Simulasi Numerik Penggunaan Pompa Sebagai Turbin Pada Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (Pltmh) Dengan Head 9,29 M Dan 5,18 M Menggunakan Perangkat Lunak Cfd Pada Pipa Berdiameter 10,16 Cm

SIMULASI NUMERIK PENGGUNAAN POMPA SEBAGAI

TURBIN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA

MIKRO HIDRO (PLTMH) DENGAN HEAD 9,29 M DAN

5,18 M MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD

PADA PIPA BERDIAMETER 10,16 CM

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

DENI RAFLI

NIM : 070401090

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah berkenan menganugerahkan nikmat kesehatan dan kesempatan serta ilmu pengetahuan kepada penulis dalam menulis skripsi ini sebagai usaha dalam mencapai gelar sarjana teknik.

Penulis tertarik membahas tentang penggunaan pompa sebagai turbin karena penggunaannya yang lebih praktis dibanding memakai turbin air, ini dikarenakan pompa dapat dengan mudah ditemukan di pasaran dan perawatannya lebih mudah serta dengan harga yang lebih terjangkau.

Skripsi ini disarikan dalam beberapa buku, artikel, atau pengujian yang berkaitan dengan penggunaan pompa sebagai turbin yang ada di laboratorium mesin konversi energi Departemen Teknik Mesin.

Penulis menyadari keterbatasan ilmu pengetahuan tentang penggunaan pompa sebagai turbin ini, baik dalam segi isi dan penyajiannya. Untuk itu penulis mengharapkan sumbangsih kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan skripsi ini.

Dengan rampungnya skripsi ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada :

1. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dalam penyelesaiaan skripsi ini.

2. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

3. Orang tua tercinta, yakni ayahanda Rafli dan ibunda Hamidah dan seluruh anggota keluarga yang selalu memberi motivasi kepada penulis dalam pengerjaan skripsi ini. 4. Bapak Suprihatin, selaku assisten laboratorium mesin konversi eneergi Departemen

Teknik Mesin.

5. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, terkhusus stambuk 2007 yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu, “ Solidarity Forever “

6. Teman – teman dan adik – adik pengurus IPMR Medan, yang telah memberi dukungan dan dorongan untuk terus berbuat walau dalam keadaan tersulit sekalipun.

Akhir kata, penulis mengucapkan permohonan maaf yang sebsesar – besarnya atas segala kekurangan penulis ketika melakukan penelitian dan penyusunan skripsi ini. Smeoga bermanfaat bagi para pembaca.

Medan, Februari 2013 Penulis

07 0401 090 DENI RAFLI

ABSTRAK

Penggunaan turbin air didalam sistem pembangkit tenaga listrik saat ini masih sangat dominan karena hanya memanfaatkan aliran air yang tersedia di alam. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai pada ketinggian tertentu. Pada aplikasi pompa sebagai turbin (PAT), prinsip kerja pompa dibalik - yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeller pompa. Putaran impeller ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik. Dalam pemakaiannya harus memilih dan menentukan karakteristik turbin sesuai dengan kondisi dan tempat di mana turbin air dipasang agar dihasilkan energi yang optimal. Untuk mengetahui kondisi operasi turbin dan fenomena termodinamikanya maka dilakukan simulasi menggunakan perangkat lunak (software). Pelaksanaan simulasi penggunaan pompa sebagai turbin dengan head (H) 9,29 m dan 5,18 m. Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Solidwork Flow Simulation. Pertama dibuat model pompa sentrifugal menggunakan perangkat lunak Solidworks premium 2010. Setelah itu dinput besaran nilai kecepatan jatuhan air dan kecepatan rotasi impeller, kemudian dilakukan simulasi kondisi rumah pompa saat beroperasi, didapat beberapa data tentang kondisi operasi pompa sebagai turbin, yaitu pada head (H) 9,29 didapat tekanan rata – rata pada pompa sebesar 185192 Pa atau 185,192 kPa dan pada kondisi maksimal tekanan rata – rata sebesar 5103295,9255 Pa. Pada head 5,18 didapat tekanan rata - rata sebesar 144970 Pa atau 144,97 kPa pada kondisi maksimal tekanan rata – rata sebesar 322091.4109 Pa. Perubahan suhu sangat kecil pada head 9,29 sebesar 0,048 K dan pada head 5,18 sebesar 0,016 K, sehingga dapat diabaikan. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa pada saat beroperasi sebagai turbin, pompa mengalami pemberian tekanan yang cukup tinggi, sedangkan untuk temperatur, suhunya tidak terlalu signifikan, dikarenakan tidak adanya panas yang masuk ke sistem selama pompa bekerja.

ABSTRACT

The use of water in turbine power generation systems is still very dominant because only utilize the available water flow in nature. Usually the pump is driven by an electric motor to raise the amount of water to a certain height. On the application of the pump as turbine (PAT), the working principle of the pump is reversed, such as given water falling from a certain height to rotate the pump impeller. Round impeller will be forwarded to turn a generator to produce electricity. In its use to choose and determine the characteristics of the turbine in accordance with the conditions and places where water turbine installed in order to produce optimal energy. To determine the turbine operating conditions and phenomena termodinamikanya then performed simulations using the software Implementation of the simulation using the pump as a turbine with a head (H) 9.29 m and 5.18 m. Simulations performed using Flow Simulation software Solidwork. Centrifugal pump modeling software Solidworks Premium 2010. After the simulation, obtained some data on the pump as turbine operating conditions, such the head (H) gained 9.29 on the pump pressure of 185 192 Pa or 185.192 kPa. And temperature changes of 0.048 K. At 5.18 head pressure of 144 970 Pa obtained or 144.97 kPa. From the simulation results it can be concluded that when operating as turbines, pumps experienced delivery pressure is high enough, while for the temperature, the temperature is not too significant, because there is no heat coming into the system during the pumping work.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ...i

ABSTRAK ... iii

DAFTAR ISI ...iv

DAFTAR TABEL ...vi

DAFTAR GAMBAR ... .vii

DAFTAR NOTASI ... .vii

BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Tujuan Simulasi ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 2

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pompa ... 3

2.1.1 Pengertian Pompa ... 3

2.1.2 Klasifikasi Pompa ... 4

2.2 Generator ... 14

2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro ... 18

2.3.1 Prinsip Kerja PLTMH ... 18

2.4 Computational Fluid Dynamics (CFD) ... 20

2.4.1 Pengertian umum CFD ... 21

2.4.2 Penggunaan CFD ... 21

2.4.3 Manfaat CFD ... 22

2.4.4 Proses Simulasi CFD ... 23

2.4.5 Metode Diskritisasi CFD ... 23

2.4.6 Pengenalan Solidwork Flow Simulation ... 24

2.5 Persamaan Pembentuk Aliran………...25

2.5.1 Hukum Konservasi Massa………. .25

2.5.2 Hukum Konservasi Momentum……… . 26

2.5.3 Hukum Konservasi Energi………27

BAB III. METODE PENELITIAN 3.1 Umum ... 30

3.2 Pelaksanaan Simulasi ... 31

3.2.1 Proses Pre-Processor ... 31

3.2.1.1 Pembuatan Model ... 31

3.2.1.2 Menentukan domain ... 33

3.2.1.3 Diskritisasi ... 33

3.2.2 Proses Solution Solver ... 34

3.2.3 Menjalankan Simulasi ... 37

BAB IV. SIMULASI DAN ANALISA 4.1 Analisa Numerik Pompa Sebagai Turbin ... 39

4.1.1.1 Simulasi Pada H=9,29 m ... 39

4.1.1.2 Simulasi Pada H=5,18 m ... 46

4.2. Analisa Hasil Simulasi ... 52

4.3 Validasi Hasil Simulasi ... 53

BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 58

5.2 Saran ... .58

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Kondisi Batas………. 33

Tabel 3.2 Pengaturan Simulasi……….. 34

Tabel 4.1 Hasil simulasi tekanan 1……… 39

Table 4.2 Hasil simulasi temperatur 1... 42

Tabel 4.3 Hasil simulasi kecepatan 1……….… 44

Tabel 4.4 Hasil simulasi tekanan 2... 47

Tabel 4.5 Hasil simulasi temperatur 2………...… 49

Tabel 4.6 Hasil simulasi kecepatan 2………... 51

Tabel 4.7 Distribusi besaran 1……….. 53

Tabel 4.8 Distribusi besaran 2………... 53

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Pompa Roda Gigi dan Pompa Ulir………... 4

Gambar 2.2. Pompa Diafragma………. 5

Gambar 2.3. Bagian – bagian utama pompa tekanan dinamis... 6

Gambar 2.4. Pompa sentrifugal ………... 7

Gambar 2.5 Pompa aliran campur... 7

Gambar 2.6. pompa aliran aksi... 8

Gambar 2.7. Pompa diffuser... 9

Gambar 2.8. Pompa vortex... 9

Gambar 2.9. Pompa bertingkat banyak... 10

Gambar 2.10. Pompa aliran campur poros tegak………... 11

Gambar 2.11. Pompa jenis belahan mendatar ... 12

Gambar 2.12. Pompa isapan ganda...……….. 13

Gambar 2.13 Generator AC………..…. ……….. 17

Gambar. 2.14 Pompa sentrifugal 4 inch……….………18

Gambar 2.15 Instalasi PLTMH…….………..……….. 19

Gambar 2.16 Aliran Fluida Dalam Pompa Sentrifugal……….………. 19

Gambar 2.17 Elemen fluida pada konservasi massa dua dimensi………… 25

Gambar 2.18 Elemen fluida pada konservasi momentum dua dimensi…… 26

Gambar 2.19 Kerja elemen pada sumbu – x………. 27

Gambar 2.20 Fluks panas pada permukaan elemen fluida………... 28

Gambar 2.21 Diagram Alir Penelitian………... 29

Gambar 3.1 Pompa bidang hisap………... 31

Gambar 3.2 Rumah Pompa……… 32

Gambar 3.3 Impeller Pompa……….. 32

Gambar 3.4 Pompa Assembly……….………. 32

Gambar 3.5 Computational Domain……….. 33

Gambar. 3.6 Bentuk Mesh Pada Pompa……….……….. 33

Gambar 3.7 Letak Kondisi Batas……….……….... 36

Gambar 3.8 Tampilan Proses Iterasi………...….. 37

Gambar 3.9 Diagram Alir Simulasi Numerik……….. 38

Gambar 4.1 Kontur Tekanan 1………….………. 40

Gambar 4.2 Lintasan Tekanan 1………...……….………... 40

Gambar 4.3 Distribusi Tekanan 1……….……….………... 41

Gambar 4.4 Kontur Temperatur 1…….……… 42

Gambar 4.5 Lintasan Temperatur 1……… 43

Gambar 4.6 Distribusi Temperatur 1 ……….………… 43

Gambar 4.7 Kontur Kecepatan 1………...………. 45

Gambar 4.8 Lintasan Kecepatan 1……….……... 45

Gambar 4.9 Distribusi Kecepatan 1………..………… 46

Gambar 4.10 Kontur Tekanan 2……….... 47

Gambar 4.11 Lintasan Tekanan 2………. 48

Gambar 4.12 Distribusi Tekanan 2………... 48

Gambar 4.13 Kontur Temperatur 2……… 49

Gambar 4.14 Lintasan Temperatur 2………. 50

Gambar 4.15 Distribusi Temperatur 2………... 50

Gambar 4.17 Lintasan Kecepatan 2……….. 52

Gambar 4.18 Distribusi Kecepatan 2………. 52

Gambar 4.19 Lintasan air keluar ………. 54

Gambar 4.20 Distribusi kecepatan…. ……….54

Gambar 4.21 Lintasan air keluar…… ……….55

Gambar 4.22 Distribusi kecepatan………. 55

Gambar 4.23 Percobaaan………... 56

Gambar 4.24 Gelas ukur……… 56

DAFTAR NOTASI

Notasi Arti Satuan

A Luas Penampang Pipa mm

f Frekuensi Hertz

2

g Gaya Gravitasi m/s2

h Ketinggian m

P Jumlah Kutub Generator

Q Debit Aliran m3/s

m Massa kg

Ns Kecepatan Sinkron putaran/detik

ABSTRAK

Penggunaan turbin air didalam sistem pembangkit tenaga listrik saat ini masih sangat dominan karena hanya memanfaatkan aliran air yang tersedia di alam. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai pada ketinggian tertentu. Pada aplikasi pompa sebagai turbin (PAT), prinsip kerja pompa dibalik - yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeller pompa. Putaran impeller ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik. Dalam pemakaiannya harus memilih dan menentukan karakteristik turbin sesuai dengan kondisi dan tempat di mana turbin air dipasang agar dihasilkan energi yang optimal. Untuk mengetahui kondisi operasi turbin dan fenomena termodinamikanya maka dilakukan simulasi menggunakan perangkat lunak (software). Pelaksanaan simulasi penggunaan pompa sebagai turbin dengan head (H) 9,29 m dan 5,18 m. Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Solidwork Flow Simulation. Pertama dibuat model pompa sentrifugal menggunakan perangkat lunak Solidworks premium 2010. Setelah itu dinput besaran nilai kecepatan jatuhan air dan kecepatan rotasi impeller, kemudian dilakukan simulasi kondisi rumah pompa saat beroperasi, didapat beberapa data tentang kondisi operasi pompa sebagai turbin, yaitu pada head (H) 9,29 didapat tekanan rata – rata pada pompa sebesar 185192 Pa atau 185,192 kPa dan pada kondisi maksimal tekanan rata – rata sebesar 5103295,9255 Pa. Pada head 5,18 didapat tekanan rata - rata sebesar 144970 Pa atau 144,97 kPa pada kondisi maksimal tekanan rata – rata sebesar 322091.4109 Pa. Perubahan suhu sangat kecil pada head 9,29 sebesar 0,048 K dan pada head 5,18 sebesar 0,016 K, sehingga dapat diabaikan. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa pada saat beroperasi sebagai turbin, pompa mengalami pemberian tekanan yang cukup tinggi, sedangkan untuk temperatur, suhunya tidak terlalu signifikan, dikarenakan tidak adanya panas yang masuk ke sistem selama pompa bekerja.

ABSTRACT

The use of water in turbine power generation systems is still very dominant because only utilize the available water flow in nature. Usually the pump is driven by an electric motor to raise the amount of water to a certain height. On the application of the pump as turbine (PAT), the working principle of the pump is reversed, such as given water falling from a certain height to rotate the pump impeller. Round impeller will be forwarded to turn a generator to produce electricity. In its use to choose and determine the characteristics of the turbine in accordance with the conditions and places where water turbine installed in order to produce optimal energy. To determine the turbine operating conditions and phenomena termodinamikanya then performed simulations using the software Implementation of the simulation using the pump as a turbine with a head (H) 9.29 m and 5.18 m. Simulations performed using Flow Simulation software Solidwork. Centrifugal pump modeling software Solidworks Premium 2010. After the simulation, obtained some data on the pump as turbine operating conditions, such the head (H) gained 9.29 on the pump pressure of 185 192 Pa or 185.192 kPa. And temperature changes of 0.048 K. At 5.18 head pressure of 144 970 Pa obtained or 144.97 kPa. From the simulation results it can be concluded that when operating as turbines, pumps experienced delivery pressure is high enough, while for the temperature, the temperature is not too significant, because there is no heat coming into the system during the pumping work.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Mikrohidro atau yang dimaksud dengan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), adalah suatu pembangkit sebagai tenaga penggeraknya seperti, salur cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumla sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sebagai sumber

Pembangkit Listrik MikroHidro merupakan pembangkit listrik yang memanfaatkan energi potensial fluida untuk menggerakkan turbin air, pada pengoperasian kali ini menggunakan pompa sebagai turbin. Energi potensial pada fluida dikonversi menjadi energi kinetik oleh turbin, selanjutnya energi kinetik yang dihasilkan oleh turbin dikonversi menjadi energi listrik oleh motor.

Pada dasarnya pompa merupakan sebagai mesin kerja yang berfungsi untuk merubah energi mekanis (kerja putar poros) menjadi energi fluida dan tekanan. Pada mikrohidro prinsip kerja pompa dibalik menjadi mesin tenaga yang mengkonversikan energi potensial fluida menjadi energi kinetis.

Pada instalasinya, penggunaan pompa sebagai turbin lebih praktis, murah, mudah didapatkan dipasaran dan mudah dalam perawatan. Pada saat beroperasi terdapat fenomena – fenomena termodinamika yang terjadi di dalam rumah pompa, perubahan tekanan dan temperatur dapat terjadi dikarenakan dengan adanya gaya yang bekerja untuk mengkonversikan energi potensial yang dimiliki air sebagai fluida menjadi energi kinetik oleh pompa.

Agar dapat melihat fenomena termodinamika tersebut, maka digunakanlah perangkat lunak Computational Fluid Dymanics ( CFD ) untuk menyimulasikannya, sehingga keadaan fluida beserta variabel – variabel kerjanya dapat di analisis secara numerik.

Perangkat lunak CFD dapat mensimulasikan tekanan dan temperatur operasi pada pompa, baik tekanan inlet, outlet dan sudu pompa, serta temperatur kerja pada pompa sebagai turbin ini.Sehingga didapat gambaran jelas mengenai kondisi kerja serta besaran tekanan yang diterima sudu pompa, rumah pompa dan temperatur pada pompa.

1.2 Perumusan Masalah

Pada penulisan skrips ini, dilakukan simulasi kinerja pompa sebagai turbin, dengan memfokuskan pada tekanan dan temperatur dengan head (H) 9,29 m dan 5,18 m Turbin PLTMH.

1.3 Tujuan Simulasi

Tujuan dari dilakukannya penulisan ini antara lain :

1. Menguji pompa sentrifugal 4 inch yang dioperasikan sebagai turbin. 2. Mensimulasikan aliran fluida yang masuk ke dalam pompa sebagai turbin. 3. Menganalisa tekanan dan temperatur pompa sebagai turbin pada saat beroperasi

dengan dua head yang berbeda.

1.4 Batasan Masalah

Dalam penulisan skripsi ini, penulis membahas tentang : 1. Pengujian terhadap pompa 4 inch.

2. Analisis tekanan, temperatur pompa saat digunakan sebagai turbin.

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 penulisan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pompa

2.1.1 Pengertian Pompa

Pompa adalah salah satu mesin fluida yang termasuk dalam golongan mesin kerja. Pompa berfungsi untuk merubah energi mekanis (kerja putar poros) menjadi energi fluida dan tekanan. Suatu pompa sentrifugal pada dasarnya terdiri dari satu impeler atau lebih yang dilengkapi dengan sudu-sudu, yang dipasangkan pada poros yang berputar dan diselubungi oleh sebuah rumah (casing). Fluida memasuki impeler secara aksial di dekat poros dan mempunyai energi potensial, yang diberikan padanya oleh sudu-sudu. Begitu fluida meninggalkan impeler pada kecepatan yang relatif tinggi , fluida itu dikumpulkan didalam ‘volute’ atau suatu seri lluan diffuser yang mentransformasikan energi kenetik menjadi tekanan. Ini tentu saja diikuti oleh pengurangan kecepatan. Sesudah konversi diselesaikan, fluida kemudian dikeluarkan dari mesin tersebut.

Sama untuk pompa-pompa dengan kekecualian bahwa volume gas adalah berkurang begitu gas-gas tersebut melewati blower, sementara volume fluida secara praktis adalah tetap begitu begitu fluida tersebut melewati pompa.

Pompa-pompa sentrifugal pada dasarnya adalah mesin-mesin berkecepatan tinggi (dibandingkan dengan jenis-jenis torak, rotary, atau pepindahan). Perkembangan akhir-akhir ini pada turbin-turbin uap, dan motor-motor listrik dan disain-disain sistem gigi kecepatan tinggi telah memperbesar pemakaian dan penggunan pompa-pompa sentrifugal, seharusnya dapat bersaing dengan unit-unit torak yang ada.

Garis-garis effesiensi adalah garis yang menyatakan effesiensi yang sama untuk hubungan head dengan kapasitas atau daya dapat di tentukan batasan putaran maksimum dan minimum dengan kata lain untuk mendapatkan daerah operasi yang terbaik jika dilihat dari segi putaran pompa. Dan keuntungannya adalah sebagai berikut :

 Kontruksi yang lebih sempurna  Lebih mudah dioperasikan

 Biaya perawatan yang rendah

 Dapat di kopel langsung dengan elektromotor Kerugiannya :

 effesiensi rendah pada kapasitas tinggi

 Adanya kerugian pada pipa hisap karena bocor pada saat beroperasi

2.2.2 Klasifikasi Pompa

Secara umum pompa dapat diklasifikasikan dalam dua jenis kelompok besar yaitu :

1. Pompa Tekanan Statis (Positive Displacement Pump) 2. Pompa Tekanan Dinamis (Rotodynamic Pump)

1. Pompa Tekanan Statis

Pompa jenis ini bekerja dengan prinsip memberikan tekanan secara periodik pada fluida yang terkurung dalam rumah pompa. Pompa ini dibagi menjadi dua jenis.

 Pompa Putar (Rotary Pump)

Pada pompa putar, fluida masuk melalui sisi isap, kemudian dikurung diantara ruangan rotor dan rumah pompa, selanjutnya didorong ke ruang tengah dengan gerak putar dari rotor, sehingga tekanan statisnya naik dan fluida akan dikeluarkan melalui sisi tekan. Contoh tipe pompa ini adalah : screw pump, gear pump dan vane pump.

(Sumber : Bahan Ajar Pompa dan Kompresor, Sri Utami, MT, hal : 46)

 Pompa Torak (Reciprocating Pump)

Pompa torak mempunyai bagian utama berupa torak yang bergerak bolak-balik dalam silinder. Fluida masuk melalui katup isap (suction valve) ke dalam silinder dan kemudian ditekan oleh torak sehingga tekanan statis fluida naik dan sanggup mengalirkan fluida keluar melalui katup tekan (discharge valve). Contoh tipe pompa ini adalah : pompa diafragma dan pompa plunyer.

(Sumber : Bahan Ajar Pompa dan Kompresor, Sri Utami, MT, hal : 47) Gambar 2.2. Pompa diafragma

2. Pompa Tekanan Dinamis

Pompa tekanan dinamis disebut juga rotodynamic pump, turbo pump atau impeller pump. Pompa yang termasuk dalam kategori ini adalah : pompa jet dan pompa sentrifugal.

Ciri-ciri utama dari pompa ini adalah:

- Mempunyai bagian utama yang berotasi berupa roda dengan sudu-sudu sekelilingnya, yang sering disebut dengan impeler.

- Melalui sudu-sudu, fluida mengalir terus-menerus, dimana fluida berada diantara sudu-sudu tersebut.

Prinsip kerja pompa sentrifugal adalah : energi mekanis dari luar diberikan pada poros untuk memutar impeler. Akibatnya fluida yang berada dalam impeler, oleh dorongan sudu-sudu akan terlempar menuju saluran keluar. Pada proses ini fluida akan mendapat percepatan sehingga fluida tersebut mempunyai energi kinetik. Kecepatan keluar fluida ini selanjutnya akan berkurang dan energi kinetik akan berubah menjadi energi tekanan di sudu-sudu

pengarah atau dalam rumah pompa. Adapun bagian-bagian utama pompa sentrifugal adalah poros, impeler dan rumah pompa (gambar 2.3)

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 75)

Gambar 2.3. Bagian-bagian utama pompa tekanan dinamis

Pompa tekanan dinamis dibagi berdasarkan kriteria berikut, antara lain :

A. Klasifikasi Menurut Jenis Impeler

 Pompa sentrifugal

Pompa ini menggunakan impeler jenis radial atau francis. Konstruksinya sedemikian rupa (gambar 2.4) sehingga aliran fluida yang keluar dari impeler akan melalui bidang tegak lurus pompa. Impeler jenis radial digunakan untuk tinggi tekan (head) yang sedang dan tinggi, sedangkan impeler jenis francis digunakan untuk head yang lebih rendah dengan kapasitas yang besar. Impeler dipasang pada ujung poros dan pada ujung lainnya dipasang kopling sebagai penggerak poros pompa.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 7)

Gambar 2.4. Pompa sentrifugal

 Pompa aliran campur

Pompa ini menggunakan impeler jenis aliran campur (mix flow), seperti pada gambar 2.5. Aliran keluar dari impeler sesuai dengan arah bentuk permukaan kerucut rumah pompa.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 76)

Gambar 2.5 Pompa aliran campur

 Pompa aliran aksial

Pompa ini (gambar 2.6) menggunakan impeler jenis aksial dan zat cair yangmeninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan silinder rumah

pompa ke arah luar. Konstruksinya mirip dengan pompa aliran camput, kecuali bentuk impeler dan difusernya.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 76)

Gambar 2.6. pompa aliran aksial

B. Klasifikasi menurut bentuk rumah pompa

 Pompa volut

Pompa ini khusus untuk pompa sentrifugal. Aliran fluida yang meninggalkan impeler secara langsung memasuki rumah pompa yang berbentuk volut (rumah siput) sebab diameternya bertambah besar. Bentuk dan konstruksinya terlihat pada gambar 2.4. Dan inilah pompa yang akan kita gunakan dalam simulasi ini.

 Pompa diffuser

Konstruksi pompa ini dilengkapi dengan sudu pengarah (diffuser) di sekeliling saluran keluar impeller (gambar 2.7). Pemakaian diffuser ini akan

memperbaiki efisiensi pompa. Difuser ini sering digunakan pada pompa bertingkat banyak dengan head yang tinggi.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 8)

Gambar 2.7. Pompa diffuser

 Pompa vortex

Pompa ini mempunyai aliran campur dan sebuah rumah volut seperti tergambar pada gambar 2.8. Pompa ini tidak menggunakan diffuser, namun memakai saluran yang lebar. Dengan demikian pompa ini tidak mudah tersumbat dan cocok untuk pemakaian pada pengolahan cairan limbah.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 77)

C. Klasifikasi menurut jumlah tingkat

 Pompa satu tingkat

Pompa ini hanya mempunyai sebuah impeler (gambar 2.4 s/d 2.8). Pada umumnya head yang dihasilkan pompa ini relative rendah, namun konstruksinya sederhana.

 Pompa bertingkat banyak

Pompa ini menggunakan lebih dari satu impeler yang dipasang secara berderet pada satu poros (gambar 2.9). Zat cair yang keluar dari impeler tingkat pertama akan diteruskan ke impeler tingkat kedua dan seterusnya hingga ke tingkat terakhir. Head total pompa merupakan penjumlahan head yang dihasilkan oleh masing-masing impeler. Dengan demikian head total pompa ini relative lebih tinggi dibanding dengan pompa satu tingkat, namun konstruksinya lebih rumit dan besar.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 78)

D. Klasifikasi menurut letak poros

 Pompa poros mendatar

Pompa ini mempunyai poros dengan posisi horizontal (gambar 2.4 s/d 2.9). pompa jenis ini memerlukan tempat yang relative lebih luas.

 Pompa jenis poros tegak

Poros pompa ini berada pada posisi vertikal, seperti terlihat pada gambar 2.10. Poros inidipegang di beberapa tempat sepanjang pipa kolom utama bantalan. Pompa ini memerlukantempat yang relative kecil dibandingkan dengan pompa poros mendatar. Penggerak pompa umumnya diletakkan di atas pompa.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 78) Gambar 2.10. Pompa aliran campur poros tegak

E. Klasifikasi menurut belahan rumah

 Pompa belahan mendatar

Pompa ini mempunyai belahan rumah yang dapat dibelah dua menjadi bagian atas dan bagian bawah oleh bidang mendatar yang melalui sumbu poros. Jenis pompa ini sering digunakan untuk pompa berukuran menengah dan besar dengan poros mendatar.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 79)

Gambar 2.11. Pompa jenis belahan mendatar

 Pompa belahan radial

Rumah pompa ini terbelah oleh sebuah bidang tegak lurus poros. Konstruksi seperti ini sering digunakan pada pompa kecil dengan poros mendatar. Jenis ini juga sesuai untuk pompa-pompa dengan poros tegak dimana bagian-bagian yang berputar dapat dibongkar ke atas sepanjang poros.

 Pompa jenis berderet

Jenis ini terdapat pada pompa bertingkat banyak, dimana rumah pompa terbagi olehbidang - bidang tegak lurus poros sesuai dengan jumlah tingkat yang ada.

F. Klasifikasi menurut sisi masuk impeller

 Pompa isapan tunggal

Pada pompa ini fluida masuk dari sisi impeler. Konstruksinya sangat sederhana, sehingga sangat sering dipakai untuk kapasitas yang relative kecil. Adapun bentuk konstruksinya terlihat pada gambar 2.4 s/d 2.10.

 Pompa isapan ganda

Pompa ini memasukkan fluida melalui dua sisi isap impeler (gambar 2.12). Pada dasarnya pompa ini sama dengan dua buah impeler pompa isapan tunggal yang dipasang bertolak belakang dan dipasang beroperasi secara parallel. Dengan demikian gaya aksial yang terjadi pada kedua impeler akan saling mengimbangi dan laju aliran total adalah dua kali laju aliran tiap impeler. Oleh sebab itu pompa ini banyak dipakai untuk kebutuhan dengan kapasitas yang besar.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 8)

2.2 Generator

Generator listrik adalah sebuah alat yang menghasilkan energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Faraday. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin uap, air yang jatuh melalui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi mekanik yang lain.

Berdasarkan arus keluarannya, generator dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu generator arus searah atau biasa disebut dinamo, dan generator arus bolak balik atau alternator. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar gelung di antara kutub utara-selatan sebuah mangnet. Perbedaan generator arus bolak-balik dan generator arus searah adalah pada cincin luncur yang berhubungan dengan tiap ujung gelung. Pada generator arus searah hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya, disebut cincin belah atau komutator.

Pada sistem pembangkit listrik biasanya menggunakan generator arus bolak balik. Berdasarkan kecepatan memutar gelung, generator ini dibagi lagi menjadi generator sinkron dan generator asinkron (generator induksi). Disebut mesin sinkron, baik generator maupun motor karena beroperasi pada kecepatan sinkron, yaitu kecepatan dimana terbentuk medan magnet oleh gelung yang berotasi.

Kecepatan sinkron ini dapat diperoleh dari: �� =120 �

� Keterangan:

Ns = kecepatan sinkron (putaran/detik) f = frekuensi (Hz)

Pada generator AC (alternator) pembangkit listrik, magnetlah yang berputar sedangkan kumparannya diam. Magnet yang digunakan bukan magnet permanen melainkan elektromagnet (kumparan yang dililitkan pada inti besi), sehingga medan magnetik yang dihasilkan lebih besar daripada menggunakan magnet permanen.

Dalam alternator pembangkit listrik, kumparan yang diam disebut kumparan jangkar, sedangkan kumparan yang bergerak disebut kumparan medan. Kumparan jangkar dan inti besinya disebut stator dan kumparan medan dan inti besinya disebut rotor. Rotor dan turbin memiliki poros yang sama sehingga putaran turbin akan juga memutar rotor. Selain memberi putaran pada rotor, turbin juga memberi tenaga pada sebuah dinamo kecil (exiter) yang berfungsi menyuplai arus listrik ke kumparan medan.

Generator induksi adalah generator listrik yang secara mekanis dan elektrik mirip dengan motor induksi. Generator induksi menghasilkan energi listrik ketika porosnya diputar lebih cepat dari kecepatan sinkron yang dimiliki motor induksi setara. Generator induksi sering digunakan untuk turbin angin dan beberapa instalasi mikro hidro karena kemampuannya untuk menghasilkan daya yang bermanfaat pada berbagai kecepatan rotor. Generator induksi secara mekanis dan elektrik lebih sederhana daripada jenis generator lainnya.

Generator induksi tidak memiliki exiter seperti pada generator sinkron, artinya generator ini memerlukan pasokan listrik eksternal untuk menghasilkan fluks magnetik yang berputar. Pasokan listrik eksternal ini dapat diperoleh dari jaringan listrik lain ataupun dari generator itu sendiri setelah mulai menghasilkan daya. Fluks magnet berputar dari stator menginduksi arus pada rotor, yang juga menghasilkan medan magnet. Jika rotor ternyata lebih lambat dari laju fluks berputar, mesin bertindak seperti motor induksi. Jika rotor diputar lebih cepat, akan bertindak seperti generator, menghasilkan daya pada frekuensi sinkron.

Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) telah diterapkan secara luas pada PLTMH dan diakui keandalannya. Meskipun dari segi effisiensi, khususnya pada beban tidak penuh (part load), MISG tidak sebaik generator sinkron, tetapi karena motor induksi banyak tersedia dipasaran dengan range daya

yang luas dan konstruksi motor induksi jauh lebih sederhana dibanding generator sinkron sehingga lebih handal terhadap run away speed serta lebih mudah perawatannya. Maka MISG dapat dipakai sebagai alternatif dari generator sinkron untuk pembangkit mikro hidro.

Prinsip kerja MISG secara sederhana akan lebih mudah dipahami dari prinsip kerja motor induksi. Apabila motor induksi dihubungkan dengan tegangan tiga fasa, pada kumparan statornya akan timbul medan magnet putar. Kecepatan medan magnet putar (kecepatan sinkron) tergantung dari frekuensi tegangan listrik yang dihubungkan dan jumlah kutub statornya. Medan magnet putar pada kumparan stator akan memotong batang konduktor pada kumparan rotor, akibatnya pada kumparan akan dibangkitkan tegangan induksi. Pada kumparan rotor, karena batang konduktor (umumnya berupa slot alumunium yang dihubungsingkatkan pada kedua ujungnya) merupakan rangkaian yang tertutup, tegangan induksi pada rotor yang disebabkan oleh medan magnet putar stator akan menghasilkan arus listrik.

Interaksi antara medan magnet putar pada stator pada arus rotor akan menimbulkan kopel yang akan memutar rotor searah dengan medan magnet putar pada stator. Seperti yang telah diterangkan di atas, tegangan induksi pada rotor timbul karena terpotongnya batang konduktor pada rotor oleh medan magnet putar, agar tegangan induksi selalu dapat dibangkitkan pada rotor, diperlukan perbedaan relatif antara kecepatan medan magnet putar dengan kecepatan rotor yang biasa disebut sebagai slip. Pada saat beroperasi sebagai motor, motor induksi akan mempunyai slip positif, artinya kecepatan medan magnet putar akan selalu lebih besar daripada kecepatan rotor. Proses yang sebaliknya akan terjadi apabila motor induksi digunakan sebagai generator. Kopel pada rotor digerakan oleh turbin, adanya magnetisasi sisa (remannent magnetism) pada rotor umumnya cukup untuk membangkitkan tegangan awal, seperti halnya prinsip kerja sebagai motor. Agar pada kumparan stator dapat dibangkitkan tegangan listrik diperlukan daya reaktif untuk membangkitkan medan magnet putar. Pada kasus MISG beroperasi sendiri (Isolated Grid) daya reaktif tersebut harus disuplai lewat kapasitor eksitasi. Pada kasus MISG dikoneksikan dengan jaringan listrik lain (Grid Connected) daya reaktif disuplai lewat jaringan tersebut. Kebalikan dari proses sebagai motor, sebagai generator slip yang terjadi haruslah negatif, artinya kecepatan rotor harus selalu lebih besar dari kecepatan medan magnet putarnya.

Tidak semua motor induksi cocok digunakan sebagai MISG. Jenis motor yang cocok digunakan untuk MISG adalah jenis sangkar tupai (Squirel Cage Motor). Kelebihan dari MISG daripada generator sinkron adalah sebagai berikut:

1. Lebih murah daripada menggunakan generator sinkron terutama untuk keperluan daya yang rendah seperti pada PLTMH karena dapat digunakan motor bekas.

2. Generator ini tidak akan bermasalah apabila kelebihan beban (overload), apabila terjadi kelebihan beban generator ini hanya akan berhenti menghasilkan listrik, apabila beban berlebih dilepaskan maka generator akan bekerja seperti semula. 3. Mudah dibuat dari motor induksi, hanya dengan menyambungkan kapasitor

secara paralel ke motor dan dijalankan pada kecepatan lebih tinggi dari rpm yang tertera.

Kekurangan MISG dari generator sinkron adalah sebagai berikut :

1. Generator sinkron dapat dibeli dan langsung digunakan, sedangkan MISG memerlukan perhitungan nilai kapasitor sesuai yang akan dipasangkan pada motor.

2. Generator tidak dapat di-start jika dipasangkan beban, generator tidak boleh dipasangkan beban sebelum mencapai kecepatan kerja.

3. Generator ini tidak boleh digunakan untuk mengerakkan motor induksi, karena induktansi tambahan dari motor akan membatalkan reaktansi dari kapasitor dan menyebabkan generator berhenti menghasilkan listrik.

Pada penelitian ini, tidak digunakan MISG karena alasan berikut ini:

1. Sudah ada generator dari Laboratorium Mekanika Fluida sehingga dapat menghemat biaya.

2. Tidak ada motor induksi bekas yang dapat dipakai, sehingga akan lebih 3. mahal jika dibeli motor induksi yang baru.

4. Untuk pengujian MISG kurang effisien untuk digunakan karena untuk putaran rendah tidak dapat menghasilkan listrik.

Gambar 2.13 Generator AC

2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)

Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan dan jumlah debit air.

2.3.1 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH)

Secara teknis PLTMH memiliki 3 komponen utama yaitu Air (sumber energi), Turbin Air (pada penelitian ini menggunakan Pompa Sentrifugal sebagai turbin) dan generator.

PLTMH mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu. Pada dasarnya, PLTMH memanfaatkan energi potensial jatuhan air. Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Air dialirkan (dijatuhkan) melalui sebuah pipa ke dalam pompa untuk menggerakkan impeller yang ada di dalamnya. Energi mekanik yang berasal dari putaran impeller pompa akan diteruskan dan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator.

Perbedaan antara Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) dengan PLTMH adalah terutama pada besarnya tenaga listrik yang dihasilkan, PLTA dibawah ukuran

200 kW digolongkan sebagai mikrohidro. Dengan demikian, sistem pembangkit mikrohidro cocok untuk menjangkau ketersediaan jaringan energi listrik di daerah – daerah terpencil dan pedesaan.

Gambar. 2.14 Pompa sentrifugal 4 inch

(Sumber : Bahan Ajar Pompa dan Kompresor, Sri Utami, MT, hal : 35)

Gambar 2.16 Aliran Fluida Dalam Pompa Sentrifugal

Debit aliran pada pompa dapat dihitung denganpersamaan:

Q = v × A

Keterangan:

Q = Debit aliran (m3/s)

v = Kecepatan Air Masuk Turbin (m/s) A = luas penampang pipa (m2)

Maka, dengan data – data diatas dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak CFD untuk mendapatkan data simulasi kondisi kerja berupa data tekanan dan temperatur kerja pompa sebagai turbin.

2.4 Computational Fluid Dinamycs (CFD)

Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan sehari – hari. Misalnya pengondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi, interaksi berbagai

objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar panas dan reactor kimia, dan lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik.

2.4.1 Pengertian Umum CFD

Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :

- Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi

- Fluid Dynamics : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.

Ditinjau dari istilah di atas, maka CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda – benda atau zat yang mengalir. Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan – persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan – persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan – persamaan diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum – hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energi yang diubah kedalam bentuk numerik (persamaan linear) dengan teknik diskritisasi.

Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda – benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan di komputer.. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data – data, gambar – gambar, atau kurva – kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain.

2.4.2 Penggunaan CFD

Dalam aplikasinya CFD dapat dipergunakan bagi :

- Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya.

- Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan. - Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.

- Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics) - Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam.

- Analis failure untuk mencari sumber – sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas.

- Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya.

Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut : 1. Studi konsep dari desain baru

2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshouting 4. Desain ulang (re – design)

2.4.3 Manfaat CFD

Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni : insight, foresight, dan efficiency. 1) Insight ( Pemahaman Mendalam )

Apabila dalam mendesain sebuah system atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya.

2) Foresight (Prediksi Menyeluruh)

Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal.

3) Efficiency (Efisiensi Waktu dan Biaya)

Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran.

2.4.4 Proses Simulasi CFD

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu sebagai berikut :

1) Tahap persiapan (preprocessing)

Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat – sifat fluidanya.

2) Pemecahan masalah (Solving)

Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat persiapan

3) Penyelesaian (postprocessing)

Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bias berupa gambar, kurva , dan animasi. Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD,

yaitu sebagai berikut :

1) Pembuatan geometri dari model/problem

2) Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel – sel kecil (meshing)

3) Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan – persamaan gerak, entalpi, konversi species (zat – zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan)

4) Pendefinisian kondisi – kondisi batas, termasuk didalamnya sifat – sifat dan perilaku dari batas – batas model. Kadang untuk beberapa kasusu, kondisi awal juga didefinisikan.

5) Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.

2.4.5 Metode Diskritisasi CFD

Secara matematis CFD mengganti persamaan – persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energy dengan persamaan – persamaan aljabar linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).

Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan – persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah :

- Metode beda hingga (finite difference method) - Metode elemen hingga (finite elements method) - Metode volume hingga (finite volume method) - Metode elemen batas (boundary element method)

- Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method)

Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya diperlukan kehati – hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinyu.

2.4.6. Pengenalan Solidwork Flow Simulation

SolidWorks Flow simulation menggunakan analisis Komputasi Dinamika Fluida (CFD) untuk memungkinkan secara cepat dan mudah simulasi aliran fluida dan perpindahan panas. Terintegrasi dengan SolidWorks CAD, sehingga pembuatan model dan pelaksanaan simulasi dapat dilakukan dengan lebih mudah.

SolidWorks Flow simulation merupakan aplikasi perangkat lunak yang kemudian kita harapkan keluaran berupa tampilan kontur atau distribusi tekanan dan kecepatan serta data lain yang kemudian akan dianalisis untuk dikaji tentang kesimpulan yang dapat diambil dari hasil simulasi. Karena itulah, aplikasi ini harus dijalankan pada sebuah unit computer yang dapat memenuhi kebutuhan yang diperlukan oleh perangkat lunak. Aplikasi ini sangat membutuhkan hasil keluaran yang punya tingkat detail yang rinci. Maka, sangat dianjurkan computer yang akan menjalankan aplikasi ini, punya Video Graphic Array (VGA) yang mumpuni untuk bisa mengeksekusi sebuah perintah yang diberikan oleh SolidWorks Flow simulation. Kekurangan spesifikasi minimal akan membuat kesalahan eksekusi perintah berupa error command (perintah salah) yang menyebabkan tidak bisanya semua perintah aplikasi dijalankan, bukan lagi karena kesalahan parameter yang dimasukkan, tetapi karena ketidaksanggupan komputer untuk mengeksekusi perintah-perintah yang diberikan oleh aplikasi.

Berikut spesifikasi minimal sebuah unit computer yang dianjurkan untuk dapat menjalankan aplikasi Solidwork Flow Simulation dengan baik:

- Processor intel Pentium IV, 2.6 GHz atau lebih canggih dari itu. - Hard disk untuk instalasi minimal 700MB

- Random Acces Memory (RAM) minimal 2GB, dianjurkan memiliki VGA eksternal untuk peningkatan kinerja pada saat meshing.

- Monitor dengan resolusi minimal 1024x768 pixel

2.5 Persamaan Pembentuk Aliran

Dasar dari persamaan pembentuk aliran untuk fluida dan perpindahan panas adalah pengenbangan dari tiga hukum konservasi fisika, yaitu, hukum konservasi massa, konservasi momentum dan konservasi energi.

2.5.1 Hukum Konservasi Massa

Hukum konservasi massa menyatakan bahw akan konstan meskipun terjadi berbagai macam proses di dalam sistem tersebut(dalam sistem tertutup Massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah sama (tet Pernyataan yang umum digunakan untuk menyatakan hukum kekekalan massa adalah massa dapat berubah bentuk tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Dapat diformulasikan dalam rumusan :

Dimana M adalah massa fluida yang terperangkap di dalam sistem dan ṁ merupakan massa rata – rata yang mengalir pada permukaan elemen.

Dari gambar di atas, menghasilkan rumusan :

Penyelesaian persamaan di atas dengan faktor pembagi dari ฀x฀y, sehingga :

2.5.2 Hukum Konservasi Momentum

Hukum kekekalan momentum adalah salah satu hukum dasar yang ada dalam ilmu Fisika. Hukum ini menyatakan bahwa “Momentum total dua buah benda sebelum bertumbukan adalah sama setelah bertumbukan”. Pernyataan ini mengisyaratkan bahwa nilai momentum total ketika benda bertumbukan adalah konstan atau tidak berubah. Untuk memahami hukum ini, dapat kita mulai dengan memahami Hukum kedua Newton.

Fx dan αx merupakan resultan gaya dan percepatan pada sumbu x. Dengan mensubstitusikan semua gaya yang tergambar pada gambar dan menggunakan a x = Du Dt, maka, dapat disusun persamaan.

2.5.3 Hukum Konservasi Energi

Pada bagian ini , prinsip ketiga bahwa energi memiliki kekekalan, dimana energi dalam (E) adalah penjumlahan fluks panas (Q) dan kerja (W) :

Gambar. 2.19 Kerja elemen pada sumbu - x

Sesuai dengan definisi dan gambar di atas, kerja yang terjadi pada searah sumbu x dapat dihitung dengan rumusan :

Gambar. 2.20 Fluks panas pada permukaan elemen fluida

Ada dua sumber panas pada fluks panas, pertama adalah panas di dalam elemen, seperti, penyerapan, reaksi kimia atau radiasi. Kedua adalah perpindahan panas pada elemen pada permukaan karena perbedaan temperatur, dimanapanas pada elemen disimbolkan dengan q x, q y dan q z . sehingga dapat disusun persamaan :

Gambar 2.21 Diagram Alir Penelitian Survei Instalasi

PLTMH

Mengamati Cara Kerja Instalasi PLTMH

Pengambilan Data dan Hasil Pengamatan

Analisa/Perhitungan Data dan Simulasi

dengan CFD

Penulisan Laporan Hasil Penelitian

dan Simulasi

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1. Umum

Salah satu alternatif yang ekonomis untuk membangun pembangkit listrik tenaga air skala kecil adalah dengan menggunakan pompa sebagai turbin. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai ketinggian tertentu. Pada aplikasi pompa sebagai turbin, prinsip kerja pompa dibalik yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeller (baling – baling) pompa. Putaran impeller ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik.

Aliran air yang digunakan berasal dari tangki penampungan bawah (TPB) terletak di lantai satu laboratorium dipompakan ke tangki penampungan atas (TPA) oleh satu unit pompa pengumpan. Kapasitas aliran (debit) air yang akan diumpankan dapat diatur melalui sebuah katup pengatur (gate valve) sesuai dengan kebutuhan. Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang relatif tinggi menuju tempat yang relatif lebih rendah.. Kemudian daya air ini akan masuk melalui saluran suction (sisi masuk) pada pompa dan memutar impeller pompa. Maka zat cair mendorong sudu – sudu agar dapat berputar sehingga daya impeller akan diberikan untuk memutar poros pompa. Zat cair yang keluar melalui impeller akan disalurkan keluar pompa melalui saluran suction (sisi isap).

Untuk penelitian ini, TPA yang digunakan berada pada dua tempat yaitu di lantai tiga laboratorium dengan ketinggian 9,29 m dan pada lantai dua laboratorium dengan ketinggian 5,18 m (diukur dari poros PAT ke tangki penampungan).

Dari uraian di atas, jelas bahwa penggunaan pompa sebagai turbin (PAT) dapat mengubah energi potensial fluida menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Selanjutnya daya poros ini akan diteruskan oleh suatu sistem transmisi (dalam hal ini digunakan transimsi sabuk) ke generator dan diubah menjadi energi listrik.

Pada penelitian ini persamaan – persamaan aliran yang digunakan adalah seperti yang dinyatakan dalam literatur. Namun, karena persamaan – persamaan dalam literatur sangat terbatas dan geometri yang sederhana, maka dalam pengujian ini menggunakan sistem simulasi dengan menggunakan perangkat lunak komersial CFD

untuk mendapatkan bagaimana kontur aliran pada model pompa. Perangkat lunak yang akan digunakan adalah Solid Works Premium 2010.

Dalam penelitian ini digunakan data yang sudah ada yang berasal dari hasil pengujian yang telah dilakukan sebelum penelitian ini dilakukan.

3.2.Pelaksanaan Simulasi

Pada pelaksanaan simulasi CFD ini terdapat tiga proses tahapan yang harus dilakukan, yaitu :

1. Pre-processor 2. Solution Solver 3. Simulation

3.2.1. Proses Pre-Processor

Proses pre-processing merupakan proses yang dilakukan sebelum pengujian (simulasi). Proses ini mencakup pembuatan model, penentuan domain dan pembuatan mesh (meshing).

3.2.1.1. Pembuatan Model

Pembuatan model pompa dalam simulasi ini mengacu kepada bentuk dan dimensi pompa yang sebenarnya. Pembuatan model CAD dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Solid Works Premium 2010.

Pembuatan model dilakukan dengan membuat part – part pompa kemudian menggabungkannya (assembly).

- Pompa bidang hisap (suction)

- Rumah pompa (casing)

Gambar 3.2 Rumah Pompa

- Impeller pompa

Gambar 3.3 Impeller Pompa

- Pompa assembly

3.2.1.2. Menentukan Domain

Domain yang digunakan pada penelitian ini adalah Pompa Sentrifugal dan impeller yang digunakan. Adapun dimensi domain menggunakan satuan inchi, yaitu sebagai berikut.

Gambar 3.5 Computational Domain

3.2.1.3. Diskritisasi

Diskritisasi pada simulasi ini diinterpretasikan dengan pembentukan mesh atau grid. Ukuran mesh yang diterapkan pada model akan mempengaruhi ketelitian analisis CFD. Semakin kecil ukuran mesh pada model, maka hasil yang didapatkan akan semakin teliti, tetapi membutuhkan daya komputasi dan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan mesh yang memiliki ukuran lebih besar. Oleh karena itu, besar ukuran mesh harus diatur sedemikian rupa (smooth meshing) sehingga diperoleh hasil yang teliti dan diusahakan daya komputasi yang dibutuhkan tidak terlalu besar.

Gambar. 3.6 Bentuk Mesh Pada Pompa

Teknik solusi numerik yang digunakan pada penelitian ini adalah menggunakan metode volume hingga (finite volume) dengan integrasi volume atur. Proses solution solver mencakup penentuan kondisi batas (Boundary Condition) dan pengaturan simulasi yang akan dilakukan.

a. Penentuan Kondisi Batas (Boundary Condition)

Kondisi batas diatur disetiap sisi pompa dan impeller pompa. Kondisi batas yang dibutuhkan pada simulasi ini adalah kecepatan masuk air sebagai inlet, Tekanan keluar sebagai outlet dan putaran dari impeller pompa akibat jatuhan air. Kecepatan masuk, dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan energi, yaitu :

Energi Kinetik = Energi Potensial 1

2 ��

2 _{= ��ℎ} Keterangan :

m = massa (kg) v = kecepatan (m/s)

g = percepatan gravitasi (9,81 m/s2 h = Ketinggian (m)

)

Untuk dapat mengetahui debit (kapasitas air), digunakan persamaan

� =� � Keterangan :

Q = Kapasitas Air (m3 v = Kecepatan (m/s)

/s)

A = Luas Penampang (m2)

 Kecepatan Masuk dengan H = 9,29 m

1

2 ��

2 _{= ��ℎ} 1

2 �

2 _{= �ℎ} 1

2 �

�= 13,5 �/� Kecepatan masuk air di peroleh sebesar 13,5 m/s Dengan diameter pipa 4 inchi = 0,1016 m

� =� � �= 1

4�� 2

Q = 13,5 m/s x 0,00081 m2 A = 0,00081 m Q = 0,0109 m

2

3

Kapasitas/debit air, diperoleh sebesar 0,0109 m /s

3

/s

 Kecepatan Masuk dengan H = 5,18 m

1

2 ��

2 _{= ��ℎ} 1

2 �

2 _{= �ℎ} 1

2 �

2 _{= (9,81 �/�}2_{)(5,18 �)} �= 9,81 �/�

Kecepatan masuk air di peroleh sebesar 9,81 m/s

Dengan ukuran pipa 4 inchi = 0,1016 m

� =� � �= 1

4�� 2

Q = 9,81 m/s x 0,00081 m2 A = 0,00081 m Q = 0,0079 m

2

3 /s

Kapasitas/debit air, diperoleh sebesar 0,0079 m3/s

 Tekanan Keluar

Pada instalasi PLTMH ini, pada bagian discharge (sisi buang), digunakan pipa yang tidak langsung masuk (terbenam ke dalam air), sehingga pada tekanan keluar kita bisa menggunakan tekanan atmosfer, yaitu 101325 Pa

 Putaran Impeller

Putaran impeller didapatkan dari hasil pengujian[1] , yaitu dengan menggunakan TPA pada lantai 3 dengan h = 9,29 m diperoleh kecepatan putaran impeller sebesar 272 rpm dan pada lantai 2 dengan h = 5,18 m, diperoleh kecepatan impeller sebesar 293 rpm.

Gambar 3.7 Letak Kondisi Batas

Tabel. 3.1 Kondisi Batas (Boundary Condition)

N

o Kondisi Batas Jenis

Nilai

H = 9,29 m H = 5,18 m 1 Inlet Inlet Velocity 13,5 m/s 9,81 m/s

2 Outlet Environment

Pressure 101325 Pa 101325 Pa

3 Sisi Dalam Bagian Depan Wall - -

4 Sisi Dalam Bagian Belakang Wall - -

5 Impeller Angular

Velocity 272 rpm 293 rpm

b. Pengaturan Simulasi

4 3

2

5 1

Pengaturan simulasi yang dimaksud adalah menetukan beberapa aspek yang diperlukan dalam simulasi seperti bentuk solver yang dipilih, material, jenis viskos, dan lain - lain. Tabel 3.2 menunjukkan pengaturan simulasi yang dilakukan.

Tabel 3.2 Pengaturan Simulasi

Aspek Pengaturan

Model Solver (Solver Model) Pressure based, 3D, Steady

Wall Condition Adiabatic Wall

Material Water (Liquids)

Thermodynamic Parameters Pressure 101325 Pa & Temperature 293,2 K

Inisiasi (Initialize) Inlet Velocity : 13,5 m/s (h = 9,29 m) &

9,81 m/s (h = 5,18 m)

Residual Monitor 10-6

3.2.3. Menjalankan Simulasi (Simulation)

Setelah proses pre-processor dan solution telah selesai diatur. Selanjutnya adalah menjalankan (run) simulasi, maka proses perhitungan (iterasi) dimulai hingga solusi yang konvergen tercapai.

Gambar 3.9 Diagram Alir Simulasi Numerik

Mulai Modelling CAD

Import Model

Meshing dan Pengecekan Mesh

Mesh Baik

Penentuan Fluida (air)

Proses Numerik (iterasi)

Plot Distribusi

Analisis Hasil Simulasi Dari Hasil Plot Distribusi

BAB IV

SIMULASI DAN ANALISA

4.1. Simulasi Numerik Pompa Sebagai Turbin

Untuk mensimulasikan pompa yang digunakan sebagai turbin menggunakan perangkat lunak Solidwork Flow Simulation, perangkat lunak ini dipilih karena dapat memberikan analisa sekaligus dapat menjadi perangkat lunak pembuat model. Pada simulasi ini menganalisis temperature dan tekanan Pompa saat digunakan sebagai turbin.

4.1.1 Simulasi Kerja Pompa Sebagai Turbin

4.1.1.1 Simulasi pada H = 9,29 m

1. Simulasi Tekanan

Berdasarkan data dibawah ini, pada saat pompa digunakan sebagai turbin, tekanan mengalami perubahan, pada sisi masuk fluida menunjukkan bahwa tumbukan awal fluida pada impeller menghasilkan perubahan. Pada saat fluida menumbuk impeller, tekanannya sebesar 510325 Pa atau sebesar 510,3 kPa pada titik dengan tekanan tertingginya. Sedangkan untuk tekanan rerata (average) mengalami sebesar 185192 Pa atau 185,19 kPa. Untuk tekanan keluarnya sebesar

101325 Pa (Tekanan udara 1 atm) karena pipanya tidak dibenamkan, sehingga air keluar langsung menuju lingkungan. Tumbukan ini mengakibatkan impeller dapat bekerja dan berputar.

Tabel 4.1 Hasil simulasi tekanan 1

Goal Name Unit Value

Averaged

Value Minimum Value

Maximum Value

GG Min Static Pressure 1 [Pa] -72358.26162 -71077.0039 -77199.56464 -68617.76758 GG Av Static Pressure 1 [Pa] 185192.1508 183484.1469 181397.5116 187290.9615 GG Max Static Pressure 1 [Pa] 510325.9255 517190.8284 507478.9849 531841.1421 GG Bulk Av Static Pressure

Gambar 4.1 Kontur Tekanan 1

Gambar 4.3 Distribusi Tekanan 1

Keterangan : GG Min Static Pressure 1 = Simulasi tekanan pada kondisi minimum

GG Av Static Pressure 1 = Simulasi tekanan rata - rata GG Max Static Pressure 1 = Simulasi tekanan pada kondisi maksimum

GG Bulk Av Static Pressure 1 = Simulasi tekanan rata – rata secara keseluruhan

2. Simulasi Temperatur

Berdasarkan data di bawah ini, temperatur fluida selama beroperasi meningkat tetapi tidak terlalu signifikan. Temperatur masuk rumah pompa sebesar 293,164 K ketika menumbuk impeller suhu meningkat menjadi 293.263 K terjadi peningkatan sebesar 0,99 K pada kenaikan tertingginya, sedangkan untuk kenaikan reratanya (average) suhu meningkat dari 293,164 K menjadi 293,212 K,

-400000 -200000 0 200000 400000 600000 800000 1000000

0 200 400 600 800

S ta ti c P res su

re [

P

a

]

Iterations

GG Min Static Pressure 1

GG Av Static Pressure 1

GG Max Static Pressure 1

atau terjadi peningkatan sebesar 0,048 K, suhu meningkat akibat adanya gesekan dengan impeller. Dan peningkatan suhu terkonsentrasi di daerah sekitar impeller.

Tabel 4.2 Hasil simulasi temperatur 1

Goal Name Unit Value Averaged Value

Minimum Value

Maximum Value GG Min Temperature of Fluid 1 [K] 293.0641159 293.0631366 293.0578663 293.0658933 GG Av Temperature of Fluid 1 [K] 293.2124882 293.2134074 293.2124525 293.2143629 GG Max Temperature of Fluid 1 [K] 293.263339 293.262429 293.2612744 293.2640819

Gambar 4.5 Lintasan Temperatur 1

Gambar 4.6 Distribusi Temperatur 1 293

293,05 293,1 293,15 293,2 293,25 293,3

0 200 400 600 800

T

e

mp

e

ra

tu

re

o

f F

lu

id

[

K

]

Iterations

GG Min Temperature of Fluid 1

GG Av Temperature of Fluid 1

GG Max Temperature of Fluid 1

GG Bulk Av Temperature of Fluid 1

Keterangan : GG Min Static Temperatur 1 = Simulasi Temperatur pada kondisi minimum

GG Av Static Temperatur 1 = Simulasi Temperatur rata - rata

GG Max Static Temperatur 1 = Simulasi Temperatur pada kondisi maksimum

GG Bulk Av Static Temperatur 1 = Simulasi Temperatur rata – rata secara keseluruhan

3. Simulasi Kecepatan Aliran Pada Impeller

Berdasarkan gambar kontur di bawah ini, besaran kecepatan pada saat fluida beroperasi tidak seragam, pada bagian sisi rumah pompa, kecepatan fluida sangat rendah, sedangkan di sekitar impeller kecepatannya cukup tinggi. Pada keadaan maksimal kecepatan puncaknya sebesar 24,5 m/s, sedangkan secara rerata terjadi penurunan kecepatan pada fluida yaitu pada titik nilai tertinggi kecepatan di reratakan sebesar 7,17 m/s, artinya terjadi perlambatan karena tumbukan yang terjadi. Ini menunjukkan bahwa air yang masuk ke dalam sistem mempunyai percepatan minus karena memutar impeller pompa.

Tabel 4.3 Hasil simulasi kecepatan 1

Goal Name Unit Value Averaged Value Minimum Value

Maximum Value GG Min Velocity

1 [m/s] 0 0 0 0

GG Av Velocity 1 [m/s] 7.188481556 7.173549633 7.085139592 7.40172538 GG Max Velocity

1 [m/s] 24.51704233 24.39211919 24.13379497 24.87166727

GG Bulk Av

Gambar 4.7 Kontur Kecepatan 1

Gambar 4.9 Distribusi Kecepatan 1

Keterangan : GG Min Static Velocity 1 = Simulasi Kecepatan pada kondisi minimum

GG Av Static Velocity 1 = Simulasi Kecepatan rata - rata

GG Max Static Velocity 1 = Simulasi Kecepatan pada kondisi maksimum

GG Bulk Av Static Velocity 1 = Simulasi Kecepatan rata – rata secara keseluruhan

4.1.1.2 Simulasi pada H = 5,18m

1. Simulasi Tekanan Kerja

Berdasarkan data dibawah ini, pada saat pompa digunakan sebagai turbin, tekanan mengalami perubahan, pada sisi masuk fluida menunjukkan bahwa tumbukan awal fluida pada impeller menghasilkan perubahan. Pada saat fluida menumbuk impeller, tekanannya sebesar 322091Pa atau sebesar 322,09 kPa pada titik dengan tekanan tertingginya. Sedangkan untuk tekanan rerata (average)

-5 0 5 10 15 20 25 30 35

0 200 400 600 800

V el o ci ty [ m /s ] Iterations

GG Min Velocity 1

GG Av Velocity 1

GG Max Velocity 1

mengalami sebesar 144970 Pa atau 144,97 kPa. Untuk tekanan keluarnya sebesar 101325 Pa (Tekanan udara 1 atm) karena pipanya tidak dibenamkan, sehingga air keluar langsung menuju lingkungan.

Tabel 4.4 Hasil simulasi tekanan 2

Goal Name Unit Value Averaged Value

Minimum

Value Maximum Value GG Min Static Pressure 1 [Pa] 12888.48666 8493.338869 6719.975214 12888.48666 GG Av Static Pressure 1 [Pa] 144970.3659 145586.6241 144970.3659 146120.0127 GG Max Static Pressure 1 [Pa] 322091.4109 334415.9562 331584.2265 339881.8829 GG Bulk Av Static Pressure 1 [Pa] 144970.3795 145586.6383 144970.3795 146120.0271

Gambar 4.11 Lintasan Tekanan 2

Gambar 4.12 Distribusi Tekanan 2 -100000

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

0 100 200 300 400 500

S

ta

ti

c

P

res

su

re [

P

a

]

Iterations

GG Min Static Pressure 1

GG Av Static Pressure 1

GG Max Static Pressure 1

GG Bulk Av Static Pressure 1

2. Simulasi Temperatur Kerja Pompa

Berdasarkan data di bawah ini, temperatur fluida selama beroperasi meningkat tetapi tidak terlalu signifikan. Temperatur masuk rumah pompa sebesar 293,191 K ketika menumbuk impeller suhu meningkat menjadi 293,232K terjadi peningkatan sebesar 0,041 K pada kondisi maksimal, sedangkan pada rerataannya (average) suhu meningkat menjadi 293,207 K artinya terjadi peningkatan suhu sebesar 0,016 K, suhu meningkat akibat adanya gesekan dengan impeller. Dan peningkatan suhu terkonsentrasi di daerah sekitar impeller.

Tabel 4.5 Hasil simulasi temperatur 2

Goal Name Unit Value

Averaged Value

Minimum Value

Maximum Value GG Min Temperature of Fluid 1 [K] 293.1285283 293.1272652 293.1268123 293.1285283 GG Av Temperature of Fluid 1 [K] 293.207058 293.207072 293.2068522 293.2072028 GG Max Temperature of Fluid 1 [K] 293.232576 293.2338954 293.2325356 293.2345262 GG Bulk Av Temperature of Fluid 1 [K] 293.207058 293.207072 293.2068522 293.2072028

Gambar 4.14 Lintasan Temperatur 2

Gambar 4.15 Distribusi Temperatur 2 293,1 293,12 293,14 293,16 293,18 293,2 293,22 293,24 293,26

0 100 200 300 400 500

T e mp e ra tu re o f F lu id [ K ] Iterations

GG Min Temperature of Fluid 1

GG Av Temperature of Fluid 1

GG Max Temperature of Fluid 1

GG Bulk Av Temperature of Fluid 1

3. Simulasi Kecepatan Aliran

Berdasarkan gambar kontur di bawah ini, besaran kecepatan pada saat fluida beroperasi tidak seragam, dimana pada saat fluida memasuki rumah pompa bertumbukan dengan impeller. Pada kondisi maksimal kecepatan puncaknya terjadi di awal masuk yaitu sebesar 17.19 m/s, sedangkan pada keadaan rata – rata kecepatan sebesar 5,23 m/s. Dapat diartikan bahwa secara umum terjadi penurunan kecepatan. Ini disebabkan oleh fluida diberi beban untuk memutar impeller.

Tabel 4.6 Hasil simulasi kecepatan 2

Goal Name Unit Value

Averaged Value

Minimum Value

Maximum Value

GG Min Velocity 1 [m/s] 0 0 0 0

GG Av Velocity 1 [m/s] 5.2354185 5.290507826 5.23541853 5.32016396 GG Max Velocity 1 [m/s] 17.197606 17.46093935 17.197606 21.5722404 GG Bulk Av Velocity 1 [m/s] 5.2354194 5.290508772 5.23541945 5.32016491

Gambar 4.17 Lintasan Kecepatan 2

Gambar 4.18 Distribusi Kecepatan 2

4.2 Analisa Hasil Simulasi

Dari simulasi yang telah dilakukan, ditemukan beberapa fenomena – fenomena termodinamika yang terjadi pada saat pompa digunakan sebagai turbin. Dimana hal ini tergambar pada kontur – kontur kerja pompa. Karena perubahan yang terjadi pada temperatur sangat kecil, maka diabaikan. Pada analisa ini menggunakan hukum termodinamika yang berhubungan dengan fluida, yaitu Hukum Bernoulli yang berbunyi

-5 0 5 10 15 20 25

0 100 200 300 400 500

V

el

o

ci

ty

[

m

/s

]

Iterations

GG Min Velocity 1

GG Av Velocity 1

GG Max Velocity 1

“Pada saat kecepatan aliran fluida tinggi, tekanan fluida tersebut menjadi rendah. Sebaliknya jika kecepatan aliran fluida rendah, tekanannya menjadi tinggi”.

- Pada H = 9,29 m

Tabel 4.7 Distribusi besaran 1

Goal Name Unit Value

Averaged Value Minimum Value Maximum Value

GG Av Static Pressure 1 [Pa] 185192.1508 183484.1469 181397.5116 187290.9615 GG Max Static Pressure 1 [Pa] 510325.9255 517190.8284 507478.9849 531841.1421 GG Av Temperature of Fluid 1 [K] 293.2124882 293.2134074 293.2124525 293.2143629 GG Av Velocity 1 [m/s] 7.188481556 7.173549633 7.085139592 7.40172538

- Pada H = 5,18 m

Tabel 4.8 Distribusi besaran 2

Goal Name Unit Value

Averaged Value Minimum Value Maximum Value

GG Av Static Pressure 1 [Pa] 144970.3659 145586.6241 144970.3659 146120.0127 GG Max Static Pressure 1 [Pa] 322091.4109 334415.9562 331584.2265 339881.8829 GG Av Temperature of Fluid 1 [K] 293.207058 293.207072 293.2068522 293.2072028 GG Av Velocity 1 [m/s] 5.2354185 5.290507826 5.23541853 5.32016396

Sesuai data diatas, terlihat bahwa terjadi penurunan kecepatan di dua kondisi head yang berbeda, pada H = 9,29 m kecepatan masuk fluida sebesar 13,5 m/s, namun ketika beroperasi kecepatannya menurun menjadi 7,188 m/s. Pada H = 5,18 m kecepatan masuk fluida sebesar 9,81 m/s, namun ketika beroperasi kecepatannya menurun menjadi 5,23 m/s. Karena tekanan awal diasumsikan tekanan atmosfir sebesar 1 atm (103125 Pa), pada H = 9,29 tekanan rata - ratanya sebesar 185192 Pa dan pada H = 5,18 tekanan rata - ratanya sebesar 144970 Pa, sedangkan untuk tekanan maksimalnya pada H = 9,29 m adalah sebesar 510325.9255 Pa dan pada H = 5,18 sebesar 322091.4109 Pa. Fenomena ini sesuai dengan ketentuan Bernoulli, yakni ketika tekanan naik maka kecepatan turun dan ketika kecepatan naik maka tekanan akan turun.

4.3 Validasi Hasil Simulasi

Validasi dilakukan dengan melakukan percobaan pada instalasi PLTMH di laboratorium Departemen Teknik Mesin. Dengan membandingkan antara debit keluar air pada simulasi dengan percobaaan.

Data hasil simulasi : - Pada head 9,29 m

Kecepatan air rata – rata pada kondisi ini adalah sebesar 5,85 m/s, dengan luas penampang sebesar 0,00081 m2

Q = v x A = 5,85 m/s x 0,00081 m , maka :

2

= 0.0047 m3/s = 4,7 dm3/s

Gambar 4.19 Lintasan air keluar

Gambar 4.20 Distribusi kecepatan -2

0 2 4 6 8 10 12

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

V

el

o

ci

ty

(

m

/s

)

- Pada head 5,18

Kecepatan air rata – rata pada kondisi ini adalah sebesar 4,7 m/s, dengan luas penampang sebesar 0,00081, maka :

Q = v x A = 4,7 m/s x 0,00081 m2 = 0.0038 m3/s = 3,8 dm3/s

Gambar 4.21 Lintasan air keluar

Gambar 4.22 Distribusi kecepatan -1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

V

el

o

ci

ty

(

m

/s

)

Data hasil percobaan :

Percobaan dilakukan dengan mengukur volume air yang dikeluarkan pompa sebagai turbin, sehingga didapatkan debit air keluar dari pompa sebagai turbin. Percobaan ini dilakukan sebanyak 3 kali pada dua head yang berbeda dengan cara menampung air yang keluar dengan ember dalam rentang waktu 4 detik, kemudian diukur volume air menggunakan gelas ukur dan dihitung debit air yang terjadi.

Gambar 4.23 Percobaaan

Gambar 4.25 Stopwatch - Pada head 9,29 m

t = 4 detik, Q1 = 16 L, Q2 = 15,1 L, Q3 = 15,3 L

jika di rata – ratakan, maka :

Q = 15,4 liter / 4 s = 3,85 liter /s = 3,85 dm3/s

- Pada head 5,18 m

t = 4 detik, Q1 = 13,2 L, Q2 = 14 L, Q3 = 12,5 L

jika di rata – ratakan, maka:

Q = 13,2 liter / 4 s = 3,325 liter /s = 3,325 dm3/s

Tabel 4.9 Perbandingan hasil pengujian dan simulasi

Head Q Hasil Simulasi Q Hasil

Pengujian Lab

Galat

5,18 m 3,8 dm3/s 3,325 dm3/s 12,6 % 9,29 m 4,7 dm3/s 3,85 dm3/s 18,08 %

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

-Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilaksanakan, dapat diambil kesimpulan bahwa :

-Terjadi penurunan kecepatan aliran fluida ketika beroperasi, ini disebabkan oleh tumbukan antara fluida dan impeller pompa, sehingga menghasilkan perlambatan dan meningkatkan tekanan.

-Perubahan tekanan terbesar pada sistem adalah didaerah sekitar impeller pompa, ini disebabkan oleh adanya gaya yang terjadi akibat fluida yang bekerja untuk menggerakkan impeller pompa.

-Tidak terjadi perubahan temperatur yang signifikan pada fluida, dimana pada H = 9,29 perubahan temperatur hanya sebesar 0,99 k dan pada H = 5,18 perubahan hanya sebesar 0,041 K. ini dikarenakan fluida yang digunakan adalah air dan tidak ada panas yang masuk ke sistem selama operasi. Sehingga peningkatan suhu terjadi hanya karena gesekan antara fluida dan impeller pompa.

Dalam sistem ini berlaku hukum kekekalan energi mekanik, dimana

EM = EP + EK

berbunyi “Pada sistem yang terisolasi (hanya bekerja gaya berat dan tidak ada gaya luar yang bekerja) selalu berlaku energi mekanik total sistem konstan”

mgh1 + ½ mv12 = mgh2 + ½ mv22

-Sehingga, jika ingin menaikkan nilai energi yang dihasilkan dapat dengan cara meningkatkan nilai massa, kecepatan dan/atau ketinggian.

5.2 Saran

Dalam pelaksanaan simulasi ini penulis menemukan beberapa hal yang dapat menjadi saran, diantaranya :

- Diharapkan adanya penelitian lanjutan terhadap kasus ini agar dapat memperkaya khazanah tentang penggunaan pompa sebagai turbin

- Sebaiknya digunakan komputer dengan spesifikasi tinggi untuk menjalankan perangkat lunak Solidwork Flow simulation, agar dalam proses pengambilan hasil dapat dilakukan dengan cepat dan akurat.

- Diharapkan penggunaan Solidwork dapat dilakukan secara luas di lingkungan Teknik Mesin.

DAFTAR PUSTAKA

1. Anderson. John. D. Jr. 1995. Computational Fluid Dynamics. The Basic with Aplications. McGraw Hill : New York

2. Culp, Archie W. Jr. Ph.D. 1996, diterjemahkan oleh Ir. Darwin Sitompul, M.Eng.. Prinsip Konversi Energi. Penerbit Erlangga : Jakarta

3. Dicmas, John L. 1987. Vertical Turbine, Mixed Flow and Propeller Pumps. New York : McGraw Hill Book Company

4. Dougdale, R.H Bannister¸WS.1971. Fluid Mechanics. London : McDonald and Evans Ltd

5. Handayani, Sri Utami ST MT. Bahan Ajar Pompa dan Kompresor. Undip.ac.id 6. Holman. J.P. 1986. Heat Transfer. McGraw Hill Book : New York

7. Krutzsch, karasssik, Fraser Messina.1911. Pump Handbook, second edition. New York : McGraw Hill

8. Monition. L Le Nir , J Roux.1984. Micro Hydroelectric Power Stations. John Wiley & son. New York

9. Paryatmo, Wibowo. 2007. Turbin Air. Jakarta : Graha Ilmu

10.Pudjanarsa, Astu, Djati Nursuhud. 2006. Mesin Konversi Energi. Yogyakarta : Penerbit Andi

11.Situngkir, Putra S. Instalasi Rancang Bangun Dan Pengujian Pompa Sentrifugal

Sebagai Turbin Dengan Head (h) 5,18 m dan head (h) 9,29 m. usu.ac.id

12.Sularso, Haruo Tahara. 1994. Pompa dan Kompresor. Jakarta : Pradnya Paramitha 13.Vennard, John K, Robert L Street. 1982. Elementary Fluid Mechanics, sixth edition.

New York : John Wiley and Sons.

14.White, Frank M. 1997. Mekanika Fluida. Jakarta: Erlangga

15.Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles. 1998. Thermodynnamics and Approach. Four Edition United of Amerika: The McGraw-Hill companies. Inc.

- Pada head 5,18

Kecepatan air rata – rata pada kondisi ini adalah sebesar 4,7 m/s, dengan luas penampang sebesar 0,00081, maka :

Q = v x A = 4,7 m/s x 0,00081 m2 = 0.0038 m3/s = 3,8 dm3/s

Gambar 4.21 Lintasan air keluar

Gambar 4.22 Distribusi kecepatan -1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14

V

el

o

ci

ty

(

m

/s

)

Data hasil percobaan :

Percobaan dilakukan dengan mengukur volume air yang dikeluarkan pompa sebagai turbin, sehingga didapatkan debit air keluar dari pompa sebagai turbin. Percobaan ini dilakukan sebanyak 3 kali pada dua head yang berbeda dengan cara menampung air yang keluar dengan ember dalam rentang waktu 4 detik, kemudian diukur volume air menggunakan gelas ukur dan dihitung debit air yang terjadi.

Gambar 4.23 Percobaaan

Gambar 4.25 Stopwatch - Pada head 9,29 m

t = 4 detik, Q1 = 16 L, Q2 = 15,1 L, Q3 = 15,3 L

jika di rata – ratakan, maka :

Q = 15,4 liter / 4 s = 3,85 liter /s = 3,85 dm3/s

- Pada head 5,18 m

t = 4 detik, Q1 = 13,2 L, Q2 = 14 L, Q3 = 12,5 L

jika di rata – ratakan, maka:

Q = 13,2 liter / 4 s = 3,325 liter /s = 3,325 dm3/s

Tabel 4.9 Perbandingan hasil pengujian dan simulasi

Head Q Hasil Simulasi Q Hasil

Pengujian Lab

Galat 5,18 m 3,8 dm3/s 3,325 dm3/s 12,6 % 9,29 m 4,7 dm3/s 3,85 dm3/s 18,08 %

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

-Berdasarkan hasil simulasi yang telah dilaksanakan, dapat diambil kesimpulan bahwa :

-Terjadi penurunan kecepatan aliran fluida ketika beroperasi, ini disebabkan oleh tumbukan antara fluida dan impeller pompa, sehingga menghasilkan perlambatan dan meningkatkan tekanan.

-Perubahan tekanan terbesar pada sistem adalah didaerah sekitar impeller pompa, ini disebabkan oleh adanya gaya yang terjadi akibat fluida yang bekerja untuk menggerakkan impeller pompa.

-Tidak terjadi perubahan temperatur yang signifikan pada fluida, dimana pada H = 9,29 perubahan temperatur hanya sebesar 0,99 k dan pada H = 5,18 perubahan hanya sebesar 0,041 K. ini dikarenakan fluida yang digunakan adalah air dan tidak ada panas yang masuk ke sistem selama operasi. Sehingga peningkatan suhu terjadi hanya karena gesekan antara fluida dan impeller pompa.

Dalam sistem ini berlaku hukum kekekalan energi mekanik, dimana

EM = EP + EK

berbunyi “Pada sistem yang terisolasi (hanya bekerja gaya berat dan tidak ada gaya luar yang bekerja) selalu berlaku energi mekanik total sistem konstan”

mgh1 + ½ mv12= mgh2 + ½ mv22

-Sehingga, jika ingin menaikkan nilai energi yang dihasilkan dapat dengan cara meningkatkan nilai massa, kecepatan dan/atau ketinggian.

5.2 Saran

Dalam pelaksanaan simulasi ini penulis menemukan beberapa hal yang dapat menjadi saran, diantaranya :

- Diharapkan adanya penelitian lanjutan terhadap kasus ini agar dapat memperkaya khazanah tentang penggunaan pompa sebagai turbin

- Sebaiknya digunakan komputer dengan spesifikasi tinggi untuk menjalankan perangkat lunak Solidwork Flow simulation, agar dalam proses pengambilan hasil dapat dilakukan dengan cepat dan akurat.

- Diharapkan penggunaan Solidwork dapat dilakukan secara luas di lingkungan Teknik Mesin.

DAFTAR PUSTAKA

1. Anderson. John. D. Jr. 1995. Computational Fluid Dynamics. The Basic with

Aplications. McGraw Hill : New York

2. Culp, Archie W. Jr. Ph.D. 1996, diterjemahkan oleh Ir. Darwin Sitompul, M.Eng..

Prinsip Konversi Energi. Penerbit Erlangga : Jakarta

3. Dicmas, John L. 1987. Vertical Turbine, Mixed Flow and Propeller Pumps. New York : McGraw Hill Book Company

4. Dougdale, R.H Bannister¸WS.1971. Fluid Mechanics. London : McDonald and Evans Ltd

5. Handayani, Sri Utami ST MT. Bahan Ajar Pompa dan Kompresor. Undip.ac.id 6. Holman. J.P. 1986. Heat Transfer. McGraw Hill Book : New York

7. Krutzsch, karasssik, Fraser Messina.1911. Pump Handbook, second edition. New York : McGraw Hill

8. Monition. L Le Nir , J Roux.1984. Micro Hydroelectric Power Stations. John Wiley & son. New York

9. Paryatmo, Wibowo. 2007. Turbin Air. Jakarta : Graha Ilmu

10.Pudjanarsa, Astu, Djati Nursuhud. 2006. Mesin Konversi Energi. Yogyakarta : Penerbit Andi

11.Situngkir, Putra S. Instalasi Rancang Bangun Dan Pengujian Pompa Sentrifugal Sebagai Turbin Dengan Head (h) 5,18 m dan head (h) 9,29 m. usu.ac.id

12.Sularso, Haruo Tahara. 1994. Pompa dan Kompresor. Jakarta : Pradnya Paramitha 13.Vennard, John K, Robert L Street. 1982. Elementary Fluid Mechanics, sixth edition.

New York : John Wiley and Sons.

14.White, Frank M. 1997. Mekanika Fluida. Jakarta: Erlangga

15.Yunus A. Cengel dan Michael A. Boles. 1998. Thermodynnamics and Approach. Four Edition United of Amerika: The McGraw-Hillcompanies. Inc.