GERAK TRANSLASI YANG DIAPLIKASIKAN PADA
KINCIR ANGIN POROS HORISONTAL MB 12-7
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Untuk Meraih Gelar Sarjana Strata Satu (S-1) Teknik Mesin
Disusun oleh
Mohammad Guntur
41305110016
JURUSAN TEKNIK MESIN
UNIVERSITAS MERCU BUANA
JAKARTA
UNIVERSITAS MERCUBUANA JAKARTA
LEMBAR PERNYATAAN
Saya yang bertandatangan dibawah ini : Nama : Mohammad Guntur
NIM : 41305110016
Menyatakan bahwa tugas akhir yang saya buat ini adalah hasil karya saya sendiri, dan bukan salinan atau duplikat dari karya orang lain, kecuali kutipan-kutipan referensi yang telah disebutkan sumbernya.
Jakarta, juli 2009
Mohammad Guntur
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN POMPA PISTON GERAK TRANSLASI YANG DIAPLIKASIKAN PADA KINCIR ANGIN MB 12-7
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk meraih gelar strata satu (S-1) Pada Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana
Disetujui dan diterima oleh:
Pembimbing Tugas Akhir
Fakultas Teknik i Universitas Mercubuana FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
UNIVERSITAS MERCUBUANA JAKARTA
LEMBAR PERNYATAAN
Saya yang bertandatangan dibawah ini : Nama : Mohammad Guntur
NIM : 41305110016
Menyatakan bahwa tugas akhir yang saya buat ini adalah hasil karya saya sendiri, dan bukan salinan atau duplikat dari karya orang lain, kecuali kutipan-kutipan referensi yang telah disebutkan sumbernya.
Jakarta, juli 2009
Fakultas Teknik ii Universitas Mercubuana PERANCANGAN DAN PEMBUATAN POMPA PISTON GERAK TRANSLASI YANG DIAPLIKASIKAN PADA KINCIR ANGIN MB 12-7 Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Meraih Gelar Strata Satu (S-1) Pada Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana
Disetujui dan diterima oleh:
Pembimbing Tugas Akhir
Fakultas Teknik iii Universitas Mercubuana Segala puji saya panjatkan kehadirat allah SWT, atas limpahan rahmat dan karunianya sehingga tugas akhir ini yang berjudul “Perancangan dan Pembuatan Pompa Piston Yang Diaplikasikan Pada Kincir Angin Poros Horisontal MB 127”. Dapat diselesaikan dengan baik. Shalawat dan salam kepada tauladan kita nabi Muhammad SAW beserta keluarga dan sahabat yang telah member risalah kebenaran kepada umat manusia untuk mencapai keselamatan dan kebahagian hidup di dunia dan diakhirat. Amin.
Tugas akhir ini duajukan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program studi S-1 pada jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercubuana. Salain daripada itu maksud dan tujuan penulisan skripsi ini adalah untuk memberikan sesuatu yang berguna dan bermanfaat bagi masyarakat sesuai dengan Tri Darma Perguruan Tinggi, walaupun artinya tidak begitu besar, tapi dari itu semua lebih kepada niat tulus dan bakti pada masyarakat dan penulis menyadari bahwa dengan selesainya pembuatan laporan tugas akhir ini, baru merupakan titik awal dari suatu proses belajar yang tak pernah ada kata akhir.
Dari apa yang telah saya alami, lewati dan dapatkan, maka pada kesempatan ini sasya haturkan rasa terima kasih dan rasa penghargaan saya yang dalam dan setinggi-tingginya atas do’a, dorongan serta semangat dan buah pikirannya yang telah diberikan selama kuliah di Universitas Mercubuana dan menyelesaikan penulisan tugas akhir ini.
Fakultas Teknik iv Universitas Mercubuana dorongan dan semangat serta do’anya selama penulis berniat untuk melanjutkan pendidikan dan akhirnya tugas akhir ini rampung dengan penuh rasa semangat dalam menyelesaikannya.
2. Bapak Nanang Rukhyat, bapak Rully Nutranta, bapak bapak Yuriadi Kusuma dan bapak Abdul Hamid yang kesemuanya mau meluangkan waktu untuk memberikan saran dalam penyusunan dan telah banyak membantu penulis dalam penulisan tugas akhir ini.
3. Seluruh staf dan Dosen jurusan Teknik Mesin Universitas Mercubuana yang telah memberikan bekal ilmu pengetahuan dan pengajaran selama masa kuliah berlangsung.
4. Para staff di BMG bandara Soekarno – Hatta dan BMG Pondok Betung Cileduk yang telah membantu memberikan data kecepatan angin.
5. Bapak firman dan bapak sumantri selaku staff laboratorium proses proses produksi yang telah banyak membantu berupa saran dan masukan dalam perancangan tugas akhir ini.
6. Siddik selaku penggagas ide, Sunarto, pak Agus Supriadi dan teman-teman dari angkatan ke-7 yang tidak dapat disebutkan satu per satu karena kalian selalu terukir dihatiku. Semoga sukses selalu.
7. Kang Barkah, kang Ivan, Oscar, Hendi, Oji, Budi, pak Bramantio, Babe dan anak-anak Salindo Berlian Motor yang lain, Hampura kalau tidak disebutkan.
Fakultas Teknik v Universitas Mercubuana Akhirnya penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh sempurna. Untuk itu, diharapkan saran dan kritik yang membangun dari para pembaca dan penulis harapkan adanya kesempurnaan tugas akhir ini dikemudian hari. Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua terutama mahasiswa jurusan Teknik Mesin.
Jakarta, July 2009
Mohammad Guntur
Fakultas Teknik vi Universitas Mercubuana
LEMBAR PERNYATAAN ………..i
LEMBAR PENGESAHAN………..ii
KATA PENGANTAR……… ....iii
DAFTAR ISI………iv DAFTAR NOTASI………...ix DAFTAR TABEL……….……x DAFTAR GAMBAR………...xi ABSTRAK………..…xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang……….1 1.2 Rumusan Masalah………...…3
1.3 Ruang Lingkup Pembahasan………...3
1.4 Tujuan Penulisan……….4
1.5 Metode Penulisan………4
1.6 Sistematika Penulisan………..5
BAB II TEORI DASAR 2.1 Sifat Angin dan Geografi……….8
2.2 Pengertian Kincir Angin………..9
2.3 Perkembangan Kincir Angin……….12
2.3.1 Kincir Angin Konvensional………12
Fakultas Teknik vii Universitas Mercubuana
2.5.1 Pompa Sentrifugal………..18
2.5.2 Pompa Piston………...19
2.6 Macam – Macam Pompa Piston………20
2.7 Theorema Bernouli………23
BAB III METODELOGI PERANCANGAN POMPA 3.1 Prinsip Kerja………..25
3.2 Rancangan Awal Kincir………....26
3.3 Landasan Teori Perancangan……….29
3.4 Prosedur Perancangan………...30
3.5 Asumsi Yang Digunakan Dalam Perancangan ………31
3.6 Variabel Yang Diamati……….31
BAB IV PERHITUNGAN DAN PENGUJIAN 4.1 Data Dan Analisa Kecepatan Angin………..33
4.2 Perancangan Dan Perhitungan Pompa………...35
4.2.1 Rumah Pompa………35
4.2.2 Pipa Bagian Penyalur Tekan Dan Bagian Penghisap……….36
4.2.3 Pelat Penghubung Liner Pompa dan Pipa penyalur………...37
4.2.4 Piston Dan Batang Pompa………..38
4.3 Head Pompa 4.3.1 Head Statis………..39
4.3.2 Head Tekanan……….39
Fakultas Teknik viii Universitas Mercubuana 4.3.4.2.1 Head Kerugian Pada Sisi Tekan Akibat Gesekan………44 4.3.4.2.2 Head Kerugian Pada Sisi Tekan akibat Belokan Pompa..45 4.3.4.2.3 Head Kerugian Total Pada Sisi Tekan………..45 4.3.4.3 Head Rugi-Rugi Total……….46 4.3.4.4 Head Total Pompa………...46 4.4 Perhitungan Daya Dan Pengujian Pompa
4.4.1 Daya Pompa………46 4.4.2 Daya Yang Dibutuhkan Pompa………..48
4.4.3 Hasil pengujian Pompa………..50 BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan………51 5.2 Saran………..…52 DAFTAR PUSTAKA………..53 LAMPIRAN
Fakultas Teknik ix Universitas Mercubuana
Nama Besaran Satuan
Q debit air m3/s
d diameter pipa m
v kecepatan angin actual m/s
V kecepatan aliran m/s V0 kecepatan rancangan m/s L panjang m Re Reynold number π konstanta t tebal m r radius m p daya watt Ø diameter m
ρ massa jenis bahan Kg/m3
v volume m3
∆hp head tekanan m
p tekanan atm
ς massa jenis air Kg/m3
ςa massa jenis udara Kg/m3
Fakultas Teknik x Universitas Mercubuana
H total head tekan m
Fakultas Teknik xi Universitas Mercubuana 1. Tabel 2.1 Data Spesifiksi Beberapa Kincir Angin Modern.
2. Tabel 4.1 Data Kecepatan Angin Per Bulan di BMG Cileduk Tahun 2008. 3. Tabel 4.2 Data Pengujian Pompa.
Fakultas Teknik xii Universitas Mercubuana 1. Gambar 2.1 a. angin laut. b. angin darat.
2. Gambar 2.2 Macam-macam kincir angin poros datar (Horisontal axis wind turbin)
3. Gambar 2.3 Macam-macam Kincir Angin Poros Tegak (Vertical Axis Wind Turbin)
4. Gambar 2.4 berbagai macam jenis pompa piston aksi tunggal 5. Gambar 2.5 Karangka pompa didalam sumur pompa
6. Gambar 3.1 Skema gambar kerja pompa piston yang dihubungkan dengan kincir angin.
7. Gambar 3.2 : Prinsip kerja pompa piston aksi tunggal
8. Gambar 3.3 Flow Chart Diagram perancangan dan pembuatan kincir angin dan pompanya
Fakultas Teknik xiii Universitas Mercubuana Pemanfaatan teknologi energi angin untuk kebutuhan pengairan di Indonesia masih jauh jika dibandingkan Negara-negara di Benua Eropa. Mengingat potensi alam Indonesia yang melimpah ruah akan angin karena daerah pesisir yang sangat spesifik yang memiliki daya angin yang sangat besar. Di daearah pertanian yang mengalami kekeringan, biasanya air tanah berjarak dekat sekali dengan permukaan tanah. Hanya saja kita kerap menemui masalah pada alat pengangkat air tersebut, jika digunakan mesin pompa berpenggerak diesel akan sangat besar biaya yang harus dikeluarkan untuk biaya perawatan dan bahan bakarnya. Pemanfaatan energi angin menggunakan kincir angin merupakan pilihan yang bijak karena selain ramah lingkungan energi angin sendiri telah disediakan alam untuk manusia secara gratis, tergantung manusia itu sendiri mau memanfaatkannya atau tidak. Dari hasil perancangan pompa dan kincir air untuk irigasi MB 12-7 ini di dapat data-data sebagai berikut:
• debit air ideal (Q) adalah 3,8 liter/detik
• daya kincir terendah dengan angin 2 m/s adalah 255,19 watt • daya pompa yang didapat adalah 208,25 watt
• Total per angkatan stroke pompa adalah 4,48 liter • Berat pompa 13,02 kg
Fakultas Teknik 1 Universitas Mercubuana
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pemanfaatan angin sebagai sunber energi telah digunakan sejak ratusan ta-hun yang silam. Semenjak abad ke-12 beberapa tempat di benua Eropa telah menggunakan angin sebagai sumber tenaga untuk pemompaan air dan penggilin-gan biji – bijian. Penggunaan sumber energi angin meluas pemanfaatannya sebagai pembangkit listrik sejak akhir abad ke-19,seiring berkembangnya peralatan elek-tronik yang menggunakan listrik, akan tetapi penerapan energi fosil yang lebih un-ggul meluas, mengakibatkan pemanfaatan teknologi angin secara umum menurun drastis sehingga peralatan yang memanfaatkan energi yang murah dan ramah ling-kungan tersebut mulai ditinggalkan.
Pada akhir abad ke-20, usaha untuk memanfaatkan angina sebagai sumber energi mulai dilirik dan dikembangkan lagi. Ini disebabkan oleh kesadaran manu-sia akan persediaan sumber energi fosil yang semakin menipis seperti minyak, ba-tu bara dan mineral lainnya jumlahnya sangat terbatas, selain iba-tu semakin
berkem-Fakultas Teknik 2 Universitas Mercubuana bangnya kesadaran manusia akan lingkunannya. Sebagaimana telah kita ketahui bahwa penggunaan minyak bumi dan turunannya akan menghasilkan polusi terha-dap lingkungan yang berupa debu, asap dan suara mengganggu yang berasal dari mesin – mesin yang menggunakannya sebagai bahan bakar. Pemanfaatan angin se-bagai tenaga penggerak dari waktu ke waktu selalu mengalami pasang surut dan perkembangan teknologi yang pesat. Saat dunia mengalami krisis minyak bumi akibat perang dunia, banyak orang yang memanfaatkan tenaga angin untuk meng-hasilkan sebagai pengganti minyak bumi diantaranya dimanfaatkan untuk mengha-silkan listik, sebagai alat pompa air untuk pengairan didaerah pertanian, diman-faatkan secara luas untuk membantu meringankan pekerjaan manusia pada saat itu, akan tetapi setelah perang dunia selesai dan banyak orang menemukan ladang-ladang minyak yang baru, penggunaan minyak bumi sebagai sumber energy utama marak kembali seiring dengan melajunya negara-negara industri dalam membuat produk pada pabrik mereka yang sumber energi utamanya minyak bumi.
Pada awal abad ke-21 ini, isu tentang semakin tipisnya lapisan ozon seba-gai pelindung bumi dari sinar matahari langsung dan pemanasan global semakin mencuat, yang notabene penyebab terbesarnya adalah emisi gas buang yang diha-silkan oleh mesin-mesin berbahan bakar minyak. Karena alasan – alasan tersebut diataslah, sehingga penggunaan energi alternatif semakin digalakkan kembali.
Didaerah – daerah pertanian terpencil yang mengalami kekeringan, yang irigasinya masih bergantung pada hujan dan jauh dari jangkauan listrik, jika pendi-stribusian listrik dari pusat pembangkit tenaga listrik tidak memungkinkan, hal ini bisa diatasi karena potensi angin didaerah pertanian Indonesia sangatlah melimpah. Penggunaan kincir angin sebagai energi alternatif untuk memenuhi permintaan
iri-Fakultas Teknik 3 Universitas Mercubuana gasi didaerah tersebut merupakan sebuah solusi yang menarik. Jika dipergunakan motor diesel sebagai penggerak pompa, maka transportasi bahan bakar dan harga solar yang tinggi menjadi kendala para petani. Penggunaan kincir angin sederhana untuk solusi irigasi para petani di musim kering layak untuk dipertimbangkan.
1.2 . Rumusan Masalah
Dalam kesempatan kali ini, akan dibahas berkenaan dengan perancangan dan pembuatan kincir angin poros horizontal, dua belas sudu, berdiameter lima me-ter yang dimanfaatkan untuk menggerakkan pompa air untuk irigasi yang sangat bermanfaat untuk daerah yang jauh dari jangkauan listrik dan pemasaran bahan ba-kar minyak.
1.3. Ruang Lingkup Pembahasan
Pada penulisan skripsi ini, penulis membatasi masalah seperti yang dis-ebutkan dibawah ini:
1. Jenis Kincir
Jenis kincir yang dibahas adalah jenis kincir angin poros horizontal dengan menggunakan 12 sudu dan diameter rotor 5 meter.
2. Desain Pompa Air
Desain pompa yang meliputi bentuk desain pompa, pemilihan bahan pompa dan spesifikasinya sehingga sesuai dengan kondisi bentuk kincir yang dibuat.
Fakultas Teknik 4 Universitas Mercubuana Kapasitas daya yang direncanakan adalah 10 liter/menit, disesuaikan dengan kecepatan angin setempat.
1.4 Tujuan Penulisan
1. Untuk merancang dan membuat pompa air yang digerakkan kincir an-gin sesuai fungsi dan kegunaannya dengan desain yang efektif dan efi-sien.
2. Agar alat yang telah dibuat dapat berfungsi dengan baik dan bekerja op-timal.
1.5 Metode Penulisan
Metode penulisan yang digunakan penulis dalam penyusunan tugas akhir kali ini antara lain adalah:
1. Penelitian Lapangan
Metode ini dilakukan oleh penulis agar dapat mengumpulkan data-data utama dan data-data penunjang. Hal ini dilakukan dengan cara pengamatan langsung terhadap kincir angin yang dibuat kolektif bersama teman-teman satu angkatan dikampus Universitas Mercubuana.
2. Pengumpulan Literatur
Metode ini digunakan oleh penulis agar dapat mengumpulkan data yang terdapat pada literatur dan informasi yang dibutuhkan. Dengan metode ini penulis juga mengumpulkan data-data tambahan dari sumber data yang di-baca oleh penulis baik informasi dari internet, perpustakaan maupun dari berbagai pihak terkait.
Fakultas Teknik 5 Universitas Mercubuana 1.6 Sistematika Penulisan
Penyusunan bab-bab pada tugas akhir ini, dimaksudkan agar memudahkan dalam membaca dalam pembahasannya. Adapun sistematika penulisan tugas akhir ini diuraikan sebagai berikut :
BAB I
PENDAHULUAN
Berisi tentang latar belakang, rumusan masalah, ruang lingkup per-masalahan, tujuan penulisan, metode penulisan, dan sitematika pe-nulisan.
BAB II
TEORI DASAR
Pada bab ini berisikan tentang teori dasar kincir angin, sifat angin dan geografi, pengertian kincir, perkembangan kincir angin, jenis jenis kincir angin dan pemanfaatan putaran kincir angin untuk meg-gerakkan pompa air.
BAB III
METODELOGI PERANCANGAN POMPA
Pada bab ini akan membahas tentang prinsip kerja pompa air yang digerakkan oleh kincir angin, rancangan awal pompa air, dasar teori perancangan pompa air, persiapan perancangan pompa air dan data hasil perancangan yang dibuat.
BAB IV PERHITUNGAN DAN PENGUJIAN
Pada bab ini membahas tentang perhitungan dari hasil perancangan yang telah dibuat.
Fakultas Teknik 6 Universitas Mercubuana Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil pembua-tan, perancangan kincir angin dan pompa airnya.
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
Fakultas teknik 7 Universitas Mercubuana
BAB II
TEORI DASAR
Energi angin sebagai tenaga penggerak telah lama dikenal dan diman-faatkan oleh manusia. Perahu-perahu layar yang menggunakan energi angin untuk melewati perairan sudah sangat lama sekali. Pasukan Viking yang sekian ratus llu yang sangat ditakuti karena kebuasan mereka, berlayar menggunakan kapal-kapal layar kecil untuk menelusuri pantai-pantai eropa dari Skandinavia. Pelaut–pelaut tangguh masa lampau yang namanya kita kenal sampai saat ini, seperti Cristopho-rus Columbus masih menggunakan kapal layar besar diabad ke-15 yang tersesat sehingga mereka menemukan benua amerika secara tidak sengaja.
Tidak ada yang tahu kapan tepatnya kincir angin ditemukan, akan tetapi kincir angin telah dipakai untuk mengiling tepung di Persia sekitar abad ke-7. Sungguhpun demikian bentuk kincir-kincir angin ini berlainan dengan kincir-kincir angin buatan Eropa, kincir-kincir angin di negeri Belanda yang dipakai untuk menggerakkan pompa irigasi dan mengiling tepung hingga kini masih kesohor, yang walaupun pada saat ini hanya berfungsi sebagai objek wisata, akan tetapi
un-Fakultas teknik 8 Universitas Mercubuana tuk mencari bentuk-bentuk sumber energi yang bersih dan terbarukan, kembali energi angin mendapat perhatian yang saat besar.
Sebagaimana diketahui, pada dasarnya angin terjadi karena adanya perbe-daan suhu antara udara panas dan udara dingin. Di daerah kathulistiwa yang ba-nyak matahari, sehingga udara menjadi sangat panas , mengembang dan menjadi ringan, naik keatas dan bergerak kearah yang lebih dingin misalnya kutub. Seba-liknya di daerah kutub yang dingin, udaranya menjadi dingin dan turun ke bawah. Dengan demikian terjadi suatu perputaran udara, berupa perpindahan udara dari kutub utara ke garis khathulistiwa menyusuri permukaan bumi, dan sebaliknya sua-tu perpindahan udara dari garis khasua-tulistiwa kembali kekusua-tub utara, melalui lapisan udara yang lebih tinggi. Prinsip dasarnya adalah bahwa angin terjadi karena adanya perbedaan suhu udara di beberapa tempat dipermukaan bumi.
2.1 Sifat Angin dan Geografi
Pada dasarnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin dan perbedaan tekanan udara, dimana angin pada siang hari berhembus dari laut ke darat, biasa disebut angin darat, sedangkan dimalam hari berhembus dari darat ke laut yang disebut angin laut.
Fakultas teknik 9 Universitas Mercubuana Kecepatan angin juga tegantung pada ketinggian dan kekasaran daerah. Semakin tinggi ke arah langit, kecepatan semakin besar dan semakin banyak ham-batan kecepatan semakin rendah.
2.2 Pengertian Kincir Angin
Kincir angin adalah salah satu mesin konversi energi yang menghasilkan gerak mekanis yang dapat dimanfaatkan untuk keperluan manusia sehari-hari. Pe-manfaatan gerak mekanis ini bisa dipakai untuk menghasilkan energi listrik, dari pemanfaatan perubahan energi kinetik angin menjadi energi mekanik untuk memu-tar generator listrik, sehingga dapat membangkitkan energi listrik dan ada juga yang memanfaatkan energy mekaniknya ini untuk menggerakkan pompa air untuk irigasi. Kincir angin secara umum dapat dikatakan sebagai suatu alat yang digerak-kan udara untuk menghasildigerak-kan gaya medigerak-kanis dan dilanjutdigerak-kan sesuai kebutuhan. Pengunaan desain berbagai kombinasi yang berbeda-beda, yang meliputi bentuk sudu, jumlah sudu dan tentunya tentunya sudu tersebut ditetapkan sebagai variable untuk menetapkan perbandingan perlengkapan pada transmisi untuk menghasilkan efisiensi lebih tinggi, keandalan yang lebih besar atau untuk mengurangi biaya. Model yang paling sederhana didasarkan pada suatu teori daya gerak yang dikem-bangkan selama seabad yang lalu untuk meramalkan bentuk baling-baling kapal. Adaptasi dari dari teori awal ini untuk memutar turbin telah dikerjakan oleh Bilau pada tahun 1925 dan Betz pada tahun 1927 yang dipahami selama bertahun-tahun kincir angin yang utama menjadi keinginan umum antara lain adalah horizontal-axis (poros datar) dan vertical-horizontal-axis (poros tegak).
Orang-orang dulu menggunakan kincir untuk keperluan tradisional antara lain seperti penggerindaan, menggiling jagung dan lain sebagainya. Multi blade
Fakultas teknik 10 Universitas Mercubuana memutar pompa dan baling-baling yang modern seperti jenis kincir yang belakan-gan sering disebut cross wind-axis turbin yang mungkin mempunyai asal lebih aw-al dan meliputi suatu bentuk wujud dari cina masa lampau.
Fakultas teknik 11 Universitas Mercubuana Gambar 2.3 Macam-macam Kincir Angin Poros Tegak (Vertical Axis Wind
Fakultas teknik 12 Universitas Mercubuana Perkembangan kincir angin secara umum sangat tergantung pada biaya tek-nologi energi angin pada lingkungan spesifik dengan biaya penyediaan bahan ba-kar minyak dan listrik yang relatif tinggi adalah potensial. Teknologi kincir angin kecil untuk penerapan yang spesifik itu terus berkembang sebagai energy alternatif yang menguntungkan.
Pemanfaatan teknologi energy angin untuk nelayan tradisional, baik dalam kegiatan penangkapan ikan maupun rumah tangga merupakan teknologi alternatif yang sangat potensial mengingat kondisi daerah pesisir yang spesifik yang memili-ki daya angin yang relatif besar dan sulit terjangkau listrik sentral.
2.3 Perkembangan Kincir Angin 2.3.1 Kincir angin Konvensional
Perkembangan teknologi energy angin ditandai dengan berkembangnya teknologi konversi energy angin mekanik atau kincir angin untuk penggilingan dan pemompaan abad ke-12 hingga ke-19. Teknologi kincir angin layar yang awalnya sangat sederhana, berkembang menjadi sangat kompleks yang terdiri dari atas se-jumlah peralatan dan mekanisme operasi. Stabilitas kincir angin ditingkatkan den-gan mengubah sumbu rotor yang semula datar menjadi inklinasi sehingga layar dan titik beratnya lebih dekat ke sumbu tiang. Konstruksi spar layar disempurnakan menjadi latis, efisiensi layar ditingkatkan dengan mengubah chord simetris menja-di perbanmenja-dingan yang tepat serta sudut layar yang konstan menja-diberi Twiest. Untuk menghasilkan orientasi otomatis, dikembangkan mekanisme pengaruh daun ekor. Teknologi kincir angin sudu majemuk yang berkembang. Pertengahan abad ke-19 dimulai dengan konfigurasi rotor empat daun dari layar hingga rotor sudu mejemuk dari plat lengkung yang efektif dan ekonomis.
Fakultas teknik 13 Universitas Mercubuana Teknologi konversi energi angin untuk irigasi didaerah pertanian yang jauh dari jangkauan listrik dan bahan bakar minyak menjadi sangat potensial untuk di-kembangkan pada daerah yang memiliki daya angin yang cukup. Teknologi kincir angin berkembang pesat dengan dipekenalkannya prinsip aerodinamika dan fasili-tas uji terowongan angin. Penerapan teknologi pesawat terbang pada rotor turbin angin dan introduksi efesiensi Betz sebesar 16/27 pada abad ke-20, meningkat lebih lanjut analisis dan rancangan kincir angin propeller. Sejumlah kincir angin kecil kecepatan tinggi berprofil airfoil telah dikembangkan di beberapa Negara. Bebera-pa diantaranya yang sukses, tipe sumbu datar tiga sudu Jacob (AS), dua sudu aerowatt (prancis) dan dua sudu winco-windcharger (AS).
Akhir 1930-an telah berkembang kincir angin kecil berbagai tipe dan uku-ran, keandalannya tinggi, usia pakai lebih dari 10 tahun, memiliki dua atau tiga su-du, posisi rotor arus hulu, soliditas rendah, dan menggunakan orientasi daun ekor.
2.3.2 Kincir Angin Modern
Teknologi kincir angin dikembangkan lebih lanjut berdasarkan konsep dan bentuk yang dimungkinkan sejak 1945. Kincir angin modern skala kecil diameter rotor < 12 meter dan daya rata-rata < 40 kW, dirancang dengan konfigurasi kom-ponen berikut :
a. Rotor dirancang dengan prinsip aerodinamika, dua sudu atau lebih putaran variable, dan dibuat dari fiberglass atau kayu yang dilapisi epoxy.
b. Poros utama ditumpu dengan bantalan dan dibuat dari logam. c. Naf umumnya rigid, bentuk datar atau bersudut dibuat dari logam. d. Tranmisi daya mekanik (opsi) umumnya kotak gigi (gear box).
Fakultas teknik 14 Universitas Mercubuana e. Kontrol pitch tetap atau variable, dengan prinsip membatasi putaran
mak-simum.
f. Pengereman mekanik atau listrik.
g. Menara latis atau tubular dengan atau tanpa penguat, dibuat dari logam dan bertumpu pada fondasi beton.
Keunggulan dari pemanfaatan kincir angin adalah pengembangan teknologi tepat guna yang mengunakan konversi angin skala kecil sebagai energi alternatif, selain itu opsi ini dapat mengurangi ketergantungan energi konvensional (listrik, minyak bumi dan turunannya dan kayu bakar) dalam pengembangannya pada in-dustri menengah dan kecil, serta untuk pemasokan energi masyarakat untuk kebu-tuhan sendiri.
Manfaat lain dari pemanfaatan energi angin adalah mengurangi pencema-ran akibat emisi gas buang motor bakar, baik motor diesel maupun gasoline, serta mencegah penebangan pohon untuk keperluan kayu bakar. Keunggulan dari pe-manfaatan kincir angin sebagai sumber energi alternatif adalah sebagai berikut :
a. Pengoperasian dan pemeliharaannya mudah.
b. Dapat meningkatkan aktifitas ekonomi dan kualitas hidup masyarakat. c. Cocok untuk penggerak utama irigasi di daerah pertanian yang jauh dari
jangkauan listrik PLN dan pemasaran minyak bumi dan turunannya. d. Menghemat devisa Negara, karena dapat mengurangi subsidi BBM
pe-merintah.
Berikut selanjutnya adalah data spesifikasi teknis kincir-kincir angin yang ada dipasaran dunia.
Fakultas teknik 15 Universitas Mercubuana Tabel 2.1 Spesifikasi Beberapa Kincir Angin Modern
Manufaktur Model: Bergey Wind Power CO BWC 1500 Northern power system NortWind3 Windturbine industries EESI-12,5/23 Micon Energysys-tem M.22 Carter Wind system 25 Diameter rotor 3,1 m 5,0 m 7,0 m 9,8 m 9,9 m Daya rated 1,5 kW 3 kW 12,5 kW 22 kW 2 kW
Lokasi rotor Arus-hulu Arus-hulu Arus-hulu Arus-hulu Arus-hulu
Jumlah sudu 3 3 3 3 2
Control Pitch Tidak ada Rotor tilt Variable Tetap Tetap
Braking sys-tem -normal -speed. lebih Tidak ada Furling datar Furling tegak Furling tegak Disk-mech Aerodinamik Elect-mech Aerodina-mik Disk-mech aerodinamik
Gear box Tidak ada Tidak ada Offshet hypo-id
Poros seja-jar
Gigi miring bundar
Generator tipe Alternator Alternator Alternator Induksi Induksi
Kecepatan 60-450 rpm <300 rpm Variable 1800 rpm 1836 rpm
Tegangan Opsi Opsi Variable 480 V AC 220-440VC
System yaw Pasif Pasif Pasif Aktif Pasif
Tipe menara Opsi Opsi Latis Tubular
tanpa pen-guat
Tubular ber-penguat
Energi angin telah lama dikenal dan dimanfaatkan oleh manusia dimuka bumi, perahu-perahu layar yang menggunakan energi angin untuk melewati perai-ran benua, bahkan sebagian samudra. Pasukan Viking yang sangat ditakuti sekian ratus tahun silam, menggunakan kapal-kapal layar kecil untuk menelusuri
pantai-Fakultas teknik 16 Universitas Mercubuana pantai eropa dan Skandiavania. Bahkan Cristhoporos Columbos menggunakan kapal layar besar untuk menemukan benua eropa, seperti portugis dan spanyol ber-lomba mencari rempah-rempah dan melakukan perdagangan mengarungi berbagai samudera dan benua menggunkan kapal-kapal layar yang menggunakan energi an-gin sebagai penggerak utama.
Di Persia pada abad ke-7, telah ditemukan kincir angin yang digunakan un-tuk menggiling tepung, bahkan kincir-kincir angin Persia itu merupakan asal muasal kipas angin Eropa. Energi angin telah digunakan secara luas dalam industry pertanian sejak awal tahun 1900-an, dipesisir pantai Negara Belanda, Jerman, dan Denmark, bahkan negeri Belanda dikenal dengan sebutan “Negeri kincir angin”. Energi angin mulai berkembang lagi pada saat embargo minyak Negara-negara arab pada tahun 1974. Seiring dengan maraknya perkembangan energi alternatif lainnya.
Energi angin merupakan energi alternatif yang dapat diperbaharui menggu-nakan potensi angin yang dapat diperbaharui menggumenggu-nakan potensi angin yang ada, tidak menghasilkan gas buang yang dapat mencemari lingkungan, tentunya sangat akrab dengan lingkungan. Pada dasarnya penggunaan tenaga angin diperki-rakan untuk keperluan-keperluan seperti:
a. Menggerakkan pompa-pompa air untuk irigasi ataupun untuk mendapatkan air tawar bagi ternak.
b. Menggiling padi untuk mendapatkan beras. c. Menggergaji kayu dan,
d. Membangkitkan energi listrik
Ternyata angin banyak sekali fungsinya untuk membantu kegiatan dan ke-perluan manusia. Dengan memanfaatkan kekutan angin secara maksimal akan
da-Fakultas teknik 17 Universitas Mercubuana pat menghilangkan ketergantungan kita terhadap minyak bumi dan impian selama ini untuk menghasilkan sumber energi yang ramah lingkungan bukan hanya seke-dar menjadi mimpi belaka.
2.4 Pandangan Umum Mengenai Pompa
Pompa adalah suatu perangkat keras yang berfungsi mengalirkan, memin-dahkan bahkan dapat pula mensirkulasikan fluida cair dengan cara menaikkan te-kanan dan kecepatan melalui gerak piston atau impeller. Gerak tarik bumi atau yang biasa dikenal dengan gravitasi, menyebabkan suatu cairan yang mengalir dari tempat ynag lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah, sehingga cairan dapat men-galir dan apabila cairan dikedua tempat memiliki tekanan yang sama, maka cairan tidak dapat mengalir ke salah satu tempat tersebut.
Pompa adalah suatu alat yang dapat memindahkan cairan dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang mempunyai tekanan yang sama. Pompa menambah tekanan pada cairan sehingga dapat mengatasi gaya potensial, sehingga cairan da-pat mengalir. Pompa disamping berfungsi sebagai yang tersebut diatas juga dada-pat menempatkan kecepatan aliran dari cairan dan juga digunakan untuk memindahkan lebih banyak dalam batas waktu tertentu.
Pemindahan fluida ini dapat terjadi menurut arah mendatar ataupun tegak lurus. Pada pemindahan fliuda secara mendatar, hambatan terdapat atas gesekan atau pusaran, sedangkan pada pemindahan fluida secara tegak, hambatan yang ter-jadi sama ditambah dengan hambatan yang diakibatkan karena adanya perbedaan tinggi antara muka hisap dan muka tekan. Tenaga penggerak pompa biasanya ada-lah steam engine, gas engine, steam turie, motor listrik dan motor bakar, akan teta-pi disini pompa tersebut akan digerakkan dengan kincir angin.
Fakultas teknik 18 Universitas Mercubuana 2.5 Alternatif Pemilihan Pompa
Alternatif pemilihan pompa untuk mendistribusikan air bersih untuk irigasi haruslah diperhatikan beberapa pokok alasan dalam pemilihan pompa, hal tersebut adalah :
a. Karakteristik fluida itu sendiri. b. Tekanan.
c. Kapasitas.
Hal ini dikarenakan dimana pompa yang akan dipergunakan bertujuan un-tuk mengalirkan air bersih dari permukaan yang lebih rendah ke permukaan yang lebih tinggi.
2.5.1 Pompa Sentrifugal
Pompa jenis ini sangat luas penggunaannya dan juga banyak dipakai untuk berbagai keperluan. Fluida pada pompa sentrifugal dihisap kipas sudu-sudu impel-ler ditengah-tengah mengelilingi poros, dan keluar secara radial dengan kecepatan yang merupakan jumlah antara kecepatan radial dan kecepatan air yang meluncur mengikuti putaran impeller. Dalam rumah pompa (volute casing). Fluida berkurang kecepatannya akibat berputarnya impeller dan tenaga geraknya diubah menjadi te-naga tekan atau dorong, maka fluida yang ada akan mengalir keluar pompa dengan mengatasi tekanan yang ada. Daya mekanis yang diberikan pada poros pompa di-ubah dalam sudu-sudu menjadi energi kinetis dari fluida yang dipindahkan dengan cara memperkecil kecepatan didalam volute.
Keuntungan pompa sentrifugal adalah sebagai berikut : a. Biaya investasi dan perawatannya rendah.
Fakultas teknik 19 Universitas Mercubuana c. Getaran yang terjadi relatif kecil pada saat pengoperasiannya, sehingga
pondasi dudukan pompa dapat dibuat ringan.
d. Dapat memompa fluida dengan kapasitas besar dan tekanan yang tinggi. e. Beroperasi pada putaran tinggi, biasanya dihubungkan langsung dengan
penggeraknya sehingga rugi-rugi transmisi kecil.
f. Jika konstruksinya disesuaikan, maka dapat dipergunakan untuk mengalir-kan fluida yang kotor dan berlumpur serta yang mengandung bahan kimia. g. Aliran fluidanya dapat kontinyu tidak terputus-putus.
Kerugian pompa sentrifugal adalah sebagai berikut :
a. Pada pemakaian normal, tidak dapat menghisap sendiri (tidak dapat me-mompakan udara), oleh sebab itu pada awal menghidupkan pompa harus dipancing.
b. Efisiensi pompa relatif rendah jika dibandingkan dengan pompa piston, te-rutama jika kapasitas zat cair kecil sedangkan tinggi kenaikan besar. c. Kurang sesuai untuk memompakan zat cair kental terutama pada aliran
vo-lume yang kecil.
2.5.2 Pompa Piston
Pompa piston memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan pompa sentrifugal, tetapi kemajuan-kemajuan perencanaan pada pompa sentrifugal telah mengimbangi efisiensi yang tinggi ini, bila beroperasi pada kondisi-kondisi tertentu, dimana pompa sentrifugal ini paling sesuai dan banyak digunakan. Pompa piston digunakan secara luas, dimana kemampuan variable tekanan adalah pertim-bangan yang penting.
Fakultas teknik 20 Universitas Mercubuana a. Dapat bekerja langsung tanpa melakukan pemancingan.
b. Memiliki efisiensi yang tinggi daripada pompa sentrifugal.
c. Pada putaran yang konstan, dapat menghantarkan fluida yang berbeda-beda pada tekanan yang hampir sama.
d. Pada putaran yang konstan, dapat menghantarkan zat cair pada kapasitas yang tetap pada tekanan yang berubah-ubah pada saluran yang tetap.
Kerugian pompa piston dibandingkan dengan pompa sentrifugal : a. Rumit dalam hal pemeliharaan
b. Pondasi harus kokoh karena memiliki bobot atau dimensi yang cukup be-sar.
c. Tidak dapat dihubungkan dengan motor penggerak sehingga memerlukan transmisi.
d. Menimbulkan suara yang berisik yang diakibatkan gerakan bolak-balik. e. Memerlukan tempat yang lebih luas.
Setelah melihat alternatif diatas maka karena penggerak pompa menggunakan kincir angin yang dayanya disesuaikan dengan kecepatan angin setempat. Pompa piston merupakan pilihan yang tepat karena memiliki efisiensi yang tinggi dan da-pat bekerja tanpa harus “dipancing” terlebih dahulu. Maka dalam perencanaan ini dipilih pompa piston karena sesuai dengan kondisi yang ada.
2.6 Macam-macam pompa piston
Pompa Piston/silinder yang telah dikombinasikan masih banyak diopera sikan oleh masyarakat, tapi efisiensinya akan sangat rendah. Dari itu pemeliharaan dan perbaikan harus disertakan dan jika mungkin dengan cepat dan cara yang mu-dah. Sejak katup kulit membutuhkan pemeriksaan dan perbaikan seperti diatas,
di-F p bu d d d di pi akultas tekn erhatikan un utuhan akan ari permulaa alam tipe (A a rancangan ibuktikan m iston step by nik ntuk memasu n ruang udara annya, penge A-J) dan tetap n ini. Waktu menjadi sang y step, beriku ukan biayan a dan materi embangan p p dikembang u, angin, kes at membutu ut adalah beb 21 nya dalam ra ial didapat p pompa piston gkan dengan abaran, opti uhkan alat-al berapa conto Un ancangan pom pada rancang n mencapai b n mencoba m imisme dan lat untuk me oh pompa pi niversitas M mpanya. Ak gan pompa. K banyak tingk mencari kele penemuan y engembangk iston aksi tun
Mercubuana khirnya ke-Kebenaran katan hasil emahan pa-yang dapat kan pompa nggal:
Fakultas teknik 22 Universitas Mercubuana Gambar 2.4 berbagai macam jenis pompa piston aksi tunggal
(sumber : E.H Lysen, introduction to wind energy, 1983)
Peyediaan casing untuk mata air adalah konstruksi yang pantas untuk pe-nyusunan pompa secara keseluruhan dapat ditetapkan dengan pantas dengan pen-gembangan alat penjepit atau kukuda. Akhirnya, perancangan pompa pada
da-Fakultas teknik 23 Universitas Mercubuana sar sumur ini, penyusunannya menggunakan gaspipe 1” dengan dilas pada tiap sudut bagian kanan pompa atau ke pipa pengisap. Mutu dari penjepit (besi siku) memastikan konstruksi yang mantap. Peyusunan alat penjepit didapatkan dengan dengan memasang baut ulir panjang atau mur pada ujung pipa, kemudian kencang-kan mur karena meluaskencang-kan dan menetapkencang-kan kerangka.
Gambar 2.5 Karangka pompa didalam sumur pompa (sumber : E.H Lysen, introduction to wind energy, 1983)
Untuk mencegah kerusakan pada dinding casing sumur, dibutuhkan perluasan permukaaan bearing dengan bagian besi siku. Alat penjepit membuktikan keburu-kan dalam gabungan dengan konstruksi “jembatan”.
2.7 Theorema Bernoulli
Energi tidak dapat timbul dan hilang begitu saja. Energi total fluida adalah sama dengan ketiga tinggi tekanan (head) dibawah ini :
²
Fakultas teknik 24 Universitas Mercubuana Dimana :
H = Tinggi Tekan total (m)
=
tinggi tekan tekanan (m)²
.
=
tinggi tekan kecepatan (m)z = tinggi tekan potensial (m)
Berbagai tinggi tekanan dapat bervariasi besarnya pada penampang berbe-da, tetapi penjumlahannya selalu sama. Bila sebuah penampang sebuah pipa datar membesar sedikit demi sedikit, maka kecepatan akan berkurang dan tekanan akan naik, tetapi tinggi tekan total harus tetap sama.
Fakultas Teknik 25 Universitas Mercubuana
BAB III
METODELOGI PERANCANGAN POMPA
3.1 Prinsip Kerja
Pada penulisan tugas akhir ini, yang dirancang oleh penulis adalah kincir angin poros horizontal, dua belas sudu. Angin yang datang dari depan pada sudu diubah secara siklus karena adanya perubahan posisi sudu terhadap arah angin. Arah putran rotor kearah sisi masukan sudu dan sudu berputar diatas bantalan poros. Putaran dari poros ini dimanfaatkan untuk menggerakan pompa piston yang ditanamkan didalam sumur tepat berada dibawah menara kincir. Gaya yang terjadi pada sudu-sudu kincir angin ini kombinasi dari gaya-gaya aerodinamis, gaya dorong dan gaya tekan angin, sehingga menghasilkan moment torsi yang besar, akan tetapi untuk daya yang dihasilkan kincir tergantung dari kecepatan angin setempat.
Kincir angin merupakan salah satu mesin konversi energi yang dapat merubah energi kinetik dari pergerakan angin menjadi energi mekanik untuk menggerakkan pompa air piston. Teknologi ini sudah sangat lama digunakan diatas muka bumi ini. Angin merupakan energi
Fakultas Teknik 26 Universitas Mercubuana
Sekarang sampai dimana kemauan kita mau memanfaatkan energi ini untuk kemaslahatan orang banyak.
Secara teoritis daya yang dapat dibangkitkan oleh kincir angin adalah:
Pkincir= (0,15/0,1) Ar . Vr2 (3.1)
Dimana :
Ar = luas sapuan rotor
Vr = kecepatan angin rata-rata.
Jika efisiensi kincir angin η dan kecepatan tertentu V diperhitungkan, maka daya yang dihasilkan kincir angin menjadi:
P = ½ . η . ρ . Ar .V3 (3.2)
Dengan mengetahui besarnya daya keluaran kincir angin tersebut, maka akan didapat apakah daya ini sesuai dengan besarnya daya yang diperlukan untuk perancangan pompa air. Sehingga kita dapat menentukan berapa besar diameter piston pompa untuk perancangan pompa tersebut.
3.2 Rancangan Awal Kincir Angin
Untuk membuat perhitungan perancangan pompa air, diperlukan data awal perancangan. Karena pompa ini dibuat sendiri menggunakan bahan yang banyak terdapat dipasaran. Perancangan dan pembuatan pompa piston ini dilakukan di bengkel sederhana juga. Dengan peralatan sederhana seperti las, bor gunting besi dan peralatan pandai besi
Fakultas Teknik 27 Universitas Mercubuana
lainnya. Pompa piston yang merupakan kesatuan dari kincir angin ini dibuat. Dengan keterbatasan dana, kami berusaha untuk mendapatkan hasil yang yang terbaik dalam pembuatan pompa ini. Bahan yang diperlukan untuk perancangan pompa air sederhana yang digerakkan oleh kincir angin adalah sebagai berikut :
• Bahan liner piston : pipa besi 6”
• Diameter piston : toleransi ± 1 mm dari liner piston. • Bahan piston : pohon kayu asem
• Tinggi silinder pompa : Ø total putaran crankshaft (dapat disetel) max 320 mm • Valves : karet lembaran (Ø 150 mm )
• Foot valve : karet lembaran (Ø150 mm ) • Pipa penghantar air : pipa besi 4” x 500 mm • Pipa keluaran air : pipa besi 4” x 500 mm • Pump rod : pipa besi 20 mm x 1200 mm • Rangka tanam pompa : besi siku 40 mm x 40 mm • Kecepatan angin rata-rata : 2,0 m/s
• Penggunaan : memompa air untuk keperluan irigasi.
Pemilihan bahan diatas mengacu kepada dana yang terbatas dan ketersedian bahan dipasaran, apabila dikemudian hari terjadi sesuatu terhadap pompa, kita dapat mengganti suku cadangnya dengan mudah karena memang bahan bakunya mudah kita dapat dengan harga terjangkau.
Fakultas Teknik 28 Universitas Mercubuana
Gambar 3.1 Skema gambar kerja pompa piston yang dihubungkan dengan kincir angin.
Fakultas Teknik 29 Universitas Mercubuana
3.3 Landasan Teori Perancangan
Pada dasarnya komponen utama pompa piston adalah piston itu sendiri, dua valve yaitu suction valve dan delivery pipe. Terkadang air chambers berfungsi untuk melancarkan aliran dan untuk mengurangi gaya goncangan. Pada pompa piston sederhana, valve bagian atas adalah sangat penting penempatannya dalam piston. Valve bagian bawah disebut juga foot valve yang berfungsi sebagai check valve agar air selalu ada dibagian bawah. Ini dimaksudkan agar tingkat responsitas dari pompa ini sangat tinggi sehingga tidak dilakukan pemancingan terus menerus.
Gambar 3.2 : Prinsip kerja pompa piston aksi tunggal
(sumber :National renewable energy laboratory, 2001)
Prinsip kerja operasional dari pompa piston ini sangatlah sederhana: jika piston bergerak ke arah bawah, upper valve terbuka dan foot valve tertutup sehingga ini
Fakultas Teknik 30 Universitas Mercubuana
piston bergerak keatas, upper valve akan menutup. Di sisi lain foot valve terbuka dan air terangkat ke atas (diatas piston) dan bagian bawah terhisap ( dibawah piston, jika pompa diatas permukaan air). Sampai piston bergerak ke bawah lagi dan seterusnya sehingga ini membentuk sebuah siklus berkelanjutan. Hasilnya air mengalir ke atas, ke wadah penampungan. Bagian ini disebut pompa aksi tunggal. Ada juga pompa aksi ganda dengan dua piston yang bergerak saling berlawanan arah, akan tetapi karena pertimbangan-pertimbangan pompa aksi tunggal yang dipilih, karena selama memerlukan gaya dorongan ke bawah, stroke menerima tindakan pencegahan melawan tekukan batang pompa. Hal ini merupakan menjadi alasan mengapa perancangannya mengambil system pompa aksi tunggal disamping kendala biaya.
Dari landasan teori diatas dapat kita asumsikan besaran kapasitas volume silinder dari pompa tersebut dengan menggunakan formula baku luas silinder yaitu :
V = π . r2 . t (3.3)
Dimana :
V= volume
r = radius liner (mm)
t = tinggi ( jarak antara titik mati atas dan titik mati bawah pompa)
3.4 Prosedur Perancangan
Hasil perancangan yang diperoleh dalam perancangan pompa ini adalah dalam bentuk ilmu, dimana prosedur yang harus dilakukan dalam penilitian adalah melakukan pengujian
Fakultas Teknik 31 Universitas Mercubuana
terhadap kajian teoritis yang dituangkan kedalam bentuk hipotesa kemudian dicocokkan dengan data empiris (hasil pengukuran). Keberlakuan teori tersebut hanya dengan kata lain diterima atau tidak diterimanya hipotesa tergantung pada taraf keberartian yang digunakan. prosedur perancangan ini terlihat pada Flow Chart Diagram pada gambar 3.3
3.5 Asumsi Yang Digunakan Dalam Perancangan Ini Adalah :
1. Tidak terdapat perubahan karakteristik kincir bila terjadi perubahan daya pompa, ,kecepatan angin,dan ketersediaan air, sejauh konstuksi prototype kincir memiliki keserupaan geometri.
2. Angin yang berhembus didaerah setempat, karena ini merupakan factor utama untuk merancang besaran diameter pompa.
3. Kedalaman mata air yang akan dihisap. 4. Perubahan kekentalan fluida diabaikan.
3.6 Variabel Yang Diamati
Berdasarkan model perancangan kincir dan daya yang dihasilkan oleh kincir, maka besaran diameter pompa sangatlah ditentukan oleh daya kincir. Dari perhitungan diatas kertas dan pengujian gaya-gaya yang bekerja pada kincir tersebut antara lain gaya yang bekerja pada sudu, poros kincir, gaya angkat (lift), gaya hambatan (drag) gaya sentrifugal torsi dan daya pada poros. Ini semua sangat mempengaruhi dalam perancangan pompa. Untuk menguji kebenaran model matematis mengingat keterbatasan pengambilan data, maka nilai yang diambil adalah nilai variabelnya saja. Dalam pengambilan data ini alat yang digunakan adalah tachometer, anemometer, stop watch dan pompa pada kincir itu sendiri.
Fakultas Teknik 32 Universitas Mercubuana
Gambar 3.3 Flow Chart Diagram perancangan dan pembuatan kincir angin dan pompanya.
Study literature
Observasi langsung dan tak langsung
Ketersedian bahan
Perakitan alat (assembly)
Pengujian alat Diskusi dan sultasi pada pembimbing
Mulai
Perancangan alat (kincir angin, pompaair dan tower)
Alat berfungsi sesuai dengan
harapan
Fakultas Teknik 33 Universitas Mercubuana
BAB IV
PERHITUNGAN DAN PENGUJIAN
4.1 Data dan Analisa Kecepatan Angin
Sebagai bahan studi untuk perancangan kincir angin poros horizontal. Penulis mengambil data kecepatan angin yang diperoleh penulis berdasarkan data yang valid yang berasal dari stasiun pemantau cuaca Badan Meteorologi dan Geofisika yang berada didaerah Jakarta yang berada di wilayah Cileduk, dimana data tersebut adalah data angin yang tercatat lima tahun terakhir dan untuk kepentingan penulisan tugas akhir ini penulis mengambil data angin pada tahun 2008. Dari pengamatan saya potensi keadaan angin wilayah Jakarta tidaklah sebesar didaerah pesisir lainya, tapi kekuatannya setidaknya cukup untuk memutar kincir hasil rancangan team Windmill Project. Keadaan angin dari tahun ke tahun sangatlah fluktuatif tapi dengan melihat data angin yang ada bawah ini sangatlah
Fakultas Teknik 34 Universitas Mercubuana cukup untuk memutar kincir rancangan ini dan pompa airnya. Adapun data angin yang kita dapatkan di BMG Cileduk adalah sebagai berikut :
Tabel 4.1 kecepatan angin tiap bulan di BMG cileduk tahun 2008
Bulan V rata –rata (m/s)
Januari 2,58 Februari 2,03 Maret 1,77 April 1,91 May 2,0 Juni 1,58 July 1,79 Agustus 2,03 September 2,14 Oktober 2,2 November 2.21 Desember 1,78
Dari data angin diatas dapat diperoleh hasil analisa sebagai berikut :
Kecepatan angin rata-rata = 2,0 m/s
Fakultas Teknik 35 Universitas Mercubuana 4.2 Perancangan dan Perhitungan Pompa
4.2.1 Rumah Pompa
Dari data-data empiris lapangan banyak sekali material bahan yang dapat menjadi pilihan sebagai rumah pompa (liner). Dalam hal ini perancang harus mempertimbangkan beberapa hal yang bersangkutan dengan pemilihan bahan pompa dan ketersediaan bahan dipasaran. Dengan ini dapat dilihat data spesifik pompa yang akan dibuat.
Data spesifik rumah pompa yang digunakan adalah :
Bahan liner pompa : pipa besi Ø 6” = 152,4 mm
Tebal : 3 mm
Tinggi liner : 460 mm
Besarnya massa liner pompa dapat ditentukan dengan menggunakan harga massa jenis bahan pipa besi yaitu ρ = 7850 kg/m3 dan harga volume liner piston tersebut adalah
m1 = ρ . v (4.1)
v dapat dihitung dengan persamaan:
v1= panjang penampang rumah pompa x tinggi x tebal
= π .152,4 mm x 460 mm x 3 mm
= 660.702,6 mm3 = 0 ,660.702,6 . 10-3 m3
Fakultas Teknik 36 Universitas Mercubuana = 5,18 kg
4.2.2 Pipa Bagian Penyalur Tekan Dan Bagian Penghisap
Data spesifik pipa tekan dan hisap sama, data yang digunakan adalah sebagai berikut:
Bahan = pipa besi
Diameter = 0,10 m = 100 mm
Tebal bahan = 2 mm
Tinggi = 500 mm
Besarnya massa pipa penyalur tekan dan pipa penyalur hisap dapat dihitung dengan harga massa jenis bahan pipa besi ρ = 7850 kg/m3. Besarnya massa kedua pipa itu masing-masing.
m2 = ρ . v
v dapat dihitung dengan persamaan:
v1= keliling penampang pipa x tinggi x tebal
= π .100 mm x 500 mm x 2 mm
= 314,159,26 mm = 3,1415926 x 10-4 m3 x 7850 kg/m3 = 2,46 kg
Fakultas Teknik 37 Universitas Mercubuana 4.2.3 Pelat Penghubung Liner Pompa dan Pipa Penyalur
Data spesifik pelat penghubung liner pompa dan pipa penyalur data yang digunakan adalah sebagai berikut:
Bahan = pelat besi
Tebal bahan = 3 mm
volume pelat besi tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.
m3 = ρ . v
v didapat dengan perhitungan sebagai berikut:
v = v lingkaran1 – v lingkaran2
= π . 76,22 x 3 – π . 50,82 x 3 = 54.724,4 mm3 – 24.321,95 mm3 = 30.402,45 mm3 = 3,0402 x 10-5 m3 Nilai harga m3 adalah sebagai berikut
m3 = (3,0402 x 10-5 m3 ) x 7850 kg/m3 = 0,23 kg
Karena volume penampang atas dan bawah adalah sama maka massanya menjadi m3= 2 x 0,23 kg = 0,46 kg
Fakultas Teknik 38 Universitas Mercubuana 4.2.4 Piston dan Batang Pompa
Batang pompa dan piston merupakan komponen penggerak utama pompa dalam melakukan kinerja nya didalam liner pompa. Besar kecilnya clearance antara rumah pompa dan piston sangat kinerja dari pompa itu sendiri. Di sini perancang sekaligus penulis membuat clearance antara rumah pompa dan piston sebesar 1 mm. Data lengkap spesifikasi rumah piston dan batang pompa adalah sebagai berikut:
Batang pompa : Panjang : 1200 mm
Diameter : 20 mm, maka r = 10 mm
Piston kayu : Panjang : 75 mm
diameter : 151,4 mm
dari data diatas dapat kita hitung harga massa keduanya. volume batang pompa yang terbuat dari besi mild steel tersebut dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.
M4 = ρ . v
v didapat dengan perhitungan sebagai berikut:
v = luas alas x panjang.
= π . 102 x 1200 mm = 376.991,11 mm3
Fakultas Teknik 39 Universitas Mercubuana m4 = (3,76991 x 10-4 m3 ) x 7850 kg/m3
= 2,95 kg
Maka massa total pompa secara keseluruhan, bila piston kayu, baut pengikat dan karet sebagai valve diabaikan maka massa total adalah sebagai berikut :
mtotal = m1+ m2 + m3 + m4 = 5,18+ 4,92 + 0,46 + 2,95
= 13,51 kg.
4.3 Head Pompa
Jumlah head pompa secara keseluruhan adalah jumlah dari head tekanan, head statis, head energi kinetik dan dan head rugi-rugi pada pemasangan pompa tersebut.
4.3.1 Head Statis (ha) = 5 meter (lihat gambar 3.1)
4.3.2 Head tekanan (∆hp)
∆hp
=
(4.2)
Dimana : P1 = 10332 kgf/m2 = 1 atm
P2 =10332 kgf/m2 = 1 atm
Fakultas Teknik 40 Universitas Mercubuana dikarenakan tekanan yang bekerja pada sisi permukaan adalah sama, maka nilai yang didapat : ∆hp = 0 meter
4.3.3 Head Energi Kinetik
[
∆ ².
]
pada kincir air menggunakan pompa translasi ini, besarnya debit air yang keluar dapat kita gunakan formula sebagai berikut :
p kincir = ή . ½. ςa. V02. A.V
ppump = ς.g.H x Q
jika kita sederhanakan rumus diatas menjadi
ή . ½. ςa. V02. A.V = ς.g.H x Q
maka Q = ή .½. .V ².A.V
. .H
(4.3)
jika diketahui ή = 30 % (efisiensi terendah kincir angin)
dimana : ςa = 1,3 kg/m³ (pada suhu 20º)
ς = 995,7 kg/m³ (pada suhu 30º)
g = 9,81 m/s²
A = π.r² = π 2,5² = 19,63 m²
Fakultas Teknik 41 Universitas Mercubuana V = kecepatan actual angin
H = total head pompa = 5,01432 m
V = kecepatan angin actual/ rata-rata
Q = , .½. , . ². . , , Q = 2. 10-5 V02 . V Q = 2.10-5 x , 5,01432
5 2 x 1,5 Q = 0,0029 m³/s
Didapat nilai debit air : Q = 0,0029 m³/s
di = 0,10 m ( diameter pipa hisap)
dt = 0,10 m (diameter pipa tekan)
kecepatan aliran fluida pada pipa isap adalah
Vh
=
. ²(4.4) Vi = 0.0029 4 0,10² Vi = 0,37 m/s
Fakultas Teknik 42 Universitas Mercubuana Vt
=
. ²(4.5) Vt = 0.0029 4 0,10² Vt = 0,37 m/s
Hasilnya sama, karena diameter pipa isap dan tekannya adalah sama.
Maka: ∆ ² . = ² ² . (4.6)
=
, ²
, ²
,
= 0 m
4.3.4.1 Head rugi – rugi pada sisi isap
Panjang pipa (L) = 1 m
Diameter = 0,1 m
Head rugi-rugi pada sisi isap akibat gesekan (hfi1)
Bilangan Reynold (Re)
Re = (4.7)
Dimana : Vi = 0,37 m/s
Fakultas Teknik 43 Universitas Mercubuana V = 0,801 x 10-6 m2/s (untuk air pada suhu 30ºc)
Re =
, ,
,
= 46.192,25
(Re > 4000 : aliran bersifat turbulen)
Sehingga dapat kita simpulkan koefisien kerugian gesek (λ) yang didapat adalah :
λ = 0,020 + ,
= 0,020 + , ,
= 0,025 m
Head kerugian akibat gesekan pada sisi isap (hfi)
Hfi=
λ
.
²
.
= 0,025 ,
.
, ² ,= 0,00174 m
4.3.4.2 Head Rugi-rugi Pada Sisi Tekan
Panjang pipa (L) = 4 + 1,5 = 5,5 m
Fakultas Teknik 44 Universitas Mercubuana Pemasangan dengan satu elbow 90º.
4.3.4.2.1 Head Kerugian Pada Sisi Tekan Akibat Gesekan (hft1)
Bilangan Reynold (Re)
Re =
Dimana : Vt = 0,37 m/s
Dt = 0,1 m
V = 0,801 x 10-6 m2/s (untuk air pada suhu 30ºc)
Re =
, ,
,
= 46.192,25
(Re > 4000 : aliran bersifat turbulen)
Sehingga dapat kita simpulkan koefisien kerugian gesek (λ) yang didapat adalah :
λ = 0,020 + ,
= 0,020 + , ,
= 0,025 m
Fakultas Teknik 45 Universitas Mercubuana Hft1 =
λ
.
²
.
(4.8) = 0,025 , ,.
, ² ,= 0,0095 m
4.3.4.2.2 Head Kerugian Pada Sisi Tekan Akibat Belokan Pipa (hft2)
hft2 =
f
2 ² . (4.9) dimana : f2 =(
(0.131 + 1,847 ( )3,5)) ( )
0,5 =(
(0,131 + 1,847 ( . ) 3,5 )) ( )
0,5 = 0,294 Vt = 0,37 m/s g = 9,81 m/s2 maka hft2 = 0,294 , ² ,= 0,0020 m
4.3.4.2.3 Head Kerugian Total Pada Sisi Tekan (hft)
Fakultas Teknik 46 Universitas Mercubuana = 0,0095 m + 0,0020 m
= 0,0115 m
4.3.4.3 Head Rugi-rugi Total (hf)
hf = hfi+ hft
= 0,00174 m + 0,0115 m
= 0,01324 m
4.3.4.4 Head Total Pompa (H)
H = ha + ∆hp + hf + ∆ ² . Dimana : ha = 5 meter ∆hp = 0 meter hf = 0,01324 meter ∆ ² .
=
0 meter Maka didapat H = 5 + 0 + 0,01324 + 0 = 5,01324 m4.4 Perhitungan Daya Pompa
Fakultas Teknik 47 Universitas Mercubuana Daya pompa adalah daya yang dapat digunakan dan dipindahkan ke fluida dengan formula : Ppump = ς.g.H.Q (4.10) Dimana : ς = 995,7 kg/m³ g = 9,81 m/s² H pump = 5,01324 m Q = 0,0029 m³/s maka Ppump = 995,7 x 9,81 x 5,01324 x 0,0029 = 142 Watt = 0,142 kw
Dari landasan teori total angkatan pompa, dapat kita asumsikan besaran kapasitas volume silinder dari pompa tersebut dengan menggunakan formula baku luas silinder yaitu :
V = π . r2 . t (4.11)
Dimana :
t = tinggi ( jarak antara titik mati atas dan titik mati bawah pompa)
maka banyaknya air ideal yang dapat diangkat piston ke atas permukaan tanah adalah sebagai berikut :
Fakultas Teknik 48 Universitas Mercubuana stroke piston = 320 mm (lubang ke-3 yang beradius 16 mm )
panjang piston = 75 mm
maka v = volume silinder total – volume piston
= (π . r12 . t1 ) – ( π . r22. t2)
= (π . 76,22 . 320 ) – (π . 75,72 . 75)
= 4.487.055,263 mm3 = 4,48 liter / angkatan
4.4.2 Daya yang Dibutuhkan Pompa
Daya yang dibutuhkan (P) adalah daya kuda aktual yang diberikan pada pompa oleh putaran kincir, pompa piston memiliki tingkat efisiensi yang tinggi jika dibandingkan dengan pompa sentrifugal. Rata–rata tingkat efisiensinya (ηo)
mencapai 90% (sumber : E.H Lysen, introduction to wind energy, 1983). Sehingga bisa dihitung berapa daya aktual terendah yang dihasilkan kincir untuk menggerakkan pompa.
P =
Dimana : Ppump = 142 Watt
=
,
ηo = 0,9
Fakultas Teknik 49 Universitas Mercubuana
Daya kincir rata-rata yang dihasilkan untuk menggerakkan pompa adalah p kincir =η. ½. ςa. V02. A.V (4.12) dimana η = 100% = 40 % ςa = 1,3 kg/m³ ς = 995,7 kg/m³ g = 9,81 m/s² A = π.r² = π 2,5² = 19,63 m²
V = kecepatan angin aktual / rata-rata
maka = 0, 4. ½ . 1,3 . 5² . 19,63. 2
p kincir=255,19 Watt
dari perhitungan diatas dapat kita hitung juga daya kincir terbesar untuk kincir angin MB 12-7 :
p kincir terbesar =100% . 0,5 . 1,3 . 52 . 5
= 1.594,93 Watt.
daya yang dapat dibangkitkan oleh kincir adalah 255,19 watt dengan kecepatan angin rata-rata 2,0 m/s dan daya kincir tertinggi 1.594,93 Watt dengan angin 5 m/S sedangkan yang dibutuhkan pompa 157,77 watt, sehingga sangat mencukupi untuk operasional pompa.
Fakultas Teknik 50 Universitas Mercubuana 4.5 Hasil Pengujian Pompa
Table 4.2 Data Hasil Pengujian
No Waktu (s) N (rpm) Q (dm3/s)
1 60 20 1,1
2 60 25 1,5
3 60 30 1,8
Fakultas Teknik 50 Universitas Mercubuana
BAB V
PENUTUP
5.1 KesimpulanDari hasil perancangan yang telah dibuat dapat kita ambil beberapa kesimpulan tentang karakterristik kincir angin MB 12-7 sumbu horizontal, dua belas sudu dan pompa air piston yang digerakkannya :
1. Secara keseluruhan hasil perancangan dan pembuatan kincir angin MB 12-7 poros horisomtal dinyatakan berhasil, ini dibuktikan dengan melakukan pengujian yang menunjukkan putaran kincir angin tersebut menunjukkan putaran yang sangat maksimal sehingga pompa piston yang digerakkan dapat memindahkan air dari dalam sumur ke atas permukaan tanah.
2. Berat kincir angin secara keseluruhan sangat berpengaruh terhadap gesekan mekanik kincir, ini juga dapat menurunkan nilai efisiensi nilai torsi yang dihasilkan.
Fakultas Teknik 51 Universitas Mercubuana
4. Besarnya torsi yang dihasilkan oleh kincir dipengaruhi oleh kecepatan putaran kincir, diameter poros kincir, tinggi kincir, tinggi dan lebar sudu, massa jenis angin, kecepatan angin, berat sudu dan sudut kelengkungan sudu.
5. Efisiensi daya kincir terendah pada kecepatan angin rata-rata 2 m/s adalah sebesar 255,19 watt, dan efisiensi daya pompa sebesar 157,77 watt, sehingga masih sangat memungkinkan untuk menggerakkan pompa.
6. Bahan rumah pompa dan pipa penyalur adalah pipa besi dengan massa jenis 7850 kg/m3.
7. Debit air yang dikeluarkan pada daya terendah kincir adalah 2,9 liter/detik dan total per satu angkatan piston dalam rumah pompa adalah 4,48 liter (angkatan ideal).
5.2 Saran
Indonesia adalah Negara kepulauan yang terletak di garis khatulistiwa yang kaya akan energy angin yang melimpah hampir disemua pulaunya. Di masa yang akan datang tidaklah mustahil kita akan mengembangkan energi alternative berbasis angin sebagai penggerak dan Untuk penilitian lebih lanjut dan pengembangan kincir dimasa yang akan datang diperlukan perubahan-perubahan pada Prototype kincir angin MB 12-7 agar dapat memaksimalkkan kincir itu sendiri. Perubahan itu antara lain:
Fakultas Teknik 52 Universitas Mercubuana
1. Dibutuhkan bantalan (bearing) pada sisi poros tegak yang menghubungkan menara dan rangka atas kincir agar pergerakkan kincir mencari arah angin yang lebih besar bisa lebih sedikit responsive. 2. Dilakukan studi tentang besarnya pengaruh getarandan tahanan kincir
secara keseluruhan terhadap pondasi kincir. Sehingga kita dapat menentukan secara pasti seberapa kuat pondasi yang akan dibuat. 3. Dibutuhkan rem agar dapat memberhentikan kincir sewaktu-waktu bila
Fakultas Teknik 53 Universitas Mercubuana
DAFTAR PUSTAKA
1. Data Angin di Jakarta dalam kurun waktu 2007-2008, Badan Meteorologi dan Geofisika; Jakarta 2008
2. E.H Lysen, 1983. Introduction To Wind Energy, Netherlands 3. Eldridge, F.R 1975. Wind Machines, National Foundation USA
4. Euresia Publishing House. Ltd Krutz, Gary W dkk. Machine Design Society Of Automotive Engineer, inc
5. Inglish, D.R, 1978. Wind Power and Other Energy Options, Michigan 6. Khurmi, R. S dan J. K. Gupta. 1982. Machine Design. Edisi ketiga. New
Delhi
7. Van Den Ven, 1977. Constructions manual of Cretan Windmill, Netherlands
8. Wegley, H.L 1980. A Sitting handbook For small wind Energy 9. Wind Pump Hand book, 1982. Paris
