Unjuk kerja kincir air undershot dengan sudu setengah lingkaran - USD Repository

i

UNJUK KERJA KINCIR AIR UNDERSHOT DENGAN

SUDU SETENGAH SILINDER

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Mencapai derajat sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin

Jurusan Teknik Mesin

Diajukan oleh :

Carolus Borromeus Krishna Sampurno NIM : 075214004

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

ii

PERFORMANCE UNDERSHOT WATERWHEEL

WITH A HALF-CYLINDRICAL BLADES

FINAL PROJECT

Presented as partial fulfillment of the requirement

To obtain the sarjana teknik degree

In mechanical engineering study program

By :

Carolus Borromeus Krishna Sampurno NIM : 075214004

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

v

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan disuatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 7 Februari 2012

vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

Yang bertanda tangan dibawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Carolus Borromeus Krishna Sampurno

Nomor Mahasiswa : 07 5214 004

Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah dengan judul :

UNJUK KERJA KINCIR AIR UNDERSHOT DENGAN SUDU

SETENGAH SILINDER

Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma, hak untuk menyinpan, mengalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

Dibuat di Yogyakarta

Pada Tanggal : 7 Februari 2012

Yang menyatakan

vii

INTISARI

Energi listrik sangat penting bagi kehidupan, tetapi sampai saat ini masih banyak daerah yang belum mendapatkan pasokan listrik. Bagi daerah yang belum mendapatkan aliran listrik namun berada pada daerah aliran sungai dapat menggunakan kincir air sebagai solusi untuk membangkitkan listrik sehingga kebutuhan listrik di masyarakat dapat terpenuhi. Tetapi penelitian dan pengaplikasian mengenai kincir air undershot di Indonesia masih belum banyak dilakukan sehingga masih perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk memanfaatkannya secara optimal

Tujuan dari penelitian ini adalah membuat model kincir air undershot dengan bentuk sudu setengah silinder, mengetahui hubungan torsi yang dihasilkan dengan head yang digunakan, mengetahui pengaruh perubahan jumlah sudu terhadap daya yang dihasilkan. Model kincir air undershot dapat dibagi menjadi 3 bagian utama yaitu, sudu dan penyangganya, roda kincir dan poros. Dalam proses pengambilan data digunakan beberapa variasi berbeda yaitu, head yang digunakan 2,5 meter dan 3,5 meter, dan jumlah sudu yang digunakan 16 buah dan 8 buah sudu.

Telah berhasil dibuat seperangkat kincir air beserta aplikasi fungsionalnya dengan daya output yang dihasilkan sebesar 54,68 Watt pada jumlah sudu 16 buah dan head 3,5 meter, torsi maksimal yang dihasilkan sebesar 2,75 kg.m pada saat head 3,5 meter dan jumlah sudu 16 buah. Efisiensi kincir yang tetinggi didapatkan pada jumlah sudu 16 buah dan head 3,5 meter yaitu sebesar 1,19%.

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Allah SWT karena atas berkat dan rahmat-Nya dalam penyusunan Tugas Akhir ini, sehingga pada akhirnya Tugas Akhir ini dapat kami selesaikan dengan baik.

Tugas Akhir merupakan sebagian persyaratan yang wajib ditempuh oleh setiap mahasiswa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Tugas Akhir ini juga dapat dikatakan sebagai wujud pemahaman dari hasil belajar mahasiswa setelah mengikuti kegiatan perkuliahan selama di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Dalam Tugas Akhir ini akan dibahas mengenai unjuk kerja kincir air undershot dengan variasi bentuk sudu setengah silinder. Dalam Tugas Akhir ini, penulis berencana untuk meneliti unjuk kerja dari kincir air undershot dengan luas frontal 1,038 m2.

Selama pembuatan tugas akhir ini tentu penulis mengalami berbagai macam hambatan dan cobaan, namun pada akhirnya dapat diselesaikan dengan bantuan saran, nasihat, ide, maupun bimbingan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini, dengan segenap kerendahan hati kami mengucapkan terima kasih kepada:

ix

2. Kedua Orang Tua Penulis, karena kebaikan, motivasi, dan segala bentuk dukungan dari mereka penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.

3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T., selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

4. Bapak Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

5. Bapak Raden Benedictus Dwiseno Wihadi, S.T., M.Si. selaku Dosen pembimbing Tugas Akhir.

6. Ir. Rines M.T. selaku Dosen pembimbing akademik.

7. Keluarga penulis, yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah memberikan motivasi dan dukungan bagi penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir.

8. Rekan sekelompok yaitu Oktavianus Ardhian Nugroho, Fabianus Pratomo Wadiatmoko, dan Richardus Dias Bintang Jaya Nugraha, yang telah membantu dalam perancangan alat, pembuatan alat, perbaikan alat dan pengambilan data. 9. Teman-teman teknik mesin angkatan 2007 Universitas Sanata Dharma dan

teman-teman lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih atas segala bantuanya.

x

ini. Saran serta kritik yang membangun dari pembaca sangat penulis harapkan demi perbaikan dikemudian hari.

Penulis berharap semoga Tugas Akhir yang telah penulis susun ini dapat memberikan manfaat bagi para pembaca.

Yogyakarta, 7 Februari 2012

xi DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL...i

HALAMAN PERSETUJUAN...iii

HALAMAN PENGESAHAN...iv

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA...v

HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI...vi

INTISARI...vii

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA...6

2.1 Penelitian yang Pernah Dilakukan...6

2.2 Dasar Teori...7

2.3 Persamaan yang Digunakan...10

BAB III. METODE PENELITIAN...17

3.1 Alat Penelitian...17

3.2 Prinsip Kerja Alat...26

3.3 Variabel yang Divariasikan...27

3.4 Variabel yang Diukur...27

xii

BAB IV. DATA DAN PEMBAHASAN...30

4.1 Data Penelitian...30

4.2 Pengolahan Data dan Perhitungan...32

4.3 Hasil Perhitungan...37

BAB V. PENUTUP...44

5.1 Kesimpulan...44

5.2 Saran...45

DAFTAR PUSTAKA...46

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil pengujian kincir dengan variasi head 2,5 meter dan

8 jumlah sudu...30 Tabel 4.2 Data hasil pengujian kincir dengan variasi head 2,5 meter dan 16

jumlah sudu...31 Tabel 4.3 Data hasil pengujian kincir dengan variasi head 3,5 meter dan 8

jumlah sudu...31 Tabel 4.4 Data hasil pengujian kincir dengan variasi head 3,5 meter dan 16

jumlah sudu...32 Tabel 4.5 Data hasil perhitungan kincir dengan variasi head 2,5 meter dan 8

jumlah sudu...37 Tabel 4.6 Data hasil perhitungan kincir dengan variasi head 2,5 meter dan 16

jumlah sudu...38 Tabel 4.7 Data hasil perhitungan kincir dengan variasi head 3,5 meter dan 8

jumlah sudu...38 Tabel 4.8 Data hasil perhitungan kincir dengan variasi head 3,5 meter dan 16

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Salah satu contoh pemanfaatan kincir air undershot...8

Gambar 2.2 Penampang sudu kincir...12

Gambar 3.1 Skema Alat...17

Gambar 3.2 Roda Kincir Air Undershot...19

Gambar 3.3 Skema Alat Pendukung Pengukuran Daya...21

Gambar 3.4 Skema Alat Pendukung Pengukuran Torsi...22

Gambar 3.5 Neraca Pegas...22

Gambar 3.6 Generator Listrik...23

Gambar 3.7 Susunan Lampu Sebagai Beban...24

Gambar 3.8 Tachometer...24

Gambar 3.9 Pompa Air...25

Gambar 4.1 Grafik Hubungan Antara Head yang Digunakan Dengan Torsi Maksimal Kincir...40

Gambar 4.2 Grafik Hubungan Antara Jumlah Sudu yang Digunakan Dengan Daya Kincir yang Dihasilkan...41

Gambar 4.3 Grafik Hubungan Antara Torsi Dengan Beban yang Digunakan...42

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Krisis energi merupakan masalah yang sedang dihadapi pada masa sekarang ini. Batu bara, minyak bumi, dan gas alam adalah bahan bakar yang sering digunakan terutama dalam hal pembangkitan tenaga listrik. Oleh karena itu, permintaan untuk ketiga macam sumber energi tersebut selalu datang secara terus menerus untuk memenuhi kebutuhan energi, khususnya energi listrik. Namun, persediaan untuk ketiga macam sumber energi tersebut sangat terbatas. Bila digunakan secara terus menerus, lama kelamaan akan habis, karena untuk membentuk persediaan energi tersebut dibutuhkan waktu berjuta – juta tahun lamanya. Maka perlu dicari solusi yang tepat untuk mengganti ketiga energi tersebut.

Pada masa sekarang ini perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi semakin berkembang. Misalnya dalam kebutuhan sehari – hari yang menggunakan energi listrik sebagai sumber tenaga, antara lain : televisi, kulkas, radio, lampu dan masih banyak lagi contoh yang lain. Kebutuhan listrik juga sangat dibutuhkan, karena hampir setiap kegiatan sehari – hari menggunakan energi tersebut.

Salah satu energi terbarukan yang terdapat di alam adalah energi yang berasal dari air. Air merupakan zat cair yang sangat berguna di kehidupan sehari – hari, baik untuk manusia maupun untuk mahkluk hidup lain. Selain untuk kehidupan sehari – hari, air juga dapat dikonversi menjadi energi listrik yang sangat berguna bagi kehidupan masyarakat dengan menggunakan kincir air atau mikro hydro (PLTMH). Indonesia merupakan negara yang subur dengan air yang tersedia melimpah dimana – mana. Bahkan di setiap pulau di Indonesia mengalir sungai yang mengalir dengan lancar. Untuk daerah yang dekat dengan aliran sungai, dapat menggunakan kincir air sebagai solusi untuk membangkitkan listrik sehingga kebutuhan listrik di masyarakat dapat tercukupi. Kincir air merupakan salah satu bentuk pemanfaatan energi terbarukan yang ramah lingkungan.

menggunakan bahan – bahan yang ada agar nanti setiap orang dapat mengaplikasikan penelitian ini.

1.2. Batasan Masalah

Pada tugas akhir ini akan di buat kincir air undershot dengan bentuk sudu setengah silinder. Dengan alasan dipilihnya sudu setengah silinder agar hambatan yang berupa air yang diam di belakang sudu dapat diminimalkan, sehingga kecepatan putar kincir menjadi maksimal. Kincir ini diharapkan dapat menghasilkan daya listrik yang digerakkan tenaga arus datar.

Agar penelitian berjalan dengan lancar, maka diberi beberapa batasan masalah sebagai berikut :

1. Kincir air undershot ini dibuat dengan sudu 16 buah dan 8 buah dengan bentuk sudu setengah silinder.

2. Nilai gravitasi yang digunakan untuk perhitungan adalah 9,81 _⁄ . 3. Karena debit yang akan digunakan tetap, maka debit yang digunakan

adalah 39,78 ⁄

1.3. Tujuan yang Hendak Dicapai

Tujuan yang hendak dicapai dalam penelitian ini adalah :

air menjadi energi putaran poros sehingga kincir ini dapat menghasilkan energi listrik yang cukup optimal.

2. Mengetahui hubungan torsi yang dihasilkan dengan head yang digunakan.

3. _{Mengetahui pengaruh perubahan jumlah sudu terhadap daya yang}

dihasilkan.

4. _{Mengetahui efisiensi maksimum dari kincir air jenis undershot dengan}

bentuk sudu setengah silinder.

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat yang akan didapatkan dari pembuatan tugas akhir ini adalah : 1. Manfaat Bagi Peneliti

a. Mampu membuat kincir angin undershot yang digunakan untuk penelitian.

b. Menerapkan ilmu pengetahuan yang didapat dari perkuliahan terutama yang berkaitan dengan kincir air.

c. Sebagai pedoman untuk mengembangkan energi listrik tenaga air, khususnya kincir air.

2. Bagi masyarakat

b. Memanfaatkan energi terbarukan agar dapat melakukan penghematan pada sumber energi lain; seperti minyak bumi, dan batu bara.

3. Bagi Universitas Sanata Dharma

a. Menambah kepustakaan tentang kincir air undershot.

6 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Penelitian yang Pernah Dilakukan

Penelitian mengenai kincir air undershot ini sejauh sepengetahuan peneliti telah banyak dilakukan. Namun sebagian besar banyak yang telah dilakukan di luar negeri. Di Indonesia sendiri penelitian maupun pengaplikasian mengenai kincir air undershot belum banyak dilakukan hanya beberapa penelitian saja yang dapat peneliti ketahui dari proses pengumpulan sumber yang meneliti tentang kincir air tipe undershot.

Selanjutnya dalam penelitian mengenai pengaruh jumlah sudu terhadap efisiensi dan daya kincir air tipe undershot memperlihatkan bahwa jumlah sudu pada roda kincir hanya mempengaruhi nilai nominal dari daya dan efisiensi maksimum yang dihasilkan kincir air. Daya yang dihasilkan pada penelitian ini mencapai 85,07 W dengan berbagai variasi jumlah sudu (Bambang, 2010 ).

Pada penelitian lain menunjukan bahwa titik optimal pengoperasian kincir air terletak pada ratio kecepatan keliling sudu dan kecepatan arus sungai ( M Zahri, 2010 ).

2.2. Dasar Teori

Air merupakan sejenis fluida, di bumi ini air sangat sering dijumpai di sekitar kita. Jumlah air dibumi lebih banyak dibandingkan dengan daratan yaitu sekitar 70% dari jumlah daratan. Air mempunyai sifat menempati ruang dan juga mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Apabila air tersebut diberi tekanan maka air dapat mengalir dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi.

Salah satu pemanfaatan energi air adalah dengan menggunakan kincir air. Kincir air merupakan salah satu sumber energi terbarukan yang salah satu fungsinya dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit tenaga listrik yang memanfaatkan energi air. Kapanpun ada air yang mengalir, kincir air dapat mengubah dan menyimpan energi air menjadi energi listrik.

Sebagai sumber energi terbarukan, kincir air dapat memberikan beragam pemanfaatan, antara lain digunakan sebagai listrik untuk pedesaan / daerah tertinggal, mengambil air dari sungai atau sumber air dibawah kemudian diletakan pada saluran irigasi atau saluran yang lainnya, untuk penggilingan padi atau sumber daya yang lainnya, dan sebagai pengolahan pada pabrik.

Gambar 2.1. Salah satu contoh pemanfaatan kincir air undershot

Kincir air memanfaatkan selisih ketinggian alamiah dari permukaan sungai kecil. Air yang masuk ke dalam dan keluar kincir tidak mempunyai tekanan lebih (over pressure), hanya tekanan atmosfer saja. Air itu menerjang sudu dari sebuah roda, yang kebanyakan langsung dihubungkan dengan sebuah mesin.

Setiap kincir mempunyai model atau cara penggunaannya masing – masing. Ada 3 jenis kincir :

1. Kincir air overshot : bekerja bila air yang mengalir jatuh ke dalam bagian sudu – sudu sisi bagian atas, dan karena gaya berat air roda kincir berputar. Memiliki tingkat efisiensi mencapai 85%.

2. Kincir air undershot : bekerja bila air yang mengalir menghantam dinding sudu yang terletak pada bagian bawah dari kincir air. Tipe ini juga disebut dengan “Vitruvian”. Tipe ini cocok dipasang pada

perairan dangkal pada daerah yang rata. Mempunyai efisiensi 15% - 25%, kecepatan poros 2 rpm – 12 rpm, tinggi jatuh air/head < 5m. 3. Kincir air breastshot : merupakan perpaduan antara tipe overshot dan

undershot dilihat dari energi yang diterimanya. Jarak tinggi jatuhnya tidak melebihi diameter kincir, arah aliran air yang menggerakan kincir air disekitar sumbu poros dari kincir air.

Karena arah gaya dari pancuran air menyamping, maka energi yang diterima oleh kincir yaitu energi potensial dan kinetik.

Untuk penelitian pada tugas akhir ini dilakukan dengan menggunakan kincir air undershot. Pada umumnya kincir air undershot dibuat dengan sudu datar agar mudah untuk diaplikasikan, karena kincir undershot ini memanfaatkan tenaga air arus datar. Namun sudu datar memiliki kelemahan, yaitu pada air yang diam di belakang sudu. Air yang terdapat di belakang sudu menghambat kincir untuk berputar, sehingga putarannya kurang maksimal dan daya yang dihasilkan juga kurang maksimal. Kincir air undershot yang akan dibuat ini menggunakan sudu setengah silinder agar diharapkan gaya drag atau gaya hambat kincir yang berada di belakang sudu dapat dikurangi atau dikecilkan. Air yang mengalir dengan kecepatan tertentu mengenai sudu yang terdapat pada bagian bawah kincir yang kemudian akan diteruskan oleh poros ke transmisi atau generator.

2.3. Persamaan yang Digunakan

Untuk kincir air yang hanya memanfaatkan aliran air arus datar atau kecepatan arus sungai, energi air yang tersedia merupakan energi kinetik. Dengan demikian terdapat beberapa persamaan yang digunakan.

1. Kecepatan air

perubahan tinggi jatuhan suatu aliran air, maka kecepatan air yang ada akan bertambah juga.

Kecepatan air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

√ ⁄ (2.1) (detik). Dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

⁄ (2.2)

(sumber : Dietzel 1992)

dengan :

: masa jenis air (kg/m3) g : percepatan gravitasi (m/s2) Q : debit yang digunakan (m3)

H : ketinggian air yang digunakan (m)

4. Kecepatan putar

Kecepatan putar kincir adalah jumlah putaran kincir dalam waktu satu kali rotasi tiap satuan waktu (menit). Dapat dicari dengan persamaan

(2.4)

(Sumber : Dietzel 1992)

Dengan

V : Kecepatan air yang mengalir ( ⁄) d : Diameter kincir air (m)

5. Perhitungan luas sudu yang tercelup

b c

a

A

₂ A1 A3

Gambar 2.2. Penampang sudu kincir

Keterangan : θ : Sudut antar sudu

a : Panjang sudu yang tidak tercelup air

b : Panjang proyeksi sudu dari a

c : Panjang proyeksi sudu yang tercelup air

d : Bidang vertical dari proyeksi c

A1 : Luas sudu yang tercelup air

A2 : Luas sudu yang tercelup air proyeksi II

A3 : Luas sudu yang tercelup air proyeksi III

Panjang proyeksi sudu

Panjang proyeksi sudu yang tercelup air

θ

Panjang bidang vertikal dari proyeksi c

A1 = tinggi sudu x panjang sudu yang tercelup air

A2 = Tinggi sudu x bidang vertikal dari proyeksi c

A2 = A3

6. Gaya dorong kincir

Gaya yang di akibatkan oleh aliran arus sungai merupakan gaya yang paling menentukan agar kincir dapat berputar atau bekerja dengan baik. Karena kincir air akan berputar dengan maksud menggerakan motor listrik yang menghasilkan listrik. Besarnya gaya dorong agar kincir berputar di pengaruhi oleh kecepatan aliran air dan luas sudu yang menerima kecepatan aliran air. Semakin luas sudu yang tercelup air, maka semakin besar pula gaya yang membuat kincir berputar.

Gaya dorong kincir dibagi menjadi 2 jenis :  Gaya fluida yang berada di depan sudu :

F = Q (m3/s) x ρ (kg/m3) x v (m/s) Q = A (m2) x v (m/s)

Didapatkan persamaan gabungan adalah :

(2.5)

Dengan

: massa jenis air ( ⁄ )

A : luas permukaan ( ) v : kecepatan aliran air ( ⁄)

 Gaya fluida yang berada di belakang sudu :

Putaran kincir air undershot tidak dapat maksimal dikarenakan terdapat gaya hambat atau gaya drag yang berupa air yang diam di belakang sudu. Gaya drag tersebut dapat ditentukan dengan persamaan berikut :

(2.6)

Dengan :

Cd = coeficient of drag

= massa jenis air ( ⁄ )

= kecepatan putar kincir A = Luas area ( m2 )

Sehingga gaya total yang bekerja pada sudu kincir :

Fkincir = Fdorong– Fdrag (N) (2.7)

7. Torsi

T = F x r (N m) (2.8) Dengan

F : gaya dorong yang bekerja pada kincir air (N) r : jari – jari kincir air (m)

8. Daya kincir

Daya kincir dapat diperoleh dengan persamaan

( ) (2.9)

Dengan

T : Torsi (N m)

17

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Alat penelitian

Sistem kincir air undershot ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu kincir air itu sendiri dan sistem saluran air untuk kincir. Sistem saluran air terdiri dari bak penenang dan kanal yang dibuat dari besi plat datar yang ditekuk sedemikian rupa sehingga menjadi bentuk profil U dan disusun pada rangka yang terbuat dari plat besi siku dan tower air. kincir air undershot ini nantinya akan diletakan di atas kanal saluran.

Gambar 3.1. Skema Alat

1

3

2

4

5

6

Keterangan gambar : 1. Tower Air

Pada penelitian ini tower air berfungsi untuk menopang bak air yang berisi air. Tower ini dibuat dengan bahan besi profil L.

2. Kanal saluran air

Kanal air ini dibuat dengan besi plat datar yang ditekuk sehingga menjadi bentuk profil U. Kanal ini dibuat dengan panjang 5 meter, sehingga proses pembuatannya dibagi menjadi 3 bagian yang dijadikan satu karena ukuran dari bahan pembuat tidak mencukupi dengan panjang kanal itu sendiri.

3. Penyangga / dudukan kanal

Penyangga ini dibuat dengan besi profil L. Penyangga ini berfungsi untuk menyangga kanal yang mengalirkan air ke kincir.

4. Penyangga / dudukan kincir air

5. Roda kincir undershot

Gambar 3.2. Roda Kincir air Undershot

6. Sudu

Sudu kincir undershot ini berbentuk setengah silinder dengan jumlah 16 buah sudu. Terbuat dari plat datar yang dibentuk sedemikian rupa sehingga berbentuk setengah lingkaran dengan diameter 66 cm dan panjang 22 cm.

6

9

7

7. Penyangga sudu

Seperti pada gambar 3.6. penyangga sudu ini terbuat dari plat datar dengan ukuran tebal 5 mm. Penyangga ini berfungsi untuk menopang sudu sekaligus untuk menahan sudu dari benturan dengan air.

8. Roda kincir

Roda kincir yang berbentuk cincin ini terbuat dari pipa besi ukuran diameter 20 mm. Pipa besi tersebut kemudian di rol sehingga berbentuk lingkaran dengan diameter 84,6 cm. Apabila disusun dengan sudu, maka akan memiliki dimensi diameter terluar 115,64 cm.

9. Batang kincir

Batang kincir seperti pada gambar 3.9. terbuat dari bahan yang sama dengan pembuatan roda kincir. Batang kincir ini berjumlah 16 buah dan disatukan dengan menggunakan plandes. Batang kincir yang telah disatukan dengan plandes terdiri dari dua sisi yang masing – masing berjumlah 8 buah.

10.Poros kincir

11.Kolam penampung

Kolam penampung yang terletak di bawah kincir ini digunakan untuk menampung air buangan yang berasal dari kincir. Air itu juga yang nantinya akan dipompa ke atas masuk ke bak penampung dan memutar kincir kembali. Kolam penampung ini terbuat dari semen beton.

12.Bak penenang

Bak penenang / bak air ini diletakan pada tower air. Bak ini digunakan untuk menampung air sementara yang akan digunakan untuk mengalirkan air. Bak air ini juga diperlukan untuk menentukan head yang nantinya akan digunakan.

Selain alat – alat utama pada penelitian seperti pada Gambar 3.1. digunakan alat – alat pendukung lain, seperti berikut :

Gambar 3.4. Skema alat pendukung pada pengukuran torsi Keterangan gambar :

1. Lengan torsi 2. Neraca beban 3. Generator

 Neraca pegas

Neraca pegas digunakan untuk mengukur beban pengimbang torsi dinamis.

Gambar 3.5. Neraca Pegas 1

2

 Generator

Generator digunakan untuk merubah energi putaran poros menjadi energi listrik yang nantinya akan dihubungkan dengan beban lampu. Generator ini mampu menghasilkan daya sampai 250 W.

Gambar 3.6. Motor Listrik  Puli

 Beban

Rangkaian lampu berfungsi untuk memberikan variasi beban dalam menguji kincir air. Lampu yang digunakan memiliki nilai hambatan 1,6 Ω dan daya sebesar 10 watt pada setiap lampunya.

Pemakaiannya adalah dengan menyalakan lampu satu persatu sampai semua lampu nyala / padam.

Gambar 3.7. Susunan lampu sebagai beban  Tachometer

Alat ini berfungsi untuk mengukur kecepatan putaran kincir air sebagai data yang dibutuhkan. Sensor pada tachometer ini diarahkan pada generator yang berputar secara tegak lurus dan akan keluar hasilnya.

 Pompa air

Alat ini berfungsi untuk mengisi air di bak penenang. Air yang berasal dari kolam penampung dipompa ke atas masuk ke dalam bak penenang.

Gambar 3.9. Pompa Air

Jenis pompa yang digunakan merupakan pompa sentrifugal. Menggunakan 2 buah pompa yang memiliki spesifikasi sebagai berikut :

Spesifikasi pompa 1

o Model : NS-100

o _{Power : 10 hp}

o _{Maximum Capacity : 449 U.S. GPM} o _{Maximum Total Head : 82 ft}

Spesifikasi pompa 2

3.2. Prinsip kerja alat

3.3. Variabel yang divariasikan

Variabel yang divariasikan dalam pengujian alat, yaitu :

1. Variasi ukuran head yaitu 3 meter dan 2 meter.

2. Jumlah sudu pada kincir air yaitu 16 buah sudu dan 8 buah sudu.

3.4. Variabel yang diukur

Sesuai dengan tujuannya, variabel yang akan diukur adalah sebagai berikut : 1. Putaran poros/kincir (n)

2. Gaya pengimbang torsi (F)

3. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (v) 4. Arus listrik yang dihasilkan generator (i)

3.5. Metode dan Langkah Pengambilan Data

1. Memasang neraca pegas pada tempat yang sudah disiapkan. 2. Merangkai beban lampu dengan generator dan voltmeter.

3. Rangkaian lampu diposisikan pada saklar off terlebih dahulu, pengujian dilakukan hingga beberapa variasi beban lampu.

4. Apabila semua sudah siap kemudian menyalakan pompa.

6. Mengukur jumlah putaran dengan tachometer yang diarahkan pada generator.

7. Melihat besarnya massa pengimbang yang terukur pada neraca pegas. 8. Mengukur kuat arus yang dihasilkan generator dengan memvariasikan

beban lampu pada kondisi tanpa beban sampai dengan lampu tidak ada yang menyala bersamaan dengan mengukur tegangan yang dihasilkan. 9. Pengambilan data dilakukan sampai dihasilkan data – data yang sesuai. 10.Hasil dari pengujian kemudian dicatat.

11.Ulangi langkah 6 sampai 12 dengan mengurangi jumlah sudu menjadi 8 buah.

Demikian diagram alir dari langkah – langkah penelitian.

Pasang neraca pegas pada tempat yang sudah disiapkan.

Rangkai beban lampu dengan generator dan voltmeter.

Jika semua sudah siap nyalakan pompa.

Bila ketinggian air pada bak penenang sudah mencukupi, lakukan pengukuran.

Ukur jumlah putaran yang terjadi

Ukur besarnya massa pengimbang torsi

Ukur kuat arus dan tegangan yang dihasilkan generator dari variasi lampu off sampai maksimal

Catat data – data yang dihasilkan

Hasil dari pengujian kemudian dicatat.

30

BAB IV

DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Data Penelitian

Pengambilan data penelitian pada kecepatan putar poros, tegangan yang dihasilkan, kuat arus yang dihasilkan, dan gaya pengimbang torsi diambil secara bersamaan. Pengujian dilakukan dengan variasi jumlah sudu yaitu 16 sudu dan 8 sudu juga variasi ketinggian head yang digunakan yaitu 3 meter dan 4 meter. Pembebanan variatif dengan menggunakan rangkaian lampu, mulai dari 0 (tidak ada pembebanan) hingga beban maksimal generator (tidak ada lampu yang menyala). Dari penelitian didapatkan data yang dapat dilihat pada tabel 4.1, Tabel 4.2, Tabel 4.3, Tabel 4.4 untuk masing – masing variasi.

Tabel 4.2. Data hasil pengujian kincir dengan variasi head 2,5 meter dan 16

Tabel 4.4. Data hasil pengujian kincir dengan variasi head 3,5 meter dan 16

4.2. Pengolahan Data dan Perhitungan

4.2.1. Perhitungan Debit Air

Dengan mengacu pada persamaan 2.2 maka perhitungan debit air :

Q = v x A

yang dalam hal ini : v : kecepatan air ( ⁄)

A : luas penampang yang digunakan (m2)

Sedangkan dalam hal ini, luas penampang yang digunakan adalah : A = π x r2

yang dalam hal ini :

r : jari – jari pipa yang digunakan (m)

Q = √

Sebagai perhitungan digunakan data dengan head (H) 0,5 meter, dan diameter pipa 0,127 meter. Maka besarnya debit dapat diketahui dengan :

Q = √

Q = 39,78 ⁄

4.2.2. Perhitungan Daya Air

Dengan mengacu pada persamaan 2.3 maka perhitungan daya air :

yang dalam hal ini : : masa jenis air (kg/m3) g : percepatan gravitasi (m/s2) Q : debit yang digunakan (m3)

H : ketinggian air yang digunakan (m)

Karena variasi ketinggian ada dua macam, maka untuk perhitungan daya yang pertama digunakan head (H) 3,5 meter. Sehingga untuk perhitungan daya air :

1354,10 Watt

Kemudian untuk penggunaan head (H) yang kedua adalah 2,5 meter. Sehingga untuk perhitungan daya air :

4.2.3. Perhitungan Daya Mekanik Di Generator

Daya pada kincir dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (2.8) :

( ₎

Yang dalam hal ini : T : Torsi (kg m)

n : putaran poros (rpm)

sedangkan dalam hal ini, besarnya torsi sendiri adalah ( Pers. 2.7) : T = F x r

Dengan

F : beban pengimbang torsi di generator (kg) r : jarak lengan torsi di generator (m)

sehingga persamaan dapat disederhanakan menjadi :

( ₎

karena rugi – rugi yang terjadi pada belt dan puly sedikit berpengaruh/kecil, sehingga dapat diasumsikan tidak ada rugi – rugi/dapat diabaikan. Sehingga daya pada kincir dapat diketahui.

Sebagai contoh diambil data dari tabel 4.1. no 1.

Dari data, kecepatan putar 194,80 m/s, beban pengimbang torsi 0,42 kg, sedangkan lengan torsi (r) yang digunakan adalah 0,25 cm. Maka dapat dihitung besarnya daya kincir air (P) sebesar :

( )

4.2.4. Perhitungan putaran pada kincir air

Perhitungan putaran pada kincir air dapat dihitung dengan persamaan :

Dalam hal ini :

n1 : Putaran pada poros kincir, rpm

n2 ; Putaran pada poros generator, rpm

D1 : Diameter puly 1, m

D2 : Diameter puly 2, m

Dalam hal ini diameter puly 1 dan puly 2 adalah tetap, yaitu D1= 0,588 m

dan D2= 0,203 m. Sedangkan putaran pada generator (N2) diperoleh dari data 4.1.

no 1. sebesar 194,80 rpm. Sehingga putaran pada poros kincir air dapat dihitung besarnya :

4.2.5. Perhitungan Torsi Pada Kincir

( ₎

Yang dalam hal ini :

T = torsi yang dihasilkan kincir air (kg.m) P = daya mekanik yang diterima generator (watt) n = putaran poros kincir (rpm)

Dari data setelah perhitungan, didapat kecepatan putaran kincir (n) adalah 70,87 rpm, daya mekanik yang diterima generator (P) adalah 2,12 W. Maka torsi yang dihasilkan kincir air dapat dihitung sebesar :

( ₎

( )

4.2.6. Perhitungan Efisiensi Kincir Air

Sebagai contoh perhitungan, dari data perhitungan didapat daya air (Pin) 967,22 perhitungan dibawah. Tujuan pengolahan data dalam perhitungan adalah untuk mencari hubungan antara torsi, daya, dan putaran kincir.

Tabel 4.6. Data hasil perhitungan kincir dengan variasi head 2,5 meter dan 16

Tabel 4.8. Data hasil perhitungan kincir dengan variasi head 3,5 meter dan 16

Digunakan, Jumlah Sudu yang Digunakan, dan Beban yang Dipakai.

Gambar 4.1. Grafik hubungan antara Head yang digunakan dengan Torsi maksimal kincir.

Dari grafik terlihat bahwa pada ketinggian 2,5 meter dan 3,5 meter dengan jumlah sudu 16 buah, torsi yang dihasilkan lebih besar nilainya dari pada jumlah sudu 8 buah dengan ketinggian head yang sama. Torsi yang terdapat pada ketinggian 2,5 meter nilainya pun lebih rendah dari pada yang ada pada ketinggian 3,5 meter baik untuk jumlah sudu 16 buah maupun jumlah sudu 8 buah.

Torsi pada kincir akan berhubungan dengan ketinggian dari head. Karena kecepatan air berbanding lurus dengan head maka semakin tinggi head yang digunakan semakin cepat pula air yang mengalir, sehingga torsi yang dihasilkanpun akan semakin besar.

Gambar 4.2. Grafik hubungan antara Jumlah Sudu yang digunakan dengan Daya kincir yang dihasilkan.

Dari grafik terlihat bahwa pada jumlah sudu 8 buah dan 16 buah dengan head 3,5 meter, daya yang dihasilkan lebih besar nilainya dari pada head 2,5 meter dengan jumlah sudu yang sama. Daya yang dihasilkan pada jumlah sudu 8 buah nilainya pun lebih rendah dari pada yang ada pada jumlah sudu 16 buah baik untuk ketinggian 3,5 meter maupun ketinggian 2,5 meter.

Jumlah sudu pada kincir dapat mempengaruhi daya yang dihasilkan dari kincir air. Pada saat air mengalir, maka kecepatan dari aliran air akan membentur sudu sehingga membuat kincir berputar. Pada saat kincir mencapai daya maksimal dan menggunakan sudu 16 buah, air yang mengalir dapat membentur sudu secara terus menerus sehingga menyebabkan kincir dapat berputar dengan kecepatan tetap sehingga torsi yang dihasilkan lebih besar dan daya yang terjadipun lebih tinggi. Pada saat kincir mencapai daya maksimal dan menggunakan sudu 8 buah, ada saat dimana air yang mengalir tidak dapat membentur sudu sehingga

Grafik Jumlah Sudu Vs Daya

Head 3,5 meter

menyebabkan kincir tidak dapat berputar dengan kecepatan tetap dikarenakan terjadi pengereman. Sehingga torsi yang dihasilkan akan lebih kecil dan daya yang terjadi juga lebih kecil.

Gambar 4.3. Grafik hubungan antara Torsi dengan Beban yang Digunakan. Dari grafik terlihat bahwa pada waktu kincir diberi beban lampu, torsi yang dihasilkan akan semakin besar baik untuk masing – masing variasi.

Gambar 4.4. Grafik hubungan antara Putaran dengan Beban yang digunakan.

0,00

Poly. (Head 3,5; 16 Sudu)

Poly. (Head 3,5; 8 Sudu)

Poly. (Head 2,5; 16 Sudu)

Dari grafik terlihat bahwa pada waktu kincir diberi beban lampu, putaran yang dihasilkan akan semakin kecil baik untuk masing – masing variasi.

Dari perhitungan didapatkan bahwa daya kincir yang terbesar yang didapatkan oleh kincir air undershot ini dicapai pada kecepatan putaran 52,76 m/s yaitu pada variasi dengan ketinggian head 3,5 meter dan sudu yang digunakan berjumlah 16 buah sebesar 5,76 Watt. Hal ini membuktikan bahwa semakin rendah kecepatan putar maka daya yang dihasilkan akan semakin besar karena kecepatan air yang dipergunakan tetap.

44

BAB V

PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Dari pengujian model kincir air yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa kesimpulan :

1. Telah berhasil dibuat seperangkat alat kincir air beserta aplikasi fungsionalnya.

2. Daya output yang tertinggi didapat pada kincir air dengan head 3,5 meter dan jumlah sudu 16 buah. Daya yang dihasilkan sebesar 54,68 Watt didapatkan pada saat putaran generator mencapai 178.60 rpm dan pada torsi sebesar 1,78 kg.m.

3. Torsi kincir air yang tertinggi didapatkan pada ketinggian head 3,5 m dan pada jumlah sudu 16 buah. Torsi yang dihasilkan sebesar 2,75 kg.m saat putaran kincir mencapai 54,28 rpm.

5.2. Saran

Beberapa hal penting yang dapat digunakan untuk penelitian berikutnya :

1. Head yang digunakan dapat ditingkatkan lagi agar dapat diperoleh daya yang maksimal.

2. Variasi dalam pengambilan data dibuat lebih banyak lagi dengan waktu pengambilan data yang lebih lama lagi, agar bisa mendapatkan data yang lebih spesifik lagi.

46

DAFTAR PUSTAKA

Zahri, M. 2007. Pengaruh Tinggi Sudu Kincir Air Terhadap Daya dan Efisiensi yang Dihasilkan., Indralaya: Universitas Sriwijaya

Sahri, Ahmad. 2006. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro-hidro dengan Menggunakan Penggerak Kincir Air, Yogyakarta

Bambang, K. 2005. PLTMH Dusun Bendo Kecamatan Wukirsari, Yogyakarta

Viktor, L. Streeter E. dan Benyamin Wylie. 1993. Mekanika Fluida Jilid I, Edisi delapan. Jakarta : Penerbit Erlangga

Wibowo, W. 2002. Kincir Air Pembangkit Listrik, Yogyakarta : Universitas Sanata Dharma

Giles, R.V. 1986. Mekanika Fluida dan Hidraulika, Jakarta : Penerbit Erlangga

Dietzel, F. 1992. Turbin Pompa dan Kompresor, Jakarta : Penerbit Erlangga

T. R. Hazen, Efficiency of Water Wheels,

http://www.angelfire.com/journal/millbuilder/efficiency.html, diakses 24 September 2011

Anonim, Drag Coefficient,

http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient#External_links, diakses 20 Oktober 2011