaan pipa penghubung antara pompa pengumpan dan talang.
3. Pemeriksaan katup (valve).
4. Pemeriksaan poros turbin vortex serta pemperian pelumas pada bearing.
5. Pemeriksaan tali danpulley. 6. Pemeriksaan pompa pengumpan.
Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di
prosedur pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian uji
eksperimental turbin vortex dengan jumlah sudu 4 sudu ini adalah sebagai berikut:
1. Pengujian pertama dilakukan dengan jumlah 4 sudu.
2. Katup pada sisi masuk talang dibuka 30°.
3. Hidupkan pompa pengumpan.
4. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam tempat penampungan bawah.
5. Setelah ketinggian air di bak konstan, maka dilakukan pengujian serta
pengambilan data terhadap:
a. Pengukuran putaran (rpm) pada poros Turbin Vortex dengan
menggunakan Hand Tachometer.
b. Pengukuran momen puntir (kilogram) dengan menggunakan
Timbangan Pegas.
6. Pengukuran terhadap beberapa variabel di atas dilakukan terhadap debit 1,
debit 2, debit 3 dan lubang buang 5,5 6 dan 7.
7. Setiap pengambilan data dilakukan sebanyak sepuluh kali untuk
mendapatkan data pengujian yang lebih akurat.
8. Setelah pengukuran pada turbin vortex selesai, maka dilakukan penggantian
lubang buang. Kemudian dilakukan pengujian kembali seperti prosedur
diatas.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:
1. Putaran poros Turbin Vortex (rpm)
Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti:
1. Daya Air
2. Daya Turbin Vortex
3. Efisiensi Turbin Vortex
Setelah pengujian di atas, dilakukan pengujian debit air dengan prosedur
sebagai berikut:
1. Katup menuju talang pada turbin dibuka.
2. Pompa pengumpan dihidupkan dan air dipompakan dari tempat
penampungan bawah ke talang.
3. Secara bersamaanstopwatch dihidupkan.
4. Segera setelah stopwatch dihidupkan selama sepuluh detik, pompa
pengumpan dan stopwatch dimatikan. Pencatatan data dilakukan, meliputi
waktu t(detik) dan volume air dalam ember penampungan (m3).
5. Dari data yang diperoleh, maka perhitungan debit air pun dapat dilakukan.
Flowchart Uji eksperimental turbin vortex.
Survey tempat pengujian akan dilakukan
Rancang bangun instalasi Uji eksperimental turbin vortex
Pengambilan data hasil pengujian Pelaksanaan pengujian
Perhitungan dan analisa hasil
pengujian
Penulisan laporan hasil pengujian
BAB IV
HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
4.1 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN VORTEX DENGAN
MENGGUNAKAN SUDU 1 PADA DIAMETER SALURAN BUANG
5,5 CM (BUKAAN KATUP 30°, 60°, DAN 90°) DENGAN
KETINGGIAN 0,1 CM DARI DASAR CASING.
Kapasitas Aktual pada saluran buang 5,5 cm dengan variasi bukaan katup 30°, 60°, dan 90°
Bukaan katup 30° Q = 0,0035� ⁄
Bukaan katup 60° Q = 0,0044� ⁄
Bukaan katup 90° Q = 0,0053� ⁄
Untuk menghitung kecepatan aliran air digunakan rumus : = �
A = 0,002 m²
Misalkan pada bukaan katup 30° : = ,,
= , �⁄
[image:60.595.111.514.613.701.2]Dengan cara yang sama didapatkan nilai kecepatan aliran dengan variasi bukaan katup 30°, 60°, dan 90° seperti tabel 4.1.
Tabel 4.1 Nilai debit air dan kecepatan air pada bukaan katup 30°,60°, dan 90°
Bukaan katup Q (m3/s) V(m/s)
30° 0,0035 1,75
60° 0,0044 2,2
90° 0,0053 2,65
Misalkan pada bukaan katup 30°: m = ρ . Q
= ��/� . , m /s = 3,5 kg/s
[image:61.595.110.513.276.363.2]Dengan cara yang sama didapatkan nilai laju aliran massa dengan variasi bukaan katup 30°, 60°, dan 90° seperti tabel 4.2
Tabel 4.2 Nilai laju aliran massa pada bukaan katup 30°, 60°, dan 90°
4.1.1 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 30°
Pair= ṁv Pair= . , . , �� = 5.359375 watt
Misalkan pada torsi 0,213368 Nm ω = 2 �
ω = 2 ,
ω = 0,962933 rad/s
Maka daya turbin:
PT = T .ω
= 0,213368 Nm. 0,962933 rad/s = 0,205459 watt
Bukaan katup Q (m3/s) m ( kg/s )
30° 0,0035 3,5
60° 0,0044 4,4
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
�� = ,
. x 100 %
��= 3,833631 %
Dengan cara yang sama maka di dapat datasebagai berikut :
Tabel 4.3 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 30° diameter saluran buang 5,5 cm.
Putaran (rpm) ω (rad/s) Torsi (Nm) P air (watt) P turbin (watt) Efisiensi (%) 43,5 4,553 0,001422 5,359375 0,006476 0,120843
9,2 0,962933 0,213368 5,359375 0,205459 3,833631
1,2 0,1256 0,320051 5,359375 0,040198 0,750058
0 0 0,355613 5,359375 0 0
4.1.2 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 60°
Pair= ṁv Pair= . , . , �� = 10.648 watt
Misalkan pada torsi 3,192333 Nm ω = 2 �
ω = 2 ,
ω = 3,192333 rad/s
Maka daya turbin:
= 3,192333 Nm . 3,192333 rad/s = 1,135234 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
�� = ,
. x 100 %
�� = 10,66147 %
Tabel 4.4 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 60° diameter saluran buang 5,5 cm
Putaran (rpm) ω (rad/s) Torsi (Nm) P air (watt) P turbin (watt) Efisiensi (%) 52,5 5,495 0,002134 10,648 0,011725 0,11011
30,5 3,192333 0,355613 10,648 1,135234 10,66147
7,5 0,785 0,711225 10,648 0,558312 5,243347
0 0 0,924593 10,648 0 0
4.1.3 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 90°
Pair = ṁv Pair = . , . , �� = 18.609625 watt
Misalkan pada torsi 0,355613 Nm ω = 2 �
ω = 2 , ω = 3,85 rad/s Maka daya turbin;
= 0,355613 Nm . 3,85 rad/s = 1,369725 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
�� = ,
. x 100 %
[image:64.595.147.477.290.464.2]�� = 7,360302 %
Tabel 4.5 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 90° diameter saluran buang 5,5 cm
Putaran (rpm)
ω (rad/s)
Torsi (Nm)
P air (watt)
P turbin (watt)
Efisiensi (%) 53,6 5,610133 0,002845 18,60963 0,01596 0,085764
36,8 3,851733 0,355613 18,60963 1,369725 7,360302
14,3 1,496733 0,711225 18,60963 1,064514 5,720234
2,8 0,293067 1,066838 18,60963 0,312655 1,680069
4.2 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN VORTEX DENGAN
MENGGUNAKAN SUDU 1 PADA DIAMETER SALURAN BUANG 6
CM (BUKAAN KATUP 30°, 60°, DAN 90°) DENGAN KETINGGIAN
0,1 CM DARI DASAR CASING.
Kapasitas Aktual pada saluran buang 6 cm dengan variasi bukaan katup 30°, 60°, dan 90°
Bukaan katup 30° Q = 0,0035� ⁄
Bukaan katup 60° Q = 0,0044� ⁄
Bukaan katup 90° Q = 0,0053� ⁄
4.2.1 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 30°
Pair= ṁv Pair= . , . , �� = 5.359375 watt
Misalkan pada torsi 0,355613 Nm ω = 2 �
ω = 2 ,
ω = 1,203667 rad/s
Maka daya turbin;
PT = T . ω
= 0,355613 Nm . 1,203667 rad/s = 0,530768 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
�� = 9,903548 %
[image:66.595.144.478.208.352.2]Dengan cara yang sama maka di dapat datasebagai berikut :
Tabel 4.6 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 30° diameter saluran buang 6 cm
Putaran (rpm) ω (rad/s) Torsi (Nm) P air (watt) P turbin (watt) Efisiensi (%) 46,2 4,8356 0,001422 5,359375 0,006878 0,128343
11,5 1,203667 0,355613 5,359375 0,530768 9,903548
1,2 0,1256 0,44096 5,359375 0,058064 1,083418
0 0 0,462296 5,359375 0 0
4.2.2 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 60°
Pair= ṁv Pair= . , . , �� = 10.648 watt
Misalkan pada torsi 0,355613 Nm ω = 2 �
ω = 2 , ω = 4,4274 rad/s
Maka daya turbin;
PT = T . ω
= 1,574439 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
�� = ,
. x 100 %
�� = 14,78624 %
Tabel 4.7 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 60° diameter saluran buang 6 cm
Putaran (rpm) ω (rad/s) Torsi (Nm) P air (watt) P turbin (watt) Efisiensi (%) 53,3 5,578733 0,002845 10,648 0,015871 0,149051
42,3 4,4274 0,355613 10,648 1,574439 14,78624
18,5 1,936333 0,711225 10,648 1,377169 12,93359
4,2 0,4396 1,066838 10,648 0,468982 4,404412
0 0 1,102399 10,648 0 0
4.2.3 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 90°
Pair= ṁv Pair= . , . , �� = 18.609625 watt
Misalkan pada torsi 0,711225 Nm ω = 2 �
ω = 2 ,
ω = 3,2028 rad/s
PT = T . ω
= 0,711225 Nm . 3,2028 rad/s = 2,277911 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
�� = ,
. x 100 %
�� = 12,2405 %
Tabel 4.8 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 90°diameter saluran buang 6 cm
Putaran (rpm)
ω (rad/s)
Torsi (Nm)
P air (watt)
P turbin (watt)
Efisiensi (%) 54,7 5,725267 0,003556 18,60963 0,02036 0,109404
44,6 4,668133 0,355613 18,60963 1,660047 8,920365
30,6 3,2028 0,711225 18,60963 2,277911 12,2405
7,6 0,795467 1,066838 18,60963 0,848634 4,560187
2,1 0,2198 1,351328 18,60963 0,297022 1,596065
4.3 PERHITUNGAN EFISIENSI TURBIN VORTEX DENGAN
MENGGUNAKAN SUDU 1 PADA DIAMETER SALURAN BUANG 7
CM (BUKAAN KATUP 30°, 60°, DAN 90°) DENGAN KETINGGIAN
0,1 CM DARI DASAR CASING.
Kapasitas Aktual pada saluran buang 5,5 cm dengan variasi bukaan katup 30°, 60°, dan 90°
Bukaan katup 30° Q = 0,0035� ⁄
Bukaan katup 60° Q = 0,0044 � ⁄
Bukaan katup 90° Q = 0,0053� ⁄
4.3.1 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 30°
Pair = ṁv Pair = . , . , �� = 5.359375 watt
Misalkan pada torsi 0,355613 Nm ω = 2 �
ω = 2 ,
ω = 1,423467 rad/s
Maka daya turbin;
PT = T . ω
= 0,355613 Nm . 1,423467 rad/s = 0,506203 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah :
�� = 9,445179 %
[image:70.595.144.477.208.352.2]Dengan cara yang sama maka di dapat datasebagai berikut ;
Tabel 4.9 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 30°diameter saluran buang 7 cm
Putaran (rpm) ω (rad/s) Torsi (Nm) P air (watt) P turbin (watt) Efisiensi (%) 48,3 5,0554 0,000711 5,359375 0,003596 0,067089
13,6 1,423467 0,355613 5,359375 0,506203 9,445179
2,2 0,230267 0,476521 5,359375 0,109727 2,047381
0 0 0,497858 5,359375 0 0
4.3.2 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 60°
Pair = ṁv Pair = . , . , �� = 10.648 watt
Misalkan pada torsi 0,355613 Nm ω = 2 �
ω = 2 ,
ω = 3,9564 rad/s
Maka daya turbin;
PT = T . ω
= 1,406945 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
�� = ,
. x 100 %
�� = 13,21324 %
Tabel 4.10 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 60°diameter saluran buang 7 cm
Putaran (rpm) ω (rad/s) Torsi (Nm) P air (watt) P turbin (watt) Efisiensi (%) 58,6 6,133467 0,001422 10,648 0,008725 0,081936
37,8 3,9564 0,355613 10,648 1,406945 13,21324
3,6 0,3768 0,711225 10,648 0,26799 2,516807
0 0 1,13796 10,648 0 0
4.3.3 EFISIENSI TURBIN VORTEXBUKAAN KATUP 90°
Pair = ṁv Pair = . , . , �� = 18.609625 watt
Misalkan pada torsi 0,711225 Nm ω = 2 �
ω = 2 ,
ω = 3,2656 rad/s Maka daya turbin;
PT = T . ω
= 2,322576 watt
Sehingga Efisiensi Turbin adalah
�� = ,
. x 100 %
[image:72.595.141.477.268.470.2]�� = 12,48051 %
Tabel 4.11 Hasil perhitungan percobaan pada bukaan 90°diameter saluran buang 7 cm
Putaran (rpm)
ω (rad/s)
Torsi (Nm)
P air (watt)
P turbin (watt)
Efisiensi (%) 60,8 6,363733 0,002134 18,60963 0,013578 0,072963
46,9 4,908867 0,355613 18,60963 1,745654 9,380384
31,2 3,2656 0,711225 18,60963 2,322576 12,48051
8,2 0,858267 1,066838 18,60963 0,915631 4,920202
2,3 0,240733 1,42245 18,60963 0,342431 1,840075
0 0 1,493573 18,60963 0 0
4.4 SEGITIGA KECEPATAN PADA TURBIN VORTEX
Gambar 4.1 Segitiga kecepatan turbin vortex.
Dimana pada segitiga aliran masuk:
AC = V = kecepatanabsolut air memasukisudu BC = Vr = kecepatanrelatif air memasukisudu EC = Vf = kecepatanaliranmemasukisudubergerak AB = v = kecepatan linier sudu yang bergerak
AE = Vw = kecepatanpusarpadasisimasuksudu yang bergerak α = sudutantara air dansudu yang memasukisudu
β = sudutantarakecepatanrelatifdengansudu
Pada segitiga aliran keluar : HF = Vr1
HG = V1 HD = Vf1
Pada sudu 3,bukaan 60°, saluran buang 7 cm dan ketinggian 0,1 cm dari dasar casing.
Dik : Dturbin = 0,289 m
Pair = 10,6 watt
n = 126,5 rpm
Kecepatanaliranmasuk (V) = 2,2 m/s α = 49°
Dari segitiga masuk :
sin 49 ° = Vf V
0,75 = Vf ,
Vf = 2,2 . 0,75 Vf = 1,66 m/s
tan 49 ° = � �
Vw = , ,
Vw = 1,44 m/s
Vr =π. D . n
= , . , . ,
= 1,91 m/s
sin β = Vf
Vr
= ,
,
Dari segitiga keluar : Vr= Vr1
Lengkungsudu = 31° sehingga ɸ = 59°
sehingga dapat digambarkan segitiga keluarnya:
Dari segitiga keluar : Vr= Vr1 = 1,91 m/s
sin 59° = Vf
Vr
Vf1 = 1,91 . 0,857 Vf1 = 1,63 m/s
tan 59° = Vf v
v = ,,
v = ,9 m/s
Dari analisa segitiga kecepatan keluar dan masuk didapat gaya yang terjadi pada sudu.
Dari segitiga masuk :
= 4,4 . 2,2 = 9,68 N
Energi air yang diberikan terhadap sudu : = �
= . , . ,
= 10,6 joule = 10,6 watt Daya yang dihasilkan turbin = 4,7 watt Dari segitiga keluar :
Pada saat air meninggalkan sudu V1 = 0,97 m/s Energi air yang keluar :
= �
= . , . .9
4.5 GRAFIK PERBANDINGAN HASIL PENGUJIAN TURBIN VORTEX
MENGGUNAKAN SUDU 1, SALURAN BUANG 5,5 CM PADA
BUKAAN KATUP 30°, 60° DAN 90° DENGAN KETINGGIAN 0,1 CM
DARI DASAR CASING.
[image:77.595.128.492.225.456.2]4.5.1 Pebandingan Efisiensi Turbin dengan Torsi
Gambar 4.28Grafik Efisiensi vs Torsi pada bukaan 30°, 60°dan 90°
Dari gambar 4.28 Efisiensi Turbin vs Torsi di dapat perbandingan antara efisiensi
dengan torsi pada bukaan 30°, 60° dan 90°. Dari grafik di atas di dapat data bahwa
efisiensi maksimum pada percobaan turbin vortex mengunakan saluran buang 5,5
pada bukaan 60° sebesar 10,66147 %.
0 2 4 6 8 10 12
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
E fi si e n si Tu rb in ( % )
