A. 1
RANCANG BANGUN KINCIR AIR TIPE UNDERSHOT DENGAN VARIASI JUMLAH SUDU DATAR
Slamet Priyoatmojo*, F Gatot Sumarno, Ahmad Hamim Su’udy Program Studi Teknik Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri
Semarang
Jl. Prof. H. Sudarto, SH., Tembalang, 50275, Semarang Corresponding Author: *e-mail: atmojopriyo@ymail.com
ABSTRAK
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Kincir Air Tipe Undershot ini dinilai cocok untuk digunakan di pedesaan dengan karakteristik kincir air yang tidak membutuhkan head tinggi dan juga bisa bekerja pada debit rendah. Namun desain kincir air tipe undershot ketika debitnya rendah, daya keluarannya kurang maksimal. Dibutuhkan desain yang sesuai supaya daya keluarannya kincir air maksimal dengan putaran rendah maupun tinggi.
Berdasarkan gagasan tersebut muncul inovasi kincir air dengan variasi jumlah sudu datar untuk mengetahui jumlah sudu dengan daya keluarannya paling maksimal. Tahapan metode yang dilakukan yaitu persiapan mencari literatur, perencanaan desain, pembuatan alat, pengujian dan analisa data. Dari hasil pengujian yang dilakukan didapatkan hasil bahwa kincir air tipe undershot pada kecepatan rendah (0,767 m/s) didapatkan efisensi turbin/ kincir rata rata sebesar 3,4 % sedangkan untuk aliran kecepatan tinggi (1,084 m/s) rata rata mendapatkan efisisensi sebesar 9,4 %,
PENDAHULUAN
Prosiding NCIET Vol.2 (2021)
1st National Conference of Industry, Engineering and Technology 2021, Semarang, Indonesia.
A. 2
Air merupakan sumber energi yang murah dan relatif mudah didapat, karena pada air tersimpan energi potensial (pada air jatuh) dan energi kinetik (pada air mengalir).
Tenaga air (Hydropower) adalah energi yang diperoleh dari air yang mengalir. Energi yang dimiliki air dapat dimanfaatkan dan digunakan dalam wujud energi mekanis maupun energi listrik. Pemanfaatan energi air banyak dilakukan dengan menggunakan kincir air atau turbin air yang memanfaatkan adanya suatu air terjun atau aliran air di sungai. Sejak awal abad 18 kincir air banyak dimanfaatkan sebagai penggerak penggilingan gandum, penggergajian kayu dan mesin tekstil. Memasuki abad 19 turbin air mulai dikembangkan (Aryo, 2012).
Kincir Air Tipe Undershot ini dinilai cocok untuk digunakan di desa – desa dengan karakteristik kincir air yang tidak membutuhkan head tinggi dan juga bias bekerja pada debit rendah. Akan tetapi desain kincir air tipe undershot ini hanya bekerja pada putaran rendah ketika debitnya rendah dan daya keluarannya juga kurang maksimal. Dibutuhkan desain yang sesuai supaya daya keluarannya pada kincir air dapat maksimal dengan putaran rendah maupun tinggi. Berdasarkan gagasan tersebut muncul inovasi kincir air dengan variasi jumlah sudu datar yang memungkinkan untuk mengetahui jumlah sudu dengan daya keluarannya paling maksimal.
Turbin merupakan bagian penting dari sistem mikro hidro yang menerima energi potensial dari air dan mengubahnya menjadi energi putaran (mekanik). Kemudian energi mekanik ini akan memutar sumbu turbin pada generator. Terdapat beberapa jenis turbin menurut teknologinya, antara lain : 1. Turbin Tradisional, biasanya terbuat dari bambu atau kayu. 2. Turbin Modern, turbi jenis ini yang paling banyak digunakan adalah jenis turbin jenis Kaplan, Francis, Cross Flow, dan Pelton. 3. Turbin Modifikasi, dibuat dengan memodifikasi jenis turbin yang telah ada.
Daya Hidrolik adalah daya yang dimilik oleh aliran suatu fluida , yang dihitung dengan persamaan.
Yaitu : Ph = ρ . g . Q . H ... (Muhammad Syawal Al-Azhar,2017) Dimana
ρ : massa jenis air (kg/m³) g : percepatan gravitasi (m/s2 ) Q : debit (m³/s) H : head (m)
A. 3
Gambar 1 Head Total Aliran Kincir
Untuk mencari Head total aliran kincir menggunakan persamaan sebagai berikut : HT = h1 – h2
HT = (y1 + ∆h1) - (y2 + ∆h2) HT = (y1 – y2) + (∆h1 - ∆h2)
Perencanaan Kincir Sudu Datar
Untuk menghitung perancangan desain kincir air dapat digunakan persamaan- persamaan sebagai berikut:
1. Menghitung Jarak Antar Sudu (t) t = din . .
Keterangan :
t = Jarak antar sudu (m) din = Diameter dalam Kincir (m) nsd = Jumlah sudu
2. Menghitung Kecepatan Tangensial Kincir (U)
Untuk menghitung Kecepatan tangensial kincir dapat menggunakan persamaan sebagai berikut (Morong, 2016):
U = . dout . Keterangan :
n = Jumlah putaran kincir (rpm) U = Kecepatan tangensial kincir (m/s) dout = Diameter luar kincir (m)
3. Menghitung Daya Mekanik Kincir (Pm)
A. 4
Untuk menghitung daya mekanik kincir dapat menggunakan persamaan berikut (Yusri, 2004):
Pm = . . . T Keterangan :
Pm = Daya Mekanik kincir (Watt) F = Gaya tangensial kincir (N) U = Kecepatan tangensial kincir (m/s) T = Torsi (N.m)
f = Frekuensi
4. Menghitung Debit Aliran Air pada Daerah Open Channel : Q = A v = √2 HT
METODE PENELITIAN
. Kincir air undershot bekerja bila air yang mengalir menghantam dinding sudu yang terletak pada bagian bawah dari kincir air tersebut. Kincir ini merupakan jenis kincir air dengan poros horizontal yang hamper sama dengan kincir air tipe undershot pada umumnya. Kincir air ini memiliki Jumlah variasi sudu datar sebanyak 10, buah dengan jarak antar sudu masing – masing sebesar 36, 30, dan 25,7. Kincir ini hanya memiliki satu poros dengan sistem sudu secara plug and play. Kincir ini tidak memiliki keuntungan dari head, maka akan dipasang pada perairan dangkal pada daerah yang rata.
Gambar 2 Kincir Air Rancangan DesainKincir Air TipeUndershot
A. 5
Gambar 3. Kincir air sudu 10
Gambar 5 Kincir Air Dengan Transmisi 3 Percepatan
Gambar 6 RangkaianTransmisi 3 Percepatan
A. 6
HASIL dan PEMBAHASAN
. Tabel 1 Hasil Pengujian Kecepatan Rendah Jumlah
Sudu
m1
(kg)
m2
(kg)
n (rpm)
y1
(m)
y2
(m) ℎ1
(m) ℎ2
(m)
10
0,05 0,07 175,65 0,52 0,48 0,01 0,02
0,10 0,18 163,67 0,52 0,48 0,01 0,02
0,15 0,24 152,6 0,52 0,48 0,01 0,02
0,20 0,37 135,7 0,52 0,48 0,01 0,02
0,250 0,46 123,4 0,52 0,48 0,01 0,02
Tabel 2 Hasil Pengujian Kecepatan Tinggi Jumlah
Sudu
m1
(kg)
m2
(kg)
n (rpm)
y1
(m)
y2
(m) ℎ1
(m) ℎ2
(m)
10
0,05 0,16 452,15 0,56 0,47 0,01 0,04
0,10 0,28 420,3 0,56 0,47 0,01 0,04
0,15 0,49 401,85 0,56 0,47 0,01 0,04
0,20 0,55 384,55 0,56 0,47 0,01 0,04
0,250 0,51 352,6 0,56 0,47 0,01 0,04
Perhitngan luas sapuan air (A) diperoleh dari : A = p x l
A =0.415 x 0.35 A = 0.145
Perhitungan Head Total Aliran Kincir (HT) diperoleh dari : a. Kecepatan Rendah
HT = (y1 – y2) + (∆h1 - ∆h2) HT = (0,52 – 0,48) + (0,01–0,02) HT = 0,03 m
b. Kecepatan Rendah
HT = (y1 – y2) + (∆h1 - ∆h2) HT = (0,56 – 0,47) + (0,01–0,04) HT = 0,06 m
Perhitungan kecepatan aliran air (v) diperoleh dari : c. Kecepatan Rendah
= 2 HT
= 2 9.806 (0.03)
= 0,767 ̸ d. Kecepatan Tinggi
A. 7
= 2 HT
= 2 9.806 (0.06)
= 1,084 ̸
Perhitungan debit air (Q) diperoleh dari : 1. Kecepatan Rendah
Q = A x v
Q = 0.145 x 0,767 Q = 0,111 # ̸ 2. Kecepatan Tinggi
Q = A x v
Q = 0.145 x 1,084 Q = 0,157 # ̸
Contoh perhitngan berdasarkan tabel 1 pada sudu 10 dapat dilihat dibawah ini : Debit Air (Q) = 0,111 m3/s
Kecepatan Aliran Air (v) = 0,767 m/s
Putaran (n) = 175,65 rpm
Garavitasi (g) = 9,806 m/s2 1. Daya Hidrolik
Perhitungandayahidrolikdenganmenggunakanpersamaanrumus : Ph = ρ .g .Q . HT
Ph =1000 .9,806 . 0,111 . 0,03 Ph = 32,653 watt
2. Daya Mekanik
Perhitungandayamekanikdenganmenggunakanpersamaanrumus : F = m . g
F = (m2-m1) . g
F = (0.07-0.05) . 9.806 F = 0.196 N
T = F . L
T = 0.196 . 0.0875 T = 0.017 N.m Pm = . . . T
A. 8
Pm = . . $%&, &
. 0,017 Pm = 0,312 watt
3. Efisiensi Kincir (Ƞk) Ƞk = '(
') . 100%
Ƞk = ,#$
# , &# . 100%
Ƞk = 0,95 %
Tabel 3 Hasil Perhitungan Kecepatan Rendah Jumlah
Sudu
m (kg)
n (rpm)
T (N.m)
Q (m3/s)
Kecepatan aliran air
(m/s)
HT
(m)
PH
(watt) PM
(watt)
Efisiensi (%)
10
0,02 175,65 0,017 0,111 0,767 0,03 32,653 0,312 0,95 0,08 163,67 0,068 0,111 0,767 0,03 32,653 1,176 3,6 0,09 152,6 0,077 0,111 0,767 0,03 32,653 1,23 3,76 0,17 135,7 0,145 0,111 0,767 0,03 32,653 2,072 6,34 0,21 123,4 0,18 0,111 0,767 0,03 32,653 0,931 2,84
Tabel 4.4 Hasil Perhitungan Kecepatan Tinggi Jumlah
Sudu m
(kg) n
(rpm) T
(N.m) Q (m3/s)
Kecepatan aliran air
(m/s)
HT
(m) PH
(watt) PM
(watt) Efisiensi (%)
10
0,11 452,15 0,094 0,157 1,084 0,06 92,37 4,47 4,84 0,18 420,3 0,154 0,157 1,084 0,06 92,37 6,77 7,33 0,34 401,85 0,291 0,157 1,084 0,06 92,37 12,24 13,25 0,35 384,55 0,30 0,157 1,084 0,06 92,37 12,07 13,07 0,26 352,6 0,223 0,157 1,084 0,06 92,37 8,23 8,9
Dari data tabel kecepatan rendah (0,767 m/s) didapatkan efisensi turbin/ kincir rata rata sebesar 3,4 % sedangkan untuk aliran kecepatan tinggi (1,084 m/s) rata rata mendapatkan efisisensi sebesar 9,4 %,
SIMPULAN
Dari penelitian dengan jumlah sudu 10 pada kecepatan rendah (0,767 m/s) didapatkan nilai efisiensi sebesar 3,4 % sedangakan untuk kecepatan aliran tinggi (1,084 m/s), perlu dilakukan pengujian penambahan sudu untuk mendapatkan efiseinsi maksimal pada kecepatan rendah maupun tinggi
A. 9
DAFTAR PUSTAKA
[1] Bono, Suwarti. 2019. Variasi Jumlah Sudu Dan Modifikasi Bentuk Nossel Pada Turbin Turgo Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro. EKSERGI Jurnal Teknik Energi. 15(2):81-92
[2] HendartoAryo. 2012. Pemanfaatan Pemandian Umum Untuk Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro ( Pltmh ) Menggunakan Kincir TipeOvershot. Jurusan Teknik Elektro, Universitas Muhammadiyah Surakarta.
[3] Hsb, Muhammad Syawal Al-Azhar dkk. 2017. Pengujian KarakteristikTurbin Pelton denganSudu 15 dan 16 Skala Laboratorium. Jurusan Teknik Mesin, Sekolah Tinggi Teknik Harapan Medan.
[4] Morong, JuneidyYohanes. 2016. RancangBangunKincir Air Irigasi Sebagai Pembangkit Listrik di DesaTalawaan. TugasAkhir. Manado: Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik ElektroPoliteknik Negeri Manado
[5] Rio OktakariSurbakti, 2009, Perencanaan Serta PembuatanPrototipeTurbin Air TerapungBersudu Lengkung Dengan Memanfaatkan Kecepatan Aliran Air Sungai, Jurnal Teknik Mesin USU
[6] Tuapetel, J.V, Poerwoko, D. 2018. Perancangan Kincir Terapung Pada Sungai UntukPembangkit Listrik. Seminar Nasional Pakar. 1:1
[7] Wibawa Unggul, Santoso Hari, dkk. 2014. Perancangan Kincir Air Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (Pltmh) Desa Bendosari Kecamatan Pujon Kabupaten Malang.
Jurnal Teknik ElektroUniversitas Brawijaya
