BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
Hasil belajar dari beberapa teori dasar yang meliputi penulisan tugas akhir dijelaskan dalam bab ini. Pada bagian ini, meliputi teori dasar dan perhitungan yang mendukung bagian dalam perancangan dan pengujian, serta berdasarkan pada penelitian atau eksperimen sebelumnya terkait dengan penulisan tugas akhir.
2.1 Turbin Air
Turbin air merupakan generator awal dengan menggunakan energi potensial air untuk mengubah energi mekanik menjadi air, sehingga air tersebut memutar rotor turbin. Ketinggian air tertentu memiliki energi potensial. Ketika air mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang lebih rendah, maka energi potensial menjadi energi kinetik. Melalui turbin air, energi kinetik diubah menjadi energi mekanik.
Perkembangan turbin air, pertama kali digunakan oleh bangsa Yunani dan dimanfaatkan secara luas pada abad pertengahan di Eropa. Selanjutnya setelah berangsur-angsur muncul berbagai jenis turbin air seperti turbin pelton yang ditemukan oleh Lester A. Pelton pada abad kesembilan belas dan turbin Kaplan yang ditemukan oleh Viktor Kaplan pada abad ke-20 (Dixon et al, 2010).
2.1.1 Turbin Impuls
Turbin impuls adalah turbin yang menggunakan energi potensial air yang diubah menjadi energi kinetik dengan nosel. Air keluar nosel memiliki kecepatan yang tinggi lalu membentur sudu turbin. Setelah aliran air membentur sudu, arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impuls). Pada akhirnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls mempunyai tekanan yang sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya sama dengan tekanan atmosfer di sekitarnya sehingga energi potensial yang masuk ke nosel akan berubah menjadi energi kinetik.
Gambar 2.1 Turbin Impuls (Rajaet al., 2006)
2.1.2 Turbin Reaksi
Turbin reaksi adalah turbin yang menggunakan energi potensial untuk menghasilkan energi gerak. Sudu pada turbin reaksi memiliki profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat diputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya masuk ke dalam air dan berada dalam rumah turbin.
Gambar 2.2 Turbin Reaksi (Rajaet al., 2006)
2.2 Turbin Sumbu Vertikal
Pada umumnya, turbin air sumbu horizontal merupakan turbin air yang paling banyak digunakan. Turbin air dengan sumbu vertikal tidak begitu terkenal dan
masih dalam tahap pengembangan. Turbin air vertikal terinspirasi dari turbin angin vertikal yang sudah digunakan pada beberapa tempat. Kemampuan menerima angin dalam kecepatan yang rendah dan dapat menerima angin dari berbagai arah menjadikan turbin angin vertikal diadaptasikan pada turbin air dengan harapan dapat menangkap media fluida berupa air pada kecepatan alir yang rendah. Turbin sumbu vertikal juga sebagai media perantara energi bagi turbin air aliran pusar ( ) yang memanfaatkan pusaran air sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin pusaran air ( ) ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu. Pada Gambar 2.3 adalah tipe-tipe turbin sumbu vertikal.
Gambar 2.3 Turbin Sumbu Vertikal (Hau, 2013)
2.3 Turbin Rotor Savonius
Turbin rotor Savonius adalah turbin sumbu vertikal yang pada dasarnya beroperasi karena gaya seret fluida pada sudu turbin, tetapi gaya angkat juga berkontribusi terhadap daya mekanis yang ditransmisikan ke poros. Turbin Savonius ditemukan oleh ilmuwan Savonius di Finlandia pada tahun 1928. Turbin ini adalah tipe resistansi yang profil sudunya adalah setengah lingkaran. Tekanan yang berbeda di kedua sisi bilah dan torsi yang berbeda di antara sudu mendorong turbin untuk berputar. Pada Gambar 2.4 menunjukkan struktur turbin Savonius.
Gambar 2.4 Struktur Turbin Rotor Savonius (Zhipeng et al., 2013) Pada Gambar 2.5, turbin yang ditunjukkan berputar ke arah fluida dengan kecepatan turbulen Vo
bergerak di sepanjang lintasannya dan berputar di sepanjang sudut posisi tertentu, mereka menunjukkan profil fluida yang berbeda, sehingga secara berkala mengubah koefisien hambatan dan koefisien . Oleh karena itu, selama perputaran perangkat, torsi yang dihasilkan oleh rotor secara berkala berubah
Gambar 2.5 Karakteristik Turbin Savonius (Akwa et al., 2012)
Dengan memvisualisasikan aliran rotor Savonius yang berjalan di dalam air, penulis mengidentifikasi pola aliran utama yang terjadi pada sudu rotor Savonius dan mempengaruhi karakteristik pengoperasian alat tersebut. Jenis aliran ditunjukkan pada Gambar 2.6. Aliran (I) menghasilkan gaya angkat, (II) dan (III) tekanan balik ke permukaan cekung sudu, dan (IV) mempengaruhi daya rotor.
Aliran tambahan yang diamati (I) hingga 45 °. Aliran yang melekat ini (I) menjadi aliran resistansi (II) menuju sisi cekung dari sudu balik. Aliran pertama memberikan daya angkat, sedangkan aliran terakhir memulihkan tekanan pada permukaan cekung bilah, yang keduanya berkontribusi pada peningkatan koefisien daya rata-rata. Vortex shedding dari ujung blade terdepan (V) sama dengan 90°.
Sebuah pusaran pembuangan dihasilkan dari ujung balik rotor (VI). Ketika lebih besar dari 90°, pusaran pembuangan (V) terpisah dari ujung depan ember dan meningkat dengan aliran hilir rotor. Laju aliran yang ditandai dengan (IV), (V) dan (VI) pada Gambar 2.6 membantu mengurangi kekuatan rotor.
Gambar 2.6 Pola Aliran pada Rotor Savonius (Akwa et al., 2012)
2.4 Sudu Turbin
Sudu (blade) adalah suatu bagian dari turbin yang penting dan berfungsi sebagai mengubah gerak aliran air menjadi gerak rotasi/putaran atau semburan air yang masuk ke dalam turbin dan mengenai sudu rotor turbin hasil dari adanya fluida kerja (air, angin, uap, dll). Dengan adanya fluida maka akan menghasilkan konversi energi yaitu energi kinetik menjadi energi mekanis yang mengubah energi potensial menjadi energi kinetik. Untuk menggerakkan rotor turbin perlu
adanya bentuk dari sudu turbin yang sesuai dengan fluida kerja yang menggerakkannya dengan dimensi yang sesuai dengan kebutuhan (Syahrul dkk, 2018).
Beberapa dari penelitian sudah dilaksanakan untuk membuat beraneka ragam model bentuk sudu yang sesuai untuk turbin. Berikut di antaranya beberapa bentuk sudu yang sudah dibuat untuk turbin angin sumbu horizontal adalah multi blade,sail swing, tipe Belanda dan propeller. Sedangkan pada turbin angin sumbu vertikal adalah crossflow, savonius, darrieus dan giromill.
Gambar 2.7 Macam-Macam Sudu (Prakoso dkk, 2016)
2.5 Sudut Blade
Sudut blade merupakan salah satu karakteristik yang dapat mempengaruhi kinerja turbin karena pada sudu turbin adalah tempat proses terjadinya energi kinetik air menjadi energi gerak pada rotor.
Gambar 2.8 Skematik ua imensi pada urbin Savonius
Gambar skematik dua dimensi dan parameter geometri pada turbin angin Savonius dua sudu bisa dilihat pada Gambar 2.8, di mana U adalah kecepatan aliran, adalah sudut azimuth pada bagian sudu, adalah sudut blade, adalah rotasi kecepatan pada turbin, radalah radiusblade dan D adalah diameter turbin (Mao et al, 2015).
2.6 Computational Fluid Dynamics (CFD)
Salah satu perangkat lunak yang dapat membuat prototipe virtual dari suatu sistem atau alat, dan menganalisis sistem atau alat dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan adalah dengan menggunakan CFD. Perangkat lunak CFD akan menyediakan data, gambar atau kurva untuk menunjukkan prediksi kinerja keandalan sistem yang dirancang. Hasil analisis CFD dapat memberikan prediksi kualitatif dan kuantitatif untuk berbagai masalah pada dinamika fluida (Hakam, 2015).
Ilmuwan dan insinyur menggunakan CFD untuk melakukan eksperimen numerik di laboratorium virtual. Dalam fiturFlow, CFD dapat menampilkan pola aliran yang lebih detail dan akurat akan sulit dan mahal, atau bahkan tidak mungkin menggunakan teknologi untuk melakukannya percobaan. Toleransi kesalahan dalam penskalaan dapat dikurangi dengan adanya CFD. Di berbagai bidang penelitian, terapkan jika memungkinkan, lakukan CFD sebagai perbandingan dengan eksperimen sangat sulit untuk diuji dan unggul dalam pengujian atau bahkan tidak mungkin (Alamsyah, 2016).
2.7 Perhitungan pada Turbin
Berikut perhitungan yang diperlukan pada turbin sebagai berikut.
2.7.1 Energi Air
Aliran air yang mengalir memiliki energi yang dapat digunakan untuk memutar rotor turbin. Energi ini merupakan energi mekanik yang diperoleh dengan menambahkan energi kinetik dan energi potensial yang terdapat pada aliran air.
a) Energi Potensial :
Sebagai energi yang dapat mempengaruhi sebuah benda karena tempat atau posisi (ketinggian) benda cenderung menuju arah tak terhingga dengan arah dari gaya yang dihasilkan dari energi potensial. Energi potensial dirumuskan sebagai berikut.
(2.1)
b) Energi Kinetik :
Energi yang berkaitan dengan adanya pergerakan bisa disebut juga energi gerak. Energi kinetik pada suatu benda sebagai usaha yang diperlukan untuk menggerakan benda dengan massa tertentu, dari benda tersebut dalam keadaan diam sampai bergerak dengan kecepatan tertentu. Energi kinetik dirumuskan sebagai berikut.
(2.2)
c) Energi Mekanik :
Energi mekanik adalah suatu energi datang ketika suatu alat menangkap energi kinetik dan energi potensial pada aliran fluida. Energi mekanik dirumuskan sebagai berikut.
(2.3)
2.7.2 Viskositas
Viskositas dipengaruhi oleh gesekan molekuler antara partikel-partikel fluida. Gesekan ini berhubungan dengan fluks momentum karena gradien kecepatan. Untuk fluida inkompresibel viskositas bergantung pada temperatur.
Viskositas dinyatakan dalam dua bentuk yaitu:
a)
Perbandingan tegangan geser dengan laju perubahannya, besarnya viskositas air bervariasi dan dipengaruhi oleh temperatur. Pada kondisi standar (temperatur air 20°C) besar viskositas dinamik adalah Ns/m2.
b) Viskositas Kinematik ( )
Perb ) :
(2.4) Viskositas kinematik muncul dalam banyak terapan, misalnya dalam bilangan Reynold yang tanpa dimensi. temperatur standar air 20°C adalah 1 x 10-6 m2/s (Hardhyanto, 2016).
2.7.3 Densitas
Air merupakan fluida yang mempunyai viskositas dan densitas. Densitas ( ) diartikan sebagai massa persatuan volume. Densitas tergantung pada tekanan (P) dan temperatur (T) (Hardhyanto, 2016). Densitas dapat dinyatakan dalam tiga bentuk, yaitu:
a) Densitas Massa
Perbandingan jumlah massa dengan jumlah volume. Densitas massa dapat dirumuskan dalam bentuk persamaan:
(2.5)
b) Berat Spesifik
Didefinisikan sebagai densitas massa dikalikan dengan gravitasi dan dapat dirumuskan dengan
(2.6) Temperatur air murni 4°C untuk = 9,81 kN/m3.
c) Densitas Relatif (Specific Gravity)
Densitas relatif adalah perbandingan antara berat spesifik suatu zat dengan
berat spesifik air pada temperatur 4°C. Densitas relatif tidak memiliki satuan.
(2.7)
2.7.4 Bilangan Reynolds
Jenis aliran laminar atau turbulen dapat dinyatakan dengan bilangan Reynolds aliran inkompresibel. Jenis lapisan batas yang muncul pada aliran udara yang melewati objek juga sangat bergantung pada bilangan Reynolds (Re). Dapat dijelaskan bahwa gaya geser dan gaya inersia sangat penting dalam lapisan batas, dan bilangan Reynolds sendiri menggambarkan rasio gaya inersia terhadap gaya geser (Hardhyanto, 2016). Berikut rumus aliran eksternal.
(2.8) Sedangkan untuk rumus aliran internal sebagai berikut.
(2.9)
2.7.5 Prinsip Bernoulli
Prinsip Bernoulli menyatakan hubungan antara tekanan dan kecepatan fluida, ketika kecepatan meningkat maka tekanan berkurang dan sebagainya.
Dalam aliran inkompresibel, persamaan Bernoulli dapat digunakan untuk perubahan kecepatan dan tekanan di sepanjang streamline. Dengan mengabaikan perbedaan ketinggian, jadi persamaan Bernoulli sebagai berikut.
(2.10) Tekanan statis adalah tekanan yang dapat diukur berdasarkan alat ukur yang bergerak bersamaan dengan aliran dengan kecepatan yang sama. Jika tekanan statis P dalam suatu titik pada suatu aliran di mana kecepatannya adalah V, maka tekanan stagnasi Po, di mana kecepatan stagnasi Voadalah nol, maka :
(2.11) Di mana Vo = 0, maka :
atau (2.12) Persamaan (2.12) adalah kalimat matematika dari definisi tekanan stagnasi yang valid untuk aliran inkompresibel, tekanan stagnasi sendiri adalah tekanan yang dapat diukur bila alirannya diperlambat sampai dengan kecepatan sama dengan nol dengan proses tanpa gesekan.
Bentuk pada umumnya disebut dengan tekanan dinamis, tekanan dinamis adalah selisih dari tekanan stagnasi dan tekanan statis (Pritchard et al, 2011). Persamaan tekanan dinamis sebagai berikut.
(2.13) sehingga kecepatannya adalah
(2.14)
Dengan persamaan Bernoulli pada hubungan dalam aliran non viscous, terdapat keadaan antara tekanan dan kecepatan. Inkompresibel dapat diketahui dalam bentuk matematis sebagai berikut.
(2.15) Maka dengan tidak adanya gaya pada bodi pada aliran non viscous, persamaan tersebut menjadi :
(2.16) atau
(2.17)
(2.18) dan
(2.19)
(2.20)
Dengan mensubstitusi persamaan (2.18) dan (2.19) ke persamaan (2.20), maka didapat :
(2.21) atau
(2.22) Persamaan (2.22) adalah persamaan Euler, yang teraplikasikan ke keadaan aliran non viscous tanpa gaya pada bodi dan relatif terhadap perubahan kecepatan sepanjang streamline dV serta perubahan tekanan dp sepanjang streamline yang sama. Persamaan (2.22) mempunyai pengaruh yang cukup penting terhadap keadaan aliran inkompresibel, dalam kasus ini = konstan. Untuk keadaan aliran inkompresibel maka persamaan (2.22), menjadi:
atau (2.23)
lalu, menjadi
(2.24) Dengan persamaan (2.24) ini yang disebut persamaan Bernoulli, yang di mana P1 relatif terhadap V1di titik 1 dan P2relatif terhadap V2 di titik 2 pada sepanjangstreamline yang sama pada suatu aliran (Harahap dkk, 2003).
2.7.6 Pusaran ( )
Pusaran ( ) merupakan aliran fluida yang berputar sehingga membentuk pusaran terhadap titik pusat sumbu imajiner, aliran ini disebabkan oleh adanya perbedaan kecepatan pada lapisan fluida yang saling berdekatan.
Terjadinya pusaran akan mengganggu pola aliran laminer sehingga akan muncul aliran turbulensi. Turbulensi terjadi akibat adanya gesekan, maka dari itu perlu dilakukan perhitungan nilai dari faktor gesekan (Arif M. S. dkk, 2017).
(2.25)
2.8 Penelitian Terdahulu
Pada tabel ini dijelaskan hasil rangkuman penelitian terdahulu yang berhubungan dengan penelitian yang dilakukan sebagai berikut.
Tabel 2.1 Penelitian Terdahulu No Nama dan
Tahun Publikasi
Hasil 1 (Wenehenubun
dkk, 2015)
Metode : Simulasi pengaruh penambahan jumlah sudu terhadap distribusi tekanan pada turbin Savonius.
Hasil : Pada kecepatan aliran 1, 5 dan 10 m/s. 2 sudu dan 4 sudu menghasilkan tekanan lebih besar daripada 3 sudu.
2. (Ridwan dkk, 2018)
Metode : Simulasi pengaruh variasi 2, 3 dan fin turbin Savonius terhadap distribusi tekanan dan kecepatan.
Hasil : Distribusi tekanan dan kecepatan maksimal yang dihasilkan terjadi pada 3 sudu dibanding 2 sudu
3 (Ridwan dkk, 2019)
Metode : Simulasi pengaruh variasi jumlah sudu 2, 3, dan 4 turbin Savonius terhadap distribusi tekanan dan kecepatan.
Hasil : Distribusi tekanan yang terjadi pada masing- masing sudu adalah 4,3 m/s, 4,5 m/s, 4,8 m/s. Sedangkan kecepatan yang terjadi pada masing-masing sudu adalah 33,21 Pa, 28,02 Pa, dan 21,32 Pa.
