Uji Performansi Pengaruh Variasi Head Vortex Terhadap Prestasi Turbin Vortex

UJI PERFORMANSI PENGARUH VARIASI HEAD VORTEX

TERHADAP PRESTASI TURBIN VORTEX

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DEDY ARMAN GIRSANG

NIM. 110421041

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 4.1 Debit ... 47

Tabel 4.2 Hasil pengujian putaran tanpa pembebanan lubang ... 48

Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi berbeban lubang 4 berdasarkan head ... 49

Tabel 4.4 Hasil pengujian putaran berbeban lubang 4 berdasarkan head ... 49

Tabel 4.5 Hasil tegangan berbeban dan arus berbeban lubang 4 berdasarkan head ... 50

Tabel 4.6 Hasil perhitungan daya dinamo berbeban lubang 4 ... 51

Tabel 4.7 Daya hidrolik air pada lubang 4 ... 52

Tabel 4.8 Hasil perhitungan daya turbin berbeban pada lubang 4 ... 53

10 DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Aliran Vorteks ... 6

Gambar 2.2 Klasifikasi Vorteks ... 7

Gambar 2.3 Teh Cangkir ... 8

Gambar 2.4 Rotational ... 8

Gambar 2.5 Vortex Bebas ... 9

Gambar 2.6 Notasi Sirkulasi ... 13

Gambar 2.7 Klasifikasi Turbin Air ... 19

Gambar 2.8 Turbin Francis ... 20

Gambar 2.9 Turbin Kaplan ... 21

Gambar 2.10 Turbin Pelton ... 22

Gambar 2.11 Turbin Turgo ... 23

Gambar 2.12 Turbin Cross Flow atau Banki ... 23

Gambar 2.13 Turbin Vorteks ... 24

Gambar 2.14 Bentuk Permukaan Pusaran Air ... 27

Gambar 2.15 Efisiensi Hidrolik Turbin Vorteks ... 28

Gambar 3.1 Rumah Turbin ... 32

Gambar 3.2 Poros Turbin ... 33

Gambar 3.3 Bak Penampungan ... 33

Gambar 3.5 Bantalan (bearing)... 34

Gambar 3.6 Dudukan Turbin ... 35

Gambar 3.7 Saluran Buang ... 35

Gambar 3.8 Assemblied Instalation ... 36

Gambar 3.9 Pulley ... 37

Gambar 3.10 Hand Tachometer ... 37

Gambar 3.11 Timbangan Pegas ... 38

Gambar 3.12 Pompa Pengumpan ... 39

Gambar 3.13 Multimeter ... 39

Gambar 3.14 Rangkaian Lampu ... 40

Gambar 3.15 Generator ... 40

Gambar 3.16 Water Pass ... 40

Gambar 3.17 Sabuk (belt) ... 41

Gambar 3.18 Clam Meter ... 41

Gambar 3.19 Gelas Ukur ... 42

Gambar 4.1 Grafik Putaran Tanpa Beban vs Head Lubang 4 ... 48

Gambar 4.2 Grafik Torsi vs Putaran Berbeban Pada Lubang 4 ... 50

Gambar 4.3 Grafik Daya Listrik vs Ketinggian Air (Head) ... 51

Gambar 4.4 Grafik Daya Turbin Berdasarkan Ketinggian air ... 53

12 DAFTAR ISI

ASBSTRAK ... i

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR TABEL ... vii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan Penelitian ... 3

1.3. Manfaat Penelitian ... 3

1.4. Batasan Masalah ... 3

1.5. Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1. Vorteks ... 6

2.2. Klasifikasi Vorteks ... 7

2.2.1. Vorteks Paksa / Vorteks Berotasi ... 7

2.2.2. Vorteks Bebas / Vorteks Tak Berotasi ... 9

2.3. Turbin Air ... 17

2.3.1. Klasifikasi Turbin Air ... 18

2.3.3. Turbin Impuls (Impulse Turbine) ... 21

2.4. Turbin Vorteks ... 24

2.4.1. Perhitungan Perancangan Teoritis Turbin Vorteks ... 25

2.4.2. Prinsip Kerja Turbin Vorteks ... 26

2.4.3. Aplikasi Turbin Vorteks ... 28

BAB III METODE PENELITIAN ... 32

3.1. Umum ... 30

3.2. Pengujian Turbin Vortex ... 31

3.3. Instalasi Turbin Vortex ... 32

3.4. Peralatan Pengujian ... 36

3.4.1. Pulley ... 36

3.4.2. Hand tachometer ... 37

3.4.3. Timbangan Pegas ... 38

3.4.4 Pompa Pengumpan ... 38

3.4.5. Multimeter ... 39

3.4.6. Instalasi Rangkaian Lampu ... 39

3.4.7. Generator ... 40

3.4.8. Water Pass ... 40

3.4.9. Sabuk (belt) ... 41

3.4.10. Clamp Meter ... 41

3.4.11. Gelas Ukur ... 42

14

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN ... 47

4.1.Hasil pengujian lubang buang 4 (10,5cm) ... 44

4.1.1. Pengujian Debit ... 47

4.1.2. Pengujian RPM Maksimum ... 47

4.1.3. Pengujian torsi putaran berbeban ... 48

4.2.Hasil pengujian menggunakan alternator ... 50

4.2.1. Lubang buang 4 ... 50

4.3 Analisa Perhitugan Daya-Efisiensi ... 52

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 55

5.1. Kesimpulan ... 55

5.2. Saran ... 57 DAFTAR PUSTAKA

ABSTRAK

Turbin vortex adalah turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai

penggerak sudu turbin dengan head yang rendah dan bisa digunakan pada aliran

sungai. Pada penelitian ini digunakan 4 dimensi sudu yang berbeda dengan bentuk casing lingkaran dan memiliki 5 variasi saluran buang. Penelitian ini dilakukan

dengan memanfaatkan pompa sebagai sirkulator air dan menggunakan talang

sebagai saluran masuk rumah turbin. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudu dengan ukuran ke-1 memiliki efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan ukuran

sudu yang lainnya dengan diameter saluran buang 7cm.

16

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan karunia-Nya penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “

UJI

PERFORMANSI PENGARUH VARIASI HEAD VORTEX

TERHADAP PRESTASI TURBIN VORTEX

”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan stara-1 (S1) pada Departement Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Oleh karena itu dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departement Teknik Mesin Universitas Sumatra Utara.

3. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departement Teknik Mesin yang telah berjasa membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

4. Orang tua penulis M.R. br Sirait yang telah memberikan semangat kepada penulis.

5. Saudara kandung penulis Maris Stella Girsang, Dian Ariyanto Girsang, Eva Nita Girsang yang selalu memberikan dukungan.

6. Rekan satu skripsi penulis.

7. Rekan-rekan mahasiswa stambuk 2011, yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

Penulis menyadari bahwa mungkin ada beberapa kesalahan dan kekeliruan dan dengan senang hati menerima kritikan dan saran yang membangun untuk memperbaiki skripsi ini untuk kepentingan ilmu pengetahuan. Semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca dan akhir kata Penulis mengucapkan banyak terima kasih.

Medan, Oktober 2014

Dedy Arman Girsang

15

ABSTRAK

Turbin vortex adalah turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai

penggerak sudu turbin dengan head yang rendah dan bisa digunakan pada aliran

sungai. Pada penelitian ini digunakan 4 dimensi sudu yang berbeda dengan bentuk casing lingkaran dan memiliki 5 variasi saluran buang. Penelitian ini dilakukan

dengan memanfaatkan pompa sebagai sirkulator air dan menggunakan talang

sebagai saluran masuk rumah turbin. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudu dengan ukuran ke-1 memiliki efisiensi lebih tinggi dibandingkan dengan ukuran

sudu yang lainnya dengan diameter saluran buang 7cm.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Dalam kemajuan teknologi sekarang ini banyak dibuat peralatan- peralatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh dalam bidang teknik mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik. Listrik, sebuah kata yang hampir tidak bisa dihilangkan dalam kehidupan masyarakat saat ini. Hampir semua aktivitas manusia zaman sekarang membutuhkan listrik. Hal ini terbukti dengan banyaknya komplain kepada pihak PLN jika terjadinya pemadaman listrik. Namun hal ini terlihat ironis dengan kenyataan bahwa ternyata di zaman listrik saat ini masih banyak masyarakat yang belum menikmati listrik, terutama mereka yang bertempat tinggal di daerah pedesaan. Kalaupun bisa memperoleh listrik maka harus membayar dengan harga yang mahal. Kenyataan yang ada saat ini masyarakat pedesaan lebih memilih menggunakan genset ( generator set ) untuk memenuhi kebutuhan mereka akan listrik. Padahal sebenarnya disekitar maka ada sumber daya alam yang potensial untuk dijadikan sebagai sumber pembangkit listrik yaitu air.

Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam memanfaatkan sumber energi terbarukan. Namun pemanfaatan yang ada masih menggunakan teknologi yang sedehana. Pembangkit Listrik jenis

19 ini dalam proses pembuatannya sangat ekonomis namun masih dalam skala kecil. Artinya pembangkit-pembangkit ini hanya mampu mencukupi pemakaian energi listrik untuk sejumlah rumah saja. Jenis Pembangkit Listrik Tenaga Air ini sering disebut Microhydro atau sering juga disebut

Picohydro tergantung keluaran daya listrik yang dihasilkan.

Microhydro ataupun Picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun dengan head jatuh yang besar. Sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh yang kecil belum termanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vortex.

Seorang Peneliti dari Jerman Viktor Schauberger mengembangkan teknologi aliran vortex (pusaran) untuk diterapkan pada pemodelan turbin air. Aliran vortex yang juga dikenal sebagai aliran pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak. Fenomena aliran vortex sering kali dijumpai pada pemodelan sayap pesawat, aliran vortex cenderung dianggap sebagai suatu kerugian dalam suatu aliran fluida. Dalam penelitiannya Viktor Schauberger, memanfaatkan aliran irigasi yang kemudian diubah menjadi aliran vortex (pusaran), yang kemudian dimanfaatkan untuk menggerakkan sudu turbin. Dari penelitian ini didapatkan efisiensi sebesar 75 % dengan tinggi air jatuh 0,6 m. Namun pada penelitiannya Viktor Schauberger tidak menjelaskan pengaruh luas sudu turbin. Bertolak dari kondisi tersebut di atas maka penyusun melakukan penelitian untuk melihat pengaruh luas sudu turbin terhadap performansi turbin.

1.2 TUJUAN PENELITIAN

Tujuan dari pelaksanaan dan penulisan laporan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui pengaruh luas saluran buang, luas sudu dan ketinggian head terhadap:

1. Torsi dan putaran poros maksimum yang dihasilkan turbin.

2. Daya optimal turbin yang dihasilkan.

3. Daya listrik optimal yang dihasilkan oleh alternator

4. Efisiensi turbin.

1.3. MANFAAT PENELITIAN

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah mengidentifikasi karakteristik aliran vortex di dalam vortex basin dan potensi pemanfaatannya pada aliran sungai untuk menghasilkan daya listrik.

1.4. BATASAN MASALAH

Dalam penulisan laporan tugas akhir ini ada beberapa batasan masalah yang diberikan agar penelitian ini lebih terarah, yaitu:

1. Pengamatan kinerja turbin dianalisa terhadap aliran vortex.

21 3. Ketinggian Head di basin yang digunakan ada 5 jenis.

1.5. SISTEMATIKA PENULISAN

Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian, yaitu:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini menjelaskan pendahuluan tentang studi kasus dan pemecahan masalah yang berisi antara lain : latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi tentang dasar teori dari topik yang dikaji dan digunakan sebagai landasan dalam memecahkan masalah dan menganalisis permasalahan tersebut meliputi penjelasan mengenai Fluida, Hukum Bernoulli, Aliran vortex, Turbin air, Klasifikasi Turbin air dan performansi dan efisiensi.

BAB III : METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi tentang beberapa tahapan persiapan sebelum pengujian, prosedur pengujian, dan diagram alir pengujian.

BAB IV : PENGOLAHAN DATA DAN ANALISA DATA

Bab ini berisi tentang pembahasan dari data-data yang diperoleh yakni pengujian torsi dan putaran turbin, putaran maksimum turbin, daya turbin, daya listrik alternator serta efisiensi turbin.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang kesimpulan dari pengamatan hasil pengujian dan saran penyempurnaan untuk penelitian berikutnya.

23 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Vorteks

Dalam Dinamika Fluida, Vorteks adalah sebuah daerah di dalam fluida dimana aliran sebagian besar bergerak memutar pada terhadap sumbu yang imajiner. Pola gerakan disebut Aliran Vorteks. Vorteks terbentuk oleh fluida termasuk cairan, gas, dan plasma. Beberapa contoh umum adalah lingkaran asap, pusaran air yang sering timbul pada gerakan perahu, angin pada badai dan tornado, atau sayap pesawat terbang.

Vorteks adalah sebuah komponen utama dalam aliran Turbulen.8 Dengan tidak adanya gaya luar, gesekan viskos dalam cairan cenderung membuat aliran menjadi kumpulan yang disebut vortisitas irrotasional. Dalam pusaran tersebut, kecepatan fluida yang terbesar berada di samping sumbu imajiner, dan penurunan kecepatan berbanding terbalik terhadap jarak dari sumbu imajner. Pusaran sangat tinggi di wilayah inti sekitar sumbu, dan hampir nol di ujung pusaran; sementara tekanan turun tajam saat mendekati wilayah itu. Setelah terbentuk, vorteks dapat berpindah, meregang, berputar, dan berinteraksi secara kompleks. Sebuah Vorteks bergerak membawa serta momentum sudut dan linier, energi, dan massa di dalamnya. Dalam pusaran stasioner, maka streamlines dan pathlines tertutup. Dalam pusaran bergerak atau berkembang, streamline dan pathlines biasanya bergerak spiral.

2.2 Klasifikasi Vorteks

Gbr 2.2 Klasifikasi Vorteks berdasarkan kekuatannya

sumber : Prof. B. S. Thandaveswara, Indian Institue of Technology Madras

Secara umum, fenomena vorteks terbagi atas dua bahagian yaitu :

1. Vorteks Paksa / Vorteks Berotasi

Adalah vorteks yang terbentuk karena adanya gaya luar yang berpengaruh pada fluida.

2. Vorteks Bebas / Vorteks Tak Berotasi

Adalah vorteks yang terbentuk karena fenomena natural, tidak terpengaruh oleh gaya dari luar sistem fluida, pada aliran inkompresibel, umumnya terjadi karena adanya lubang keluar.

Berikut penjelasannya.

2.2.1 Vorteks Paksa / Vorteks Berotasi

Vorteks Paksa dikenal juga sebagai vorteks flywheel2. Jika fluida berputar seperti benda kaku - yaitu, jika naik secara proporsional terhadap r - bola kecil yang dibawa oleh arus juga akan berputar pada pusatnya seolah-olah itu adalah bagian dari benda kaku. Dalam hal ini, vektor omega adalah sama di mana-mana. Arahnya sejajar dengan sumbu putar, dan besarnya adalah dua kali kecepatan sudut untuk seluruh fluida.

25 Gambar 2.3 Teh Cangkir yang di aduk adalah sebuah Aplikasi Vorteks paksa.

Sumber : Khurmi, R.S., 1987

Gambar 2.4 Rotational (rigid-body) vorteks

Sumber : M. Bruce, 2006; Wikipedia.org Rumus kecepatan tangentialpada vorteks berotasi :

…(2.1) Dimana:

Ut = Kecepatan Tangensial aliran vortex, biasa disebut juga dengan Kecepatan pusar (Swirl Velocity)

ω = Kecepatan sudut aliran vortex paksa, pada vortex paksa kondisinya konstan

dimanapun sepanjang aliran.

2.2.2 Vorteks Bebas / Vorteks Tak Berotasi

Ketika massa fluida bergerak secara alami (karena pengaruh gaya-gaya internal) dalam sebuah kurva aliran, gerakan vorteks bebas akan muncul, dalam kasus ini tidak ada torsi ataupun gaya eksternal yang mempengaruhi fluida. Vorteks bebas dikenal juga sebagai potential vorteks. Jika kecepatan tangensial partikel Ut berbanding terbalik dengan jarak r, maka percobaan bola khayalan tidak akan berputar terhadap dirinya sendiri; ini akan mempertahankan arah yang sama sambil bergerak dalam lingkaran di sekitar garis vorteks dan aliran dikatakan tak berotasi. Contoh dari gerakan vorteks bebas adalah aliran air yang keluar dari lubang yang berada di dasar tangki, aliran di pipa yang melengkung, aliran di pinggiran rumah keong pompa, tepat setelah keluar dari impeller pompa sentrifugal, dan aliran angin siklon.2

Gambar 2.5 Vortex bebas

Sumber : M. Bruce, 2006; Wikipedia.org

Dalam analisa aliran vorteks pada bak vorteks ini, digunakan pendekatan analisa melalui pemodelan vorteks bebas ini, dengan asumsi aliran steady dan disederhanakan. Untuk jenis ini, kita dapat menggunakan metode potential vortex.8

Karena tidak adanya torsi eksternal yang terjadi pada sistem, maka:

..(2.2) (Sumber: Gupta, S.C. 2006)

27 Yang mana jika diintegralkan;

Dimana m = Constant. Maka:

(sifat dan syarat aliran vorteks bebas) ....(2.3) (Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Dimana C selanjutnya disebut sebagai konstanta, faktor penunjuk kekuatan Aliran vorteks yang terbentuk sepanjang radius r, maka kecepatan tangensial pada aliran ini bervariasi secara invers terhadap fungsi r.

Persamaan Gaya-gaya dalam arah radial

Maka,

....(2.4)

Karena asumsi tidak ada gerakan dalam arah vertikal, maka variasi tekanan akan dianggap tekanan hidrostatik, maka:

…(2.5) (Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Lalu distribusi tekanan pada sebuah aliran vorteks diberikan:

....(2.6)

(Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Jika kita substitusikan nilai persamaan (2.4) dan (2.5) ke dalam persamaan (2.6), maka

…(2.7)

Jika persamaan (2.7) diintegralkan;

29 Setelah disusun kembali menjadi:

...(2.8)

(Sumber: Gupta, S.C. 2006)

Yang merupakan persamaan bernoulli, yang berlaku dimanapun di dalam aliran tak berotasi.

Bunyi hukum Bernoulli:

Teorema Bernoulli menetapkan jumlah keseluruhan dari energy potensial (energy datum), energy tekanan dan energy kinetic dari sebuah aliran ideal fluida inkompresibel adalah tetap pada setiap titik dalam kondisi aliran tunak dan tak berotasi. Batasan hukum Bernoulli:

1. Fluida kerja adalah fluida ideal dan fluida nonviskos

2. Fluida kerja adalah fluida inkompresibel atau fluida tak mampu mampat

3. Aliran fluida dalam kondisi steady atau tak berubah terhadap waktu 4. Aliran fluida adalah aliran tak berotasi.

Dimana;

(Sumber : M. Bruce, 2006) P = Tekanan fluida alir

Z = Elevasi (datum), atau ketinggian air tertentu pada aliran. U= Kecepatan aliran fluida kerja

H = Zmax = Ketinggian aliran air maksimum (Head) g = Percepatan gravitasi

w = Berat jenis air (ρxg)

Dalam kasus aliran vorteks bebas, garis-garis arus aliran terpusat dan kecepatan bervariasi berdasarkan radius dan sesuai dengan persamaan yang menunjukkan energi total per satuan berat dari setiap fluida adalah tetap dari masing2 garis arusnya, atau dengan kata lain nilai Head energy fluida, (dH/dr)=0

a. Sirkulasi

Untuk dapat menghitung distribusi dari komponen tangensial dari suatu fungsi atau aliran berkecepatan yang dibatasi oleh sebuah alur atau fungsi kurva tertutup yang kita misalkan dengan S dalam sebuah medan aliran, dalam sebuah analisa dua dimensi, medan aliran dapat direpresentasikan sebagai garis arus.

Gambar 2.6 Notasi untuk menentukan sirkulasi pada kurva tertutup S (Sumber : M. Bruce, 2006)

Jadi, sirkulasi dapat didefinisikan sebagai:

(Sumber : M. Bruce, 2006)

Jika kita mengambil asumsi, kurva S pembatas berbentuk lingkaran, dan garis arus juga berbentuk lingkaran, maka kita dapat mensubstitusikan fungsi sirkulasi

sebatas keliling lingkaran, dengan batasan 2π s/d 0, dan ds = rdθ, gerakan aliran

membentuk pusaran, dan aliran bergerak dari satu medan aliran ke medan aliran lainnya, yaitu:

(Sumber : M. Bruce, 2006)

Untuk aliran vorteks bebas, , maka, jika nilai Ut disubstitusikan, maka:

31 Dan kesimpulannya :

(Sumber : Gupta, S.C.,2006) Dimana:

Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran

C = Konstanta aliran vortex bebas, yang menyatakan kekuatan vortex.

Untuk aliran tak berotasi, nilai sirkulasi pada setiap garis arus adalah sama, maka untuk vorteks bebas:

Diintegralkan:

Maka:

(Sumber : Gupta, S.C.,2006)

b. Menghitung Sirkulasi

Sirkulasi dihitung untuk dapat menghitung kekuatan aliran pada suatu aliran vortex.

Sirkulasi =

Jika kita susbstitusikan nilai Konstanta C dengan Ut yaitu sifat vorteks bebas maka,

Dimana nilainya tetap pada seluruh garis arus pada aliran vorteks bebas. Karena kondisi steady, maka berlaku hukum Bernoulli:

Jika kita misalkan, aliran pada permukaan yang bersentuhan dengan udara, p1=p2=patm=0(pressure gauge),

Jika pada kondisi Z1 adalah titik tertinggi permukaan air (nilai Head) dan Z2 berada pada titik terendah permukaan air (segaris dengan garis dasar bak, nilai Z2=0) maka dapat disimpulkan Z1 - Z2 = Head

Karena faktor gesekan, maka kecepatan tepat pada tepi bak dapat dianggap = 0, maka persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:

Karena nilai sirkulasi di setiap garis arus di seluas daerah aliran adalah sama, maka kita dapat mencari nilai sirkulasi dari substitusi hasil perbandingan persamaan di atas, dengan mensubstitusikan Ut dengan Ut2

(Sumber : M. Bruce, 2006) Dimana:

Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran

r = Radius kecepatan pada suatu titik diukur dari titik pusat vortex H = Head vortex, ketinggian maksimum vortex di dalam bak g = Percepatan gravitasi

c. Menghitung Kekuatan Vortex

Setelah mendapatkan nilai sirkulasi, maka kita dapat menghitung nilai dari Konstanta C atau yang disebut juga dengan kekuatan aliran vorteksnya.

(Sumber : M. Bruce, 2006) Dimana:

Γ = Sirkulasi sepeanjang aliran

C = Konstanta aliran vortex bebas, yang menyatakan kekuatan vortex.

Konstanta kekuatan vortex ini dihitung, agar kita dapat mengetahui kecepatan pada permukaan bebas serta distribusinya.

33 d. Menghitung Distribusi Kecepatan

Setelah mendapatkan nilai konstanta kekuatan vortex, maka dapat dikembalikan ke persamaan awal sifat vortex bebas, yaitu:

(Sumber : M. Bruce, 2006)

Dengan memasukkan interval nilai radius dari mulai tepi lubang buang sampai tepi dinding bak vortex.

e. Menghitung Tekanan dan Distribusi Tekanan pada Kondisi Tertentu

Setelah mendapatkan nilai konstanta C dan distribusi kecepatan, kita juga dapat

menghitung tekanan (gauge) dan distribusi tekanan sepanjang r pada Δz=0,

dengan meninjau kembali persamaan energi Bernoulli:

(Sumber : Gupta, S.C., 2006) ket:

P = Tekanan fluida alir pada sembarang titik (pressure gauge) Z = Elevasi, atau ketinggian air tertentu pada aliran vorteks

Ut = Kecepatan tangensial, kecepatan pusar, kecepatan swirl vorteks H = Zmax = Ketinggian aliran air maksimum pada bak vorteks

Dimana pada titik sembarang sulit mengetahui kecepatan tangensial langsung secara teoritistanpa menghitung tekanan terlebih dahulu, maka nilai Ut dapat disubstitusikan dengan nilai C, sehingga menjadi :

(Sumber : Gupta, S.C., 2006)

Sehingga dapat ditentukan tekanan pada sembarang titik pada aliran tertentu dengan basis perhitungan konstanta C, karena nilai C adalah konstan seluas bidang alir.

ket:

P = Tekanan fluida alir pada sembarang titik (pressure gauge) Z = Elevasi, atau ketinggian air tertentu pada aliran vorteks C = Konstanta kekuatan vortex

H = Zmax = Ketinggian aliran air maksimum pada bak vorteks

Setelah mendapat tekanan pada koordinat (r,Z) tertentu, maka dapat juga dicari kecepatan pada titik tersebut dengan persamaan:

(Sumber : Gupta, S.C., 2006)

f. Memprediksi ketinggian (Z) permukaan bebas (p=patm)

Setelah menghitung kecepatan tangensial fluida sepanjang vortex bebas, maka ketinggian permukaan bebas tersebut juga dapat dihitung dengan modifikasi ketetapan bernoullli menjadi:

(Sumber : Gupta, S.C., 2006) ket:

Z = Ketinggian permukaan bebas pada r tertentu r = jari-jari vortex tertentu

C = Konstanta kekuatan vortex H = Total head vortex

2.3 Turbin Air

Turbin air dikembangkan pada abad 19 dan digunakan secara luas untuk industry pembangkit listrik. Sekarang lebih umum dipakai untuk generator listrik. Turbin kini dimanfaatkan secara luas dan merupakan sumber energi yang dapat diperbaharukan. Kincir air sudah sejak lama digunakan untuk industri tenaga listrik. Pada mulanya yang dipertimbangkan adalah ukuran kincirnya, yang membatasi debit dan head yang dapat dimanfaatkan. Perkembangan kincir air

35 menjadi turbin modern membutuhkan jangka waktu yang cukup lama. Perkembangan yang dilakukan dalam waktu revolusi industry menggunakan metode dan prinsip ilmiah. Mereka juga mengembangkan teknologi material dan metode produksi baru pada saat itu.

Kata "turbine" ditemukan oleh seorang insinyur Perancis yang bernama

Claude Bourdin pada awal abad 19, yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata "whirling"(pusaran) atau "vorteks" (pusaran air). Perbedaan dasar antara turbin air awal dengan kincir air adalah komponen putaran air yang memberikan energi pada poros yang berputar. Komponen tambahan ini memungkinkan turbin dapat memberikan daya yang lebih besar dengan komponen yang lebih kecil. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. (Untuk selanjutnya dikembangkan turbin impulse yang tidak membutuhkan putaran air).

Turbin – turbin hidrolik berfungsi mengubah energi air menjadi energi kinetik, kemudian energi kinetik akan diubah menjadi energi listrik oleh generator. Hal ini menyebabkan setiap pembahasan tentang turbin hidrolik akan mengikutsertakan generator sebagai pembangkit listrik. Air mengalir melalui turbin akan memberikan tenaga pada penggerak (runner) turbin dan membuat

runner itu berputar. Poros dari penggerak turbin berhubungan dengan poros generator sehingga energi kinetik turbin menjadi input bagi generator dan diubah menjadi energi listrik. Jadi turbin – turbin hidrolik menempati kunci dalam bidang teknik hidrolik dan memberikan kontribusi yang besar dari seluruh biaya proyek, terutama untuk PLTA skalabesar.

2.3.1 Klasifikasi Turbin Air

Turbin hidrolik adalah suatu alat yang dapat menghasilkan torsi sebagai akibat gaya dinamik dan gaya tekan air, turbin hidrolik ini dapat dikelompokkan menjadi dua tipe, yaitu :

1. Turbin Reaksi (reaction turbine) adalah turbin yang mengkombinasikan energypotensial tekan dan energi kinetik untuk menghasilkan energi gerak.

2. Turbin Impuls (impuls turbine) adalah turbin yang memanfaatkan energikinetik dari pancaran air yang berkecepatan tinggi untuk diubah menjadienergi gerak.

Diagram klasifikasi turbin air dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 2.7 Klasifikasi Turbin air Sumber : www.wikipedia.or.id

2.3.2 Turbin Reaksi (Reaction Turbine)

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Proses ekspansi fluida kerja pada turbin reaksi terjadi pada sudu tetap dan sudu geraknya. Air mengalir memasuki roda turbin melalui sudu – sudu pengarah dengan tekanan yang tinggi. Pada saat air yang bertekanan tersebut mengalir kesekeliling sudu - sudu, runner turbin akan berputar penuh. Energi yang

37 tersebut telah diubah menjadi energi mekanis oleh roda turbin. Dilihat dari konstruksinya, turbin reaksi ada dua jenis:

1) Turbin Francis.

Turbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan air bertekanan rendah di bagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pada turbin francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat.

Gambar 2.8 Turbin Francis Sumber : Rajput Rames, 2000

2) Turbin Kaplan.

Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya menggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang mirip dengan baling-baling pesawat terbang. Bila baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya untuk menyesuaikan kondisi beban turbin. Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrk tenaga air sungai, karena turbin

ini mempunyai kelebihan dapat menyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin Kaplan dapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebih kecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi pada beban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal inidikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan dengan beban yang ada.

Gambar 2.9 Turbin Kaplan Sumber : Rajput Rames, 2000

2.3.3 Turbin Impuls (Impulse Turbine)

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozzle atau sistem serupa nozzle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.Adapun jenis – jenis turbin impuls adalah sebagai berikut :

39 1) Turbin Pelton.

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nosel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.

Gambar 2.10 Turbin Pelton Sumber : Rajput Rames, 2000

Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nosel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan ember sudu lebih kecil. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.

2) Turbin Turgo.

Turbin Turgo dapat beroperasi pada head 30 s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin Pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin

ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan.

Gambar 2.11 Turbin Turgo Sumber : Rajput Rames, 2000

3) Turbin Ossberger Atau Turbin Crossflow (Turbin Michell-Banki).

Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi, sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atau efisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakai secara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbin crossflow atau turbin impuls aliran ossberger.Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 litres/sec hingga 10 m3/sec dan head antara 1 s/d 200 m. Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk silinder, kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melalui sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air keluar silinder. Energi yang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap pertama.

Gambar 2.12 Turbin Cross Flow atau Banki Sumber : Rajput Rames, 2000

41 4) Turbin Vorteks

Turbin ini dinamakan sebagai Gravitation Water Vorteks Power Plant (GWVPP) oleh penemunya Frans Zotleterer berkebangsaan Austria, tetapi nama turbin ini dikenal juga sebagai turbin Vorteks atau turbin pusaran air. Sesuai dengan namanya pusaran air, air ini memanfaatkan pusaran air buatan untuk memutar sudu turbin dan kemudian energi pusaran air diubah menjadi energi putaran pada poros. Prosesnya air dari sungai dialirkan melalui saluran masuk ke tanki turbin yang berbentuk lingkaran dan di bagian tengah dasar tanki terdapat saluran buang berupa lingkaran kecil. Akibat saluran buang ini maka air mengalir akan membentuk aliran pusaran air. Ketinggian air (head) yang diperlukan untuk turbin ini 0,7 – 2 m dan debit berkisar 1000 liter per detik. Turbin ini sederhana, mudah dalam perawatannya, kecil, kuat, dan bertahan hingga 50 – 100 tahun.

Gambat 2.13 Tubin Vorteks Sumber : Rajput Rames, 2000

2.4 Turbin Vorteks

Aliran sungai dengan head yang kecil belum termanfaatkan dengan optimal. Hal ini menjadi referensi untuk memanfaatkan aliran sungai dengan mengubahnya menjadi aliran vorteks.Seorang Peneliti dari Jerman Viktor Schauberger mengembangkan teknologi aliran vorteks (pusaran) untuk diterapkan pada pemodelan turbin air dengan memanfaatkan aliran irigasi yang kemudian diubah menjadi aliran vorteks (pusaran), yang kemudian dimanfaatkan

untuk menggerakkan sudu turbin. Aliran vorteks yang juga dikenal sebagai aliran

pulsating atau pusaran dapat terjadi pada suatu fluida yang mengalir dalam suatu saluran yang mengalami perubahan mendadak.

Fenomena aliran vorteks sering kali dijumpai pada pemodelan sayap pesawat, aliran vorteks cenderung dianggap sebagai suatu kerugian dalam suatu aliran fluida. Kemudian teknologi ini dikembangkan oleh Franz Zotloeterer berkebangsaan Austria.Ia memulai penelitian ini pada tahun 2004 dan memulai pemasangan turbin pertamanya di Obergrafendorf, Austria pada tahun 2005, kemudian sampai dengan tahun 2013 turbin ini sudah dibangun di beberapa negara seperti Jerman, Republik Ceko, Hungaria, Cili, Thailand, Irlandia, Indonesia, Jepang, Francis, Italy, dan Swiss.

2.4.1 Perhitungan Perancangan Teoritis Turbin Vorteks

Ada beberapa perhitungan yang penting dalam perancangan turbin vortex, yaitu:

1.Perhitungan Daya Maksimum Teoritis Turbin Vortex

Diambil dari potensial energi air per satuan waktu, dimana:

(Sumber : M. Bruce, 2006) Ket:

P = Daya maksimum teoritis fluida kerja

ρ = Massa jenis air

g = Percepatan gravitasi Q = Debit fluida mengalir

Hv = Ketinggian aliran vortex maksimum di bak/basin.

2.Perhitungan Daya Poros Teoritis Turbin Vortex

Diambil dari Energi Kinetik aliran vortex per satuan waktu, yaitu:

(Sumber : M. Bruce, 2006) Ket:

43

= Laju aliran massa fluida kerja

U =Kecepatan aliran fluida kerja, dalam hal ini adalah kecepatan tangensial fluida memasuki runner

3.Tinjauan Momentum Sudut

Diambil untuk menghitung torsi dan daya efektif yang tersalur ke poros turbin melalui analisa segitiga kecepatan.

Tshaft =

(Sumber : M. Bruce, 2006) =

(Sumber : M. Bruce, 2006) Ket:

Tshaft = Momen torsi yang bekerja pada poros

Wshaft/time = kerja yang terjadi pada poros per satuan waktu= daya teoritis poros = laju aliran massa fluida kerja

r = jari-jari runner (luar dan dalam)

V = Kecepatan fluida kerja masuk sudu (kec. tangensial masuk sudu) U = Kecepatan Sudu/impeler (dapat direncanakan)

1&2 = keterangan kondisi masuk dan keluar kondisi batas

2.4.2 Prinsip Kerja Turbin Vorteks

Sistem PLTA pusaran air adalah sebuah teknologi baru yang memanfaatkan energi yang terkandung dalam pusaran air yang besar yang dibuat dengan menciptakan melalui perbedaan head rendah di sungai.

Cara kerjanya:

1. Air Sungai dari tepi sungai disalurkan dan diarahkan ke tangki sirkulasi. Tangki sirkulasi ini memiliki suatu lubang lingkaran pada dasarnya.

2. Tekanan rendah pada lubang dasar tangki dan kecepatan air pada titik masuk tangki sirkulasi mempengaruhi kekuatan aliran vorteks.

3. Energi potensial seluruhnya diubah menjadi energy kinetic rotasi di inti vortex

1 Berikut adalah penemuan fundamental dari penilitian dari Institute of Technology, Sligo in Civil Engineering:

1. Bentuk permukan Pusaran Air dapat digambar secara matematik dan diprediksi secara akurat. Gambar 2.17

2. Efisiensi daya Pusaran air yang maksimal dapat terjadi dalam jangkauan rasio antara diamater lubang dan diameter tanki adalah sekitar 14% - 18% masing-masing untuk tempat head rendah dan tinggi.

3. Tinggi pusaran bervariasi secara linier sesuai dengan debit.

4. Energi keluar maksimum secera teoritis idealnya = ρgQHv

( Hv = Height of Vorteks)

5. Efesiensi Hidrolik maksimum meningkat saat kecepatan impeler setengah dari kecepatan fluida. (lihat Grafik 2.18)

Gamba r 2.14 Bentuk permukaan Pusaran Air secara matematik

Grafik 2.15 Efesiensi Hidrolik Turbin vorteks

2.4.3 Aplikasi Turbin Vorteks

Teknologi Turbin vorteks ini sudah dikembangkan oleh Franz Zotloeterer berkebangsaan Austriasejak tahun 2004 dan memulai pemasangan turbin pertamanya di Obergrafendorf, Austria pada tahun 2005, kemudian sampai dengan tahun 2013 turbin ini sudah dibangun di beberapa negara seperti Jerman, Republik Ceko, Hungaria, Cili,

Thailand,Irlandia, Indonesia, Jepang, Francis, Italy, dan Swiss.

1.Tahun 2005 Pemasangan pertama di dunia Gravitation Water Vorteks Power Plant di Obergrafendorf diAustria.

Tinggi head : 1,5m Debit : 0,9m³/s

Energi Listrik : 6,1kW (max. 7,5kW) Kapasitas kerja pertahunnya : 44.000kWh

3 Vorteks Power Plant di Kärnten, Austria.

Tinggi head: 0,9m Debit : 2x 0,7m³/s

Turbin Energi Listrik : 2x 3,5kW

Kapasitas kerja pertahunnya: 25.000kWh

3. Pada Pebruari 2012 pemasangan Double- Gravitation Water Vorteks Power Plant di Winterberg, Jerman.

Tinggi head: 2x 1,4m Debit : 0,5m³/s

Energi Listrik : 2x 4,0kW

Kapasitas kerja pertahunnya : 30.000kWh

4. Pada Agustus 2012 pemasangan Gravitation Water Vorteks Power Plant di Nantes, Prancis.

Tinggi head : 1m Debit : 0,3m³/s

Energi Listrik : 1,7kW

Kapasitas kerja pertahunnya : 8.500kWh

5. Tahun 2013 pemasangan Gravitation Water Vorteks Power Plant di Kotting/Obergrafendorf,

Tinggi head: 1,3m Debit : 2x 2,2m³/s

Energi Listrik : 2x 17kW

BAB III

METODE PENELITIAN 3.1 UMUM

Turbin pusaran air (vortex) merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai media perantara energi terhadap sumbu vertikal sehingga terjadi perbedaan tekanan antara bagian sumbu dan sekelilingnya. Turbin pusaran air (vortex) ini dioperasikan pada daerah yang memiliki head yang rendah dan memanfaatkan pusaran gravitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian sumbu.

Turbin pusaran air (vortex) merupakan salah satu turbin yang sangat spesial, karena dapat beroperasi pada daerah yang memiliki head yang sangat rendah. Turbin pusaran air (vortex) bekerja pada head rendah . Sebagai simulasi atau pengkondisian dari air mengalir yang berada di alam. Dalam uji eksperimental turbin vortex ini, dibuat turbin vortex, adapun beberapa pekerjaan yang dilakukan adalah:

 Pembuatan sudu dari besi plat

 Pembuatan poros

 Pembuatan rumah turbin (casing)dari bahan kaca akrilik (acrylic)

 Pembuatan bak penampungan air (reservoir)

 Pembuatan saluran air dari bak penampungan (talang)

 Pembuatan saluran buang (output)

Dan ditambah beberapa instalasi turbin vortex.Adapun penambahan instalasi yang dilakukan adalah:

5

 Instalasi saluaran air masuk (talang) dengan bak penampungan air reserfoir.

 Instalasi dudukan bak penampungan

 Instalasi dudukan pengujian turbin vortex

 Instalasi saluran buangan air pada turbin vortex

Aliran air yang digunakan berasal dari bak penampungan di alirkan melalui saluran air (talang) kapasitas aliran (debit) air yang digunakan dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (gate valve) sesuai kebutuhan. Aliran air yang mengalir melalui talang memiliki energi kinetik sehingga akan membentuk pusaran yang akan menggerakkan sudu turbin vortex sebagai energi input.Air masuk akan mengitari rumah turbin dan memusar dan menggerakkan sudu.

3.2 PENGUJIAN TURBIN VORTEX

Turbin Vortex yang digunakan dalam uji eksperimental turbin vortex menggunakan jumlah runner sebanyak 4 buah dengan diameter (15,5 cm)

Lubang buang yang digunakan dalam pengujian berikut adalah dengan dameter 10,5 cm, yang disesuaikan dengan ketersediaan diameter pipa komersial yang tersedia di pasar.

Head / ketinggian air yang divariasikan pada pengujian kali ini ada 5, yaitu:

• H1 = 7 cm

• H3 = 21 cm

• H4 = 28 cm

• H5 = 35 cm

Seluruh variasi ketinggian head air di basin diukur dari dasar vortex basin.

3.3 INSTALASI TURBIN VORTEX

Diameter dalam turbin (casing) adalah 0.5 m, dengan tinggi rumah turbin (h) = 0,4m. Rancang bangun instalasi uji eksperimental turbi vortex terdapat pada lantai empat (rooftop) Teknik Mesin USU.

Adapun elemen yang meliputi perancangan turbin vortex adalah :

 Rumah turbin ( Vortex Basin )

Rumah turbin berbentuk lingkaran terbuat dari acrylic dengan diameter 0,5 meter dengan tinggi 0,4 meter.

7

 Poros turbin

Poros yang digunakan terbuat dari pipa besi

Gambar 3.2 Poros turbin

 Bak penampungan air (reservoir)

 Sudu turbin

Sudu turbin terbuat dari plat datar 2 mm yang dilengkungkan denga menggunakan roller.

Gambar 3.4 Sudu Turbin

 Bantalan (bearing)

bantalan yang digunakan adalah P204 dengan jumlah 2 buah .

9

 Dudukan turbin

Dudukan turbin terbuat dari besi siku yang sudah dilas.

Gambar 3.6 Dudukan turbin

 Saluran buang

Saluran buang terbuat dari baja dan diletakkan di bagian tengah dasar rumah turbin.,yaitu

Gambar 3.8 Assemblied Instalation untuk pengujian Turbin vortex

3.4 PERALATAN PENGUJIAN 3.4.1 Pulley

Pulley digunakan untuk mengukur besarnya momen puntir yang dihasilkan oleh putaran sudu melalui poros dengan cara dihubungkan ketimbangan pegas menggunakan

11 tali. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit1, debit2 dan debit 3, pulley yang digunakan memiliki spesifikasi diameter 18 cm.

Gambar 3.9 Pulley.

3.4.2 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros turbin vortex. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit1, debit2 dan debit 3, hand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:

Ketelitian (akurasi) : ± 0,05% + 1 digit

Range : autorange

Gambar 3.10 Hand Tachometer.

3.4.3 Timbangan Pegas

Timbangan Pegas digunakan untuk mengukur besarnya momen puntir (kilogram) yang dihasilkan melalui pulley pada poros dengan cara melingkarkan tali pada pulley

kemudian diikatkan ke timbangan pegas. Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit1, debit2 dan debit 3, timbangan pegas yang digunakan adalah dengan spesifikasi 5 kg

Gambar 3.11 Timbangan pegas

13 Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan bawah ke reserfoar . pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa sentrifugal 2 (dua) inchi dengan daya motor penggerak (P) 0,75 kW.

Gambar 3.12 Pompa pengumpan

3.4.5 Multimeter

Multimeter digunakan untuk mengukur tegangan (voltmeter).

Gambar 3.13 Multimeter

Pada instalasi ini mengunakan rangkaian paralrel yang terdiri dari lampu LED 4 dan 3 watt masing-masing sebanyak 1 buah. Pada masing-masing lampu dipasang sakelar yang berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan aliran listrik ke lampu.

Gambar 3.14 Rangkaian lampu

3.4.7 Generator

Generator listrik adalah sebuah alat yang memproduksi energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik

Gambar 3.15 Generator

3.4.8 Water pass

Water pass digunakan untuk memeriksa kedataran dan ketegakan dari semua bagian Turbin Vortex.

15 Gambar 3.16 Water pass

3.4.9 Sabuk (belt)

Sabuk digunakan untuk mentransmisikan tenaga dari poros turbin ke generator melalui puli.

Gambar 3.17 Sabuk (belt)

3.4.10 Clamp Meter

Clamp Meter digunakan untuk mengukur besarnya arus listrik (ampere) yang yang dihasilkan melalui rangkaian listrik (beban) dengan cara dihubungkan seri pada rangkaian listrik.

Gambar 3.18 Clam meter

3.4.11 Gelas Ukur

Gelas ukur digunakan untuk mengetahui debit air masuk melalui reservoir ke basin maupun air kelur basin (Q1=Q2). Dalam uji eksperimental turbin vortex pada debit H1, debit H2, debit H3, debit H4.

Gambar 3.19 Gelas Ukur.

17 Uji eksperimental turbin vortex dilakukan dengan menggunakan instalasi turbin vortex yang dilakukan di rooftop lantai empat, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi:

1. Pengukuran putaran (rpm) poros turbin vortex dengan menggunakan Hand Tachometer.

2. Pengukuran momen puntir (kilogramforce) dengan menggunakan Timbangan Pegas.

3. Pengukuran arus listrik (ampere) dan tegangan (volt) menggunakan clamp meter danmultimeter

4. Pengukuran debit air dengan menggunakan stopwatch dan gelas ukur.

Sebelum dilakukan pengujian turbin vortex dan pengambilan data, terlebih dahulu dilakukan pemeriksaan (checking) terhadap beberapa instalasi dan peralatan, yang meliputi:

1. Pemeriksaan volume air di dalam tempat penampungan bawah.

2. Pemeriksaan pipa penghubung antara pompa pengumpan dan bak penampungan 3. Pemeriksaan reservoir

4. Pemeriksaan poros turbin vortex serta pemperian pelumas pada bearing. 5. Pemeriksaan belt dan pulley.

6. Pemeriksaan pompa-pompa pengumpan. 7. Pemeriksaan instalasi alternator dan lampu

Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby, maka prosedur

pengujian pun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian uji eksperimental turbin vortex dengan sudu B1 adalah sebagai berikut:

1. Pengujian pertama dilakukan dengan pemasangan lubang buang dan sudu B1.

2. Hidupkan pompa pengumpan .

3. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam reservoir dan penampungan bawah turbin .

4. Setelah ketinggian air di bak penampungan reservoir mencukupi, maka dilakukan pengujian serta pengambilan data terhadap:

a) Pengukuran putaran (rpm) pada poros Turbin vortex dengan menggunakan Hand Tachometer

b) Pengukuran momen puntir (kilogram) dengan menggunakan

Timbangan Pegas.

c) Pengukuran arus listrik (ampere) dan tegangan (volt) menggunakan

Multimeter.

5. Pengukuran terhadap beberapa variabel dilakukan terhadap ketinggian air 7 (cm),14 (cm), 21 (cm), 28 (cm), 35 (cm).

6. Setiap pengambilan data dilakukan sebanyak sepuluh kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih akurat dan spesifik.

Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi:

19 • Putaran poros Turbin Vortex (rpm)

• Momen Puntir Turbin Vortex (kilogramforce~Nm)

• Arus listrik (ampere) dan tegangan (volt) yang dihasilkan Turbin Vortex.

Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti:

1. Daya Air

2. Daya Turbin Vortex

3. Daya Listrik keluaran Alternator 4. Efisiensi Turbin Vortex

Setelah pengujian di atas, dilakukan pengujian debit air dengan prosedur sebagai berikut:

1. Katup menuju talang pada turbin dibuka.

2. Pompa pengumpan dihidupkan dan air dipompakan dari tempat penampungan bawah ke reserfoar.

3. Secara bersamaan stopwatch dihidupkan.

4. Segera setelah stopwatch dihidupkan selama beberapa detik, pompa pengumpan dan stopwatch dimatikan. Pencatatan data dilakukan, meliputi waktu t(detik) dan volume air dalam ember penampungan (m3).

5. Dari data yang diperoleh, maka perhitungan debit air pun dapat dilakukan dengan cara volume air yang ditampung di wadah penampung diukur dengan gelas pengukur (L) dan dibagi waktu (t) yang diperoleh.

Flowchart Uji eksperimental turbin vortex.

Survey tempat pengujian akan dilakukan

Rancang bangun instalasi Uji eksperimental turbin vortex

Pengambilan data hasil pengujian Pelaksanaan pengujian

Perhitungan dan analisa hasil pengujian

Penulisan laporan hasil pengujian

Kesimpulan dan saran Mulai

21

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Pengujian Lubang Buang 4 (10,5 cm)

Pengujian dilakukan menggunakan Vortex basin berukuran 50 cm dan diameter lubang buang 3 cm,pengujian dilakukan pada kondisi batas ketinggian yang dijaga pada jarak tertenty (H) pada setiap pengujian.

4.4.1 Pengujian Debit

Pada pengujian ini data dikumpulkan dari pengujian aliran tanpa sudu,dengan perkiraan debit keluaran maksimum dari aliran paling stabil.Jumlah percobaan setiap variasi dulakukan 10 kali percobaan

Tabel 4.1 Debit

Debit (m/s)

0,82068 1,64136 2,46204 3,28272 4,1034

4.4.2 Pengujian RPM Maksimum

Data pengujian merupakan nilai rata-rata yang di ambil dari sampel 10 kali perngujian,dengan waktu 10 detik.Data didapat dengan pembacaan alat hand tachometer pada poros turrbin vortex.

Tabel 4.2 Hasil pengujian putaran tanpa pembebanan lubang 4 berdasarkan head

DATA PENGUJIAN PUTARAN MAKSIMUM (RPM) Ketinggian Air (cm) Runner A1 Runner A 2

7 41,68803822 16,60981959

14 124,3839783 50,7525707

21 130,0700255 102,1236865

28 148,2947799 155,1638838

35 226,1568296 205,1243931

Gambar 4.1 Grafik putaran tanpa beban vs head lubang 4

4.4.3 Pengujian Torsi-Putaran Berbeban

Data pengujian didapat dari pengukuran yang dilakukan dalam waktu yang bersamaan (sekaligus).Dalam kasus ini,pengujian membutuhkan waktu yang cukup lama untuk menentukan pembebanan yang tepat sebelum

23 poros berhenti berputar.Pembebanan ini dilakukan menggunakan gesekan tali yang dikaitkan pada 2 neraca pegas.waktu pengujian sampel sepanjang 20 detik,dibutuhkan lebih dari 15 x pengujian (sampel) untuk setiap perubahan variasi.Pengukuran putaran dilakukan dalam kondisi poros terbeban hampir berhenti.

Tabel 4.3 Hasil pengujian torsi berbeban lubang 4 berdasarkan head

DATA PENGUJIAN TORSI BERBEBAN (Nm) Ketinggian Air (cm) Runner A1 Runner A 2

7 0,9 2

14 1 2

21 2 2

28 3 2,2

35 3 2,5

Pengujian dilakukan dalam kondisi poros terbeban dan hampir berhenti

Tabel 4.4 Hasil pengujian putaran berbeban lubang 4 berdasarkan head

DATA PENGUJIAN PUTARAN BERBEBAN (RPM) Ketinggian Air (cm) Runner A1 Runner A 2

7 3,789821656 1,509983599 14 11,30763439 4,613870064 21 11,82454777 9,283971497 28 13,48134363 14,10580761 35 20,55971178 18,6476721

Gambar 4.2 Grafik torsi vs putaran berbeban pada lubang 4

4.2 Hasil Pengujian Menggunakan Alternator Lubang Buang 4

Pengujian dilakukan dengan menggunakan alternator dan rangkaian listrik tertutup berbeban. Beban berupa lampu, besar beban terpasang maksimum 7 watt.

Tabel 4.5 Pengujian tegangan berbeban dan arus berbeban lubang 4 berdasarkan head

DATA PENGUJIAN ARUS (milli ampere) DATA PENGUJIAN TEGANGAN (volt) Ketinggian

air Runner A1 Runner A 2 Ketinggian air Runner A1 Runner A 2

7 0 0 7 0 0

14 0 0 14 0 0

21 0,03712908 0 21 30 0

28 0,063497129 0,04872146 28 30 30

35 0,058101746 0,043915268 35 50 50

25 P = V x I x Cos phi

Dalam kasus ini Cos phi dianggap 1 (rangkaian ideal), sehingga volt-Ampere disamakan dengan Watt.

Tabel 4.6 Hasil perhitungan daya dinamo berbeban lubang 4 berdasarkan

DATA HASIL PERHITUNGAN DAYA ALTERNATOR (watt) Ketinggian air (cm) Runner A1 Runner A 2

7 0,16065054 0,142240455

14 0,53258958 0,43462656

21 1,1138724 0,874550115

28 1,904913855 1,461643785

35 2,905087275 2,19576339

4.3 Analisa Perhitungan Daya-Efisiensi

Dari konsep daya hidrolik air, maka akan didapat potensi energi yang dapat dipanen dari sejumlah air dengan kondisi ketinggian tertentu, dengan rumusan;

P

air

= ρ x g x Q x H

Atau

P

air

= ρ x W x H

Untuk menghitung daya turbin, digunakan persamaan:

P

turbin

= Ґ (Nm) x n (rad/s)

Untuk menghitung efisiensi turbin, digunakan persamaan:

η

(%) =

x 100%

Lubang Buang 4

Tabel 4.7 Daya hidrolik air pada lubang 4

Debit (m/s) WATER HYDRAULIC

POWER

0,82068 0,56298648

1,64136 2,25194592

2,46204 5,06687832

3,28272 9,00778368

27 Tabel 4.8 Hasil perhitungan daya turbin berbeban pada lubang 4

DATA HASIL PERHITUNGAN DAYA POROS (watt) Ketinggian Air (cm) Runner A1 Runner A 2

7 0.3570012 0.3160899

14 1.1835324 0.9658368

21 2.475272 1.9434447

28 4.2331419 3.2480973

35 6.4557495 4.8794742

Gambar 4.4 Grafik daya turbin berdasarkan ketinggian air (head) pada lubang 4

Tabel 4.9 Hasil perhitungan efisiensi daya turbin berbeban pada lubang 4

HASIL PERHITUNGAN EFISIENSI DAYA TURBIN BERBEBAN (%) Ketinggian Air Runner A1 Runner A2

7 63,412 56,145

14 52,556 42,889

21 48,852 38,356

28 46,994 36,059

Gambar 4.5 Grafik hasil perhitungan efisiensi daya turbin pada lubang 4

29 BAB V

KESIMPULAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Dari uji eksperimental gravitational water vortex power plant (dengan spesifikasi : tinggi 40 dan lebar 50 cm menggunaka 6 sudu) didapat beberapa kesimpulan:

1) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 1 (3 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 3,433003 % b) Putaran Max. Poros Turbi = 105,42 rpm c) Daya Max. Turbin = 0,09195 Watt d) Daya Max. Alternator = 0 VA

2) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 2 (5,5 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 87,03265 % b) Putaran Max. Poros Turbin = 151,27 rpm c) Daya Max. Turbin = 2,315234 Watt d) Daya Max. Alternator = 2,45 VA

3) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 3 (8,5 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 76,243 % b) Putaran Max. Poros Turbin = 206,045 rpm

c) Daya Max. Turbin = 3,848954 Watt d) Daya Max. Alternator = 1,539582 VA

4) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 4 (10,5 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 76,63422 % b) Putaran Max. Poros Turbin = 228,06 rpm c) Daya Max. Turbin = 7,253423 Watt d) Daya Max. Alternator = 2,8254 VA

5) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 2 (5,5 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 10,31877 % b) Putaran Max. Poros Turbin = 220,64 rpm c) Daya Max. Turbin = 1,847498 Watt d) Daya Max. Alternator = 1,056 VA

31 5.2SARAN

1. Untuk uji eksperimental gravitational water vortex power plant

berikutnya diharapkan melakukan penelitian terhadap jumlah sudu yang lebih akurat.misalnya dengan membandingkan data yang dihasilkan dengan menggunakan 8 sudu sampai 10 sudu.

2. Untuk uji eksperimental gravitational water vortex power plant

berikutnya diharapkan melakukan penelitian menggunakan alat

pitot tube dalam mengukur kecepatan dan tekanan air di basin. 3. Untuk uji eksperimental gravitational water vortex power plant

berikutnya diharapkan melakukan pengujian torsi dan putaran menggunakan torsimeter dan tachometer digital secara bersamaan. 4. Untuk uji eksperimental gravitational water vortex power plant

berikutnya disarankan menggunakan diameter basin 5 meter untuk pengaplikasian aktual pada sungai.

DAFTAR PUSTAKA

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompressor. Erlangga. Jakarta. 1990. Hermani, Bambang. 2007. Analisa Pengujian Simulator Turbin Air Skala Mikro.

Semarang: Untag.

Husain, Zoeb. 2008. Basic Fluid Mechanic and Hidraulyc Machines. Hyderabad: BS Publications

Khurmi, R.E. 1984. A Text Book Of Hydraulic Machine. Ram Nagar, Newdelhi: S. Chand and Company LTD.

L. V. Steeter dan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida. Edisi Kedelapan. Jakarta: Erlangga. Luknanto, Joko, 2007. Diktat Kuliah: Bangunan Tenaga Air. Yogyakarta: UGM

M.M. Dandekar, K.N. Sharma. Pembangkit Listrik Tenaga Air. UI. Press Jakarta. 1991. Munson, Bruce. 2005. Mekanika Fluida, Edisi Keempat Jilid 2. Jakarta: Erlangga

Sihombing, Edis. 2009. Pengujian Sudu Lengkung Prototipe Turbin Air Terapung Pada Aliran Sungai. Medan: USU

WWW.ZOTLOTERER.COM

www.scribd.com/doc/32235908/Prinsip-Kerja-Dan-Macam-Macam-Turbin http:// Europa.eu.int./en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf

Tabel 4.8 Hasil perhitungan daya turbin berbeban pada lubang 4

DATA HASIL PERHITUNGAN DAYA POROS (watt) Ketinggian Air (cm) Runner A1 Runner A 2

7 0.3570012 0.3160899

14 1.1835324 0.9658368

21 2.475272 1.9434447

28 4.2331419 3.2480973

35 6.4557495 4.8794742

Gambar 4.4 Grafik daya turbin berdasarkan ketinggian air (head) pada lubang 4

Tabel 4.9 Hasil perhitungan efisiensi daya turbin berbeban pada lubang 4

HASIL PERHITUNGAN EFISIENSI DAYA TURBIN BERBEBAN (%) Ketinggian Air Runner A1 Runner A2

7 63,412 56,145

14 52,556 42,889

21 48,852 38,356

28 46,994 36,059

Gambar 4.5 Grafik hasil perhitungan efisiensi daya turbin pada lubang 4

BAB V

KESIMPULAN SARAN

5.1 KESIMPULAN

Dari uji eksperimental gravitational water vortex power plant (dengan spesifikasi : tinggi 40 dan lebar 50 cm menggunaka 6 sudu) didapat beberapa kesimpulan:

1) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 1 (3 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 3,433003 % b) Putaran Max. Poros Turbi = 105,42 rpm c) Daya Max. Turbin = 0,09195 Watt d) Daya Max. Alternator = 0 VA

2) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 2 (5,5 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 87,03265 % b) Putaran Max. Poros Turbin = 151,27 rpm c) Daya Max. Turbin = 2,315234 Watt d) Daya Max. Alternator = 2,45 VA

3) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 3 (8,5 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 76,243 % b) Putaran Max. Poros Turbin = 206,045 rpm

c) Daya Max. Turbin = 3,848954 Watt d) Daya Max. Alternator = 1,539582 VA

4) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 4 (10,5 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 76,63422 % b) Putaran Max. Poros Turbin = 228,06 rpm c) Daya Max. Turbin = 7,253423 Watt d) Daya Max. Alternator = 2,8254 VA

5) Diperoleh tingkat efisiensi maksimum terdapat pada penggunaan saluran buang 2 (5,5 cm) dengan data sebagai berikut:

a) Efisiensi Maximum = 10,31877 % b) Putaran Max. Poros Turbin = 220,64 rpm c) Daya Max. Turbin = 1,847498 Watt d) Daya Max. Alternator = 1,056 VA

5.2SARAN

1. Untuk uji eksperimental gravitational water vortex power plant berikutnya diharapkan melakukan penelitian terhadap jumlah sudu yang lebih akurat.misalnya dengan membandingkan data yang dihasilkan dengan menggunakan 8 sudu sampai 10 sudu.

2. Untuk uji eksperimental gravitational water vortex power plant berikutnya diharapkan melakukan penelitian menggunakan alat pitot tube dalam mengukur kecepatan dan tekanan air di basin. 3. Untuk uji eksperimental gravitational water vortex power plant

berikutnya diharapkan melakukan pengujian torsi dan putaran menggunakan torsimeter dan tachometer digital secara bersamaan. 4. Untuk uji eksperimental gravitational water vortex power plant

berikutnya disarankan menggunakan diameter basin 5 meter untuk pengaplikasian aktual pada sungai.

DAFTAR PUSTAKA

Fritz Dietzel, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompressor. Erlangga. Jakarta. 1990. Hermani, Bambang. 2007. Analisa Pengujian Simulator Turbin Air Skala Mikro.

Semarang: Untag.

Husain, Zoeb. 2008. Basic Fluid Mechanic and Hidraulyc Machines. Hyderabad: BS Publications

Khurmi, R.E. 1984. A Text Book Of Hydraulic Machine. Ram Nagar, Newdelhi: S. Chand and Company LTD.

L. V. Steeter dan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida. Edisi Kedelapan. Jakarta: Erlangga. Luknanto, Joko, 2007. Diktat Kuliah: Bangunan Tenaga Air. Yogyakarta: UGM

M.M. Dandekar, K.N. Sharma. Pembangkit Listrik Tenaga Air. UI. Press Jakarta. 1991. Munson, Bruce. 2005. Mekanika Fluida, Edisi Keempat Jilid 2. Jakarta: Erlangga

Sihombing, Edis. 2009. Pengujian Sudu Lengkung Prototipe Turbin Air Terapung

Pada Aliran Sungai. Medan: USU

WWW.ZOTLOTERER.COM

www.scribd.com/doc/32235908/Prinsip-Kerja-Dan-Macam-Macam-Turbin http:// Europa.eu.int./en/comm/dg17/hydro/layman2.pdf