LAMPIRAN
LAMPIRAN I DATA HASIL PENGUJIAN TURBIN TESLA PADA
HEAD 9,41 METER DENGAN MENGGUNAKAN 1 NOSEL
LAMPIRAN II GAMBAR JARINGAN PIPA PADA TURBIN TESLA
DAFTAR PUSTAKA
Allan, Sterling D. 2007. "Tesla Turbine : Engine of the 21st Century" Pure Energy Systems News.
Boyd, K. E.and Rice, W., “Laminar Flow of an Incompressible Fluid Between Rotating Disks with Full Peripheral Admission,”ASME Transactions : Journal of Applied Science, Vol. 35, No. 2, Jun. 1968, pp. 229-237.
Bryan P. Ho-Yan (2011). “Tesla Turbine for Pico Hydro Applications”, University of Guelph, Guelph, Ontario,N1G 2W1, Canada.
Diestzel F. 1996. Turbin Pompa dan Kompressor. Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga.
Guha, A. and Smiley, B, “Experiment and Analysis for an Improved Design of the Inlet and Nozzle in Tesla Disc Turbines,”Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A : Journal of Power and Energy, Vol. 224, Sep. 2009, pp. 261–277.
Hoya, G. P., and Guha, A., “The Design of a Test Rig and Study of the Performance and Efficiency of a Tesla Disc Turbine,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A : Journal of Power and Energy, Vol. 223, Dec. 2008, pp. 451–465.
Lawn, M. J. and Rice, W., “Calculated Design Data for the Multiple-disk Turbine Using Incompressible Fluid,” ASME Transactions : Journal of Fluids Engineering, Vol. 96, No. 3, Sep. 1974, pp. 252-258.
Munson, B., Young, B., Okiishi, T., Fundamentals of Fluid Mechanics, 4th Edition, John Wiley & Sons, New York, 2002, pp. 476-477, 493.
North, R. C., “An Investigation of the Tesla Turbine,” Ph.D. Dissertation, Mechanical Engineering Dept., University of Maryland, College Park, MD, 1969.
Rice, W., “An Analytical and Experimental Investigation of Multiple-disk Turbines,” ASME Transactions : Journal of Engineering for Power, Vol. 87, No. 1, Jan. 1965, pp. 29–36.
Rice,W., “Tesla Turbomachinery,” In E. Logan & R. Roy (Eds.), Handbook of Turbomachinery, Marcel Dekker, New York : 2003, pp. 861–874.
Sularso. 1997. Dasar Perancangan dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta : PT. Pradnya Paramita.
Suryanto. 1995. Elemen Mesin 1. Bandung : Unit Penerbit Politeknik.
BAB III
METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN
3.1 Konsep Dasar Perancangan Dan Pengujian
3.1.1 Umum
Turbin Tesla merupakan salah satu turbin yang memanfaatkan energi fluida dan viskositas fluida untuk menggerakkan turbin. Pada uji eksperimen turbin tesla, prinsip kerja turbin tesla, yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian (head) tertentu untuk mumukul kumpulan piringan (disk) yang disusun secara parallel sehingga poros yang tersambung dengan piringan berputar.
3.1.2 Rancang Bangun Turbin Tesla
Dalam uji eksperimental turbin tesla ini, dibuat turbin tesla, adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah :
• Pembuatan piringan (disk) dari bahan plat besi.
• Pembuatan celah (space) dari bahan plat besi.
• Pembuatan poros dari bahan stell 42.
Gambar 3.1. Turbin tesla sebelum dirakit.
3.1.3 Rancang Bangun Instalasi Perpipaan
Uji eksperimental turbin tesla pada head 9,41 meter dengan menggunakan satu nosel dan jumlah piringan (disk) sebanyak 25 disk tebal 2 milimeter dengan jarak/celah (space) 1 milimeter sebanyak 24, dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara sebagai simulasi atau pengkondisian dari air terjun yang berada di alam.
Rancang bangun instalasi pemipaan uji eksperimental Turbin Tesla terdapat pada lantai tiga. Ketinggian instalasi yang terdapat pada lantai lantai tiga adalah 9,41 meter (diukur dari lubang keluaran tempat penampungan atas (TPA) ke poros mulut nosel . Panjang pipa, diukur dari lantai tiga adalah sepanjang 11,62 meter. Adapun tujuan rancang bangun instalasi pipa adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai atau aliran air terjun dengan ketinggian H.
Beberapa instalasi yang telah ada pada lantai tiga laboratorium dengan ketinggian 9,41 meter. Adapun penambahan beberapa instalasi yang dilakukan adalah:
• Instalasi saluran perpipaan untuk lantai tiga.
• Instalasi nosel.
• Instalasi dudukan pengujian Turbin Tesla.
• Instalasi saluran buangan air pada Turbin Tesla.
dengan kebutuhan. Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang relatif tinggi menuju tempat yang relatif lebih rendah. Aliran air yang jatuh dari TPA melalui pipa pesat (penstock) memiliki energi potensial sehingga akan menimbulkan daya air yang diberikan kepada Turbin Tesla sebagai energi input. Kemudian daya air ini akan masuk melalui nosel pada Turbin Tesla menabrak piringan dan berputar secara periode melalui celah-celah piringan. Maka zat cair mendorong piringan-piringan agar dapat berputar sehingga daya diberikan untuk memutar poros turbin tesla. Zat cair yang keluar setelah menabrak piringan dan berputar melalui celah-celah dan rumah turbin akan disalurkan keluar Turbin Tesla melalui lubang-lubang tiap piringan yang disusun secara parallel kemudian keluar dari lubang yang ada pada rumah turbin (casing).
Gambar 3.3. Instalasi Pipa untuk Turbin Tesla
3.2 Peralatan Pengujian
3.2.1 Hand Tachometer
Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit
Range : autorange
Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)
Gambar 3.4. Hand Tachometer
3.2.2 Meteran
Meteran pada uji eksperimental turbin tesla ini digunakan untuk mengukur panjang dalam instalasi pipa, instalasi dudukan turbin tesla dan mengukur tinggi permukaan air pada tempat penampungan atas (TPA) dan tempat penampungan bawah (TPB).
3.2.3 Pegas Ukur
Alat ini digunakan untuk mengukur pembebanan pada poros turbin.
Gambar 3.6 Pegas Ukur
3.2.4 Pompa Pengumpan
Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan bawah (TPB) ke tempat penampungan atas TPA). Dalam uji eksperimental turbin tesla ini, pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa sentrifugal 6 (enam) inchi dengan daya motor penggerak (P) 5,5 kW, putaran (n) 1440 rpm dan dihubungkan secara direct drive.
3.3 Pelaksanaan Pengujian
Uji eksperimental turbin tesla pada head 9,41 meter dengan menggunakan 25 disk tebal 2 milimeter dan 24 space berukuran 1 milimeter di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi :
1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin tesla dengan menggunakan Hand Tachometer.
2. Pengukuran debit air dengan menggunakan Flow Meter Digital. 3. Pengukuran torsi poros turbin dengan pegas ukur
Sebelum dilakukan pengujian turbin tesla dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi :
1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah (TPB) dan debit air di dalam tempat penampungan atas (TPA).
2. Pemeriksaan pipa penghubung antara TPB dan TPA, serta membuka keran pengatur (gate valve) kapasitas air pada pompa pengumpan. 3. Pemeriksaan katup (valve) untuk pengujian lantai dua atau lantai tiga. 4. Pemeriksaan katup pada turbin tesla.
5. Pemeriksaan pegas ukur sebagai alat untuk pembebanan. 6. Pemeriksaan poros turbin tesla.
1. Katup pada sisi masuk nosel dibuka 100 %.
2. Sebelum pompa pengumpan dihidupkan, terlebih dahulu kran pengatur
(gate valve) dibuka supaya umur pemakaian pompa pengumpan lebih
lama.
3. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam TPA sesuai dengan data pengujian yang dibutuhkan (80 cm).
4. Setelah ketinggian air di TPA dan aliran air pada pipa pengumpan konstan, maka dilakukan pengujian serta pengambilan data terhadap : a. Pengukuran debit (L/s) dengan ember dan gelas ukur.
b. Pengukuran putaran (rpm) pada poros Turbin Tesla dengan Hand Tachometer.
c. Pengukuran torsi (Nm) dengan Pegas Ukur.
5. Pengukuran terhadap beberapa variabel di atas dilakukan terhadap beban masing-masing 1 kg (10 N) sampai poros turbin berhenti (0 rpm). 6. Melakukan kembali pengukuran seperti prosedur pengujian sebelumnya berulang-ulang sebanyak tiga kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih akurat.
Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi : 1. Debit air (L/s)
2. Putaran poros Turbin Tesla (rpm) 3. Torsi (Nm)
Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti: 1. Daya Air
3. Efisiensi Turbin Tesla
Setelah pengujian di atas, dilakukan pengujian torsi dengan prosedur sebagai berikut :
1. Katup menuju nosel pada turbin ditutup.
2. Pompa pengumpan dihidupkan dan air dipompakan dari TPB ke TPA, setelah tinggi air mencapai ketinggian pengujian (80 cm), gate valve pompa pengumpan diatur agar ketinggian air di tempat penampung atas stabil.
3. Secara bersamaan, katup menuju nosel Turbin tesla dibuka sesuai dengan variasi bukaan katub yang diinginkan.
4. Segera setelah air menumbuk disk turbin dan turbin berputar maka beban dapat diberikan dimulai dari 0 kg sampai poros turbin berhenti berputar (0 rpm).
Flow chart Uji eksperimental turbin tesla sebagai turbin air dan analisa
perbandingan variasi jumlah disk dan jarak antar disk pada head 9,41
meter dengan menggunakan satu nosel
BAB IV
DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
4.1 Data Hasil Pengujian
4.1.1 Perhitungan pada Instalasi Pipa
A.Kapasitas aktual pada head 9,41 meter
Pengukuran dilakukan dengan menampung air dari instalasi pipa dari head 9,41 meter pada ember dalam waktu 10 detik, diambil sebanyak 3 kali didapat, Q=0,001045 m3/s = 1,045 L/detik
B. Panjang pipa yang digunakan pada head 9,41 meter 1. Panjang Pipa 4 in = 11,05 meter
2. Panjang Pipa 2 in = 0,57 meter
Jadi Panjang Total Pipa yang digunakan adalah 11,62 meter
C. Head losses
1. Head losses mayor
a. Head losses mayor pada pipa 4 inci
Menurut Persamaan Umum Hazen Williams ;
Dimana ;
Q = 0,001045 m3/s
Williams (130) (Lampiran 3) d = Diameter Pipa (0,1016 meter) L = Panjang Pipa (11,05 meter) Sehingga,
meter
b. Head losses mayor pada pipa 2 inci
Menurut Persamaan Umum Hazen Williams :
Dimana ;
L = Panjang Pipa (0,57 meter)
d = Diameter Pipa (0,0508)
Sehingga,
2. Head losses minor
a. Head loses minor pada pipa 4 inci
Dimana ;
meter
Tabel 4.1. Head Losses Minor pada Pipa 4 inci
N k ∑k
Elbow 3 0,4 1,2
Tee 1 2,0 2,0
Flow meter 1 7 7
Sisi masuk 1 0,25 0,25
Sisi keluar 1 0,04 0,04
Total 10,49
Jadi harga Koefisien Kerugian pipa 4 inci ( ΣK ) = 10,49 Sehingga,
b. Head loses minor pada pipa 4 inci
Dimana ;
meter
Tabel 4.2. Head Losses Minor pada Pipa 2 inci
N k ∑k
Katup bola 1 0,05 0,05
Sisi masuk 1 0,25 0,25
Sisi keluar 1 0,04 0,04
Total 0,34
Jadi harga Koefisien Kerugian pipa 4 inci ( ΣK ) = 0,34 Sehingga,
c. Head efektif pada instalasi turbin tesla
4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla
A. Untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 Disk Tebal 2 mm dan 24 Celah Jarak 1 mm)
Spesifikasi turbin tesla adalah sebagai berikut :
Pada pembebanan 60 N menghasilkan putaran sebesar 329 rpm 1. Torsi Turbin
Dimana :
F = Beban (pembebanan diberikan (60 N) r = Jari-jari poros (0,0085 m)
Sehingga :
N.m
2. Daya Poros Turbin
Dimana :
T = Torsi turbin
ω = Kecepatan sudut = (rad/detik)
rad/detik
Sehingga :
3. Efisiensi Turbin
Dengan cara yang sama seperti diatas diberikan pembebanan pada turbin dari 0 N sampai turbin berhenti, maka diperoleh hasil lengkap pada tabel berikut :
Tabel 4.3. Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah dan jarak disk yang berbeda (25 disk 2 mm tebal dan 24 celah 1 mm jarak antar disk)
B. Untuk Turbin Tesla Dengan Tebal dan Jarak Disk yang Sama (19 Disk Tebal 2 mm dan 18 Celah Jarak 2 mm Antar Disk)
Spesifikasi turbin tesla adalah sebagai berikut :
• Diameter disk, D = 250 mm
2. Daya Poros Turbin
Dimana :
T = Torsi turbin
ω = Kecepatan sudut = (rad/detik)
rad/detik
Sehingga :
W
3. Efisiensi Turbin
Dimana :
PT = Daya poros turbin
Pa = Daya air
Sehingga :
%
Tabel 4.4. Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah dan jarak disk yang sama (19 disk 2 mm tebal dan 18 celah 2 mm jarak antar disk)
4.2 Analisa Data
4.2.1 Untuk Turbin Tesla Dengan Tebal Dan Jarak Disk Yang Berbeda (25
Disk Tebal 2 mm Dan 24 Celah Jarak 1 mm)
A. Grafik hubungan putaran vs torsi
Grafik 4.1. Grafik hubungan putaran (rpm) vs torsi (N.m)
B. Grafik putaran vs daya
Grafik 4.2. Grafik hubungan putaran (rpm) vs daya (W)
C. Grafik putaran vs efisiensi
Grafik 4.3. Grafik hubungan putaran (rpm) vs efisiensi (%)
D. Grafik daya vs efisiensi
Grafik 4.4. Grafik hubungan daya (W) vs efisiensi (%)
4.2.2 Untuk Turbin Tesla Dengan Tebal Dan Jarak Disk Yang Sama
(19 Disk Tebal 2 mm Dan 18 Celah Jarak 2 mm)
A. Grafik hubungan putaran vs torsi
Grafik 4.5. Grafik hubungan putaran (rpm) vs torsi (N.m)
B. Grafik putaran vs daya
Grafik 4.6. Grafik hubungan putaran (rpm) vs daya (W)
C. Grafik putaran vs efisiensi
Grafik 4.7. Grafik hubungan putaran (rpm) vs efisiensi (%)
D. Grafik daya vs efisiensi
Grafik 4.8. Grafik hubungan daya (W) vs efisiensi (%)
4.2.3 Perbandingan Variasi Jumlah dan Jarak Antar Disk
A. Grafik Putaran vs Torsi
Grafik 4.9. Grafik hubungan putaran (rpm) vs torsi (Nm)
B. Grafik putaran vs daya
Grafik 4.10. Grafik hubungan putaran (rpm) vs daya (W)
C.Grafik putaran vs efisiensi
Grafik 4.11. Grafik hubungan putaran (rpm) vs efisiensi (%)
D.Grafik daya vs efisiensi
Grafik 4.12. Grafik hubungan daya (W) vs efisiensi (%)
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
1. Untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1 mm antar disk) menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 16,81 %, daya maksimum sebesar 17,56 pada putaran sebesar 329 rpm dengan beban 60 N.
2. Untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama (19 disk tebal 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm antar disk) menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 17,89 %, daya maksimum sebesar 18,69 W pada putaran sebesar 262,6 rpm dengan beban 80 N.
3. Dari perbandingan di atas dapat diketahui bahwa turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama (19 disk tebal 2 mm dan 18 celah jarak 2 mm antar disk) lebih besar dari turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1 mm antar disk)
4. Dari hasil perhitungan di atas diketahui bahwa efisiensi masih di bawah 60 %, ini berarti efisiensinya masih di bawah yang diharapkan.
5. Daya dan efisiensi turbin tesla tergantung pada torsi dan putaran poros turbin, semakin besar torsi dan putaran turbin maka daya dan efisiensinya semakin besar.
5.2 Saran
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Tinjauan Umum Turbin Tesla
Turbin Tesla merupakan salah satu turbin yang memanfaatkan energi fluida dan viskositas fluida untuk menggerakkan turbin. Konsep turbin Tesla ditemukan pertama kali oleh Nikola Tesla. Nikola Tesla lahir pada tanggal 9 Juli 1856 di Smitjan, Kroasia.
Turbin Tesla pertama kali dibuat pada tahun 1906 oleh Julius C. Czito, menggunakan 8 buah piringan yang berdiameter 15,2 cm dengan berat kurang dari 4,5 kg dapat membangkitkan daya sebesar 30 Hp dengan putaran maksimum mencapai 35.000 rpm. Pada tahun 1910 Czito dan Tesla membuat model yang lebih besar dengan piringan berdiameter 30,5 cm. Putarannya hanya mencapai10.000 rpm dan menghasilkan daya sebesar 100 Hp. Lalu pada tahun 1911 mereka membuat model dengan diameter piringan sebesar 24,8 cm, putarannya berkurang menjadi 9.000 rpm, tetapi daya yang dihasilkan malah semakin besar yakni sebesar 110 Hp.
Gambar 2.1 . Turbin Tesla yang Pertama Dibuat.
(Sumbe
Pada tahun 2006 Turbin Tesla telah dikembangkan oleh Allan Park yang berkebangsaan Amerika menggunakan udara bertekanan yang menggunakan piringan disk berjumlah 11 keping dengan celah sebesar 0,05 inchi mampu mencapai putaran 15.000 rpm dengan torsi rendah.
Gambar 2.2. Turbin Tesla Menggunakan Udara Bertekanan.
(Sumber
atau udara karena massa jenis air adalah 1.000 kali dari massa jenis udara. Selain itu sumber daya air sangat potensial dan lebih banyak digunakan oleh masyarakat.
2.2 Hukum Mekanika Fluida
2.2.1 Sifat Fluida Air
Fluida merupakan suatu zat yang mempunyai kemampuan berubah secara kontinyu apabila mengalami geseran, atau mempunyai reaksi terhadap tegangan geser sekecil apapun. Dalam keadaan diam atau dalam keadaan seimbang, fluida tidak mampu menahan gaya geser yang bekerja padanya, oleh sebab itu fluida mudah berubah bentuk tanpa terjadi pemisahan massa.
Fluida dibagi atas dua jenis yaitu, gas yang tidak mempunyai permukaan bebas, dan massanya selalu berkembang mengisi seluruh volume ruangan, serta dapat dimampatkan. Sedangkan cairan mempunyai permukaan bebas, dan massanya akan mengisi ruangan sesuai dengan volumenya, serta tidak termampatkan.
A. Massa Jenis
Density atau massa jenis adalah suatu ukuran dari konsentrasi massa dan dinyatakan dalam bentuk massa tiap satuan volume. Massa jenis dapat dinyatakan dalam dua bentuk yaitu :
1. Massa jenis (ρ
)
Perbandingan jumlah massa dengan jumlah volume. Dapat dirumuskan dalam persamaan berikut :
………..(1)
x 106 N/m2 dan temperature T = 288,15 K untuk air adalah 1000 kg/m3. 2. Berat spesifik
Berat spesifik adalah nilai densitas massa dikalikan dengan gravitasi, dapat dirumuskan dengan persamaan :
……….(2)
Dimensi dari berat spesifik ini adalah ML-3T-2 dimana nilai air adalah 9,81 x 103N/m3.
B. Viskositas
Viskositas merupakan ukuran kekentalan suatu fluida. Makin besar viskositas suatu fluida maka makin sulit fluida mengalir dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut. Di dalam zat cair dihasilkan oleh gaya kohesi antara molekul zat cair. Viskositas tergantung pada temperatur, untuk cairan semakin tinggi temperatur maka semakin rendah viskositas cairan tersebut.
Viskositas kinematik (ϑ) adalah ratio dari viskositas terhadap massa jenis (ρ) :
…………...…………(3)
Viskositas kinematik juga merupakan ukuran tahanan dalam dari aliran zat cair oleh bobotnya sendiri dengan satuan CentiStoke (cSt). Satu cSt sama dengan 0,01stoke atau dalam satuan Sistem Internaional (SI) dinyatakan dalam 1 mm2/s.
………(4)
Viskositas dinamik juga merupakan ukuran tahanan dalam aliran zat cair oleh gaya dari luas dengan satuan CentiPoise (cP). Satu CentiPoise sama dengan 0,01 poise atau dalam satuan Sistem Internasional (SI) dinyatakan sebagai 1 milli Pascal-sec (mPa-s).
2.2.2 Aliran Fluida
Bilangan Reynolds adalah bilang tidak berdimensi yang menyatakan perbandingan gaya-gaya inersia terhadap viskositas. Rumus bilangan Reynolds umumnya diberikan sebagai berikut:
…………...…………(5)
1. Aliran laminar
Aliran laminar adalah aliran dimana tidak terjadinya percampuran antara satu lapisan aliran dengan lapisan yang lain pada suatu fluida saat fluida tersebut dialirkan, oleh karena itu kecepatan aliran ini lambat sehingga kerugian berbanding lurus dengan kecepatan rata-rata.
Gambar 2.3. Aliran laminar
(Sumber :
2. Aliran Turbulent
Sedangkan aliran turbulent adalah aliran dimana lapisan-lapisan batas aliran telah bercampur saat fluida tersebut mengalir. Kecepatan aliran ini lebih tinggi dari aliran laminar karena kerugian yang ditimbulkan sebanding dengan kuadrat kecepatan.
Gambar 2.4. Aliran Turbulen
(Sumber :
3. Aliran Transisi
Aliran transisi merupakan aliran peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen. Hasil perhitungan berdasarkan eksperimen didapatkan ketentuan bahwa untuk bilangan Reynold diasumsikan bahwa :
-0 > Re ≤ 2300, aliran disebut laminar
-2300 >Re≤ 4000, aliran disebut transisi antara laminar dan aliran turbulen
-Re > 4000, aliran turbulen. 2.2.3 Persamaan Aliran Fluida
Debit merupakan besaran yang menyatakan volume fluida yang mengalir melalui suatu penampang dengan ukuran tertentu per satuan waktu.
�=� . �………..(6)
Dimana :
Q = Debitaliran air (m3/s) � = Kecepatan (m/s) A = Luas penampang (m2)
Massa fluida yang bergerak tidak berubah ketika mengalir. Fakta ini membawa pada hubungan kuantitatif penting yang disebut persamaan kontinuitas.
(Sumber :
Volume fluida yang mengalir selang rentang waktu pada luasan A1 akan memiliki jumlah luasan yang sama dengan volume yang mengalir pada A2. Dengan demikian :
�1�1�1 =�2�2�2 ………...(7)
Karena massa jenis flluida sama maka persamaan bisa ditulis:
�1�1 =�2�2 ………..(8)
2.2.4 Head Turbin
Head turbin dapat juga disebut sebagai tinggi jatuh air dan sering dinotasikan sebagai H. Head turbin dapat ditentukan berdasarkan persamaan Bernoulli. Menurut persamaan Bernoulli besar energi aliran adalah :
………...…………(9)
Dimana :
W = Energi Aliran (Nm) m = Massa (kg)
z = Selisih ketinggian (m)
(tinggi air atas – tinggi air bawah) h = Ketinggian(m)
p =Tekanan (Pa)
Jika pada aliran tersebut m = 1 kg, maka energi spesifiknya :
( ) …….………(10)
Bila energi spesifik tersebut dibagi dengan gravitasi maka ketinggian :
(m) …………...…………(11)
Dimana :
z Adalah ketinggian dari suatu tempat yang dipakai sebagai standar
Dinamakan Tinggi Tekan
Dinamakan Tinggi Kecepatan
Gambar 2.6. Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air
Hal ini sesuai dengan Bunyi Persamaan Bernoulli :
“ Pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalam pipa tanpa gesekan yang tidak bergerak, akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan dan kecepatan yang sama besarnya.”
Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut :
…...………….….(12)
Saat head loses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.
………...…………(13)
Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh :
……...…...……(14)
Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh :
Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana :
Untuk waduk (reservoir titik 1) kecpatan V1≈ 0.
(pressure grade adalah nol).
Maka,
……...………...(16)
Head losses yang terjadi pada saluran pipa:
1. Mayor Loses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa
………...………(17)
2. Minor Loses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan (elbow), valve, saringan dan peralatan lainnya.
………(18)
2.3 Turbin Tesla
2.3.1 Sejarah Turbin Tesla
Gambar 2.7. Nikola Tesla.
(Sumber :
Awalnya Tesla merupakan generator listrik. Tesla dibuat sebagai pembangkit listrik, seperti halnya altenator atau generator. Pada tahun 1909, Nikola Tesla memanfaatkan dari konsep tersebut diaplikasikan dengan system kerja sama dengan turbin, dengan memanfaatkan steam atau uap untuk menggerakkan Turbin Tesla. Saat itu hasil percobaannya menghasilkan daya 200HP (149,2kW), dan mencapai 16.000 rpm.
Gambar 2.8. Pengaplikasian Tesla pada Turbin Uap.
Pada pemanfaatannya Turbin Tesla dengan menggunakan fluida berupa uap panas dapat mencapai efisiensi hingga 95 %.
2.3.2 Bagian-Bagian Turbin Tesla
Gambar 2.9. Bagian-bagian dari Tubin Tesla.
Adapun bagian-bagian dari turbin Tesla adalah sebagai berikut : 1. Piringan (Disk) turbin
Gambar 2.10. Piringan(Disk) turbin.
2. Celah (Space)
Celah (space) merupakan jarak antar disk dari turbin. Pada turbin tesla biasanya besar celah dibuat sekecil mungkin sehingga susunan disk dibuat serapat mungkin. Celah ini merupakan tempat lajunya air sehingga disk dan poros turbin berputar.
3. Poros
Poros turbin tesla merupakan inti dari rangkaian turbin tesla yang tersusun dari berberapa disk dan celah, ukurannya disesuaikan pada pusat disk dan celah. Kekuatan poros turbin harus lebih besar dari beratnya jumlah disk dan celah sehingga pemakaiannya dapat bertahan lama.
Gambar 2.12. Poros.
4. Nosel
Nosel merupakan tempat keluarnya fluida berupa cair maupun uap atau gas dari pompa atau kompresor. Pada turbin tesla nosel biasanya terdapat pada casing yang merupakan inlet atau tempat masuknya fluida ke turbin.
5. Rumah turbin (Casing)
Rumah turbin tesla selain sebagai tempat nosel terpasang, juga berfungsi menangkap dan membelokkan percikan aliran air sehingga baik dsik maupun pancaran tidak terganggu. Ruangan pada rumah turbin dan disk diusahakan dibuat agak sekecil mungkin supaya percikan aliran air tadi dapat mengalir secara teratur.
Gambar 2.14. Rumah turbin (Casing).
2.3.3 Cara Kerja Turbin Tesla
memanfaatkan efek boundary layer yaitu efek lapisan batas interaksi antara media fluida terhadap blade atau piringan.
Gambar 2.15. Viskositas Fluida pada Dua Plat.
(sumber :
Gambar 2.16. Laju Aliran Fluida yang Bekerja pada Turbin.
(Sumber :
Media fluida akan melewati piringan blade Tesla membentuk lingkaran spiral menuju pusat piringan blade Tesla dan kemudian akan keluar pada lubang exhaust yang terletak di bawah box turbin.
Kecepatan putar dan daya yang dihasilkan pada turbin berdasarkan dari masukan input, diameter piringan blade Tesla dan jarak antar piringan blade Tesla. Untuk input-an fluida dapat diatur sesuai yang di inginkan, namun untuk diameter piringan dan jarak antar piringan harus sesuai untuk menghasilkan
output yang optimum. Jarak antar piringan tergantung media fluida yang akan
digunakan.
2.3.4 Keunggulan Turbin Tesla
blade. Tetapi dalam pengembangannya sebagai bentuk prototype-nya turbin Tesla menggunakan gas sebagai medianya. Dengan gas sebagai media lebih praktis dan mudah, karena udara cocok untuk percobaan prototype yang sederhana dan kecil dan tidak membutuhkan tempat keluaran dari turbin berbeda jika menggunakan media cair yang membutuhkan tempat keluaran.
Gambar 2.17. Perbandingan Efisiensi.
(Sumber:
dihasilkan kecil. Sebaliknya dengan input yang lebih besar dan generator yang besar maka efisiensi yang dihasilkan pun menjadi besar.
2.4 Dasar Pemilihan Turbin
2.4.1 Perhitungan Turbin
A. Kecepatan air keluar nosel
………...………...(19)
B. Debit aliran air
………...……….(20) C. Kecepatan anguler disk turbin
………....…………...……….(21)
Dimana :
n = Putaran poros turbin (rpm) D. Kecepatan tangensial disk turbin
………...………...….(22)
atau
………...…………...(23) Dimana :
u = Kecepatan tangensial disk turbin (m/detik) D = Diameter disk turbin (m)
n = Putaran poros turbin (rpm)
Dimana :
Pa = Daya air (W)
= Massa jenis air = 1000 kg/m3
g = Percepatan gravitasi bumi = 9,81 m/detik2 = Headturbin (m)
Q = Debit aliran(m3/detik)
b. Daya poros turbin
………...…………...………..(26) Dimana :
PT = Daya poros turbin (W)
T = Torsi turbin (N/m)
= Kecepatan anguler disk turbin (rad/detik)
2.4.2 Karakteristik Grafik Turbin
Adapun karateristik grafik turbin dibagi dalam 2 jenis yaitu : 1. Karakteristik Grafik Turbin Untuk Head Tetap
a. Grafik Debit vs Efisiensi Maksimal (Q vs ɳ)
Grafik 2.1. Debit vs Efisiensi (Q vs ɳ)
b. Grafik Daya vs Efisiensi (P vs ɳ)
Grafik 2.2 Daya Air vs Efisiensi (P vs ɳ)
Pada grafik 2.19 dijelaskan bahwa semakin tinggi efisiensi semakin tinggi juga daya yang dihasilkan.
2. Karakteristis Grafik Turbin Untuk Variasi Bukaan Katup a. Grafik Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P)
Grafik 2.3. Kecepatan Turbin vs Daya Turbin (rpm vs P)
tertinggi.
b. Grafik Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ)
Grafik 2.4. Kecepatan Turbin vs Efisiensi (rpm vs ɳ)
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan teknologi semakin pesat menyebabkan kebutuhan terhadap energi meningkat. Pada sisi lain, ketersediaan sumber energi yang tidak dapat diperbaharui semakin menipis. Sumber energi yang terbarukan seperti energi potensial pada air merupakan sumber energi terbarukan menjadi energi alternatif untuk dikembangkan. Indonesia merupakan negara paling potensial terhadap pengembangan energi alternatif tersebut karena memiliki sumber air yang berlimpah. Aliran-aliran sungai besar dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi. Mesin konversi berupa turbin untuk mengubah energi fluida menjadi energi mekanik diperlukan untuk dapat memanfaatkan energi fluida tersebut. Keseluruhan rangkaian penelitian ini dikembangkan dengan tema “
Pengujian
Pengaruh Variasi Jumlah dan Jarak Antara Disk Pada Rancang
Bangun Turbin Tesla Dengan Kapasitas Air Konstan”.
bulat dan presisi, hal inilah yang menyebabkan biaya produksinya tinggi. Selain itu, penentuan besar celah sangat penting terhadap besarnya gaya putar yang bisa dihasilkan dengan melihat kondisi viskositas air.
Turbin Tesla ini telah diangkat sebagai judul skripsi dengan menggunakan ketinggian air jatuh sebagai fluida penggeraknya. Pengembangan Turbin Tesla menggunakan fluida air diharapkan dapat diaplikasikan sebagai pembangkit energi yang terbarukan dan ramah lingkungan serta dapat menjadi bahan pembelajaran dan penelitian lebih lanjut.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan dari skripsi ini terdiri dari:
A. Tujuan Umum
Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mengetahui performansi dari turbi tesla.
B. Tujuan Khusus
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah :
1.3 Batasan Masalah
Karena luasnya permasalahan ini, maka pengujian ini dibatasi pada : 1. Pengujian turbin tesla menggunakan 25 disk dengan tebal disk 2
mm dan 24 jarak (celah) 1 mm antar disk.
2. Pengujian turbin tesla menggunakan 19 disk dengan tebal disk 2 mm dan 18 jarak (celah) 2 mm antar disk.
3. Perencanaan poros, bantalan, mur dan baut.
4. Pada analisis perhitungan dibatasi hanya membahas putaran, gaya, momen torsi, daya dan efisiensi yang dihasilkan pada turbin tesla secara pengujian dan mengetahui pengaruh kecenderungan yang terjadi pada turbin tesla.
1.4 Metodologi Penulisan
Metodologi Penulisan terdiri atas :
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan, mengacu dari buku-buku dan tulisan-tulisan yang terkait.
2. Browsing internet, berupa studi artikel-artikel, gambar-gambar dan buku elektronik (e-book).
3. Metode studi lapangan, yaitu dengan mengambil data dari hasil pengujian yang dilakukan di laboratorium motor bakar fakultas teknik. 4. Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing maupun tukar
1.5 Sistematika Penulisan
Skripsi in terdiri atas beberapa bab, dengan garis besar tiap bab adalah sebagai berikut :
1. BAB I PENDAHULUAN
Pada bab ini dijelaskan mengenai latar belakang, maksud dan tujuan, batasan masalah, metodologi penulisan serta sistematika penulisan. 2. BAB II LANDASAN TEORI
Pada bab ini dijelaskan mengenai tinjauan umum turbin tesla, hukum mekanika fluida, pengertian turbin tesla, dan dasar pemilihan turbin. 3. BAB III METODOLOGI PERANCANGAN DAN PENGUJIAN
Pada bab ini dijelaskan mengenai konsep dasar perancangan, peralatan pengujian, dan pelaksanaan pengujian.
4. BAB IV DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
Pada bab ini dijelaskan mengenai data hasil pengujian turbin tesla dan analisa data serta grafik hasil pengujian.
5. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini dijelaskan mengenai kesimpulan dan saran yang diperoleh.
6. DAFTAR PUSTAKA
ABSTRAK
Turbin Tesla merupakan turbin yang memiliki bentuk yang unik dan sifat yang khusus. Adapun sifat yang dimiliki oleh Turbin Tesla adalah mempunyai putaran yang sangat tinggi dalam bentuk yang kecil serta fluida yang beragam dengan
memanfaatkan viskositas dan laju aliran fluida dalam gesekan ruang tertentu menjadikan kelebihan Turbin Tesla, tetapi Turbin Tesla mempunyai kelemahan yaitu torsi yang rendah. Umumnya Turbin Tesla menggunakan uap atau udara bertekanan sebagai media penggeraknya, namun pada penelitian ini dicoba untuk aplikasi fluida air dengan head ketinggian sebagai tinggi air jatuhnya dan pegas ukur sebagai torsimeter. Penelitian ini melewati tahap studi literatur untuk menghitung secara teoritis maupun pengujian untuk menghasilkan putaran, torsi, daya dan efisiensi turbin tesla. Dari penilitan didapatkan bahwa untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 16,81 %, daya maksimum sebesar 17,56 pada putaran sebesar 329 rpm dengan beban 60 N. Sedangkan untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 17,89 %, daya maksimum sebesar 18,69 W pada putaran sebesar 262,6 rpm dengan beban 80 N.
PENGUJIAN PENGARUH VARIASI JUMLAH
DAN JARAK ANTAR DISK
PADA RANCANG BANGUN TURBIN TESLA
DENGAN KAPASITAS AIR KONSTAN
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DIUSULKAN OLEH :
YENI MARSIA SEMBIRING
(120421029)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Turbin Tesla merupakan turbin yang memiliki bentuk yang unik dan sifat yang khusus. Adapun sifat yang dimiliki oleh Turbin Tesla adalah mempunyai putaran yang sangat tinggi dalam bentuk yang kecil serta fluida yang beragam dengan
memanfaatkan viskositas dan laju aliran fluida dalam gesekan ruang tertentu menjadikan kelebihan Turbin Tesla, tetapi Turbin Tesla mempunyai kelemahan yaitu torsi yang rendah. Umumnya Turbin Tesla menggunakan uap atau udara bertekanan sebagai media penggeraknya, namun pada penelitian ini dicoba untuk aplikasi fluida air dengan head ketinggian sebagai tinggi air jatuhnya dan pegas ukur sebagai torsimeter. Penelitian ini melewati tahap studi literatur untuk menghitung secara teoritis maupun pengujian untuk menghasilkan putaran, torsi, daya dan efisiensi turbin tesla. Dari penilitan didapatkan bahwa untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang berbeda menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 16,81 %, daya maksimum sebesar 17,56 pada putaran sebesar 329 rpm dengan beban 60 N. Sedangkan untuk turbin tesla dengan tebal dan jarak disk yang sama menghasilkan efisiensi maksimum sebesar 17,89 %, daya maksimum sebesar 18,69 W pada putaran sebesar 262,6 rpm dengan beban 80 N.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas karunia-Nya sehingga penulis dapat menyusun dan menyelesaikan tugas skripsi ini dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mancapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu PENGUJIAN PENGARUH VARIASI JUMLAH DAN JARAK ANTAR
DISK PADA RANCANG BANGUN TURBIN TESLA DENGAN
KAPASITAS AIR KONSTAN
.
Penulis berterima kasih kepada banyak pihak yang telah banyak membantu penulis dalam berbagai hal dalam proses penyusunan skripsi ini. Oleh sebab itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada :1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, M.T, selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan, arahan, dan masukan yang positif kepada penulis selama penyusunan skripsi.
2. Bapak Dr. Ing Ikhwansyah Isranuri, selaku ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak/Ibu Staff Pengajar, Asisten Laboratorium dan pegawai administrasi pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberikan bekal pengetahuan kepada saya hingga akhir masa study.
4. Ayahanda Suria Sembiring, Ibunda Suyanti Purba, serta adik-adik tercinta Alberto Monas Sembiring dan Amelia Sri Pamela Sembiring yang telah memberikan doa, semangat, dan dukungan selama proses penyusunan skripsi ini.
6. Untuk Thomas Didimus Josen yang telah memberikan doa, semangat dan dukungan dalam banyak hal.
7. Untuk Herry Wibowo Sucipto, S.T yang telah memberikan semangat dan yang telah banyak membantu dalam banyak hal.
8. Untuk teman seperjuangan saya, Dadi Rizaldi, Saur Malau (Tesla Grup) terima kasih atas bantuan, semangat, masukan dan dorongan yang kalian berikan selama dalam bimbingan.
9. Semua pihak yang telah membantu, angkatan 2011, 2012 dan 2013 yang juga banyak membantu memberikan masukan serta memberi semangat kepada penulis.
Sebagai manusia yang masih belajar, penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini masih memiliki berbagai kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak. Penulis juga mengaharapkan skripsi ini dapat menjadi tambahan pengetahuan bagi pembaca dan bermanfaat untuk kita semua.
Medan, November 2015
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI... iv
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR SIMBOL ... ix
AKSARA YUNANI ... x
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Metodologi Penulisan ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Umum Turbin Tesla ... 5
2.2 Hukum Mekanika Fluida ... 7
2.2.1 Sifat Fluida Air ... 7
2.2.2 Aliran Fluida ... 9
2.2.3 Persamaan Aliran Fluida ... 11
2.2.4 Head Turbin ... 12
2.3 Turbin Tesla ... 15
2.3.1 Sejarah Turbin Tesla ... 15
2.3.2 Bagian-Bagian Turbin Tesla ... 17
2.3.3 Cara Kerja Turbin Tesla ... 20
2.3.4 Keunggulan Turbin Tesla ... 22
2.4 Dasar Pemilihan Turbin ... 24
2.4.1 Perhitungan Turbin ... 24
2.4.2 Karakteristik Gambar Turbin ... 27
3.1 Konsep Dasar Perancangan dan Penelitian ... 30
3.1.1 Umum ... 30
3.1.2 Rancang Bangun Turbin Tesla ... 30
3.1.3 Rancang Bangun Instalasi Perpipaan ... 32
3.2 Peralatan Pengujian ... 34
3.2.1 Head Tachometer ... 34
3.2.2 Meteran ... 35
3.2.3 Pegas Ukur ... 36
3.2.4 Pompa Pengumpan ... 36
3.3 Pelaksanaan Pengujian ... 37
BAB IV DATA HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Data Hasil Pengujian ... 41
4.1.1 Pengujian Pada Instalasi Pipa ... 41
4.1.2 Perhitungan Pada Turbin Tesla ... 45
4.2 Analisa Data ... 51
4.2.1 Untuk Turbin Tesla dengan Tebal dan Jarak Disk yang berbeda (25 disk tebal 2 mm dan 24 celah jarak 1mm) ... 51
4.2.2 Untuk Turbin Tesla dengan tebal dan Jarak Disk yang sama (19 disk dengan tebal 2mm dan 18 celah jarak 2 mm) ... 55
4.2.3 Perbandingan Variasi Jumlah dan Jarak antar Disk ... 59
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 63
5.2 Saran ... 64 DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR TABEL
4.1 Head loses minor pada pipa 4 inci ... 43 4.2 Head loses minor pada pipa 2 inci ... 44 4.3 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah
dan jarak disk yang berbeda (25 disk 2mm tebal dan 24 celah
1 mm jarak antar disk. ... 47 4.4 Pengujian dan perhitungan turbin tesla dengan jumlah
dan jarak disk yang sama (19 disk 2mm tebal dan 18 celah
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Turbin Tesla yang Pertama Dibuat... 6
Gambar 2.2 Turbin Tesla Menggunakan Udara Bertekanan ... 6
Gambar 2.3 Aliran Laminar ... 10
Gambar 2.4 Airan Turbulen ... 10
Gambar 2.5 Laju Aliran Massa ... 11
Gambar 2.6 Diagram Bernoullu Untuk Turbin Air ... 13
Gambar 2.7 Nikola Tesla ... 16
Gambar 2.8 Pengaplikasian Tesla pada Turbin Uap ... 16
Gambar 2.9 Bagian-bagian dari Turbin Tesla ... 17
Gambar 2.10 Piringan (Disk) Turbin ... 18
Gambar 2.11 Celah (Space) ... 18
Gambar 2.12 Poros ... 19
Gambar 2.13 Nosel ... 19
Gambar 2.14 Rumah Turbin ... 20
Gambar 2.15 Viskositas Fluida pada Dua Plat ... 21
Gambar 2.16 Laju Aliram Fluida yang Bekerja pada Turbin ... 22
Gambar 2.17 Perbandingan Effisiensi ... 23
Gambar 3.1 Turbin Tesla sebelum dirakit ... 31
Gambar 3.2 Turbin Tesla setelah dirakit ... 31
Gambar 3.3 Instalasi Pipa untuk Turbin Tesla ... 34
Gambar 3.4 Hand Tachometer ... 35
Gambar 3.5 Meteran ... 35
Gambar 3.6 Pegas Ukur ... 36
AKSARA YUNANI
LAMBANG ARTI SATUAN
η Efisiensi turbin %
Ω Kecepatan sudut rpm
ω Kecepatan sudut rad/det
γ (gamma) Berat jenis N/m3
