BAB IV HASIL YANG DICAPAI DAN POTENSI KHUSUS

(1)

BAB IV

HASIL YANG DICAPAI DAN POTENSI KHUSUS

4.1 DESAIN PIPA PENSTOCK

Desain Pipa Penstock yang akan berkaitan dengan besar debit air yang mengalir melalui Pipa Penstock. Jadi debit optimum air (Qopt) yang mengalir melaui Pipa

Penstock dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.5. Pada persamaan tersebut

terdapat beberapa parameter yang harus diketahui untuk menghitung debit optimum air (Qopt). Parameter-parameter tersebut luas penampang melintang pipa bagian dalam (Dw), percepatan gravitasi (g), gross head (Hg), dan keofisien losses (CL). Pipa

Penstock pada penelitian ini memiliki diameter dalam (Dw) sebesar 0,112 m, sehingga

luas penampang melintang pipa bagian dalam dapat dihitung menggunakan perhitungan sebagai berikut:

𝐴w = 1₄𝜋𝐷W 2 𝐴w = 1

4 𝜋 0,112 2 𝐴w = 0,0098 𝑚2

Parameter lain untuk menghitung debit optimum air (Qopt) adalah percepatan gravitasi (g), gross head (Hg) dan keofisien CL. besar gravitasi adalah 9,8 m/s2_{, nilai}

gross head dapat dihitung berdasarkan Gambar 3.1. Nilai gross head dapat dihitung

dari permukaan air di dalam waduk sampai permukaan air di tailrace. Berdasarkan Gambar 3.1 besar gross head dapat dihitug menggunakan perhitungan sebagai berikut:

(2)

Nilai keofisien CL dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.6. Pada persamaan tersebut, terdapat beberapa parameter yang harus diketahui untuk menghitung koefisien CL. Parameter-parameter tersebut adalah koefisien gesek (f), panjang Pipa

Penstock (L), diameter pipa bagian dalam (Dw), total koefisien minor losses (KL), luas

penampang pipa bagian dalam (Aw).

Nilai koefisien gesek (f) dapat dihitung menggunakan persamaan Swamee-Jain yang ditunjukan oleh Persamaan 2.13. Persamaan tersebut berkaitan dengan kekasaran permukaan bagian dalam pipa (𝞮), diameter bagian dalam pipa (Dw), dan bilangan Reynolds (Re). Nilai kekasaran pipa bagian dalam (𝞮) ditentukan sebesar 0 meter karena pipa yang diguanakan dapat diasumsikan sebagai pipa halus. Diameter (Dw) adalah 0,112 m. Bilangan Reynolds (Re) dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.12. Pada persamaan tersebut, terdapat nilai rata-rata air yang belum diketahui karena nilai ini berhubungan dengan debit optimum air (Qopt) yang melalui Pipa Penstock. Nilai viskositas kinematik (𝑣) Pada persamaan tersebut adalah sebesar 10-6_m2_{/s. Dengan demikian nilai Reynolds (Re) dapat dihitungan menggunakan} perhitungan sabagai berikut:

𝑅𝑒 = 𝑣𝐷 𝑉 𝑅𝑒 =𝑄𝑜𝑝𝑡 . 𝐷 𝐴 . 𝑉 Re = 𝑄𝑜𝑝𝑡 . 0,112 0,0098 . 10−6 Re = 𝑄opt

.

1.142,86𝑥104

Berdasarkan nilai kekasaran pipa (𝞮), diameter pipa bagian dalam (Dw), dan bilangan Reynolds (Re), nilai koefisien gesek (f) dapat dihitung menggunakan perhitungan sebagai berikut:

(3)

f = 0,25

[𝑙𝑜𝑔( 5,74

(𝑄𝑜𝑝𝑡 . 1142,864)0,9)] 2

Panjang Pipa Penstock (L) dihitung dari sisi masukan pipa sampai ke sisi masukan Turbin Hydrocoil seperti yang ditunjukkan Gambar 3.1 dengan sudut 𝜃 900. Berdasarkan Gambar 3.1 panjang belokkan Pipa Penstock dengan angka 0,21991 m dihtung menggunakan Software Solidworks 2014, panjang keseluruhan Pipa Penstock dapat dihitung menggunakan perhitungn sebagai berikut:

𝐿 = 3 𝑚 + 0,21991 𝑚 + 1 𝑚 = 4,219 𝑚

Minor losses pada Pipa Penstock dapat dilihat dari Gambar 3.1 yang

disebabakan oleh tikungan (elbow) pada sudut 900_{. Dimana nilai koefisien minor}

losses untuk satu macam elbow tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.7. Berdasarkan

Gambar 2.7 nilai total koefisien minor losses dapat dihitung sebagai berikut: ∑KL = KL90

∑KL = 0,9

Dengan menggunakan parameter-parameter yang telah dihitung, maka perhitungan koefisien CL berdasarkan Persamaan 2.6 adalah sebagai berikut:

(4)

CL =

[

9,4175 [𝑙𝑜𝑔( 5,74 (𝑄𝑜𝑝𝑡 . 1142,86𝑥104)0,9)] 2

] + 0.9

CL =

[

9,4175 [𝑙𝑜𝑔( 5,74 𝑄𝑜𝑝𝑡0.9 . 225𝑥104)] 2

] + 0,9

CL =

[

9,4175 [𝑙𝑜𝑔(2,551𝑥10−6 𝑄𝑜𝑝𝑡0,9 )] 2

] + 0,9

Dengan menggunakan parameter-parameter yang telah dihitung, maka perhitungan debit optimum (Qopt) yang berdasarkan pada Persamaan 2.5 maka perhitungan dapat dilakukan sebagai berikut:

Qopt = 2 3

𝐴

𝑤

√𝑔

7𝐻𝑔 10𝐶𝐿 𝑄_𝑜𝑝𝑡 = 2 3 (0.0098) √ (

9,8

) 7(5) ( 10 ([ 9,4175 [𝑙𝑜𝑔(2,551𝑥10−6 𝑄𝑜𝑝𝑡0,9 )] 2 ] +0,9 )₎ 𝑄_𝑜𝑝𝑡 = 0,0065 √ 34,3 ([ 9,4175 [𝑙𝑜𝑔(2,551𝑥10−6 𝑄𝑜𝑝𝑡0,9 )] 2 ] +0,9 ) 𝑄_𝑜𝑝𝑡 = 0,032 𝑚3⁄_𝑠

Penyelesaian persamaan untuk mendapatkan debit optimum air (Qopt) membutuhkan proses iterasi.

(5)

𝑚̇ = Qopt .𝜌

𝑚̇ = 0,032 . 1000 𝑚̇ = 32 𝑘𝑔 𝑠⁄

Menghitung kecepatan aliran melalui Pipa penstock 𝑉 = 𝑄

𝐴 𝑉 = 0,032

0,0098 𝑉 = 3,265 𝑚 𝑠⁄

Tekanan total (Ptot) di sisi masuk Pipa Penstock dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.1 dengan tekanan statis (Pstat) berdasarkan gambar 3.1 dan dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.2 dimana kecepatan rata-rata (v) di dalam pipa. Pada gambar tersebut tampak bahwa tinggi tanki penampungan air adalah 2 m dari dasar tanki sampai ke permukaan atas, sehingga perhitungan tekanan statis dan tekanan total di sisi masuk Pipa Penstock adalah sebagai berikut:

Pstat = 𝜌. 𝑔. ℎ

Pstat =1.000. 9,8. 2

pstat =19.600 𝑃𝑎

Menghitung tekanan total di sisi masuk Pipa Penstock

Ptot = 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑡+ 1 2 𝜌𝑣 2 Ptot = 19.600 + 1 2 1.000. 3,265 2

P

tot= 24.930,112 𝑃𝑎

(6)

Popt = 38 45𝛾𝐻𝑔. 𝑄𝑜𝑝𝑡 Popt = 38 45 (9.800)(5)(0,032) Popt = 1.324,09 W

4.2 HASIL SIMULASI TURBIN HYDROCOIL VARIASI 1, 2 DAN 3

Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya pada Bab III, bahwa simulasi CFD untuk menganalisis performasi Turbin Hydrocoil dengan panjang pitch yang bervariasi dan untuk mendapatkan pengaruh perubahan panjang pitch Turbin Hydrocoil terhadap performasinya. Menggunakan ANSYS CFX 15.0 yang dimana terdiri dari lima tahap, yaitu tahap geometry, mesh, setup, solution dan result. Langkah-langkah yang dilakukan pada kelima tahap tersebut sesuai dengan penjelasan pada Subbab 3.2.2. Kelima tahap tersebut berkaitan satu sama lain dan dilakukan sesuai urutan.

Pada tahap geometry gambar desain turbin, Pipa Penstock dan Rotation Region berdasrkan perhitungan pada Subbab 4.1 yang telah digambar menggunakan Software

Solidworks 2014, dimasukkan ke dalam Design Modeler Software ANSYS CFX 15.0.

Setelah itu langkah selanjutnya adalah mendefinisikan daerah yang terisi penuh oleh air dengan melakukan proses boolean subtract untuk mengurangi atau menghilangkan daerah-daerah yang tidak terisi oleh air seperti sudu turbin dan poros turbin.

(7)

Gambar 4.1 Desain Turbin Hydrocoil dan Pipa Penstock Setelah Proses Boolean

Subtract

Tahap mesh adalah tahap dimana geometri objek yang telah didefinisikan pada tahap sebelumnya dicacah menjadi elemen-elemen kecil yang dihubungkan oleh titik-titik. Gambar 4.2 menunjukan hasil tahap mesh, pada tahap ini daerah rotor lebih rapat dibandingkan pada pipa. Hal ini disebabkan karena daerah pada rotor terdapat lebih banyak bagian yang berbentuk kurva dibandingkan dengan daerah pipa. Kerapatan ini diperlukan agar ketelitian perhitungan simulasi lebih tinggi sehingga hasil yang didapatkan lebih akurat seperti gambar berikut:

Gambar 4.2 Hasil Mesh untuk Turbin Hydrocoil dan Pipa Penstock

(8)

membuat interface. Pada saat membuat domain perlu didefinisikan domain yang berputar (rotating) dan yang diam (stationary). Dimana domain yang diam adalah

domain pipa, sementara domain yang berputar adalah domain rotation region atau

daerah yang dilingkupi rotor turbin. Pada saat menentukan domain yang berputar, perlu diketahui kecepatan putar dari domain tersebut. Pada penelitian ini kecepatan putar domain tersebut divariasikan sebesar 100 rpm, 200 rpm, 300 rpm, 400 rpm dan 500 rpm untuk mengetahui performasi turbin pada kecepatan-kecepatan tersebut, arah putar turbin menentukan hasil simulasi. Arah putar domain ditentukan berdasarkan kaidah tangan kanan, dimana ibu jari menujukkan arah putar positif sementara keempat jari yang menekuk menunjukkan arah putar positif (Luthfie, 2016). Pada penelitian ini arah putarnya tidak berlawanan dengan kaidah tangan kanan sehingga tetap bernilai positif. Jadi kecepatan putar yang dimasukkan untuk domain rotation

region tetap bernilai positif. Sebagaimana telah disebutkan pada subbab 3.2.2 bahwa

model turbulensi yang digunakan pada peneitian ini adalah Shear Stress Transport (SST).

Boundary condition yang diatur pada sisi masukkan Pipa Penstock berupa inlet

dengan total pressure sebesar 24.930,112 Pa pada sisi keluar pipa berupa outlet dengan mass flow rate atau laju aliran masa sebesar 32 kg/s.

(9)

Interface diperlukan untuk menentukan hubungan antara domain yang berputar dan domian yang diam. Interface hanya dibuat pada daerah-daerah yang saling

bersentuhan antara kedua domain. Dengan melakukan proses boolean subtract pada tahap geometry sebagaimna telah dijelaskan sebelumnya, maka akan didapatkan daerah-daerah yang saling bersentuhan antara kedua domain yang sesuai dengan luasan permukaan rotation region. Sehingga interface dibuat pada daerah-daerah tersebut. Interface dibuat dengan general connection berupa frozen rotor (Luthfie, 2016) seperti yang terlihat pada posisi interface Gambar 4.3.

Hasil perhitungan pada tahap solution dapat dilihat pada tahap result. Gambar 4.4 sampai 4.8 menunjukkan contour kecepatan hasil simulasi Turbin Hydrocoil variasi 1 dan Pipa Penstock, pada penelitian ini menggunakan model Shear Stress

Transport (SST). Pada Gambar 4.4 sampai 4.8 tampak bahwa kecepatan fluida

mengalami peningkatan selama melewati runner. Semakin besar kecepatan putar

runner maka peningkatan fliuda semakin besar. Peningkatan kecepatan fliuda terbesar

terdapat pada coil (coil A) terakhir Turbin Hydrocoil. Peningkatan kecepatan ini akan berimbas pada transfer energi yang terjadi antara fliuda dan runner turbin.

(10)

Gambar 4.5 Contour Kecepatan Pada turbin Hydrocoil Variasi 1 dan Pipa Penstock Dengan Kecepatan Putar 200 RMP dan Model Shear Stress Transport (SST)

(11)

(12)

Gambar 4.9 Contour Tekanan Pada Turbin Hydrocoil variasi 1 dan Pipa Penstock Dengan Kecepatan Putar 100 RPM dan Model Shear Stress Transport (SST)

(13)

(14)

terdapat pada coil terakhir Turbin Hydrocoil. Peningkatan kecepatan ini akan berimbas pada transfer energi yang terjadi antara fliuda dan runner turbin.

(15)

Gambar 4.15 Contour Kecepatan Pada turbin Hydrocoil Variasi 2 dan Pipa Penstock Dengan Kecepatan Putar 200 RMP dan Model Shear Stress Transport (SST)

(16)

(17)

(18)

(19)

terdapat pada coil terakhir Turbin Hydrocoil. Peningkatan kecepatan ini akan berimbas pada transfer energi yang terjadi antara fliuda dan runner turbin.

(20)

(21)

(22)

Pada Gambar 4.29 sampai 4.33 menunjukkan contour tekanan hasil simulasi Turbin Hydrocoil variasi 3 dan Pipa Penstock dengan model Shear Stress Transport (SST).

(23)

(24)

Dengan memanfaatkan menu calculator pada tahap result didapatkan nilai torsi untuk berbagai variasi kecepatan putar turbin. Daya turbin dapat diperoleh dengan mengalikan nilai torsi yang didapatkan dari simulasi. Efisiensi turbin yang didapatkan dari hasil bagi antara daya turbin yang telah dihitung dengan daya air yang tersedia kemudian dikalikan 100. Daya air yang tersedia dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.3 dengan mengabaikan nilai efisiensi turbin. Perhitungan daya air yang tersedia adalah sebagai berikut:

Popt = 38

45𝛾𝐻𝑔. 𝑄𝑜𝑝𝑡 Popt = 38

45 (9.800)(5)(0,032) Popt = 1.324,09 𝑊

4.3 PERBANDINGAN HASIL SIMULASI TURBIN HYDROCOIL

VARIASI 1, 2 DAN 3 DENGAN PERUBAHAN PANJANG PITCH

(25)

(26)

panjang pitch sudu turbinnya lebih sempit seperti terlihat pada Gambar 3.34 (b). Sementara pada turbin variasi 3 dimana awalnya merenggang kemudian menyempit dengan catatan coil C dan Coil B sama-sama merenggang sedangkan Coil A menyempit seperti terlihat pada Gambar 3.34 (c).

Tabel 4.1 menunjukkan nilai torsi, daya dan efisiensi turbin untuk Turbin Hydrocoil variasi 1, 2 dan 3 dengan model turbulensi berupa Shear Stress Transport (SST). Pada Tabel 4.1 tampak bahwa nilai torsi ketiga turbin dengan variasi panjang

pitch yang berbeda semakin naik seiring peningkatan kecepatan putar runner,

sementara daya turbin dan efisiensi turbin naik diantara kecepatan putar 100 sampai 500 rpm. Dimana ketiga turbin tersebut memiliki panjang pitch yang bervariasi sama-sama mengalami kenaikkan pada daya dan efisiensi turbin dengan kecepatan putar 100 sampai 500 rpm. Pada tabel tersebut tampak bahwa Turbin Hydrocoil variasi 3 memiliki performasi yang paling buruk dibandingkan turbin variasi 1 dan variasi 2. Hal ini ditunjukkan oleh nilai torsi turbin variasi 3 yang lebih kecil dibandingkan kedua variasi lainnya sehingga berimbas pada nilai daya yang dihasikan dan efisiensi turbin tersebut

Tabel 4.1 Nilai Torsi, Daya dan Efisiensi Turbin Hydrocoil Variasi 1, 2 dan 3 Berdasarkan Simulasi CFD untuk Berbagai Kecepatan Putar

Variasi Turbin _{Putar (RPM)}Keceptan Torsi (Nm) Daya (W) Efisiensi (%)

(27)

Gambar 4.35, 4.36 dan 4.37 masing-masing menunjukkan grafik torsi, daya dan efisiensi Turbin Hydrocoil Variasi 1, 2 dan 3. Model turbulensi Shear Stress

Transport (SST) menunjukkan besar nilai pada ketiga parameter yaitu turbin variasi 1,

2 dan 3. Dari ketiga gambar tersebut tampak bahwa model turbulensi Shear Stress

Transport (SST) menghasilkan nilai ketiga parameter torsi, daya dan efisiensi.

Gamabar 4.35 Grafik Torsi Turbin Hydrocoil Variasi 1, 2 dan 3 Hasil Simulasi

(28)

Gambar 4.3 Grafik Efisiensi Turbin Hydrocoil Variasi 1, 2 dan 3 Hasil Simulasi

Perbedaan performasi ketiga variasi turbin berhubungan dengan geometri ketiga turbin yang berimbas pada perubahan kecepatan tangensial air melaluinya. Sebagimana telah disebutkan sebelumnya bahwa berdasarkan (Stark, 2011), kecepatan tangensial air di sisi masuk turbin aksial dapat dianggap nol, karena air mengalir sejajar sumbu putar turbin (arah aksial) sehingga tidak memiliki komponen kecepatan arah tangensial. Pada penelitian ini, kecepatan tangensial di sisi masuk tidak nol, tetapi memiliki nilai walaupun lebih kecil dibandingkan dengan kecepatan tangensial di sisi keluar turbin (Luthfie, 2016). Perbedaan kecepatan tangensial inilah yang mempengaruhi nilai torsi. Perubahan besar kecepatan arah tangensial ini karena perubahan panjang pitch sudu turbin. Hal ini berkaitan dengan geometri turbin dimana sudut sudu turbin pada coil C dan Coil B lebih besar dibandingkan dengan coil A dan panjang pitch turbin yang awalnya merenggang kemudian menyempit, sehingga terjadi pengurangan keceptan tangensial air.

4.3 PENGARUH PERUBAHAN PANJANG PITCH TURBIN HYDROCOIL

VARIASI 1, 2 DAN 3 TERHADAP PERFORMASI TURBIN

(29)