commit to user
UJI EKSPERIMENTAL PENGARUH JUMLAH DAN SUDUT
SUDU PENGARAH (GUIDE VANE) TERHADAP PERFORMA
TURBIN ANGIN CROSS FLOW YANG TERINTEGRASI
DENGAN MENARA PENDINGIN
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
Oleh :
GALIH PERMANA NIM. I 0409022
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
2016
commit to user
iv
ABSTRAK
UJI EKSPERIMENTAL PENGARUH JUMLAH DAN SUDUT SUDU PENGARAH (GUIDE VANE) TERHADAP PERFORMA TURBIN ANGIN
CROSS FLOW YANG TERINTEGRASI DENGAN MENARA PENDINGIN
Galih Permana Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta Indonesia
Email: galih.prmana@gmail.com
Turbin angin tipe cross flow ditempatkan pada bagian outlet cooling tower untuk memanfaatkan udara buangan dari cooling tower untuk menghasilkan energi listrik. Integrasi ini terdiri dari sudu pengarah dan diffuser yang digunakan untuk meningkatkan kecepatan putar turbin sehingga daya yang dihasilkan meningkat. Jumlah dan sudut kemiringan sudu pengarah dioptimalkan untuk memastikan aliran angin dari cooling tower mengenai sudu turbin angin. Untuk menghindari pengaruh negatif pada cooling tower dan untuk mengoptimalkan performa turbin angin, penentuan posisi turbin dan pengukuran konsumsi daya cooling tower juga dilakukan dalam eksperimen. Posisi yang dipilih adalah posisi dimana kecepatan angin lebih tinggi sesuai dengan daerah yang menghasilkan torsi positif dari rotasi turbin. Performa dari turbin angin dengan sudu pengarah diuji di laboratorium menggunakan model skala kecil. Performa turbin meningkat pada kisaran 22,21-67,33 % dengan sudu pengarah. Pada konfigurasi sudu pengarah dan profil kecepatan angin cooling tower yang tepat, integrasi turbin angin dengan menara pendingin tidak hanya dapat menggantikan energi kinetik yang tidak terpakai, tetapi juga dapat mengurangi konsumsi daya kipas motor sebesar 2,46 %
commit to user
v
ABSTRACT
THE EXPERIMENTAL STUDY ON THE EFFECT OF GUIDE VANES NUMBER AND ANGLE ON THE PERFORMANCE OF CROSS FLOW
WIND TURBINE INTEGRATED WITH THE COOLING TOWER
Galih Permana
Departement of Mechanical Engineering Engineering Faculty of Sebelas Maret University
Surakarta Indonesia Email: galih.prmana@gmail.com
A cross flow wind turbine was positioned at the discharge outlet of a cooling tower to harness the discharged wind for electricity generation. The integration consists of guide vanes and diffuser plates is used to enhance the rotational speed of the turbines for power augmentation. The number and angle of the guide-vanes is optimized to ensure the oncoming wind stream impinges the rotor blades of the turbine at an optimum angle. To avoid a negative impact on the performance of the cooling tower and to optimize the turbine performance, the determination of the turbine position in the discharge wind stream was also conducted by experiment. The preferable position is where the higher wind velocity matches the positive torque area of the turbine rotation. The performance of the system is tested in the laboratory using scaled down model. The turbine performance is increased in the range of 22.21–67.33 % with the guide vanes. With the proper matching among the guide vanes configurations and exhaust air velocity profile, the turbine system was not only able to recover the wasted kinetic energy, it also reduced the fan motor power consumption by 2.46 %
commit to user
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur alhamdulillah penulis haturkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi “Uji Eksperimental Pengaruh Jumlah dan Sudut Sudu Pengarah (Guide Vane) Terhadap Performa Turbin Angin Cross Flow yang Terintegrasi dengan Menara Pendingin” ini dengan baik.
Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam penyelesaian skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan skripsi ini, terutama kepada:
1. Bapak D. Danardono, ST, MT, PhD selaku Pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak Dr. Budi Santoso, ST, MT selaku Pembimbing II yang telah turut serta
memberikan bimbingan yang berharga bagi penulis.
3. Bapak Ir. Agustinus Sujono, MT selaku pembimbing akademik yang telah berperan sebagai orang tua penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Sebelas Maret ini.
4. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, ST, MT , bapak Budi Kristiawan, ST, MT dan bapak Prof. Dr. Dwi Aries Himawanto, ST, MT selaku dosen penguji tugas akhir saya yang telah memberi saran yang membangun.
5. Bapak Dr. Nurul Muhayat, ST, MT selaku koordinator Tugas Akhir.
6. Bapak Didik Djoko Susilo, ST, MT selaku Kepala Laboratorium Getaran UNS yang telah memberikan izin serta fasilitas yang sangat berguna bagi penulis. 7. Seluruh Dosen serta Staff di Jurusan Teknik Mesin UNS, yang telah turut
mendidik dan membantu penulis hingga menyelesaikan studi S1.
8. Bapak, Ibu, dan seluruh keluarga yang telah memberikan do’a restu, motivasi dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir.
commit to user
vii
9. Teman-teman Angkatan 2009 beserta kakak dan adik angkatan di Teknik Mesin UNS.
10. Semua pihak yang telah membantu dalam melaksanakan dan menyusun laporan Tugas Akhir ini yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak untuk memperbaiki dan menyempurnakan skripsi ini.
Akhir kata, penulis berharap, semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.
Surakarta, Maret 2016
commit to user
viii
DAFTAR ISI
Halaman Judul ... i
Surat Penugasan ... ii
Halaman Pengesahan ... iii
Abstrak ... iv
Kata Pengantar ... vi
Daftar Isi... viii
Daftar Gambar ... x
Daftar Tabel ... xii
Daftar Lampiran ... xiii
Daftar Notasi ... xiv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar belakang ... 1
1.2. Perumusan Masalah ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 2
1.4. Tujuan dan Manfaat Penelitian ... 3
1.5. Sistematika Penulisan ... 5
BAB II LANDASAN TEORI ... 6
2.1. Tinjauan Pustaka ... 6
2.2. Dasar Teori ... 7
2.2.1. Menara Pendingin (Cooling Tower) ... 7
2.2.2. Definisi dan Pengelompokan Turbin angin ... 10
2.2.3. Sudu Pengarah ... 12
2.2.4. Prinsip Konversi Energi Angin ... 13
2.2.5. Teori Momentum Elemen Betz ... 13
2.2.6. Power Coefficient ... 16
2.2.7. Tip Speed Ratio ... 17
2.2.8. Prony Brake ... 18
2.2.9. Daya Poros ... 19
BAB III PELAKSANAAN PENELITIAN ... 20
commit to user
ix
3.2. Alat dan Bahan ... 20
3.2.1. Alat ... 20
3.2.2. Bahan ... 25
3.3. Prosedur Penelitian ... 25
3.3.1. Tahap Persiapan ... 25
3.3.2. Tahap Pengambilan Data ... 25
3.3.3. Tahap Analisis Data ... 28
3.3.4. Diagram Alir Penelitian ... 29
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 30
4.1. Hasil Pengujian Turbin Cross Flow Tanpa Sudu Pengarah ... 30
4.2. Hasil Pengujian Turbin Cross Flow dengan 2 Sudu Pengarah ... 31
4.3. Hasil Pengujian Turbin Cross Flow dengan 3 Sudu Pengarah ... 33
4.4. Hasil Pengujian Turbin Cross Flow dengan 4 Sudu Pengarah ... 34
4.5. Analisis Pengaruh Jumlah dan Sudut Kemiringan Sudu Pengarah pada Turbin Angin Cross Flow ... 36
4.6. Analisis Power Coefficient dan Tip Speed Ratio ... 37
4.7. Analisis Konsumsi Daya pada Model Cooling Tower ... 39
BAB V PENUTUP ... 41
5.1. Kesimpulan ... 41
5.2. Saran ... 41
DAFTAR PUSTAKA ... 43
commit to user
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. Profil kecepatan angin dari outlet cooling tower ... 2
Gambar 2.2. Skema sistem pemulihan energi cooling tower dengan turbin ... 5
Gambar 2.2. Forced draft cooling tower ... 8
Gambar 2.3. Induced draft cooling tower ... 9
Gambar 2.4. Jenis turbin angin berdasarkan jumlah sudu ... 10
Gambar 2.5. Berbagai jenis turbin angin vertical ... 11
Gambar 2.6. Sudu Pengarah dengan Rotor Turbin Angin Savonius ... 12
Gambar 2.7. Kondisi aliran udara akibat ekstraksi energi mekanik aliran bebas14 Gambar 2.8. Koefisien daya terhadap rasio kecepatan aliran udara ... 16
Gambar 2.9. Nilai cp dan tip speed ratio untuk berbagai turbin angin ... 17
Gambar 2.10. Prony brake ... 18
Gambar 3.1. Model turbin angin sumbu vertikal cross flow ... 19
Gambar 3.2. Diffuser dengan turbin dan sudu pengarah terpasang ... 20
Gambar 3.3. Model cooling tower ... 20
Gambar 3.4. Skema variasi jumlah dan sudut kemiringan ... 21
Gambar 3.5. Skema variasi posisi turbin angin ... 22
Gambar 3.6. Busur dan jarum penunjuk ... 22
Gambar 3.7. Timbangan dan beban pemberat ... 23
Gambar 3.8. Anemometer ... 23
Gambar 3.9. Tachometer ... 23
Gambar 3.10. Watt meter ... 24
Gambar 3.11 Skema rangkaian eksperimen ... 24
Gambar 3.12 Instalasi alat penelitian ... 25
Gambar 3.13 Titik-titik pengukuran kecepatan angin cooling tower ... 26
Gambar 3.14 Diagram alir penelitian ... 29
Gambar 4.1 Putaran turbin angin cross flow tanpa sudu pengarah ... 30
Gambar 4.2 Daya turbin angin cross flow tanpa sudu pengarah ... 31
Gambar 4.3 Putaran turbin angin cross flow dengan 2 sudu pengarah ... 32
Gambar 4.4 Daya turbin angin cross flow dengan 2 sudu pengarah ... 32
commit to user
xi
Gambar 4.6 Daya turbin angin cross flow dengan 3 sudu pengarah ... 34
Gambar 4.7 Putaran turbin angin cross flow dengan 4 sudu pengarah ... 35
Gambar 4.8 Daya turbin angin cross flow dengan 4 sudu pengarah ... 35
commit to user
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Nilai koefisien daya dan tip speed ratio ... 38 Tabel 4.2. Nilai rata-rata konsumsi daya motor pada cooling tower ... 39
commit to user
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data kecepatan rata-rata angin dari cooling tower ... 46 Lampiran 2. Data putaran poros, beban, dan konsumsi daya motor kipas
cooling tower pada posisi turbin 0 mm ... 46 Lampiran 3. Data putaran poros, beban, dan konsumsi daya motor kipas
cooling tower pada posisi turbin 10 mm ... 46
Lampiran 4. Data putaran poros, beban, dan konsumsi daya motor kipas cooling tower pada posisi turbin 20 mm ... 47 Lampiran 5. Data putaran poros, beban, dan konsumsi daya motor kipas
cooling tower pada posisi turbin 30 mm ... 47
Lampiran 6. Data putaran poros, beban, dan konsumsi daya motor kipas cooling tower pada posisi turbin 40 mm ... 48 Lampiran 7. Contoh perhitungan hasil pengujian ... 48 Lampiran 8. Data hasil perhitungan turbin angin tanpa sudu pengarah ... 50 Lampiran 9. Data hasil perhitungan turbin angin dengan 2 sudu pengarah .... 50 Lampiran 10. Data hasil perhitungan turbin angin dengan 3 sudu pengarah .... 51 Lampiran 11. Data hasil perhitungan turbin angin dengan 4 sudu pengarah .... 51 Lampiran 12. Gambar detail turbin cross flow terintegrasi cooling tower ... 52 Lampiran 13. Skema sudu pengarah ... 53
commit to user
xiv
DAFTAR NOTASI
A = Luas area sapuan rotor (m2)
cp = Koefisien daya (non-dimensional)
D = Diameter (m)
Dh = Diameter hidraulik (m)
E = Energi kinetik benda bergerak (Joule)
F = Gaya (N)
FD = Gaya drag (N)
Fe = Gaya efektif (N)
FL = Gaya lift (N)
Fr = Torsi (Nm)
Fs = Gaya yang terukur pada pegas (N)
g = Gaya gravitasi (m/s2)
m = Massa (kg)
N = Kecepatan Putar (rpm)
P = Daya total yang tersedia dalam angin (watt) P0 = Daya mekanik aktual (watt)
Re = Radius efektif (m)
Rs = Radius poros (m)
Rr = Radius tali (m)
T = Torsi (Nm)
V = Laju volume udara (m3/s)
v = Kecepatan angin (m/s)
ṁ = Laju aliran massa (kg/s)
ρ = Massa jenis udara (kg/m3) 𝑣′ = Kecepatan aliran udara pada rotor (m/s)
λ = Rasio kecepatan ujung (Tip Speed Ratio) (non-dimensional) θ = Sudut kemiringan sudu pengarah (o)
