TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Mencapai Derajat Strata-1 Pada Prodi Teknik Mesin Fakultas Teknik
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh:
ADITYA YOGA PRATAMA 20110130082
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
ii
KAJIAN EKSPERIMENTAL KINERJA BLOWER ANGIN SENTRIFUGAL YANG DIGUNAKAN SEBAGAI TURBIN AIR
Disusun Oleh:
ADITYA YOGA PRATAMA 20110130082
Telah Depertahankan Di Depan Tim Penguji Pada Tanggal xx Desember 2016
Susunan Tim Penguji: Dosen Pembimbing I
Tito Hadji Agung S., S.T., M, T. NIK.19720222200310 123 054
Dosen Pembimbing II
Thoharudin, S.T., M.T. NIK.19870410201604 123 097 Penguji
Dr. Harini Sosiati NIK.19591220201510 123 088
Tugas Akhir ini Telah dinyatakan sah sebagai salah satu persyaratan Untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
Tanggal xx Desember 2016 Mengesahkan
Ketua Program Studi Teknik Mesin
iii Saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Aditya Yoga Pratama NIM : 20110130082
Menyatakan dengan sesungguhnya bahwa Tugas Akhir yang berjudul: kajian eksperimental kinerja blower angin yang digunakan sebagai turbin air adalah benar-benar hasil karya sendiri, kecuali jika disebutkan sumbernya dan belum pernah diajukan pada instansi manapun, serta bukan karya jiplakan. Saya bertanggung jawab atas keabsahan dan kebenaran isinya sesuai dengan sikap ilmiah yang harus dijunjung tinggi.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya, tanpa adanya tekanan dan paksaan dari pihak manapun serta bersedia mendapat sanksi akademik bila ternyata dikemudian hari pernyataan ini tidak benar.
Yogyakarta, xxDesember 2016 Yang menyatakan
iv
merupakan contoh potensi air yang belum termanfaatkan sepenuhnya. Hal ini dikarenakan adanya beberapa kendala seperti tidak adanya turbin skala piko di pasaran juga kurangnya pengetahuan masyarakat mengenai turbin air. Pemanfaatan energi piko hidro menjadi energi mekanik dapat dilakukan dengan beberapa cara seperti pembuatan kincir air maupun pembuatan turbin air. Pemanfaatan energi piko hidro menggunakan turbin harus mudah dan murah dalam pembuatan dan perawatanya, namun untuk menghasilkan efisiensi tinggi menjadi tantangan dalam pengembangannya. Blower angin sentrifugal yang dimodifikasi untuk difungsikan sebagai turbin air diharapkan dapat menjadi alternatif dalam pengembangan turbin air skala piko.
Penelitian ini dilakukan dengan beberapa modifikasi pada blower angin, sehingga dapat digunakan untuk memanfaatkan energi piko hidro yang ada. Beberapa modifikasi yang dilakukan meliputi: melepas motor penggerak, pembuatan poros, membalik dan memotong penguat sudu pada impeller, juga membuat penutup pada lubang pada dan pemasangan seal bearing pada spiral case. Pengambilan data peformansi turbin menggunakan dynamometer sabuk rem dengan variasi bukaan katup untuk besar debit suplai turbin. Besar variasi bukaan katup meliputi 1/3, 1/2, 3/4 dan 1(penuh). Parameter yang diambil dari penelitian ini adalah besar debit yang digunakan, besar gaya pada turbin, juga kecepatan putar poros turbin. Dari parameter tersebut dapat dihitung besar torsi dan daya yang dihasilkan untuk mengetahui kinerja turbin.
v Assalamu’alaikum WR. WB.
Alhamdulillah, segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan hidayah dan karunianya sehingga dapat tersusunnya tugas akhir ini sesuai yang diharapkan dan terlaksana dengan baik. Hanya dengan ijin-Nya, segala urusan yang rumit menjadi mudah.
Tugas akhir ini mencakup penggunaan pemanfaatan energi potensial yang diperoleh dari aliran air. Dalam proses penyusunan tugas akhir ini, banyak kendala baik teknis maupun nonteknis yang penyusun alami, namun hal tersebut tidak menyurutkan langkah penyusun dalam menyelesaikan tugas akhir. Penyusun menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna baik dari segi materi maupun metodologinya. Oleh karena itu kritik dan saran yang konstruktif sangat diharapkan guna penyempurnaan tugas akhir ini bagi penyusun lebih lanjut dan mendalam pada masa-masa yang akan datang.
Dari proses awal hingga akhir penyusunan tugas akhir ini, banyak pihak yang telah memberikan dukungan, untuk itu penyusun tidak lupa menyampaikan ucapan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dan berpartisipasi dalam penyusunan tugas akhir ini.
1. Bapak Novi Caroko S.T., M.Eng., selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
2. Bapak Muhammad Tito Hadji Agung S, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing I yang telah memberikan arahan dan bimbingan tugas akhir. 3. Bapak Thoharudin, S.T., M.T., selaku Dosen Pembimbing II yang telah
memberikan arahan dan bimbingan tugas akhir.
vi
senantiasa selalu mendoakan, memberikan dorongan semangat, kasih sayang, dengan penuh kesabaran dan tanpa henti.
7. Teman-teman Teknik Mesin angkatan 2011 yang telah memberi dorongan, masukan dan semangat selama penelitian.
8. Semua pihak yang telah banyak membantu penyusun dalam menyelesaikan tugas akhir, yang tak dapat penyusun sebutkan semua satu per satu.
Karena keterbatasan dalam pengetahuan dan pengalaman, penyusun menyadari bahwa terdapat banyak kekurangan dalam tugas akhir ini. Maka kritik dan saran dari anda sangat diharapkan untuk pengembangan selanjutnya. Besar harap sekecil apapun informasi yang ada dibuku ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Wassalamu’alaikum Warahmaullahi Wabarakatu.
Yogyakarta, xxDesember 2016 Penyusun,
vii
HALAMAN JUDUL ... i
HALAMAN PENGESAHAN UJIAN PENDADARAN ... ii
HALAMAN PERNYATAAN ... iii
INTISARI ... iv
1.3. Batasan Masalah... 3
1.4. Tujuan ... 3
1.5. Manfaat ... 3
1.6. Metode Penelitian... 3
BAB II TINJUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ... 5
2.1. Tinjauan Pustaka ... 5
2.2. Dasar Teori ... 7
2.2.1. Energi ... 7
2.2.2. Mesin-mesin Fluida ... 7
2.2.3. Potensi Energi Air ... 8
2.2.4. Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro (PLTPH) ... 9
2.2.5. Turbin Air ... 9
2.2.6. Performasi Turbin Air ... 13
2.2.7. Blower Angin Sentrifugal ... 20
2.2.8. Dynamometer ... 22
BAB III METODE PENELITIAN ... 26
3.1. Bahan dan Alat ... 26
3.3.1. Bahan Penelitian ... 26
viii
3.5. Persiapan Penelitian ... 35
3.6. Rencana Analisis Data ... 35
3.7. Tahap Pengujian ... 36
3.8. Parameter yang digunakan dalam Perhitungan ... 37
3.9. Metode Pengujian... 37
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 38
4.1 Hasil Analisa ... 38
4.2 Hasil Penelitian ... 38
4.3 Perhitungan dan Pengamatan ... 39
4.4. Pembahasan ... 41
4.5. Perbandingan dengan studi lainnya ... 44
BAB V PENUTUP ... 46
5.1 Kesimpulan ... 46
5.2 Saran ... 46
DAFTAR PUSTAKA ... 47
ix
Gambar 2.1 Turbin Pelton ... 11
Gambar 2.2 Runner dan Bucket Turbin Pelton... 11
Gambar 2.3 Turbin Francis ... 12
Gambar 2.4 Runner Turbin Reaksi ... 13
Gambar 2.5 Turbin Aliran Radial Masuk ... 16
Gambar 2.6 Turbin Aliran Radial Keluar ... 16
Gambar 2.7 Turbin Aliran Aksial ... 17
Gambar 2.8 Turbin Aliran Campur ... 17
Gambar 2.9 Grafik perbandingan kecepatan putar dengan debit ... 19
Gambar 2.10 Grafik perbandingan daya dengan kecepatan putar ... 19
Gambar 2.11 Grafik perbandingan efisiensi dengan kecepatan putar ... 20
Gambar 2.12 Backward curve blade (blower sentrifugal) ... 22
Gambar 2.13 Prinsip kerja dynamometer ... 22
Gambar 2.14 Skema Dynamometer (Rem Tali) ... 25
Gambar 3.1 Skema Alat uji daya dan torsi ... 26
Gambar 3.2 Pipa Instalasi ... 27
Gambar 3.3 Liquid flow meter ... 27
Gambar 3.4 Stop Valve 2” ... 27
Gambar 3.5 Tacho Meter ... 28
Gambar 3.6 Dynamometer ... 28
Gambar 3.7 Turbin Air Hasil Modifikasi ... 29
Gambar 3.8 Laptop ... 29
Gambar 3.9 Arduino Uno ... 30
Gambar 3.10 Stop watch ... 30
Gambar 3.11 Meteran ... 30
Gambar 3.12 Busur ... 31
Gambar 3.13 Alat Penelitian ... 31
Gambar 3.14 Diagram Alir Penelitian ... 32
Gambar 3.15 Rotor dan Stator Motor Listrik Blower Angin ... 33
x
(b) Poros baru Turbin ... 33
Gambar 3.18 Penutup Lubang ke Ruang Motor Penggerak ... 34
Gambar 3.19 Seal Bearing Pompa Air Panasonic 125 ... 34
Gambar 3.20 Belik (Pemandian Mata Air) ... 34
Gambar 4.1 Proses Pengambilan Data ... 38
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Debit dengan Kecepatan Putar ... 42
Gambar 4.3 Grafik Hubungan Daya dengan Kecepatan Putar ... 43
xi
Tabel 2.1 Perbedaan Turbin Impuls dengan turbin Reaksi ...17
Tabel 2.2 Tipe Turbin pada Kecepatan Spesifik ...18
Tabel 2.3 Tipe Turbin pada head air ...18
Tabel 4.1 Hasil Pengujian ...39
Tabel 4.2 Data Hasil Perhitungan ...41
PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Ketersediaan energi listrik sudah menjadi cerminan pembangunan setiap negara. Energi listrik merupakan kebutuhan primer dan telah hampir menyamai tingkat kebutuhan terhadap sandang, pangan dan papan. Hal ini disebabkan oleh pesatnya teknologi yang beroperasi menggunakan energi listrik. Karenanya, setiap negara berlomba untuk membangun pembangkit tenaga listrik yang sesuai kondisi geografis dan sumber daya alam yang tersedia. Indonesia sebagai negara yang berada pada garis khatulistiwa dan beriklim tropis memiliki cadangan hutan yang berlimpah yang menyediakan mata air/sumber air yang membentuk danau, dan sungai yang mengalirkan air sepanjang tahun. Kondisi topografi Indonesia yang bergunung dan berbukit membuat aliran air memiliki tinggi jatuh air rendah namun berkapasitas debit sedang. Jadi, pengembangan turbin dengan head rendah (low head) atau head sangat rendah (ultra low head) sangat cocok dikembangkan di Indonesia. Hal tersebut merupakan sumber energi potensial yang dapat dimafaatkan sebagai pembangkit listrik tenaga piko hidro (PLTPH).
Komposisi penggunaan energi di Indonesia masih sangat didominasi energi yang berasal dari fosil, yaitu sebanyak 95%. Dan energi air (hydropower) masih hanya menyumbang 3,4%. Sementara potensi energi air di Indonesia cukup besar. Energi air kapasitas besar memiliki potensi 75,67GW sementara yang sudah dimanfaatkan sebesar 4,2 GW atau hanya 5,55%. Energi air kapasitas kecil mempunyai potensi 458,75 MW, sementara yang sudah dimanfaatkan 86 MW atau hanya 17,22% (Ambarita, 2011). Pemandian mata air belik yang berada di Tempuran, Kasihan, Bantul adalah salah satu contoh potensi tenaga air yang masih belum dimanfaakan. Kondisi terjunan air setinggi 3 meter dengan air yang tak pernah kering meskipun musim kemarau sangat memungkinkan di gunakan sebagai pembangkit listrik tenaga piko hidro (PLTPH). Hal ini dapat membantu program pemerintah untuk pemanfaatan energi terbarukan dalam peraturan
presiden (Perpres) No. 4 Tahun 2016 tentang percepatan pembangunan infrastruktur ketenagalistrikan, yang baru saja diteken pada akhir Januari lalu.
Beberapa keunggulan pembangkit listrik tenaga piko hidro (PLPH) adalah terjaminnya ketersediaan listrik tanpa batasan waktu selama intensitas aliran air dapat dipertahankan sesuai kebutuhan turbin/pembangkit, juga tidak menimbulkan polusi sehingga aman bagi lingkungan. Turbin air merupakan salah satu mesin konversi energi yang mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik, dan dapat dikonversikan lagi menjadi energi listrik dengan menggunakan generator. Namun pembuatan turbin yang merupakan peralatan vital dalam pembangkit listrik tenaga air cukup rumit dan mahal. Kendala lain yang dihadapi masyarakat untuk memanfaatkan potensi energi air adalah mahalnya turbin skala piko di pasaran, juga pengetahuan masyarakat tentang teknologi turbin air yang sangat rendah. Oleh karena itu, perlu dimanfaatkan teknologi lain yang lebih praktis dan murah yang dapat diterapkan untuk mengolah potensi energi air. Dari permasalahan di atas dapat digunakan sebagai rujukan dalam pengembangan jenis turbin air yang dapat beroperasi maksimal, pada head sangat rendah dengan kapasitas debit sedang.
kelangkaan turbin air skala piko di pasaran sekaligus mendorong pemanfaatan potensi energi air yang lebih baik.
1.2. Rumusan Masalah
Rumusan masalah pada penelitian ini untuk menyelidiki kemampuan blower angin sentrifugal yang digunakan sebagai turbin air dan mengkaji kinerja yang dihasilkan. Hal ini ditujukan untuk memanfaatkan banyaknya potensi energi air yang ada.
1.3.Batasan Masalah
Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah :
1. Uji coba yang dilakukan dengan mengabaikan besar rugi-rugi gesekan. 2. Tinggi terjunan (head) diasumsikan konstan = 3 meter.
3. Modifikasi pada blower tidak dalam bentuk perhitungan dan desain ulang. 4. Hasil dari pengujian tidak dalam bentuk daya listrik (daya poros turbin).
1.4.Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah :
1. Memodifikasi pada blower angin sentrifugal agar dapat digunakan sebagai turbin air.
2. Mengkaji besar kinerja yang dihasilkan dari turbin air.
1.5. Manfaat
Manfaat yang dapat diambil dari hasil penelitian ini adalah:
1. Dapat menjadi alternatif kelangkaan turbin air skala piko di pasaran. 2. Mendorong pemanfaatan potensi energi air yang ada.
3. Hasil penelitian ini dapat digunakan sebagai acuan dalam pengembangan penelitian selanjutnya.
Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu:
1. Studi Literatur
Sebagai landasan dalam melakukan sebuah penulisan, diperlukan teori penunjang yang memadai, baik mengenai ilmu dasar, metode penelitian, teknik analisis, maupun teknik penulisan. Teori penunjang ini dapat diperoleh dari buku pegangan, jurnal ilmiah baik nasional maupun internasional, dan media online.
2. Pelaksanaan Penelitian
Pada tahap ini dilakukan pengujian modifikasi blower angin yang akan digunakan sebagai turbin air skala piko.
3. Simulasi dan Hasil Penelitian
TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Tinjauan Pustaka
Energi listrik yang disediakan oleh perusahaan listrik Negara (PLN), masih belum dirasakan secara menyeluruh oleh masyarakat terutama masyarakat pedesaan yang terpencil. Besarnya investasi yang dikeluarkan untuk memenuhi kebutuhan listrik di daerah yang terpencil, juga pemakaian lisrik yang tidak sebesar daerah perkotaan mengakibatkan pembangunan instalasi listrik kurang diminati oleh para investor. Karena kurang menguntungkannya pada unit bisnis pembangkit listrik, dareah terpencil hingga kini menjadi dampak kurang meratanya pembagian listrik. Namun, karena listrik untuk saat ini sudah menjadi kebutuhan mendasar, maka diperlukan upaya untuk memenuhinya.
Banyak saat ini seperti lembaga suwadaya masyarakat, perkumpulan warga, maupun perseorangan yang sudah berusaha membuat pembangkit listrik tenaga piko hidro (PLTPH) menggunakan kincir air maupun modifikasi alat sebagai turbin air. Mahal dan langkanya turbin skala piko di pasaran, juga pengetahuan masyarakat tentang teknologi turbin air sangat rendah, menjadi kendala perkembangan pemanfaatan potensi piko hidro. Oleh karenanya, untuk memenuhi kebutuhan enegi listrik masyarakat tersebut perlu dibuatkan turbin skala piko dengan biaya yang terjangkau juga dalam pembuatan, instalasi dan perawatannya mudah. Saat ini pengembangan turbin air skala piko terus dilakukan guna memperoleh kinerja yang optimal.
Beberapa peneliti sebelumnya telah melakukan penelitian tentang turbin air skala piko, dengan menggunakan pompa air yang digunakan sebagai turbin air. Variasi yang digunakan dalam pengujian ini adalah head dan beban mekanik (Suwoto, 2012). Dari penelitian ini menghasilkan efisiensi sebesar 21,98% dengan daya yang dihasilkan sebesar 144,876 watt pada n = 1315 rpm, Q = 204 lpm, dan H = 23 meter. Beberapa modifikasi yang dilakukan pada penelitian ini meliputi: merubah sudut, memperlebar, dan memperbanyak jumlah sudu pada impelernya.
Penelitian ini menggunakan bantuan pompa yang dirangkai secara seri dan paralel sebagai inputnya.
Situmorang dkk (2014) juga melakukan penelitian yang serupa dengan menggunakan pompa air Type Ps -128 BIT. Daya maksimum yang dihasilkan sebesar 12 watt pada Q = 37 lpm, H = 18 meter, dan n = 1080 rpm. Penelitian ini menggunakan variasi head dan debit sebagai variasi pada pengambilan data. Pemanfaatan 4 buah pompa yang dirangkai secara seri dan paralel digunakam untuk menggerakkan turbin dan mendapatkan variasi input data tersebut.
Penelitian yang dilakukan untuk mengkaji perbandingan 2 pompa air yang digunakan sebagai turbin air juga telah dilakukan oleh Francesco (2016). Variasi yang digunakan dalam pengujian ini adalah debit dan head air. Hasil penelitian pada pengujian satu turbin menunjukkan bahwa daya listrik maksimum yang dapat dihaasilkan sebesar 40 Watt berada pada Q = 246,67 lpm, H = 39 meter, dan n = 2899,8 rpm, dengan Efisiensi maksimum yang dihasilkan sebesar 2,54%.
Potensi energi air dapat dimanfaatkan dengan cara mengubah energi tersebut kedalam bentuk energi mekanik. Energi mekanik kemudian digunakan untuk menggerakan beban seperti generator listrik, pompa dan lain-lain. Alat yang dapat digunakan untuk mengubah energi potensial air menjadi energi mekanik biasa dikenal dengan kincir air atau turbin air. Turbin air merupakan alat konfersi energi pada mesin-mesin fluida pada golongan mesin-mesin kerja.
2.2. Dasar Teori 2.2.1. Energi
Energi adalah kemampuan untuk melakukan suatu tindakan atau pekerjaan (usaha). Berdasarkan hukum kekekalan energi, dapat ditarik kesimpulan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Energi hanya dapat dirubah bentuknya dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Oleh karena itu jumlah total energi dalam suatu sistem hanya akan berubah ketika masuk atau keluarnya suatu energi. Beberapa energi juga dapat dibagi sesuai bentuk energi tersebut (Prasodjo, 2006), meliputi :
a. Energi Mekanik
Energi mekanik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena sifat geraknya.Energi mekanik = energi potensial + energi kinetik.
1. Energi potensial, yaitu energi yang dimiliki suatu atau fluida karena posisi atau kedudukannya, artinya saat benda tersebut diam pada posisi tertentu. 2. Energi kinetik adalah energi yang dimiliki suatu benda karena pergerakan
atau kelajuannya.
b. Energi bunyi adalah energi yang dihasilkan oleh getaran partikel-partikel udara di sekitar sumber bunyi.
c. Energi panas (kalor) adalah energi yang terjadi karena pergerakan internal partikel penyusun dalam suatu benda.
d. Energi cahaya, yaitu energi yang dihasilkan oleh gelombang elektro magnetik.
e. Energi kimia adalah energi yang dihasilkan karena adanya interaksi secara kimia dari reaksi kimia yang terjadi.
f. Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan dari reaksi inti oleh bahan radioaktif.
2.2.2. Mesin-mesin fluida
uap, dan gas. Berdasarkan pengertian di atas maka secara umum mesin–mesin fluida dapat digolongkan dalam dua golongan yaitu :
a. Golongan mesin-mesin kerja, yaitu berfungsi untuk merubah energi mekanis menjadi energi fluida, contohnya : pompa, blower, compressor, dan lain-lain. b. Golongan mesin-mesin tenaga yang berfungsi untuk merubah energi fluida
menjadi energi mekanis seperti : turbin air, turbin uap, kincir angin, dan lain-lain.
2.2.3. Potensi Energi Air
Potensi tenaga air dan pemanfaatannya pada umumnya sangat berbeda jika dibandingkan dengan penggunaan tenaga lain. Sumber tenaga air merupakan sumber yang dapat diperbaharui. Potensi secara keseluruhan tenaga air relatif kecil dibandingkan dengan jumlah sumber bahan bakar fosil. Untuk menetukan pemakaian suatu potensi sumber tenaga air, ada tiga faktor utama yang harus diperhatikan yaitu jumlah air yang tersedia, tinggi jatuh air yang dimanfaatkan, dan jarak lokasi (Mahyuzal, 2013).
Berdasarkan output yang dihasilkan, pembangkit listrik tenaga air dibedakan atas :
6. Piko-hidro : daya yang dikeluarkan </=5kW
Pembangkit listrik tenaga air skala piko merupakan pembangkit listrik yang menghasilkan keluaran daya listrik tidak lebih dari 5 kW. Pembangkit ini memiliki beberapa keunggulan, seperti :
1. Biaya pembuatannya relatif murah.
2. Bahan-bahan pembuatannya mudah ditemukan di pasaran. 3. Ramah lingkungan karena tidak menggunakan bahan bakar fosil.
5. Perkembangan teknologinya relatif masih sedikit, sehingga cocok digunakan dalam jangka waktu yang lama.
6. Tidak membutuhkan perawatan yang rumit dan dapat digunakan cukup lama. 7. Ukurannya yang kecil, cocok digunakan untuk daerah pedesaan yang
belum terjangkau jaringan aliran listrik PLN.
2.2.4. Pembangkit Listrik Tenaga Piko Hidro (PLTPH)
Sistem tenaga piko hydro merupakan pembangkit listrik tenaga air yang menghasilkan pembangkit listrik maksimum 5 kW dan biasanya ditemukan di daerah pedesaan dan perbukitan (Zainuddin dkk, 2009). Piko hidro memiliki 3 komponen utama (Nugraha dkk, 2013), yaitu :
a. Aliran air, merupakan komponen utama yang digunakan untuk menggerakkan turbin.
b. Turbin, merupakan komponen yang mengubah energi potensial pada air menjadi daya mekanikal.
c. Generator, merupakan suatu mesin yang mampu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.
2.2.5. Turbin Air
Turbin merupakan mesin penggerak, dimana fluida yang digunakan langsung untuk memutar turbin. Bagian roda turbin yang berputar dinamakan rotor (runner) atau roda turbin, sedangkan bagian yang tidak berputar dinamakan
aliran air, uap air, atau gas. Jika fluida yang digunakan air maka disebut turbin air (Arismunandar, 1997).
Turbin air merupakan pengembangan dari kincir air yang dipergunakan orang berabad-abad yang lampau. Penggunaan turbin air yang paling umum adalah sebagai penggerak untuk pembangkit tenaga listrik, dimana dalam hal ini poros turbin dihubungkan dengan generator untuk menghasilkan daya listrik.
Bila dibandingkan dengan penggunaan berbagai jenis mesin pembangkit tenaga lain, maka pengguanan turbin mempunyai keuntungan keuntungan antara lain :
1. Konstruksinya relatif sederhana.
2. Waktu operasi relatif lama, biaya oprasi murah sehingga menguntungkan untuk pemakaian yang lama.
3. Tidak menyebabkan pencemaran lingkungan.
Sedangkan kekurangan pada penggunaan turbin air adalah :
1. Biaya investasi awal relatif mahal, karena mengguanakan sarana pembantu antaralain : bangunan, waduk, sistem pengaturan, dan sebagainya.
2. Hanya dapat digunakan pada daerah yang mempunyai potensi sumber tenaga air.
Berdasarkan prinsip kerja turbin (perubahan momentum fluida kerja) tubin air dibedakan menjadi 2 (Khurmi, 1977) antara lain:
1. Turbin Impuls
Pada turbin impuls seluruh energi air yang tersedia mula-mula diko nversi menjadi energi kinetik dengan melewatkan air melalui nosel yang dijaga dekat dengan runner. Air masuk wheel dalam bentuk semburan (jet) yang menumbuk bucket. Semburan (jet) air menumbuk bucket dengan kecepatan tinggi & sesudah
mengalir melewati sudu, air keluar dengan kecepatan rendah (energi diberikan ke runner). Tekanan air (pada sisi masuk & sisi keluar sudu) adalah sama, yaitu
Turbin Pelton adalah turbin impuls yang digunakan untuk head yang tinggi.
Berikut skema dari suatu turbin Pelton :
Gambar 2.1 Turbin Pelton (Khurmi, 1977) Bagian –bagian pada turbin Pelton meliputi :
1. Nozzle
Nosel adalah suatu mekanisme pengarah yang mengarahkan aliran air pada
arah yang dirancang & juga mengatur aliran air.
2. Runner dan Buckets
Runner dari turbin Pelton terdiri dari suatu piringan sirkular yang
ditempatkan pada poros horisontal. Pada keliling runner, sejumlah bucket dipasangkan secara seragam.
Gambar 2.2 Runner dan Buckets Turbin Pelton (Khurmi, 1977)
3. Casing
4. Braking Jet
Saat turbin harus berhenti, maka nosel ditutup. Namun runner masih berputar karena inersia (kelembamannya). Supaya runner dapat berhenti pada waktu yg cepat maka diperlukan suatu nosel yg menyemburkan jet air pada sisi belakang bucket yg bertindak sebagai rem untuk mereduksi kecepatan putar runner.
2. Turbin Reaksi
Pada turbin reaksi, air masuk turbin dalam kondisi bertekanan & mengalir melalui sudu-sudu. Head tekanan dari air saat mengalir melalui sudu-sudu turbin dikonversi menjadi head kecepatan & akhirnya tekanannya turun hingga tekanan atmosfer pada sisi keluar turbin. Kelompok turbin reaksi meliputi : turbin Francis, turbin Propeler/Kaplan, dan Pump As Turbine (PAT)
Turbin francis merupakan turbin reaksi yang mampu beroprasi pada head debit rendah hingga besar. Turbin francis adalah turbin reaksi aliran inward yang mempunyai debit radial pada outlet. Turbin ini adalah turbin pertama (turbin reaksi jenis aliran inward) yang dirancang oleh Francis.
Gambar 2.3 Turbin Francis (Khurmi, 1977)
Tinggi (atau panjang) runner tergantung pada kecepatan spesifiknya. Turbin
francis yang mempunyai kecepatan spesifik yang tinggi mempunyai runner yang
data-data lain yang digunakan pada turbin reaksi aliran inward & outward digunakan juga untuk mendesain turbin francis.
Berikut komponen utama dari suatu turbin reaksi : 1. Penstock
Penstock adalah suatu pipa air yang digunakan untuk mengalirkan air dari
reservoar air ke casing turbin.
2. Casing Spiral
Air dari penstock dialirkan disaluran pengarah (guide ring) dalam suatu casing. Casing ini dirancang sedikian rupa sehingga luas penampangnya maksimum pada sisi masuk & minimum pada sisi keluar sehingga bentuk dari casing adalah spiral.
3. Mekanisme Guide
Sudu pengarah (guide vane) yaitu sudu-sudu yang diletakkan pada wheel yang tetap yang ada di antara 2 wheel yang berputar. Wheel yang yang berisi sudu-sudu tetap ini dipasang pada spiral casing.
4. Turbine Runner
Runner dari turbin reaksi terdiri dari sudu-sudu runner (runner blade) yang
tetap ke suatu poros atau ring tergantung pada tipe turbin.
Gambar 2.4 Runner Turbin Reaksi (Khurmi, 1977)
2.2.6. Performasi Turbin Air
jarang berlangsung. Sehingga perlu meninjau ulang sifat dari variasi parameter berikut :
a. Karakteristik Turbin
Perbandingan performansi turbin yang daya keluaran dan kecepatan putar yang beroperasi pada head yang berbeda ini akan tepat dengan cara menghitung daya keluaran turbin dengan head air yang diset sama dengan 1 meter (head satuan). Ada 3 karakteristik suatu turbin pada suatu head satuan, yaitu :
1. Daya Satuan
Daya yang dihasilkan oleh suatu turbin yang bekerja pada head 1 meter dikenal sebagai Unit Power (Daya Satuan), dapat dicari dengan persamaan 2.1.
Pu = P
� / ... (2.1) Dimana : Pu = Daya yang dihasilkan turbin pada suatu head satuan
H = head air dimana turbin beroperasi. P = Daya yang dihasilkan turbin. 2. Kecepatan Satuan
Kecepatan putar turbin yang bekerja pada head 1 meter dikenal sebagai kecepatan putar satuan (unit speed) dapat dihitung dengan persamaan 2.2.
�� = √�� ... (2.2)
Dimana : Nu = Kecepatan putar turbin pada suatu head satuan H = Head air dimana turbin beroperasi
N = Kecepatan putar turbin pada suatu head air 3. Debit Satuan
Debit suatu turbin yang bekerja pada head 1 meter dikenal sebagai Debit Satuan (Unit Discharge), didapat dari persamaan 2.3.
�� = √� ... (2.3) Dimana : Qu = Debit yang melalui turbin pada suatu head satuan
b. Kecepatan Spesifik suatu Turbin
Kecepatan putar spesifik suatu turbin dapat didefinisikan sebagai kecepatan putar dari suatu turbin imajiner yang identik dengan turbin yang diberikan yang akan menghasilkan daya 1 HP pada suatu head satuan (1 meter). Kecepatan putar suatu turbin dapat dihitung dari persamaan 2.4.
�� = ��.√/ ... (2.4)
Dimana : Ns = Kecepatan putar spesifik turbin N = Kecepatan putar runner dalam rpm H = Head air dimana turbin bekerja P = Daya yang dihasilkan turbin. c. Klasifikasi Turbin Reaksi
Turbin reaksi dapat digolongkan menjadi 3 macam tergantung dari arah aliran air melalui wheel, yaitu :
1. Turbin aliran radial
Pada turbin aliran radial, aliran air dalam arah radial (sepanjang radius wheel). Turbin aliran radial dapat digolongkan menjadi 2 yaitu :
a. Turbin Aliran Radial Masuk (Inward Flow Turbine)
Gambar 2.5 Turbin Aliran Radial Masuk (Khurmi, 1977) b. Turbin Aliran Radial Keluar (Outward Flow Turbine)
Air masuk dari pusat wheel menuju sisi keliling wheel. Perlu dicatat bahwa saat beban pada turbin berkurang, akan menyebabkan poros berputar lebih cepat. Gaya sentrifugal yang naik (karena kenaikan rpm turbin) cenderung menaikkan debit air yang mengalir melalui sudu, sehingga turbin cenderung semakin cepat. Ini adalah kelemahan dari turbin reaksi aliran outward, sehingga turbin jenis ini harus diatur putarannya dengan governor.
5
Gambar 2.6 Turbin Aliran Radial Keluar (Khurmi, 1977) 2. Turbin Aliran Aksial
Gambar 2.7 Turbin Aliran Aksial (Khurmi, 1977) 3. Turbin Aliran Campur
Turbin aliran campur adalah jenis turbin dimana aliran sebagian berarah radial & sebagian berarah aksial.
Gambar 2.8 Turbin Aliran Campur d. Perbedaan antara turbin impuls dan turbin reaksi
Tabel 2.1 Perbandingan turbin Impuls dengan turbin Reaksi
No Turbin Impuls Turbin Reaksi
1.
Semua energi tersedia dari air mula-mula dikonversi menjadi energi kinetik.
Energi tersedia dari air tidak dikonversi dari 1 bentuk energi ke bentuk energi yang lainnya.
2.
Air mengalir melalui nosel & menumbuk bucket yang dipasang pada keliling wheel.
Air diarahkan dengan sudu pengarah (guide blade) ke sudu putar.
3. Air menumbuk bucket dengan energi kinetik.
Air mengalir pada sudu putar dengan energi tekanan.
4.
Tekanan air yang mengalir tetap tidak berubah & sama dengan tekanan atmosfer.
e. Pemilihan Turbin
1. Pemilihan berdasarkan kecepatan spesifik
Setelah kecepatan spesifik turbin ditentukan, jenis turbin dapat dipilih. Berikut adalah tabel yang menunjukkan tipe turbin yang dipilih untuk suatu kecepatan spesifik.
Tabel 2.2 Tipe turbin pada kecepatan spesifik
No. Kecepatan Spesifik Tipe Turbin
1. 10 s/d 35 Turbin Pelton dengan satu nosel
2. 35 s/d 60 Turbin Pelton dengan dua nosel
3. 60 s/d 300 Turbin Francis.
4. 300 s/d 1,000 Turbin kaplan
Tabel dalam satuan MKS P [HP], H [m], dan N [rpm] 2. Pemilihan berdasarkan Head dari air
Tabel 2.3 menunjukkan tipe turbin yang digunakan untuk suatu head air. Tabel 2.3 Tipe turbin pada head air.
No. Tinggi terjun air (meter) Tipe Turbin
1. 0 s/d 25 Kaplan atau Francis (diutamakan Kaplan)
2. 25 s/d 50 Kaplan atau Francis (diutamakan Francis)
3. 50 s/d 150 Francis
4. 150 s/d 250 Francis atau Pelton (diutamakan Pelton) 5. 250 s/d 300 Francis atau Pelton (diutamakan Pelton)
6. Lebih dari 300 Pelton.
No Turbin Impuls Turbin Reaksi
5.
Tidak masalah apakah turbin tercelup semua atau ada celah udara antara sudu & wheel.
Wheel harus selalu tercelup air.
6.
Air dapat mengalir pada sebagian keliling wheel atau seluruh keliling wheel.
Air melewati seluruh keliling dari wheel.
7. Dimungkinkan untuk mengatur aliran tanpa rugi-rugi aliran.
Tidak dimungkinkan untuk mengatur aliran tanpa rugi-rugi aliran.
8.
Kerja yang dilakukan hanya oleh perubahan energi kinetik dari jet air.
f. Kurva Karakteristik dari Turbin
Turbin selalu didesain & dibuat untuk beroperasi pada set data yang diberikan (atau daerah kondisi yang tertentu) seperti : debit, head air, dan daya yang dihasilkan, efisiensi, dsb. (pada kecepatan putar atau kecepatan putar satuan). Namun suatu turbin kadang dioperasikan pada kondisi di luar data perancangannya. Sehingga perlu mengetahui perilaku turbin pada kondisi yang berbeda atau bervariasi. Hal ini disajikan secara grafik dalam kurva-kurva karakteristik, berikut adalah kurva karakteristik turbin francis untuk kecepatan pada head satuan
1. Grafik Kecepatan Putar (pada head satuan) – Debit
Gambar 2.9 Grafik perbandingan kecepatan putar dengan debit (Khurmi, 1977) Kurva menunjukkan performansi suatu turbin francis (atau turbin reaksi lain). Bentuk kurva adalah parabolik yang menunjukkan bahwa debit turun seiring dengan kenaikan kecepatan putar pada head satuan.
2. Grafik Kecepatan Putar (pada head satuan) – Daya
Kurva menunjukkan performansi suatu turbin francis (atau turbin reaksi lain). Bentuk kurva adalah parabolik yang menunjukkan bahwa daya naik seiring dengan kenaikan kecepatan putar pada head satuan dan daya akan turun pada suatu kecepatan putar tertentu.
3. Grafik Kecepatan Putar (pada head satuan) – Efisiensi
Gambar 2.11 Grafik perbandingan efisiensi dengan kecepatan putar (Khurmi 1977)
Kurva menunjukkan performansi suatu turbin francis (atau turbin reaksi lain). Bentuk kurva adalah parabolik yang menunjukkan bahwa efisiensi naik seiring dengan kenaikan kecepatan putar pada head satuan dan efisiensi akan turun pada suatu kecepatan putar tertentu.
2.2.6. Blower Angin Sentrifugal
Blower adalah mesin atau alat yang digunakan untuk menaikkan atau memperbesar tekanan udara atau gas yang akan dialirkan dalam suatu ruangan tertentu, juga sebagai pengisapan atau pemvakuman udara atau gas tertentu. Bila untuk keperluan khusus, blower kadang–kadang diberi nama lain misalnya untuk keperluan gas dari dalam oven kokas disebut dengan nama exhouter. Di industry-industri kimia alat ini biasanya digunakan untuk mensirkulasikan gas-gas tertentu didalam tahap proses-proses secara kimiawi dikenal dengan nama booster atau circulator. Secara umum blower dapat diklasifikasikan menjadi dua macam yaitu :
1. Positive Diplacement Blower
pertambahan massa udara atau gas yang dipindahkan. Positive displacement blower dibagi menjadi dua tipe yaitu : slanding vane dan fleksibel vane.
a. Slanding vane
Impeller yang berputar terdapat suatu mekanisme yang dapat bergerak
slading (keluar masuk) di dalamnya dan lazim disebut vane. Karena gerakan
impeller eksentrik terhadap casing maka terjadilah perubahan ruang dimana udara
atau gas dialirkan oleh vane tersebut. Jumlah vane untuk satu blower bervariasi tergantung besarnya kapasitas dan tekanan discharger yang diharapkan.
b. Flexible vane
Pada bagian luar impeller terdapat sirip-sirip yang flexible dan karena gerakan impeller eksentrik terhadap casing maka vane akan diperoleh tekanan udara yang ada di ruang casing lalu tekanan udara atau gas itu dipindahkan keluar.
2. Sentrifugal Blower
Blower sentrifugal pada dasarnya terdiri dari satu impeler atau lebih yang dilengkapi dengan sudu-sudu yang dipasang pada poros yang berputar yang diselubungi oleh sebuah rumah casing. Udara memasuki ruang casing secara horizontal akibat perputaran poros maka ruang pipa masuk menjadi vakum lalu uadara dihembuskan keluar. Prinsip kerja ini sama dengan pompa air sentrifugal hanya saja ke fluida yang dinaikan tekanannya berupa air. Dari bentuk sudut blade impeller ada 2 jenis yaitu :
a. Forward Curved Blade
Forward curved adalah bentuk blade yang arah lengkungan bagian ujung
terpasang di atas searah dengan putaran roda. Pada forward curved terdapat susunan blade secara paralel (multi blade) keliling shroud. Karena bentuknya, maka pada jenis ini udara atau gas meninggalkan blade dengan kecepatan yang tinggi sehingga mempunyai discharge velocity yang tinggi dan setelah melalui housing scroll sehingga diperoleh energi potensial yang besar.
b. Backward Curved Blade.
didasarkan pada kecepatan sedang, akan tetapi memiliki range tekanan dan volume yang lebar sehingga membuat jenis ini sangat efisien untuk ventilator.
Gambar 2.12 Back Curved Blade (blower sentrifugal) c. Radial Blade
Didalam pemakaiannya dirancang untuk tekanan statis yang tinggi pada kapasitas yang kecil. Namun demikian perkembangan saat ini jenis bentuk radial blade dibuat pelayanan tekanan dan kecepatan putaran tinggi.
2.2.7. Dynamometer
Dinamometer, adalah suatu mesin yang digunakan untuk mengukur torsi (torque) dari tenaga yang diproduksi oleh suatu mesin, motor atau penggerak berputar lain. Dinamometer dapat juga digunakan untuk menentukan tenaga dan torsi yang diperlukan untuk mengoperasikan suatu mesin. Torsi adalah gaya putar yang dihasilkan oleh poros engkol atau kemampuan motor untuk melakukan kerja, tetapi disini torsi merupakan jumlah gaya putar yang diberikan ke suatu mesin atau motor pembakaran terhadap panjang lengannya. Meskipun banyak tipe-tipe dynamometer yang digunakan, tetapi pada prinsipnya semua itu bekerja seperti dilukiskan dalam gambar 2.13
Keterangan gambar :
r : Jari-jari rotor (m)
Wc : Beban pengimbang (kgf) f : Gaya kopel (kgf)
Prinsip kerjanya adalah rotor (A) diputarkan oleh sumber daya motor yang dites, dipasangkan secara mekanis, elektris, magnetic, hydraulic, dengan stator, dalam keadaan setimbang. Bila dalam keadaan diam maka ditambahkan sebuah beban pengimbang (Wc) yang dipasangkan pada (B) dan diengselkan pada stator. Karena gesekan yang timbul, maka gaya yang terjadi di dalam stator diukur dengan timbangan (C) dan penunjukannya merupakan beban atau muatan dynamometer.
Beberapa type dynamometer dipakai dalam pengujian keja mesin, menurut cara kerjanya dynamometer dibagi menjadi 3 macam yaitu :
a. Dynamometer penggerak
Dynamometer ini berfungsi sebagai pengukur daya input suatu alat dan
sekaligus mengeluarkan daya untuk alat tersebut. Dynamometer ini dibuat dalam bentuk motor-generator.
b. Dynamometer Transmisi
Dynamometer transmisi digunakan untuk mengukur daya yang sulit
dilsanakan dengan cara biasa, pemasangannya bisa digunakan dengan cara meletakkan pada bagian mesin atau di antara dua buah mesin dan daya yang diukur adalah daya setempat juga biasanya daya ini dimanfaatkan sebagai energi mekanis atau energi listrik
c. Dynamometer Absorbsi
Alat ini menyerap daya pada motor bakar, motor listrik, dan sebagainya kemudian disebarkan kesekelilingnya dalam bentuk panas. Dynamometer arbsorbsi dibagi menjadi 4 macam yaitu :
1. Dynamometer Listrik
a. Dynamometer Arus Pusaran (eddy current dynamometer)
Dynamometer ini terdiri dari suatu rotor yang digerakkan oleh suatu motor yang tenaganya akan diukur, dan berputar dalam medan magnet. Kekuatan medan magnetnya dikontrol dengan merubah arus sepanjang susunan kumparan yang ditempatkan pada kedua sisi dari rotor. Rotor ini bertindak sebagai konduktor yang memotong medan magnet. Karena pemotongan medan magnet itu maka terjadi arus dan arus ini diinduksikan dalam rotor sehingga rotor menjadi panas.
b. Dynamometer Ayunan Listrik atau Generator
Pada prinsipnya, bidang gerak dynamometer ini diputarkan secara terpisah baik dengan mengutamakan pipa-pipa saluran utama atau battery yang mempertahankan suatu tegangan yang konstan. Seluruh mesin ditumpu dengan ball bearing, casing menahan sebuah lengan torsi untuk menjadikan seimbang
torsi mesin. Torsi mesin disebarkan pada casing oleh daya tarik medan magnet, yang dihasilkan ketika jangkar sedang berputar dan mengeluarkan tenaga listriknya pada aliran sebelah luar dynamometer.
2. Dynamometer Hidrolik atau dynamometer Air
Alat ini menggunakan fluida cair (Air) untuk mengubah daya menjadi energi panas. Ada 2 maca dynamometer hidrolik yaitu :
a. Dynamometer type gesekan fluida.
Pada dasarnya dynamometer ini terdiri dari sebuah rotor atau elemen putar dengan kedua belah permukaannya rata, berputar dalam sebuah casing serta casing tersebut diisi dengan air selanjutnya air fluidanya disirkulasi secara
kontinu. Akibat sirkulasi air tersebut terjadi pergesekan pada bagian fluidanya. Dynamometer ini bisa bekerja pada kecepatan beberapa ribu rpm.
b. Dynamometer type agitasi atau semburan.
Dynamometer ini hampir sama dengan bentuk dynamometer type gesekan
fluida, tetapi ada perbedaan di antara kedua bentuk tersebut yaitu terletak pada cara penyerapan daya. Selain dengan gesekan juga karena agitasi, sehingga dynamometer ini relatif lebih besar.
Dynamometer ini mengguunakan udara atsmosfer, penyerapan daya yang
terjadi karena gesekan yang timbul antara udara dengan sebuah rotor berupa kipas yang berputar.
4. Dynamometer Mekanis.
Pada dynamometer ini penyerapan daya dilaksanakan dengan memberikan gesekan mekanis sehingga timbul panas yang akan dipindahkan kesekeliling (atsmonsfer). Yang termasuk dalam bentuk ini adalah :
a. Rem Jepit atau Prony Brake
Penyerapan daya dilakukan dengan jalan mengatur gesekan yang terjadi antara balok-balok kayu dengan rotor.
b. Rem Tali atau Rope Brake
Cara kerja dari rem ini hampir sama dengan rem jepit, hanya rem ini terdiri dari sekeliling roda. Bahan tali biasanya dari kulit, ujung tali satu dikaitkan pada suatu timbangan (alat ukur gaya) dan ujung yang lain diberi beban dengan cara ditarik menggunakan baut pengatur seperti terlihat pada gambar 2.14, penyerapan daya dilakukan oleh tali karena gesekan dengan roda.
Gambar 2.14 Skema Dynamometer (Rem Tali) Besar momen yang timbul, dirumuskan pada persamaan 2.5.
M = F x r ... (2.5) Dimana :
B = Baut pengatur (Bebean pengimbang) C = Pully
3.1. Bahan dan Alat 3.1.1. Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah :
Air
3.1.2. Alat Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada skema alat uji di bawah ini :
Gambar 3.1 Skema alat uji daya dan torsi.
Keterangan gambar :
1. Suplai air.
Pada penelitian ini suplai air langsung menggunakan sumber mata air (Belik) di desa Tempuran, Tamantirto, Kasihan, Bantul.
2. Pipa instalasi.
Untuk melakukan pengujian turbin diperlukan instalasi pembantu yaitu pipa pvc dengan diameter 2” untuk mengalirkan air dari tampungan penyuplai air ke turbin.
Gambar 3.2 Pipa instalasi.
3. Liquid flow meter.
Alat ini digunakan untuk mengukur besar debit yang digunakan pada turbin. Pada penelitian ini menggunakan model YF-DN50, yang memiliki rentang pembacaan 10 – 200 Lpm pada tekanan air </= 1,75 Mpa.
Gambar 3.3 Liquid flow meter.
4. Stop valve.
Digunakan untuk mengoperasikan turbin, juga berfungsi untuk membuat variasi pada debit air yang masuk untuk menyuplai turbin dengan diameter 2”
5. Tacho meter.
Digunakan untuk mengukur putaran yang dihasilkan pada poros turbin.
Gambar 3.5 Tacho meter.
6. Pully.
7. Sabuk Rem.
8. Timbangan Digital. 9. Baut Pengatur Beban.
Bagian 6,7, dan 8 adalah Dynamometer, digunakan untuk mengukur torsi yang dibangkitkan turbin. Dynamometer yang digunakan dalam penelitian ini adalah dynamometer tipe sabuk rem.
Gambar 3.6 Dynamometer. 10.Turbin air.
Turbin air yang digunakan dalam penelitian ini adalah blower angin sentrifugal yang sudah dimodifikasi agar dapat digunakan sebagai turbin air.
Baut pengatur
Timbangan
Tali Rem
Berikut ini adalah spesifikasi dari blower angin sentrifugal :
Merk : MOSWELL
Tipe : CEG
Size : 2”
Phase : 1
Tegangan : 220 Volt
Arus : 1 Ahmpere Cycles : 50
Putaran : 2800 rpm Power : 150 Watt
Gambar 3.7 Turbin air hasil modifikasi. 11.Laptop.
Digunakan untuk pembacaan debit dari liquid flow meter dan arduino, juga untuk mencatat hasil pengukuran saat pengujian.
Gambar 3.8 Laptop. 12. Driver Arduino.
Alat ini berfungsi untuk mengubah sensor pada liquid flow meter menjadi data kuantitatif yang dihubungkan ke laptop. Perangkat keras Arduino berbasis mikrokontroler ATMEGA8, ATMEGA168, ATMEGA328
dalam desain-desain alat atau projek-projek yang menggunakan sensor dan
microcontroller untuk menerjemahkan input analog ke dalam sistem
software untuk mengontrol gerakan alat-alat elektro-mekanik seperti lampu, motor dan sebagainya.
Gambar 3.9 Arduino uno.
13. Stop watch.
Alat ini digunakan untuk menghitung lama waktu yang digunakan pada setiap pengujian.
Gambar 3.10 Stop watch. 14.Meteran.
Alat ini untuk mengetahui tinggi terjunan/head yang digunakan saat pengujian.
15.Busur.
Alat ini digunakan untuk menentukan besar bukaan pada stop kran untuk membuat variasi debit.
Gambar 3.12 Busur.
Berikut adalah gambar alat yang digunakan dalam penelitian untuk mengkaji kinerja yang dihasilkan dari turbin air dari modifikasi blower angin sentrifugal.
3.2. Diagram Alir Penelitian
Penelitian dilakukan dengan prosedur sebagai mana ditunjukkan pada diagram alir berikut :
Gambar 3.14 Flow chart Pengujian Daya dan Efisiensi.
3.3. Persiapan Modifikasi
Langkah-langkah yang dilakukan agar blower angin dapat digunakan sebagai turbin air adalah sebagai berikut :
1. Melepas motor listrik penggerak pada blower angin.
Hal ini dimaksudkan untuk memaksimalkan kinerja pada turbin tersebut. Tidak
Ya
Pembahasan
- Karakteristik berbagai kecepatan putar pada Debit.
- Karakteristik berbagai kecepatan putar pada Daya.
- Karakteristik berbagai kecepatan putar pada efisiensi.
Kesimpulan Penyediaan alat dan bahan :
1. Modifikasi blower angin sentrifugal. 2. Pembuatan instalasi pembantu
Menghidupkan Turbin 4. Bukaan katup 1 (penuh)
Pengukuran
Gambar 3.15 Stator dan rotor motor listrik blower. 2. Membalik posisi impeller dan memotong penguat pada tiap sudu.
Karena sudut sudu pada blower bersifat sentrifugal (membuang fluida udara dari tengah impeller ke sisi impeller), dalam penggunaan sebagai turbin fungsi kerjanya dibalik menjadi sentripetal.
Gambar 3.16 (a.) Impeller sebelum dimodifikasi (b.) Impeller sesudah dipotong penguat sudunya dan dibalik arahnya.
3. Membuat poros.
Pembuatan poros baru dilakukan karena panjang poros yang dibutuhkan pada saat impeller dibalik berbeda. juga untuk penambahan dudukan seal bearing dan pemasangan pully sebagai bagian penguujian torsi.
Gambar 3.17 (a) Rotor motor penggerak blower (b) Poros baru turbin.
a b
4. Membuat penutup lubang motor penggerak dengan tambahan pengarah air berbentuk kerucut yang menghadap keluar.
Gambar 3.18 Penutup lubang ke ruang motor penggerak.
5. Pemasangan seal bearing pompa air Panasonic 125 untuk mengurangi kebocoran dan pemasangan pully.
Gambar 3.19 Seal bearing pompa air Panasonic 125. 3.4. Tempat Penelitian
Penelitian ini bertempat di laboratorium proses produksi teknik mesin UMY dan Belik (pemandian mata air) Tempuran, Tamantirto, Kasihan, Bantul.
Waktu pelaksanaan penelitian : Mei – Juni 2016.
3.5. Persiapan Penelitian
Persiapan awal yang dilakukan sebelum melakukan penelitian adalah memeriksa keadaan alat dan turbin yang akan digunakan supaya data yang diperoleh lebih akurat atau lebih teliti, adapun langkah-langkahnya pemeriksaan, meliputi seperti berikut :
1. Instalasi pipa.
Pipa pada instalasi bantu harus kuat dan rapat dalam pemasangan karena dapat mempengaruhi hasil saat pengujian, hal ini disebabkan oleh adanya penurunan tekan air karena kebocoran pada pipa.
2. Turbin.
Karena turbin air yang digunakan adalah hasil modifikasi maka sebelum digunakan dalam penguujian, turbin harus diperiksa kembali apakah terjadi kebocoran maupun gangguan yang dapat mempengaruhi hasil pengujian.
3. Alat ukur.
Alat ukur seperti dynamometer, liquid flow, stopwatch, dan tachometer sebelum digunakan harus diperiksa keadaan normalnya atau distandarkan yang biasa disebut dengan kalibrasi alat.
4. Katup.
Pemasangan dan kondisi pada stop valve dan liquid flow meter harus diperiksa agar saat pengambilan data keakuratan terjaga.
3.6. Rencana Analisis data
Pada penelitian ini, analisis data yang akan dihitung dalam menentukan daya dari suatu turbin reaksi adalah :
a. Daya Hidrolik.
Daya hidrolik adalah daya yang dimiliki oleh air yang mengalir dan tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Dapat dicari dengan persamaan 3.1.
= Densitas air (kg/m3)
g = percepatan grafitasi (m/dt ) Q = debit air (� �)
H = tinggi jatuh air (m) b. Daya Mekanik.
Daya mekanik adalah daya yang dihasilkan pada poros turbin didapat dengan persamaan 3.2.
Efesiensi turbin merupakan perbandingan daya mekanik yang dihasilkan oleh turbin dengan daya hidrolik yang digunakan untuk menggerakkan turbin, dapat dihitung dengan persamaan 3.3.
��=��
�ℎ�� % ... (3.3)
Dimana, �� = Efisiensi turbin
� = Daya mekanik
ℎ� = Daya hidrolik air.
d. Membuat grafik hubungan kecepatan putar terhadap debit. e. Membuat grafik hubungan kecepatan putar terhadap daya. f. Membuat grafik hubungan kecepatan putar terhadap efisiensi.
3.7. Tahap Pengujian
Proses pengujian dan pengambilan data debit, putaran dan torsi dengan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Siapkan instalasi turbin.
3. Kendorkan ulir pengatur beban hingga turbin berputar sampai mendekati kecepatan putar maksimumnya.
4. Jika kondisi sudah stabil, catat kecepatan putar, pembacaan dynamometer, dan debit.
5. Putar ulir penyetel beban hingga turbin berputar pada 75 % dari kecepatan putar awal. Jika sudah stabil, catat kembali kecepatan putar, pembacaan dynamometer, dan debit.
6. Ulangi pengujian diatas dengan pengurangan kecepatan putar 50%, 25% hingga turbin mengalami stall/berhenti (kecepatan putar = 0 rpm)
7. Ulangi lagi pengujian diatas untuk bukaan stop valve ¾, ½, dan 1/3. 8. Hitung torsi dan daya poros yang dibangkitkan.
9. Buat grafik hubungan antara torsi teerhadap kecepatan putar dan daya terhadap kecepatan putar dan berikan analisisnya (lihat contoh grafik yang diberikan).
3.8. Parameter Yang Digunakan Dalam Perhitungan Parameter perhitungan yang digunakan adalah :
1. Debit (Q) terukur pada hasil percobaan. 2. Putaran (rpm) terukur pada hasil percobaan. 3. Torsi mesin (T) terukur pada hasil percobaan. 4. Daya mesin (P) terhitung dari hasil percobaan. 5. Efisiensi (µ) terhitung dari hasil percobaan.
3.9.Metode Pengujian
4.1.Hasil Analisa.
Dari hasil pengambilan data performasi turbin air dari modifikasi blower angin sentrifugal yang dilakukan di Belik (pemandian sumber air) yang beralamat di Tempuran, Tamantirto, Kasihan Bantul, dapat diasumsikan debit yang digunakan untuk menyuplai turbin air saat pengujian dianggap sesuai karena, pada bak penampung sebelum masuk kedalam pipa ketinggian airnya konstan. Gambar 4.1 adalah gambar instalasi turbin air hasil modifikasi blower angin sentrifugal saat pengujian dilakukan.
Gambar 4.1 Proses pengambilan data.
4.2.Hasil Penelitian.
Percobaan turbin air dari modifikasi blower angin sentrifugal didapatkan hasil dan pengolahan data pada table 4.1.
Tabel 4.1 Hasil Pengujian
4.3.Perhitungan Data Pengamatan
Berdasarkan data yang diperoleh melalui pengujian maka perhitungan dapat dilakukan sebagai berikut :
1. Besar Daya Hidrolik.( Pht)
Daya hidrolik adalah daya yang dimiliki oleh air yang mengalir dari tempat tinggi ke tempat yang rendah, dapat dicari dengan persamaan (3.1).
Ph� = ��� ��
Diketahui :
Percepatan grafitasi (g) = 9,81 m/��
Debit air (Q) = 223,942 lpm = 0,00373 m /dt
Tinggi jatuh air (H) = 3 meter
ℎ� = 1000 kg/m x 9,81 m/�� x 0,00373 m /dt x 3 m ℎ� = 109,84 Watt
Jadi, daya yang dihasilkan oleh hidrolik air adalah sebesar 109,84 Watt
2. Besar Daya Mekanik ( �)
Daya Mekanik adalah daya yang dihasilkan oleh poros turbin, didapat dengan persamaan (3.2). Dimana torsi (T) didapat dari persamaan 2.5.
T = BBF x r
= 26,192 N x 0,0275 m = 0,72 N.m � = .πx rpm x 0,72 Nm = 27,895 Watt
Maka, daya yang dihasilkan oleh turbin adalah sebesar 27,895 Watt
3. Efisiensi Turbin (��)
Efisiensi turbin merupakan perbandingan daya mekanik yang dihasilkan oleh turbin dengan daya hidrolik yang digunakan untuk menggerakan turbin, dapat dihitung dengan persamaan (3.3).
Jadi, Efisiensi yang dihasilkan oleh tubin adalah sebesar 25,359 %
Data yang diperoleh dari perhitungan di atas, disajikan dalam tabel 4.2 berikut ini :
Table 4.2 Data hasil perhitungan Variasi
warna hijau dengan marker [X] untuk bukaan katup ½ putaran, dan tipikal 4 dengan warna hitam dengan marker [+] untuk bukaan 1/3 putaran.
4.4.1. Hubungan Kecepatan Putar dengan Debit
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Debit dengan Kecepatan Putar.
Hubungan kecepatan putar dengan debit pada gambar 4.2 memperlihatkan bahwa semakin besar kecepatan putar pada turbin maka debit yang mengalir akan semakin mengecil. Seperti yang terlihat pada tipikal I saat bukaan katup penuh, pada putaran tertinggi sebesar 770 rpm debit yang mengalir hanya 130,289 Lpm. Namun saat dibebani hingga turbin berhenti (0 rpm), debit yang mengalir meningkat menjadi 242,449 Lpm. Hal ini sama seperti kurva karakteristik turbin francis untuk kecepatan pada head satuan. Seperti yang dijelaskan pada dasar
teori tentang klasifikasi turbin reaksi tentang turbin radial aliran masuk, gaya sentrifugal yang naik karena rpm naik cenderung mengurangi jumlah air yang mengalir melalui sudu, sehingga kecepatan air pada sisi masuk juga berkurang.
0
Debit vs Kecepatan putar
4.4.2. Hubungan Daya terhadap Kecepatan Putar
Gambar 4.3 menunjukkan hubungan berbagai putaran dengan daya yang dihasilkan. Terlihat bahwa putaran rendah daya yang dihasilkan juga rendah. Akan tetapi dengan meningkatnya putaran, daya akan menurun setelah titik maksimum pada putaran tertentu. Hal ini dikarenakan besar daya dipengaruhi oleh kecepatan putar dan torsi. Maka, jika salah satunya mengalami penurunan, besar daya yang dihasilkan juga akan menurun. Gambar 4.3 juga serupa dengan kurva karakteristik turbin reaksi untuk kecepatan pada head satuan pada grafik perbandingan kecepatan putar dengan daya. Daya maksimal yang dapat dihasilkan yaitu sebesar 27,895 Watt pada kecepatan putar 370 rpm dengan besar debit 223,942 Lpm dan tinggi jatuh air 3 meter.
Gambar 4.3. Grafik Hubungan Kecepatan Putar dengan Daya
4.4.3. Hubungan Kecepatan Putar dengan Efisiensi
Hubungan kecepatan putar dengan efisiensi tidak jauh berbeda dengan hubungan kecepatan putar dengan daya. Hal ini dapat dibuktikan melalui gambar 4.4. Pada kecepatan putar rendah, daya yang dihasilkan akan kecil. Namun dengan
0
Daya vs Kecepatan Putar
meningkatnya kecepatan putar, daya akan menurun setelah mencapai titik maksimalnya pada kecepatan putar tertentu.
Gambar 4.4 Grafik Hubungan Kecepatan putar dengan Efisiensi.
Seperti yang terlihat pada gambar 4.4, efisiensi yang dapat dihasilkan pada turbin yaitu sebesar 25,395 % pada tinggi jatuh air 3 meter, debit yang mengalir sebesar 223,942 Lpm dan pada kecepatan putar 370 rpm. Kecepatan putar dan jumlah debit yang digunakan untuk menggerakkan turbin akan mempengaruhi daya yang dihasilkan. Maka, efisiensi dapat dipengaruhi oleh besarnya kecepatan putar karena, efisiensi turbin dihasilkan dari pehitungan presentase antara daya mekanis yang dihasilkan turbin dengan daya hidrolis yang dihasilkan air. Kurva karakteristik turbin reaksi untuk kecepatan pada head satuan menunjukkan hal serupa dengan bentuk parabolik.
4.5. Perbandingan dengan studi lainnya
Dari penelitian tentang alih fungsi mesin-mesin kerja (pompa air) yang digunakan sebagai mesin-mesin tenaga (turbin air) yang sudah dilakukan oleh peneliti sebelumnya. Daya dan efisiensi yang dihasilkan pada masing-masing penelitian bervariasi, hal ini dapat dilihat pada tabel 4.3.
0
Efisiensi vs Kecepatan Putar
Tabel 4.3. Perbandingan Tinjauan Penelitian
Kinerja Turbin Air Hasil
Modifikasi Pompa
Unjuk Kerja Pompa Air
Simizhu Type Ps-128
Pumps As Turbines for
Hydropower Generation
angin ini menghasilkan beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Blower angin sentrifugal yang sudah dimodifikasi pada penelitian ini dapat digunakan sebagai turbin air skala piko.
2. Dari hasil pengambilan data yang telah dilakukan, dapat diketahui daya maksimal yang dapat dihasilkan turbin air ini sebesar 27,895 Watt pada kecepatan putar 370 rpm dengan penggunaan debit air sebesar 223,942 lpm pada tinggi jatuh air (head) 3 meter.
3. Berdasarkan hasil seluruh kerja turbin dengan pengolahan data yang telah dilakukan maka efisiensi maksimum turbin sebesar 25,395% pada debit (Q) 223,942 Lpm.
5.2. Saran
Saran yang bisa diberikan sebagai kelanjutan untuk mengkaji performasi turbin air hasil modifikasi adalah sebagai berikut :
1. Untuk penelitian selanjutnya dapat mengembangkan dengan variasi untuk tinggi jatuh air (head), juga meningkatkan kerapatan impeller pada spiral
case dangan cara pembuatan impeller diharapkan dapat meningkatkan daya
yang dihasilkan, juga efisiensi pada turbin.
2. Penggunaan generator agar dapat membandingkan hasil daya turbin air menggunakan dynamometer rem tali dengan generator pada penelitian selanjutnya diharapkan dapat meningkatkan keakuratan data pengujian.
3. Lakukan kalibrasi pada alat ukur beberapa kali sebelum melakukan pengambilan data. Hal ini dilakukan agar toleransi data yang dihasilkan kecil. Juga untuk pengambilan data sebaiknya dilakukan secara beberapa kali agar data yang diperoleh akurat.
DAFTAR PUSTAKA
Ambarita, H., 2011. Kajian Eksperimental Performansi Pompa dengan Kapasitas 1,25m3/menit Head 12 m Jika Dioprasikan Sebagai Turbin. Jurnal Dinamis, II(2), pp. 1-7.
Anon., 2005. Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2005/2025. Jakarta: s.n. Anonim, 2014. Apa itu Arduino Uno?. [Online]
Available at: http://ndoware.com/apa-itu-arduino-uno.html [Diakses 8 September 2016].
Anonim, 2016. Perpres No. 4 Tahun 2016 Dukung Proyek 35.000 MW. [Online]
Available at: http://bumntrack.co.id/perpres-no-4-tahun-2016-dukung-proyek-35-000-mw/
[Diakses 2016 Agustus 2016].
Aris, M., 1997. Penggerak Mula Turbin. Bandung: ITB.
Budhi, P. & Nazaruddin, S., 2012. Kaji Eksperimental Karakteristik Sebuah
Dynamometer Sasis Arus Eddy. Eksergi urnal Teknik Energi, 02 Mei, VIII(2), pp. 63-67.
Church, A. H., 1986. Pompa dan Blower sentrifugal. Jakarta: Erlangga.
Francesco, P. et al., 2016. Experimental Characterization of Two Pumps As Turbines for Hydropower Generation. Reneweble Energy, 99(C), pp. 180-187.
Hadi, A. & Puji, R., 2015. Pengertian, Satuan dan Macam-Macam Bentuk Energi. [Online]
Available at: http://www.softilmu.com/2015/01/Pengertian-Bentuk-Macam-Satuan-Energi-Adalah.html
[Diakses 8 September 2016].
Khurmi, 1997. HYdroulic Machines, hlm. 601-700. New Delhi: S chand and Compani Ltd.
Situmorang, H. B., Soplanit, G. D. & Gede, I. N., 2014. Unjuk Kerja Pompa Air Simizhu PS-128 BIT yang Difungsikan Sebagai Turbin Air. Jurnal Online Poros Teknik Mesin, III(1), pp. 52-65.
Suwoto, G., 2012. Kaji Eksperimental Kinerja Turbin Air Hasil Modifikasi Pompa Sentrifugal untuk Pembngkit Listrik Tenaga Mikro Hidro. SNST ke.3, I(1), pp. B.60-B.64.
Yefri, C., 2011. Pengertian dan Jenis Fluida. [Online]
Available at: https://laskarteknik.com/2011/01/19/pengertian-dan-jenis-mesin-fluida/
[Diakses 8 September 2016].
LAMPIRAN
TABEL 6.2 DATA KALIBRASI
Flow meter
GAMBAR 6.7 KALIBRASI LIQUID FLOW METER
• Debit = 0,5608 x Liquid flow meter (Lpm) – 26,735
TABEL 6.3 KALIBRASI DEBIT
y = 0.5608x - 26.735
Liquid Flow Meter (Lpm)
