Instalasi Rancang Bangun Dan Pengujian Pompa Sentrifugal Sebagai Turbin Dengan Head (H) 5,18 M Dan Head (H) 9,29 M

INSTALASI RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN

POMPA SENTRIFUGAL SEBAGAI TURBIN DENGAN

HEAD

(H)

5,18 M DAN HEAD

(H)

9,29 M

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ALBERT STEVEN CHU NIM. 060401061

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

ABSTRAK

Penggunaan turbin air didalam sistem pembangkit tenaga listrik saat ini masih sangat dominan karena hanya memanfaatkan aliran air yang tersedia di alam. Dalam pemakaiannya kita harus memilih dan menentukan karakteristik turbin sesuai dengan kondisi dan tempat di mana turbin air dipasang agar dihasilkan energi yang optimal.

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.

Instalasi Pump As Turbin ini merupakan salah satu instalasi turbin air yang mempunyai kapasitas lebih kecil daripada turbin-turbin yang lazim digunakan pada pembangkit listrik. Hasil pengujian menunjukkan bahwa pompa sentrifugal dengan total head (H) 8,2 m dan kapasitas (Q) 0,8 m3_{/menit lebih}

effisien dioperasikan sebagai turbin daripada pompa sentrifugal dengan head (H) 12m dan kapasitas (Q) 1,25 m3_{/menit. Pompa ini dapat diandalkan dengan}

effisiensi yang cukup tinggi (46,66 %) dan menghasilkan daya 501,75 Watt pada head 9,29 meter (diukur dari poros pompa) dengan ketinggian air dalam tempat penampungan atas (TPA) 50 cm.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan anugrah-Nya yang telah diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan buku skripsi ini tepat pada waktunya.

Skripsi merupakan salah satu persyaratan untuk menyelesaikan program studi strata satu (S1) pada Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul skripsi ini adalah Rancang Bangun Instalasi dan Pengujian Pompa Sentrifugal sebagai Turbin dengan Head (H)

5,18 m dan Head(H)9,29 m

Dalam mengerjakan skripsi ini, penulis mendapat bantuan dan dukungan berupa materil dan spiritual dari berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih setulus-tulusnya kepada:

1. Bapak Tulus B. Sitorus, ST. MT, selaku dosen pembimbing skripsi yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, dan nasehat serta banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi.

2. Bapak Dr. Himsar Ambarita ST. MT, selaku dosen yang telah banyak memberikan arahan, bimbingan, dan nasehat serta banyak meluangkan waktu dan tenaganya untuk membantu penulis menyelesaikan skripsi. 3. Orangtua dan keluarga yang telah memberikan dukungan moril ataupun

materi selama penulis melaksanakan skripsi.

4. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Bapak/Ibu staf pengajar pada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Sumatera Utara.

6. Seluruh pegawai Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Sumatera Utara yang telah memberikan bantuan dalam hal akademis maupun non-akademis.

7. Seluruh Asisten Laboratorium di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, terutama kepada Bang Sarjana ST. yang telah membantu dalam instalasi dudukan tong.

8. Rekan-rekan mahasiswa Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, khususnya angkatan 2006 yang telah mendukung dan membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 9. Untuk semua pihak yang ikut membantu penulis dalam menyelesaikan

skripsi, yang tidak dapat disebutkan oleh penulis satu persatu.

Terima kasih penulis ucapkan atas perhatian dan dukungan dari semua pihak sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Medan, 7 Maret 2011 Penulis,

Albert Steven Chu NIM. 060401061

DAFTAR ISI

ABSTRAK... i

KATA PENGANTAR... ii

DAFTAR ISI... iv

DAFTAR SIMBOL... vi

AKSARA YUNANI... vii

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Maksud dan Tujuan Penelitian... 5

1.3 Batasan Masalah... 5

1.4 Metodologi Penelitian... 6

1.5 Keluaran Skripsi... 7

1.6 Sistematika Penulisan... 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Peng ertian Pompa... 9

2.2 Klasi fikasi Pompa... 11

2.3 Turbi n air... 16

2.4 Peng gunaan Pompa Sebagai Turbin... 29

2.5 Gene rator... 31

2.6 Daya PAT(Pump As Turbine)... 37

2.7 Daya

Air... 37

2.8 Effisi ensi PAT... 38

BAB III METODOLOGI DAN ALAT PENELITIAN 3.1 Umum... 39

3.2 Pengujian Pompa Sebagai Turbin... 40

3.3 Rancang Bangun Instalasi... 43

3.4 Peralatan Pengujian... 44

3.5 Pelaksanaan Pengujian... 50

BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Perhitungan Efisiensi Pengujian PAT Dengan Pompa Sentrifugal 4 (Empat) Inchi... 55

4.2 Perhitungan Efisiensi Pengujian PAT Dengan Pompa Sentrifugal 3 (Tiga) Inchi... 62

4.3 Grafik Hasil Pengujian ... 71

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 74

5.2 Saran... 75 DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR SIMBOL

SIMBOL ARTI SATUAN

A Luas Penampang m2

D Diameter mm

f Koefisien Gesekan

-g Percepatan Gravitasi m/s2

Heff Head Effektif m

hf Head Loses Mayor m

hm Head Loses Minor m

I Kuat Arus ampere

L Panjang Pipa m

n Putaran rpm

PPAT Daya PAT watt

Pair Daya Air watt

V Tegangan Listrik volt

v Kecepatan m/s

AKSARA YUNANI

LAMBANG ARTI SATUAN



Effisiensi %



(rho) Massa Jenis kg/m3



(gamma) Berat Jenis N/m3

ABSTRAK

Penggunaan turbin air didalam sistem pembangkit tenaga listrik saat ini masih sangat dominan karena hanya memanfaatkan aliran air yang tersedia di alam. Dalam pemakaiannya kita harus memilih dan menentukan karakteristik turbin sesuai dengan kondisi dan tempat di mana turbin air dipasang agar dihasilkan energi yang optimal.

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.

Instalasi Pump As Turbin ini merupakan salah satu instalasi turbin air yang mempunyai kapasitas lebih kecil daripada turbin-turbin yang lazim digunakan pada pembangkit listrik. Hasil pengujian menunjukkan bahwa pompa sentrifugal dengan total head (H) 8,2 m dan kapasitas (Q) 0,8 m3_{/menit lebih}

effisien dioperasikan sebagai turbin daripada pompa sentrifugal dengan head (H) 12m dan kapasitas (Q) 1,25 m3_{/menit. Pompa ini dapat diandalkan dengan}

effisiensi yang cukup tinggi (46,66 %) dan menghasilkan daya 501,75 Watt pada head 9,29 meter (diukur dari poros pompa) dengan ketinggian air dalam tempat penampungan atas (TPA) 50 cm.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 LATAR BELAKANG

Indonesia adalah negara kepulauan dengan jumlah pulau yang mencapai ribuan. Dari sekian banyak pulau tersebut belum semua pulau yang dihuni manusia dapat menikmati listrik. Akibat sulitnya lokasi yang tidak dapat dijangkau oleh jaringan listrik PLN, secara sosial lingkungan timbul kesenjangan perekonomian, pendidikan, dan kesehatan.

Kemajuan teknologi sekarang 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 listrik.

Pembahasan sumber daya energi sangatlah penting karena dapat menggambarkan potensi dan prospek pemanfaatannya di masa depan. Penggunaan

energi dapat membawa dampak yang negatif bagi lingkungan. Penggunaan energi dapat menimbulkan polusi karena adanya limbah padat, limbah cair, dan gas buang. Seiring dengan meningkatnya penggunaan energi, saat ini aspek lingkungan dalam pembangunan mendapat perhatian yang serius. Pemerintah telah mengeluarkan Undang-Undang (UU) No. 23 tahun 1997 tentang Pengelolaan Lingkungan Hidup yang ditujukan untuk mengurangi dampak negatif kegiatan pembangunan terhadap lingkungan. Melengkapi UU tersebut diterbitkan UU No. 27 Tahun 1999 tentang Analisis Mengenai Dampak Lingkungan (AMDAL). Dalam perkembangan selanjutnya masalah ini selalu dikaitkan dengan konsep pembangunan berkelanjutan (sustainable development).

Salah satu opsi dalam pengembangan sektor energi adalah pemanfaatan Pembangkit Listrik Tenaga Mini Hidro (PLTM) dan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) untuk daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh jaringan listrik PLN. Pembangunan PLTM dan PLTMH tidak memerlukan relokasi tempat tinggal masyarakat setempat akibat pembuatan bendungan atau waduk. Lebih jauh, pemanfaatan PLTM dan PLTMH diharapkan dapat menyediakan tenaga listrik yang murah dan ramah lingkungan serta dapat berdampak pada kesadaran masyarakat untuk melestarikan hutan sebagai penjaga kelestarian sumber daya air. Di Indonesia potensi tenaga air untuk pengembangan PLTMH cukup besar yaitu 458,75 MW. Potensi energi air yang ada di Indonesia belum termanfaatkan secara maksimal karena belum tergalinya potensi teknologi PLTMH, padahal teknologi ini sangat cocok digunakan untuk daerah pedesaan yang berpotensi. Untuk itu perlu dilakukan penelitian PLTMH yang tepat untuk kondisi lingkungan

dan sosial di Indonesia untuk mendapatkan desain PLTMH yang sederhana dan handal.

Indonesia memiliki potensi tenaga air yang cukup besar karena kondisi topografi yang sangat mendukung, yaitu bergunung dan berbukit serta dialiri oleh banyak sungai serta adanya danau yang cukup potensial sebagai sumber tenaga air. Potensi tenaga air tersebut tersebar di seluruh wilayah Indonesia, namun tidak semua wilayah mempunyai peluang untuk dapat dikembangkan secara optimal.

Pada Gambar 1.1 ditunjukkan penyebaran potensi tenaga air untuk PLTM dan PLTMH di wilayah Indonesia.

Gambar 1.1 Penyebaran Potensi PLTM dan PLTMH Di Wilayah Indonesia[15]

Dengan melihat besarnya potensi energi terbarukan tersebut dan rasio elektrifikasi tiap pulau di Indonesia yang tidak merata, maka perlu dibuat sebuah pembangkit kecil yang mampu memanfaatkan sumber energi terbarukan yang tersedia secara lokal.

Keuntungan dari pengembangan PLTM dan PLTMH bagi masyarakat pedesaan dan desa terpencil antara lain:

1. Lokasi sumber daya air untuk PLTM dan PLTMH pada umumnya berada di wilayah pedesaan dan desa terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik. 2. Penggunaan energi konvensional, seperti batu bara untuk pembangkit tenaga

listrik di wilayah ini akan memerlukan biaya yang tinggi karena adanya tambahan biaya transportasi bahan bakar.

3. Mengurangi ketergantungan pada penggunaan bahan bakar fosil.

4. Meningkatkan kegiatan perekonomian, sehingga diharapkan dapat menambah penghasilan masyarakat.

Di Sumatera Utara contohnya, sudah dibangun dua buah pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH), masing-masing berlokasi di Asahan dan Tapanuli Tengah, yang dibangun pada tahun 2005 dan 2006. Dua pembangkit listrik tenaga mikro hidro (PLTMH) akan dibangun lagi di wilayah Pakpak Bharat dan Humbang Hasundutan, Sumatera Utara. Pembangunan pembangkit listrik tenaga air tersebut merupakan realisasi pemerintah untuk mengurangi jumlah rumah tangga (RT) yang belum memperoleh sambungan listrik PLN, yang besarnya sekitar 500.000 rumah tangga. Hal itu dikatakan Mantan Kadis Pertambangan dan Energi Sumut, Ir. Washington Tambunan, kepada wartawan di Medan. Pembangkit listrik tenaga mikro hidro tersebut akan menghasilkan listrik dengan kapasitas sebesar 30 hingga 40 kilowatt. Sebenarnya masih banyak daerah di Sumatera Utara yang berpotensi untuk dibangun pembangkit listrik tenaga mikro hidro, tetapi terkendala oleh teknologi dan biaya.

Fakta di atas menunjukkan bahwa pembangkit listrik tenaga mikro hidro sangat sesuai digunakan di Indonesia. Potensi ini sangat banyak dan tidak

digunakan dengan maksimal. Oleh karena itu, untuk mendapatkan manfaat dari sumber energi yang terbuang ini sangat dibutuhkan pengembangan teknologi PLTM dan PLTMH. Melihat potensi yang ada pengembangan teknologi ini menjadi salah satu terobosan dalam memenuhi kebutuhan listrik di pedesaan dan desa terpencil. Inilah yang menjadi latar belakang tugas akhir ini.

1.2 MAKSUD DAN TUJUAN PENELITIAN

Maksud dari penelitian dan pengujian ini adalah untuk memenuhi syarat lulus mendapatkan gelar Sarjana. Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Merancang bangun instalasi dan pengujian yang dapat digunakan untuk menguji pompa jika dioperasikan sebagai turbin. Sistem pengujian ini direncanakan dapat melakukan pengujian pada beberapa variasi head dan debit aliran air terjun.

2. Setelah dibangun, sistem ini akan digunakan untuk menguji performansi sebuah pompa sentrifugal yang ada di pasaran jika dioperasikan sebagai turbin. Dengan pengujian ini kita akan dapat menentukan apakah sebuah air terjun kecil di daerah pedalaman dapat digunakan sebagai pembangkit listrik tenaga pikohidro dan kondisi operasi bagaimana yang paling baik digunakan untuk air terjun tersebut, sehingga dengan melihat kondisi di lapangan kita akan langsung dapat menentukan sistem rancangan yang paling efisien untuk digunakan.

1.3 BATASAN MASALAH

Karena luasnya permasalahan ini, maka pengujian ini dibatasi pada:

1. Pengujian terhadap dua buah pompa sentrifugal dengan spesifikasi; head total (H) 12 m, kapasitas (Q) 1,25 m3/menit dan head total (H) 8,2 m, kapasitas (Q) 0,8 m3_{/menit, pada ketinggian (H) 5,18 m dan (H) 9,29 m}

(diukur dari poros pompa) yang digunakan sebagai turbin air.

2. Pengujian perilaku pompa sentrifugal sebagai turbin dengan parameter debit air, putaran pompa (rpm ), putaran generator (rpm), tegangan listrik (volt), dan kuat arus (ampere) terhadap pembebanan (bola lampu) 0 W, 100 W, 200 W, 300 W dan 400 W.

1.4 METODOLOGI PENELITIAN 1. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dengan mempelajari buku-buku, jurnal-jurnal, artikel maupun karya-karya ilmiah yang terkait, baik yang bersumber dari media cetak, elektronik maupun dari internet.

2. Diskusi Interaktif

Melakukan diskusi dalam bentuk tanya-jawab antara mahasiswa dan dosen pembimbing menyangkut hal-hal yang berkaitan dengan rancang bangun instalasi ini serta memecahkan permasalahan yang dihadapi secara bersama. 3. Rancang Bangun Instalasi Dan Alat Penelitian

Meninjau (survey) lapangan tempat pengujian (dilakukan tempat pengujian di Laboratorium Mesin Fluida Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara) kemudian merancang bangun sistem instalasi;

berupa instalasi dudukan tempat penampung atas (TPA), instalasi penghubung antar TPA (empat unit tong), instalasi perpipaan dan instalasi transmisi sabuk(belt)antara pompa dengan generator.

4. Pengujian dan Pengambilan Data

Pengujian dilakukan beberapa kali (lima kali pengujian dan pengambilan data) yang meliputi tegangan listrik (voltase), arus listrik yang dihasilkan (ampere), putaran poros pompa dan putaran poros generator (rpm) serta debit air sehingga data yang diperoleh lebih akurat.

5. Evaluasi

Melakukan evaluasi akhir dalam bentuk kesimpulan dan saran serta revisi dari hasil proses penelitian rancang bangun instalasi pembangkit listrik piko hidro menggunakan pompa sentrifugal sebagai turbin (PAT) yang telah dilakukan.

1.5 KELUARAN SKRIPSI

Keluaran skripsi ini diharapkan akan menghasilkan:

1. Alat pengujian PAT yang dapat dioperasikan pada beberapa variabel head dan beberapa variabel kapasitas aliran air terjun.

2. Buku skripsi akan digunakan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

Laporan ini adalah buku skripsi yang terdiri atas beberapa Bab, yaitu:

1. BAB I : Pendahuluan yang meliputi latar belakang penulisan, maskud dan tujuan penulisan, batasan masalah, metodologi penelitian, keluaran skripsi serta sistematika penulisan.

2. BAB II : Tinjauan pustaka yang berisi teori dasar pompa, turbin air, sistem PAT(Pump As Turbine)dan generator.

3. BAB III : Metodologi dan alat penelitian berisi sistematika atau alur (flow) proses pengujian dilakukan.

4. BAB IV : Hasil pengujian dan analisa. 5. BAB V : Kesimpulan dan saran. 6. DAFTAR PUSTAKA

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 PENGERTIAN POMPA

Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang relatif tinggi menuju tempat yang relatif lebih rendah. Fluida cair pada tekanan tinggi memiliki energi potensial yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan fluida cair pada tekanan yang rendah. Oleh karenanya, fluida cair akan mengalir dari tempat bertekanan tinggi menuju tempat bertekanan rendah.

Banyak pengertian tentang pompa, namun pengertian pompa yang dipakai secara umum adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Pompa merupakan sebuah mesin yang mampu menambahkan tekanan ataupun energi kepada fluida cair. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek.

Dengan memasang pompa, fluida cair akan mampu dialirkan dari tempat berdataran rendah menuju tempat yang relatif lebih tinggi.

Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada di sepanjang pengaliran.

Sistim pemompaan bertanggung jawab terhadap hampir 20% kebutuhan energi listrik dunia dan penggunaan energi dalam operasi pabrik industri tertentu berkisar 25-50%(US DOE, 2004).

Gambar 2.1 Sistem Pemompaan Dalam Sebuah Industri (US DOE, 2001)[12]

Secara umum, komponen utama sistem pemompaan (seperti yang terlihat dalam Gambar 2.1 di atas) adalah:

1. Pompa

2. Mesin penggerak: motor listrik, mesin diesel atau sistem udara 3. Pemipaan, digunakan untuk membawa fluida

4. Kran, digunakan untuk mengendalikan aliran dalam sistem 5. Sambungan, pengendalian dan instrumentasi lainnya

6. Peralatan pengguna akhir, yang memiliki berbagai persyaratan (misalnya tekanan, aliran) yang menentukan komponen dan susunan sistim pemompaan. Contohnya adalah alat penukar panas, tangki dan mesin hidrolik.

2.2 KLASIFIKASI POMPA

Klasifikasi pompa menurut prinsip operasi dasarnya, dapat diklasifikasikan menjadi dua bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (dynamic pump) atau yang sering disebut sebagai pompa sentrifugal.

Pada prinsipnya, cairan apapun dapat ditangani oleh berbagai rancangan pompa. Jika berbagai rancangan pompa digunakan, pompa sentrifugal biasanya yang paling ekonomis diikuti oleh pompa rotary dan reciprocating. Walaupun pompa perpindahan positif biasanya lebih efisien daripada pompa sentrifugal, namun keuntungan efisiensi yang lebih tinggi cenderung diimbangi dengan meningkatnya biaya perawatan.

Gambar 2.2 di bawah ini akan menjelaskan berbagai jenis pompa yang hadir dalam berbagai ukuran untuk penggunaan yang luas.

Gambar 2.2 Berbagai Jenis Pompa[12]

2.2.1 Pompa Kerja Positif(Positive Displacement Pump)

Pompa perpindahan positif dikenal dengan caranya beroperasi, yaitu cairan diambil dari salah satu ujung dan pada ujung lainnya dialirkan secara positif untuk setiap putarannya. Energi mekanik dari putaran poros pompa dirubah menjadi energi tekanan untuk memompakan fluida.

Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam pompa disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut. Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen tersebut. Pada pompa jenis ini dihasilkanhead yang tinggi tetapi kapasitas yang dihasilkan rendah.

Pompa perpindahan positif digunakan secara luas untuk pemompaan fluida selain air, biasanya fluida kental. Pompa perpindahan positif selanjutnya digolongkan berdasarkan cara perpindahannya, yaitu: pompa rotary dan pompa torak (piston).

Sering juga disebut sebagai pompa sentrifugal. Gaya sentrifugal adalah sebuah gaya yang mengakibatkan benda atau partikel terlempar ke luar dalam lintasan melengkung (melingkar). Pompa sentrifugal merupakan suatu pompa yang memiliki elemen utama sebuah motor dengan sudu impeller berputar dengan kecepatan tinggi. Fluida masuk dipercepat oleh impeller yang menaikkan kecepatan fluida maupun tekanannya dan melemparkan ke luar volut. Biasanya lebih dari 75 % pompa yang dipasang di sebuah industri adalah pompa sentrifugal. Prinsip kerjanya adalah mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing.

2.2.2.1 Prinsip Kerja Sentrifugal

Pompa sentrifugal mempunyai sebuah impeller (baling-baling) untuk mengangkat zat cairan dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Daya dari luar diberikan pada poros pompa untuk memutarkan impeller di dalam zat cair. Maka zat cair yang ada di dalam impeller oleh dorongan sudu-sudu dapat berputar. Karena timbul gaya sentrifugal, maka zat cair mengalir dari tengah impeller ke luar melalui saluran di antara sudu-sudu. Disini head tekanan zat cair menjadi lebih tinggi. Demikian juga head kecepatannya menjadi lebih tinggi karena mengalami percepatan. Zat cair yang keluar melalui impeller akan ditampung oleh saluran berbentuk volute (spiral) dikelilingi impeller dan disalurkan keluar pompa melalui nozel (outlet/discharge). Di dalam nosel ini sebagian head kecepatan aliran diubah menjadi head tekanan. Jadi impeller pompa berfungsi memberikan kerja pada zat cair sehingga energi yang dikandungnya

menjadi lebih besar. Selisih energi per satuan berat atau head total zat cair antara flange(flens) isap danflange(flens) keluar disebut head total pompa.

Dari uarian di atas, jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah energi mekanik dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah yang mengakibatkan perubahan head tekanan, head kecepatan dan head potensial pada zat cair yang mengalir secara kontinu.

Gambar 2.3 Aliran Fluida Dalam Pompa Sentrifugal[14]

Menurut proses perpindahan energi dan benda cair sebagai bahan aliran, maka pompa sentrifugal termasuk mesin aliran fluida hidraulik. Rumus utama Euler untuk mesin aliran fluida juga berlaku untuk pompa ini. Tinggi kenaikan dari pompa sentrifugal adalah sama dengan perbandingan kwadrat dari kecepatan putar pompa.

Karakteristik pompa sentrifugal ditentukan oleh besaran-besaran sebagai berikut:

1. Volume fluida yang dipompaV 2. Tinggi kenaikanH

3. Sifat atau keadaan di sisi bagian isap

4. Daya yang dibutuhkan untuk memutar pompa

Pompa sentrifugal mempunyai daerah penggunaan yang sangat luas, seperti pada pemakaian dalam masalah ekonomi air, mesin tenaga dan instalasi pemanas, kimia maupun petro kimia, perkapalan dan pompa yang dipakai di tambang-tambang. Lingkup penggunaan pompa sangat luas dengan berbagai kebutuhan terhadap kapasitas dan tinggi kenaikan yang berbeda-beda. Kadang-kadang pompa harus dibuat secara khusus sedemikian rupa sesuai dengan kebutuhan terhadap kapasitas pompa yang dibutuhkan, tinggi kenaikan dan bahan (fluida) yang akan dipompa, serta terdapat juga persyaratan khusus dari tempat di mana pompa tersebut akan dipasang, dari kemungkinan pemilihan mesin penggerak pompa dan dari masalah perawatan pompa tersebut.

2.2.2.2 Bagian-Bagian Pompa Sentrifugal

Pada pompa sentrifugal, fluida cair digerakkan oleh gaya sentrifugal dari daerah yang bertekanan rendah di pusat impeller menuju daerah yang bertekanan tinggi di discharge pompa. Secara garis besar, elemen atau komponen-komponen utama dari pompa sentrifugal ini, adalah sebagai berikut:

Gambar 2.4 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal[2]

Keterangan gambar (bagian-bagian utama pompa sentrifugal):

A. Stuffing Box

B. Packing

C. Shaft (Poros)

D. Shaft Sleeve (Selongsong

Poros)

E. Vane

F. Casing (Rumah Pompa)

G. Eye of Impeller

H. Bearing (Bantalan)

I. Casing Wear Ring (Cincin

Penahan Aus)

J. Impeller

2.3 TURBIN AIR

Kemajuan teknologi sekarang ini dalam bidang teknik mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi banyak dibuat peralatan-peralatan yang inovatif dan tepat guna. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakkan oleh air yang disambungkan dengan generator. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin.

Turbin air dikembangkan pada awal abad ke-19 dan digunakan secara luas untuk tenaga industri sebelum adanya jaringan listrik. Kata turbin ditemukan oleh insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata whirling (putaran) atau vortex (pusaran air) pegunungan. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Sekarang turbin air digunakan untuk pembangkit tenaga listrik.

Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam dua golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah.

Gambar 2.5 Pusat Tenaga Air Tekanan Tinggi Di Pegunugan[2]

Dalam suatu PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Energi mekanik dalam bentuk putaran poros ini akan diubah oleh generator listrik menjadi tenaga listrik.

Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu:

Ep = m × g × h Keterangan:

Ep = energi potensial air (Joule) m = massa air (kg)

h = tinggi air jatuh (meter) g = percepatan gravitasi (m/s2)

Dengan menggunakan rumus-rumus mekaina fluida, daya turbin, luas penampang lintang saluran dan dimensi baian-bagian turbin lainnya serta bentuk energi dari aliran air dapat ditentukan.

Ukuran dan penampang saluran aliran air, termasuk sudut-sudut sudu dari konstruksi turbin air yang berbeda-beda adalah diperuntukkan pada keadaan

pembebanan yang normal (kebanyakan untuk pembebanan penuh). Dari kapasitas airQdan tinggi air jatuh efektifHeff.dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin:

P = Q × × G × Heff× T

Keterangan:

P = daya turbin (KW) Q = kapasitas air (m3_/detik)

= massa jenis cairan (kg/m3₎

Heff = head efektif (m) T = effisiensi turbin

Selama tinggi air jatuh efektif Heff. tetap sama daya yang dihasilkan turbin

disesuaikan dengan kebutuhan, dengan jalan mengubah-ubah kapasitasQ. Hal ini terjadi karena posisi peralatan pengarah yang berubah. Sebagai hasilnya didapat perbedaan harga randemen turbuin T pada saat pembebanan sebagian dari pada

Gambar 2.6 Randemen Beberapa Konstruksi Turbin Air Pada Saat Pembebanan Sebagian; Informatif [2]

Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Untuk Turbin Air[2]

Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut:

Saat head losses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.

Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh:

Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh:

Keterangan:

P = tekanan absolut (N/m2₎

v = kecepatan (m/s)

Hl = head losses pada pipa (m)

Heff = head efektif (m)

Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana:

 Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatanV1 0.  (pressure gradeadalah nol).

Maka,

Persamaan kontinuitas: Q = V × A

Keterangan:

Q = debit aliran (m3_/detik)

V = kecepatan aliran (m/s) A = luas penampang pipa (m2₎

Head losses yang terjadi pada saluran pipa:

1. Mayor Lossesyang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa

2. Minor Losses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan(elbow), valve,saringan dan peralatan lainnya.

Gambar 2.8 Kincir Air[11]

Kincir air adalah jenis turbin yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan oleh masyarakat. Teknologinya sederhana dan biasanya bekerja pada tinggi air yang rendah berkisar antara 0,1 meter sampai 12 meter (roda kincir besar), dengan kapasitas aliran antara 0,05 m3_{/det sampai 5 m}3_{/det, serta kecepatan putarannya}

kecil berkisar pada 2 rpm sampai 12 rpm. Selain energi tempat, faktor yang harus diperhatikan pada kincir air adalah pengaruh berat air yang mengalir masuk ke dalam sel-selnya.

Air yang mengalir ke dalam dan ke luar dari kincir tidak mempunyai tekanan lebih, hanya tekanan atmosfir saja. Kecepatan air yang mengalir ke dalam kincir harus kecil, sebab bila kecepatannya besar ketika melalui sel air akan melimpah ke luar atau energi yang ada hilang percuma.

Berdasarkan prinsip kerjanya turbin air dibagi menjadi dua kelompok, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.

Table 2.1 Pengelompokan Turbin

High Head Medium Head Low Head

Impulse Turbine Pelton

Turgo

Cross Flow Multi-Jet Pelton Turgo

Reaction Turbine Francis Propeller Kaplan

Pelton

Gambar 2.9 Klasifikasi Turbin Air[2]

1. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan Sama

Yang dimaksud dengan turbin impuls adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air (yang teridiri dari energi potensial-tekanan-kecepatan) yang tersedia menjadi energi kinetik untuk memutar turbin, sehingga menghasilkan energi puntir dalam bentuk putaran poros. Atau dengan kata lain, energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nosel. Contoh turbin impuls adalah turbin Pelton. Turbin Pelton dipakai untuk tinggi air jatuh yang besar.

Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang ke luar nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfer di sekitarnya. Semua energi tinggi tempat, dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin diubah menjadi energi kecepatan (Gambar 2.15).

Gambar 2.10 Skema Turbin Pancar (Turbin Pelton), jalannya tekanan di dalam pipa dan di dalam roda jalan[2]

2. Turbin Reaksi atau Turbin Tekanan Lebih

Turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir dalam bentuk putaran. Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu.

Turbin ini terdiri dari sudu pengarah dan sudu jalan dan kedua sudu tersebut semuanya terendam di dalam air. Air dialirkan ke dalam sebuah terusan atau dilewatkan ke dalam sebuah cincin yang berbentuk spiral (rumah keong). Perubahan energi seluruhnya terjadi di dalam sudu gerak (Gambar 2.11).

Turbin air yang paling banyak digunakan adalah turbin reaksi. Turbin reaksi digunakan untuk aplikasi turbin dengan head rendah dan medium.

Pada turbin reaksi, letak turbin harus diperhatikan agar tidak terjadi bahaya kavitasi yang terjadi akibat adanya tekanan absolut yang lebih kecil dari tekanan uap air. Kavitasi dapat menyebabkan sudu-sudu turbin menjadi berlubang-lubang kecil, sehingga mengurangi efisiensi turbin yang akhirnya dapat pula merusak sudu turbin. Jika turbin diletakkan lebih tinggi dari tinggi tekanan isap, maka kavitasi akan terjadi, sehingga letak turbin harus selalu di bawah tinggi tekanan isap(Hs).

Gambar 2.11 Sistem Kerja Dari Tinggi Air Jatuh mulai dari

sudu pengarah, sudu jalan dan ke pipa. Pembagian energi tinggi air jatuh ke sudu pengarah; di sudu jalan timbul tekanan kerendahan dan di dalam pipa isap tekanan tersebut kembali terbentuk[2]

2.3.2 Perbandingan Karakteristik Turbin

Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air adalah sebagai berikut:

Tabel 2.2 Kecepatan Spesifik Turbin[10]

Turbin Pelton 12 < ns< 25

Turbin Francis 60 < ns< 300 Turbin Crossflow 40 < ns< 200 Turbin Propeller 250 < ns< 1000

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan).

Gambar 2.12 Perbandingan Karakteristik Turbin[11]

Pada gambar terlihat turbin Kaplan adalah turbin yang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yang tinggi, atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat rendah. Hal ini karena pada saluran sudu jalan belokannya hanya sedikit saja. Pada waktu bekerja sudu jalan turbin ini dapat diatur posisinya, disesuaikan dengan perubahan tinggi air jatuh.

Gambar 2.13 Daerah Penggunaan dari Beberapa Jenis Konstruksi Turbin yang Berbeda[2]

Dalam pembuatan roda turbin, kebanyakan pertama sekali membuat modelnya, setelah model tersebut diselidiki, diuji dan diubah-ubah sehingga menghasilkan daya dan randemen turbin yang baik, kemudian baru dibuat roda turbin yang besar/sesungguhnya menurut bentuk modelnya.

2.4 PENGGUNAAN POMPA SEBAGAI TURBIN

Salah satu alternatif yang ekonomis untuk membangun pembangkit listrik tenaga air skala kecil adalah dengan menggunakan pompa sebagai turbin. Bidang ilmu yang khusus mengoperasikan pompa sebagai turbin ini sering disebut dengan istilah PAT, singkatan dari Pumps As Turbine. Jarang yang tahu bahwa beberapa tipe pompa air dapat diaplikasikan sebagai turbin air. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai ketinggian tertentu. Pada aplikasi pompa sebagai turbin, prinsip kerja pompa di balik - yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeler pompa. Putaran impeler ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik.

Gambar 2.14 Instalasi Penggunaan Pompa Sebagai Turbin

Tujuan dari rancang bangun instalasi dan pengujian pompa sentrifugal sebagai turbin adalah untuk mengevaluasi penggunaan pompa sebagai turbin dalam hal performansi pada kapasitas dan efisiensi. Pada operasi turbin, debit bertambah seiring dengan kenaikan head. Head yang tersedia pada turbin sama dengan ketinggian vertikal antara sisi masuk aliran di reservoir dengan sisi keluar, sebagian kecil menjadi kerugian head pada pipa penstock. Kecepatan putar turbin bervariasi menurut beban dan terdapat perbedaan efisiensi untuk masing-masing kecepatan putar dan head.

Beberapa kelebihan aplikasi pompa sebagai turbin air adalah:

1. Sebagai produk industri yang massal, pompa mudah diperoleh dengan berbagai variasihead - flow, tersedia dalam berbagai tipe dan ukuran.

2. Mudah dalam instalasinya.

3. Harga relatif murah daripada turbin, dan suku cadang mudah diperoleh. 4. Aplikasi pompa dapat dikoneksi secara langsung dengan generator (direct

apabila putaran pompa sebagai turbin tidak sama dengan putaran generator (umumnya 1500 rpm).

Jenis pompa yang umum dipakai sebagai turbin adalah end-suction centrifugal pump untuk jatuhan 7 meter-100 meter dengan debit kecil (50 liter/detik s.d 150 liter/detik) dan mixed-flow pumpuntuk jatuhan rendah 4 meter-15 meter dengan debit cukup besar (100-400 liter/detik). Kapasitas daya aplikasi pompa sebagai turbin beragam, mulai dari 1 kW-100 kW, dengan biaya peralatan yang lebih murah (s.d 50 %) dibandingkan dengan menggunakan turbin air (costume product).

Hasil penelitian menunjukkan bahwa pompa sentrifugal sebagai turbin bisa diandalkan dengan efisiensi yang tinggi pada unit pembangkit skala kecil. Aplikasi pompa sebagai turbin di lapangan sudah cukup banyak. Aplikasi pompa sebagai turbin dapat dilakukan di saluran irigasi, tailing bendungan, menara air gedung-gedung tinggi memanfaatkan jatuhan air kondensasi pendingin, atau membuat sodetan(run-off river).

Rancang bangun instalasi dan pengujian pompa sentrifugal sebagai turbin dalam skripsi ini adalah sistem terbuka. Penulis memilih sistem ini karena lebih mirip dengan instalasi sebenarnya dalam penggunaan PAT dan pompa pengumpan lebih sederhana, walaupun instalasi yang akan dirancang bangun akan lebih mahal, lebih rumit serta head untuk pengujian terbatas.

2.5 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 ataukomutator.

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:

Keterangan:

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

P = jumlah kutub dalam generator

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 disebutrotor. 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 (disebut 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 rangedaya 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 (disebut sebagai 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 sebagaislip. 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-startjika 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.

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

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

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

Gambar 2.15 Generator AC

2.6 DAYA PAT(PUMP AS TURBINE)

Daya pompa yang digunakan sebagai turbin dapat dihitung dengan rumus

V = tegangan yang dihasilkan (volt) I = kuat arus yang diperoleh (ampere)

= effisiensi transmisi (berdasarkan perbandingan putaran) g

 = effisiensi generator (diasumsikan sebesar 0,8) = 0,8

2.7 DAYA AIR

Daya air dapat dihitung dengan rumus Pair= × g × H × Q

Keterangan:

 = massa jenis air (1000 kg/m3₎

g = gaya gravitasi (9,81 m/s2₎

Heff = head effektif (m)

Q = kapasitas air (m3_/s)

2.8 EFFISIENSI PAT

Effisiensi PAT (pump as turbine) diperoleh dari perbandingan nilai daya PAT dan daya air yaitu:

100%

PAT

PAT

air

P x

_P





Keterangan:

PAT



= effisiensi PAT (%) PPAT = daya PAT (Watt)

BAB III

METODOLOGI DAN ALAT 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 pompa. Putaran impeler ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik.

Rancang bangun instalasi dan pengujian pompa sebagai turbin (PAT) dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Dalam rancang bangun instalasi dan pengujian ini, ditambah beberapa instalasi yang telah ada (lantai tiga laboratorium dengan ketinggian 9,29 meter) pada lantai dua dengan ketinggian 5,18 meter. Adapun penambahan beberapa instalasi yang dilakukan adalah:

 Instalasi dudukan reservoir (dalam hal ini digunakan empat unit tong) dan sistem penghubung antara keempat tong tersebut.

 Instalasi saluran perpipaan untuk lantai dua.

 Instalasi dudukan pengujian PAT(Pump As Turbine).

 Instalasi PAT.

 Instalasi generator.

Aliran air yang digunakan berasal dari reservoir bawah (TPB) - terletak di lantai satu laboratorium - dipompakan ke reservoir 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. Aliran air yang jatuh dari TPA memiliki energi potensial sehingga akan menimbulkan daya air yang diberikan kepada pompa sentrifugal sebagai energi input. Kemudian daya air ini akan masuk melalui salurandischarge(sisi buang) pada pompa dan memutarimpeller (baling-baling) 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 saluransuction(sisi isap).

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.

Pompa yang digunakan dalam instalasi rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini terdiri dari dua unit pompa sentrifugal dengan ukuran suction dan discharge berbeda, yang merupakan pompa sentrifugal buatan putra bangsa Indonesia. Pompa yang digunakan berukuran 4 (empat) inchi dan 3 (tiga) inchi, disesuaikan dengan instalasi saluran pipa yang telah ada yaitu berukuran empat inchi.

Gambar 3.2 Pompa 4 (Empat) Inchi Sebagai Turbin (Tampak Samping)

Adapun spesifikasi pompa sentrifugal 4 (Empat) inchi yang digunakan dalam rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini adalah:

Tabel 3.1 Spesifikasi Pompa Sentrifugal 4 (Empat) Inchi

Speed (rpm) 1750 2200

Kapasitas (m3_{/menit) 0,63 1,25 0,8 1,6}

Total Head (m) 16,5 12 26,5 17

Power (PS) 5 10

Diameter Pulley (inch) 10,5

Namun, pompa sentrifugal 3 (tiga) inchi digunakanreducerpada discharge-nya (sisi buang).

Gambar 3.3 Pompa 3 (Tiga) Inchi Sebagai Turbin (Tampak Depan)

Gambar 3.4 Pompa 3 (Tiga) Inchi Sebagai Turbin (Tampak Samping)

Adapun spesifikasi pompa sentrifugal 3 (tiga) inchi yang digunakan dalam rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini adalah:

Tabel 3.2 Spesifikasi Pompa Sentrifugal 3 (tiga) Inchi

Speed (rpm) 1750 2350

Kapasitas (m3_{/menit) 0,4 0,8 0,8 1}

Total Head (m) 12,5 8,2 22,8 16,2

Power (PS) 3 7,5

3.3 RANCANG BANGUN INSTALASI

Rancang bangun instalasi dan pengujian PAT terdapat pada lantai dua, yang disesuaikan dengan instalasi yang terdapat pada lantai tiga. Ketinggian instalasi yang terdapat pada lantai dua adalah 5,18 meter dan pada lantai tiga adalah 9,29 meter (diukur dari poros PAT dengan sisi ke luar TPA). Panjang pipa, diukur dari lantai dua ke PAT adalah 7,09 meter, sedangkan untuk lantai tiga adalah sejauh

9,98 meter. Adapun tujuan rancang bangun instalasi dan pengujian seperti pada Gambar 3.2 adalah sebagai bentuk simulasi dari suatu aliran sungai atau aliran air terjun dengan ketinggianH.

Gambar 3.5 Rancang Bangun Instalasi PAT

3.4.1 Hand Tachometer

Alat ini digunakan untuk mengukur putaran (rpm) poros pompa dan poros generator. Pada rancang bangun instalasi dan pengujian PAT inihand tachometer yang digunakan adalah Krisbow KW06-303 dengan spesifikasi:

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

Range : autorange

Sampling time : 0,8 s (over 60 rpm)

Gambar 3.6 Hand Tachomete

3.4.2 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. Dalam rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini clamp meteryang digunakan adalah Krisbow KW06-286 dengan spesifikasi:

Tabel 3.3 Spesifikasi Clamp Meter

Fungsi Jangkauan Akurasi

Arus AC 2000 AAC ± (2.5 % + 10 digits)

200.0 AAC

400 AAC ± (3.0 % + 4 digits)

Tegangan DC

200.0 mVDC ± (0.5 % + 5 digits)

2.000 VDC

± (1.2 % + 3 digits)

20.00 VDC 200.0 VDC

600 VDC ± (1.5 % + 3 digits)

Tegangan AC

200.0 mVAC ± (1.5 % + 30 digits)

2.000 VDC

± (1.5 % + 3 digits)

20.00 VDC 200.0 VDC

600 VDC ± (2.0 % + 4 digits)

Resistansi

200 ± (1.0 % + 4 digits)

2 k

± (1.5 % + 2 digits)

20 k 200 k

2 M ± (2.0 % + 3 digits)

Gambar 3.7 Clamp Meter

3.4.3 Multimeter

Multimeter digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik (volt) yang dibangkitkan oleh dinamo dengan cara dihubungkan paralel pada rangkaian listrisk. Dalam rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini, multimeter yang digunakan adalah tipe digital dengan model DT-830B dengan spesifikasi:

Range : DC voltage : 0, 0.2, 2, 20, 200, 1000 V AC voltage : 0, 200, 750 V

DC current : 0 µA, 200 µA, 2 mA, 20 mA, 200 mA Resistance : 200 , 2 k , 20 k , 200 k , 2000 k

3.4.4 Meteran

Meteran digunakan untuk mengukur panjang. Dalam rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini meteran digunakan untuk mengukur panjang dalam instalasi pipa, instalasi dudukan tong, instalasi dudukan PAT dan mengukur tinggi permukaan air pada tempat penampungan atas (TPA) dan tempat penampungan bawah (TPB)

Gambar 3.9 Meteran

3.4.5 Generator

Generator listrik adalah sebuah alat yang menghasilkan energi listrik dari sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Generator yang digunakan dalam rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini mempunyai spesifikasi dengan putaran (n) 1500 rpm dan daya (P) 3 kW.

Gambar 3.10 Generator

3.4.6 Instalasi Rangkaian Lampu

Pada rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini digunakan lampu pijar berdaya 100 Watt sebanyak lima buah dan berdaya 200 Watt sebanyak lima buah. Pada masing-masing lampu dipasang sakelar yang berfungsi untuk menghubungkan dan memutuskan aliran listrik ke lampu. Pada rangkaian ini juga dilengkapi MCB (Mini Circuit Breaker), yang berfungsi untuk menghindari putusnya lampu bila daya yang dihasilkan berlebih.

Gambar 3.11 Rangkaian Lampu

3.4.7 Pompa Pengumpan

Pompa ini digunakan untuk mengumpankan air dari tempat penampungan bawah (TPB) ke tempat penampungan atas TPA). Dalam rancang bangun instalasi

dan pengujian PAT ini pompa pengumpan yang digunakan adalah pompa sentrifugal 6 (enam) inchi dengan daya motor penggerak (P) 5,5 kW, putaran (n) 1440 rpm dan dihubungkan secaradirect drive

Gambar 3.12 Pompa Pengumpan

3.5 PELAKSANAAN PENGUJIAN

Instalasi rancang bangun instalasi dan pengujian PAT ini dilakukan di Laboratorium Mesin Fluida, Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Pengukuran-pengukuran yang dilakukan tehadap penelitian ini meliputi:

1. Pengukuran tegangan listrik (volt) dengan menggunakan Multimeter. 2. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan menggunakan Clamp Meter. 3. Pengukuran putaran (rpm) poros PAT dan poros generator dengan

4. Pengukuran debit air dengan menggunakanstopwatch.

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

1. Pemeriksaan debit air di dalam tempat penampungan bawah (TPB) dan debit air di dalam tempat penampungan atas (TPA).

2. Pemeriksaan pipa penghubung antara TPB dan TPA, serta membuka keran pengatur(gate valve)kapasitas air pada pompa pengumpan.

3. Pemeriksaan katup (valve)untuk pengujian lantai dua atau lantai tiga. 4. Pemeriksaan katup pada PAT.

5. Pemeriksaan instalasi lampu sebagai beban. 6. Pemeriksaan poros PAT dan poros generator. 7. PemeriksaanV-Beltdan system transmisipulley. 8. Pemeriksaan generator.

Setelah prosedur pemeriksaan terhadap beberapa instalasi dan peralatan di atas selesai dilakukan dan pemeriksaan dipastikan dalam kondisi standby, maka prosedur pengujianpun dapat dimulai. Adapun prosedur pengujian rancang bangun instalasi PAT ini adalah sebagai berikut:

1. Katup pada pipa buangan ke discharge (sisi buang) pompa dibuka sesuai keinginan (bukaan katup 100 %, 75 % dan 50 %).

2. Sebelum pompa pengumpan dihidupkan, terlebih dahulu keran pengatur (gate valve)dibuka supaya umur pemakaian pompa pengumpan lebih lama.

3. Dilakukan monitoring terhadap ketinggian air di dalam TPA sesuai dengan data pengujian yang dibutuhkan (70 cm dan 50 cm).

4. Setelah ketinggian air di TPA dan aliran air pada pipa pengumpan konstan, maka dilakukan pengujian serta pengambilan data terhadap:

a. Pengukuran tengangan listrik (volt) dengan Multimeter b. Pengukuran arus listrik (ampere) dengan Clamp Meter

c. Pengukuran putaran pada poros PAT dan poros generator dengan Hand Tachometer

5. Pengukuran terhadap beberapa variabel di atas dilakukan terhadap beban (bola lampu); masing-masing 0 W (tanpa beban) 100 W, 200 W, 300 W dan 400 W.

6. Melakukan kembali pengukuran seperti prosedur pengujian sebelumnya berulang-ulang sebanyak lima kali untuk mendapatkan data pengujian yang lebih akurat.

Besaran-besaran yang diukur dan dicatat meliputi: 1. Tegangan listrik yang dihasilkan generator (V) 2. Arus listrik yang melalui rangkaian (A)

3. Putaran poros PAT (rpm) 4. Putaran poros generator (rpm)

Dari besaran-besaran di atas dapat dihitung besaran turunan lainnya seperti: 1. Daya Air

2. Daya PAT 3. Effisiensi PAT

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

1. Katup menuju discharge pada PAT ditutup.

2. Pompa pengumpan dihidupkan dan air dipompakan dari TPB ke TPA, setelah tinggi air mencapai ketinggian pengujian (50 cm atau 70 cm), pompa pengumpan dimatikan.

3. Secara bersamaan, katup menuju discharge PAT dibuka dan stopwatch dihidupkan.

4. Segera setelah air dalam tong pertama habis, katup discharge ditutup dan stopwatch dimatikan. Pencatatan data dilakukan, meliputi waktu t (detik) dan selisih ketinggian air di dalam tong h (cm).

5. Dari data yang diperoleh, maka perhitungan dabit air pun dapat dilakukan. Dengan cara volume air yang turun ( h) ke TPB dibagi waktu (t) yang diperoleh.

Flowchart Rancang Bangun Instalasi dan Pengujian Pompa Sentrifugal Sebagai Turbin (PAT)

Surveytempat pengujian akan dilakukan

Rancang bangun instalasi dan pengujian pompa sentrifugal sebagai turbin (PAT)

Pengambilan data hasil pengujian Pelaksanaan pengujian

Perhitungan dan analisa hasil

pengujian Penulisan laporan

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 PERHITUNGAN EFFISIENSI PENGUJIAN PAT DENGAN POMPA SENTRIFUGAL 4 (EMPAT) INCHI

Q = v × A Keterangan:

Q = kapasitas air (m3_{/s)(digunakan Q rata-rata dari hasil pengujian)}

v = kecepatan air masuk turbin (m/s) A = luas penampang pipa (m2₎

 Kecepatan air masuk turbin untukH=5,18 m,tinggi air dalam TPA 50 cm

Q = v × A A = 1 2

4d

0,0096 = v× 0,0081 = 0,0081 m2

v = 1,185 m/s

Diameter pipa 4 (empat) inchi = 0,1016 m

Q = v × A

0,01038 = v× 0,0081 m2

v = 1,281 m/s

 Kecepatan air masuk turbin untukH=9,29 m, tinggi air dalam TPA 50 cm Q = v . A

0,019448 = v. 0,0081 m2

v = 2,4 m/s

 Head effektif untukH=5,18 m, tinggi air dalam TPA 50 cm a. Head Losses Mayor

Bilangan Reynold;Re = V d_. Keterangan:

 = viskositas air (10-6_m2_{/s untuk tekanan 1 atm dan suhu 20}0_C)

V = 1,185 m/s d = 0,1016 m Re = 120396

Keterangan:

L = panjang pipa (7,09 m) d = 0,1016 m

V = 1,185 m/s

2

7,09(1,185) 0,0174

(0,1016)2(9,81) f

h 

f

h _{0,087 m}

b. Head Losses Minor

Tabel 4.1 Head Losses Minor UntukH= 5,18 m

N k nk

1 elbow 900 _{1 0,51 0,51}

1 Tee 1 0,34 0,34

2 katup bola 2 0,05 0,1

Sisi masuk pipa 1 0,25 0,25

Sisi keluar pipa 1 1 1

Jumlah 2,2

m

h  _2,2(1,185)2

2 9,81x m

h  _{0,157 m}

= 5,436 m

 Head effektif untukH=5,18 m,tinggi air dalam TPA 70 cm a. Head Losses Mayor

Re = 130150 f = 0,0171 hf = 0,1 m

b. Head Losses Minor m

h  _{0,184 m}

Heff = 5,18 m + 0,7 m 0,1 m 0,184 m

= 5,596 m

 Head effektif untukH=9,29 m,tinggi air dalam TPA 50 cm a. Head Losses Mayor

Re = 243840 f = 0,01518

L = panjang pipa (9,98 m) m

h = 0,437 m b. Head Losses Minor

Tabel 4.2 Head Losses Minor UntukH= 9,29 m

n k nk

1 Tee 1 0,34 0,34

2 Katup Bola 1 0,05 0,05

Sisi Masuk Pipa 1 0,25 0,25

Sisi Keluar Pipa 1 1 1

Jumlah 2,15

m

h _{0,631 m}

Heff = 9,29 m + 0,5 m 0,437 m 0,631 m

= 8,722 m

 Effisiensi PAT untukH=5,18 m, debit 0,0096 m3_/s

100%

PAT PAT air

P x

P





PPAT = _{. .cos}.

t g V I

  

Keterangan:

Hasil pengujian di bawah diambil dari data pengujian ketiga V = voltase yang dihasilkan untuk beban efektif 100 W (193 V) I = arus yang diperoleh untuk beban efektif 100 W (0,35 A)

t



= effisiensi transmisi g

 = effisiensi generator (diasumsikan sebesar 0,8) cos = 0,8

t



= / / g t g t D D n n Keterangan:

Dg = diameter pulley pada generator

Dt = diameter pulley pada PAT

nt = putaran pada PAT

ng = putaran pada generator

Maka, t



= / / g t g t D D

n n = 2,5/10,5270,8/1134 = 0,997 PPAT = 193 0,35

0,997 0,8 0,8x xx PPAT = 105,86 Watt

Pair = × g × Heff.× Q

Keterangan:

 = massa jenis air (1000 kg/m3₎

g = gaya gravitasi (9,81 m/s2₎

Heff = head air effektif (5,436 m)

Q = kapasitas air (0,0096 m3_/s)

Maka,

Pair = 1000. 9,81. 5,436 . 0,0096

PAT



= 83,4 100%_487,831x PAT



= 20,68 %

 Effisiensi PAT untukH= 5,18 m, debit 0,01038 m3_/s

t



= 1

PPAT = 216 0,53

1 0,8 0,8x xx PPAT = 178,875 Watt

Pair = 1000. 9,81. 5,596. 0,01038

Pair = 569,83Watt

PAT



= 178,875 100% 569,83 x PAT



= 31,39 %

 Effisiensi PAT untukH= 9,29 m, debit 0,019448 m3_/s

V = voltase yang dihasilkan untuk beban efektif 300 W (241V) I = arus yang diperoleh untuk beban efektif 300 W (1,05A)

t



= 0,988 PPAT = 241 1,05

0,988 0,8 0,8x xx PPAT = 400,19 Watt

Pair = 1000. 9,81. 8,722. 0,019448

Pair = 1664,03 Watt

PAT



= 400,19 100%_1664,03x PAT



= 24,05 %

4.2 PERHITUNGAN EFFISIENSI PENGUJIAN PAT DENGAN POMPA 3 (TIGA) INCHI

Q = v × A

Keterangan :

Q = debit air (m3_{/s)(digunakan Q rata-rata dari hasil pengujian)}

V = kecepatan air masuk turbin (m/s) A = luas penampang pipa (m2₎

 Kecepatan air masuk turbin untuk H=5,18 m, tinggi air dalam TPA 50 cm

Q = v × A A = 1 2

4d 0,008389 = v × 0,00456 = 0,00456 m2

v = 1,84 m/s Diameter pipa tiga inchi = 0,0762 m

Q = v × A 0,009283 = v × 0,00456

v = 2,035 m/s

 Kecepatan air keluar tong untukH=9,29 m, tinggi air dalam TPA = 50 cm

Q = v × A

0.014294 = v × 0,00456 v = 3,135 m/s

 Head effektif untukH=5,18 m, tinggi air dalam TPA 50 cm a. Head Losses Mayor

Bilangan Reynold;Re = V d.



Keterangan:

 = viskositas air (10-6_m2_{/s untuk tekanan 1 atm dan suhu 20}0_C)

V = 1,84 m/s d = 0,0762 m Re = 140208

2

. .2.

f LV

h f

d g

Keterangan:

L = panjang pipa (7,09 m) d = 0,0762 m

V = 1,84 m/s

f = 0,016912(diperoleh dari moody friction calculator[14]₎

2 7,09(1,84) 0,016912 (0,0762)2(9,81) f h  f

h _{0,382 m}

b. Head Losses Minor

2 2. m V h nk g  

Tabel 4.3 Head Losses Minor UntukH= 5,18 m

n k nk

1 Elbow 900 _{1 0,54 0,54}

1 Tee 1 0,36 0,36

2 Katup Bola 2 0,05 0,1

Sisi Masuk Pipa 1 0,25 0,25

Sisi Keluar Pipa 1 1 1

Reducer 450 _{1 0,04 0,04}

Jumlah 2,29

m

h  _2,29(1,84)2

m

h  _{0,395 m}

Heff = 5,18 m + 0,5 m 0,382 m 0,395 m

= 4,903 m

 Head effektif untukH=5,18 m, tinggi air dalam TPA 70 cm a. Head Losses Mayor

Re = 155067 f = 0,016583

f

h = 0,326 m b. Head Losses Minor

m

h =0,483 m

Heff = 5,18 m + 0,7 0,326 m 0,483

= 5,071 m

 Head effektif untukH=9,29 m, tinggi air dalam TPA 50 cm a. Head Losses Mayor

Re= 238887 f= 0,015284

L= panjang pipa (9,98 m) f

h _{1 m}

Tabel 4.4 Head Losses Minor UntukH= 9,29 m

n k nk

1 Elbow 900 _{1 0,54 0,54}

1 Tee 1 0,36 0,36

1 Katup Bola 1 0,05 0,05

Sisi Masuk Pipa 1 0,25 0,25

Sisi Keluar Pipa 1 1 1

Reducer 450 _{1 0,04 0,04}

Jumlah 2,24

m

h _{1,122 m}

Heff = 9,29 m + 0,5 m 1 m 1,122 m = 7,668 m

 Effisiensi PAT untukH=5,18 m, debit 0,008389 m3_/s

100%

PAT PAT air

P x

P





PPAT = _{. .cos}.

t g V I

  

Keterangan:

Hasil pengujian dibawah diambil dari data pengujian ketiga

V = voltase yang dihasilkan untuk beban efektif 100 W (197V) I = arus yang diperoleh untuk beban efektif 100 W (0.37A)

t

g

 = effisiensi generator (diasumsikan sebesar 0,8)

c o s = 0,8

t



= / / g t g t D D n n Keterangan:

Dg = diameter pulley pada generator

Dt = diameter pulley pada PAT

nt = putaran pada PAT

ng = putaran pada generator

Maka, t



= / / g t g t D D

n n = 291,1/11602,5 /10 = 0,996 PPAT = 197 0,37

0,996 0,8 0,8x xx PPAT = 114,35 Watt

Pair = . . .g H Q

Keterangan:

 = massa jenis air (1000 kg/m3)

Heff = head air effektif (4,903 m)

Q = kapasitas air (0,008389 m3_/s)

Pair = 1000. 9,81. 4,903 . 0,008389

Pair = 403,5 Watt

PAT



= 114,35 100% 403,5 x PAT



= 28,34 %

 Effisiensi PAT untuk head air 5,18 m dan debit 0,009283 m3_/s

V = Voltase yang dihasilkan untuk beban efektif 100 W (231V) I = Arus yang diperoleh untuk beban efektif 100 W (0,51A)

t



= 1

PPAT = _{1 0,8 0,8}231 0,51_{x x}x

PPAT = 184,08 Watt

Pair = 1000. 9,81. 5,071. 0,009283

Pair = 461,8 Watt

PAT



= 184,08 100% 461,8 x PAT



= 39,86 %

 Effisiensi PAT untuk head air 9,29 m dan debit 0,014294 m3_/s

V = Voltase yang dihasilkan untuk beban efektif 300 W (223V) I = Arus yang diperoleh untuk beban efektif 300 W (1,44A)

t

PPAT = 223 1, 44

1 0,8 0,8x xx PPAT = 501,75 Watt

P air = 1000. 9,81. 7,668. 0,014294 P air = 1075,24 Watt

PAT



= 501,75 100% 1075, 24x PAT



= 46,66 %

Dengan cara yang sama seperti diatas, maka diperoleh hasil lengkap perhitungan dalam Tabel 4.5 di bawah ini :

Tabel 4.6 Tabel Hasil Perhitungan Effisiensi Dan Daya Pengujian

Pompa 4"

Katup Q (m3_{/s) Aktual (%) Daya PAT(Watt)}

Lantai 2 TPA 50cm

50% 0.007262 10.15 40.03

75% 0.00749 27.55 111.875

100% 0.0096 20.68 105.86

Lantai 2 TPA 70cm

50% 0.008855 10.21 50.31

75% 0.00967 29.62 158.24

100% 0.01038 31.39 178.875

Lantai 3 TPA 50cm

50% 0.013264 18.55 224.31

75% 0.016449 23.34 339.53

100% 0.019448 24.05 400.19

Pompa 3"

Lantai 2 TPA 50cm

50% 0.007809 26.25 102.58

75% 0.007768 26.83 104.59

100% 0.008389 28.34 114.35

Lantai 2

75% 0.008212 31.48 133.125

100% 0.009283 39.86 184.08

Lantai 3 TPA 50cm

50% 0.012071 18.78 183.52

75% 0.014129 32.48 348.39

100% 0.014294 46.66 501.75

4.3 GRAFIK HASIL PENGUJIAN 4.3.1 Grafik Hubungan Q vs

Gambar 4.2 Grafik hubungan dan [2]

Dimana adalah turunan dari fungsi kapasitas(Q)

4.3.2 Grafik Hubungan Q vs P

Gambar 4.4 Grafik hubungan vs [2]

Dimana adalah turunan dari fungsi Daya(P)

Gambar 4.1 dan Gambar 4.3 adalah grafik yang diperoleh dari pengujian, dibandingkan dengan Gambar 4.2 dan Gambar 4.4 yang adalah grafik hasil eksperimen Shahram Derakhshan dan Ahmad Nourbakhsh dari Univerity of Tehran. Dari kedua grafik yang diperoleh dari pengujian dapat dilihat karakteristik hubungan antara kapasitas aliran dengan effisiensi dan kapasitas aliran dengan daya pompa untuk pengujian pompa sentrifugal yang dioperasikan sebagai turbin.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 KESIMPULAN

Dari hasil pengujian dan perhitungan yang telah dilakukan pada kedua pompa yang difungsikan sebagai turbin air, dapat diambil beberapa kesimpulan :

1. Pompa dapat difungsikan sebagai turbin air dan lebih effisien jika digunakan untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro karena pompa lebih murah, sederhana, mudah diperoleh, dan mudah diperbaiki.

2. Pompa tiga inci lebih effisien untuk digunakan sebagai turbin air jika dibandingkan dengan pompa empat inci, dengan hasil pengujian sebagai berikut :

a. Effisiensi

paling tinggi adalah pada head 9,29 m dengan ketinggian air di dalam bak penampungan atas 50 cm dengan beban efektif 300 W yaitu 46,66 %

b. Daya pompa

sebagai turbin 501,75 Watt

c. Kecepatan putaran

d. Debit air rata-rata 14,294 L/s

e. Tegangan yang

dihasilkan 223 V

f. Arus listrik 1,44 A

3. Daya

yang paling besar dihasilkan pompa 3 inci adalah pada head 9,29 m dengan ketinggian air di dalam bak penampungan atas 50 cm dan beban efektif 300 W yaitu 501,75 Watt.

4. Renda

hnya effisiensi pompa sebagai turbin ini disebabkan oleh adanya kebocoran pada pompa, kondisi air yang kotor karena karat, keadaan pulley dan generator yang kurang maksimal.

5.2 SARAN

1. Kondis

i air yang kotor dapat menyebabkan kerusakan alat dan mempengaruhi hasil pengujian sehingga perlu dibersihkan.

2. Pengu

kuran debit air yang kurang tepat dan tidak dapat dilakukan pada kondisi pembebanan karena keterbatasan alat, sehingga perlu adanya flowmeter untuk mengukur debit air.

3. Penelit

paling effektif untuk digunakan sehingga perlu dilakukan pengujian lanjutan tentang pulley dan belt untuk dapat meningkatkan effisiensi.

DAFTAR PUSTAKA

1. Dadenkar, M. M, Sharman K. N. 1991. Pembangkit Listrik Tenaga Air.

Jakarta: UI Press.

2. Dietzel, Fritz. 1993. Turbin, Pompa dan Kompresor. Cetakan Keempat. Jakarta: Erlangga.

3. Hicks, Tayler G. 1996. Teknologi Pemakaian Pompa. Cetakan Pertama. Jakarta: Erlangga.

4. L. V. Steeter dan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida. Edisi Kedelapan. Jakarta: Erlangga.

5. Nigel, Smith. 1994.Motors as Generators for Micro-Hydro Power. London: ITDG Publishing.

6. Shahram, Derakhshan dan Nourbakhsh Ahmad. 2007. Experimental Study of Characteristic Curves of Centrifugal Pumps Working as Turbines in Different Specific Speeds .

7. Sularso, Ir. 1987. Pompa Dan Kompresor. Cetakan Ketiga. Jakarta: PT. Pradya Paramita.

8. Warnick, C.C. 1984. Hydropower Engineering. New York: Prentice Hall, Inc.

9. www.agushalul.wordpress.com/2007/06/25/teori-dasar-pompa-centrifugal-i/

10. www.alpensteel.com/article/50-104-energi-sungai-pltmh--micro-hydro-power/169--pelaksanaan-turbin-air.html

11. www.crayonpedia.Org/Mw/Bab_21_Klasifikasi_Turbin Air Sunyoto

12. www.energyefficiencyasia.org

13. www.microhydropower.net

14. www.pneucon.co.kr/Techinform/vmd03.htm

15. www.scribd.com/doc/32235908/Prinsip-Kerja-Pompa-Sentrifugal

16. www.sugiyono.webs.com

17. www.qsl.net/ns8o/Induction_Generator.html

19. www.wikipedia.org/wiki/Belt_(mechanical)

20. www.wikipedia.org/wiki/Electrical_generator

21. www.wikipedia.org/wiki/Induction_generator

Data Hasil Pengujian Pertama

Dengan H = 5,18 m, ketinggian air dalam TPA 50 cm Voltase (volt)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 216 320 330

100 107 170 181

200 62 104 120

300 43 76 79

400 30 58 62

Arus (ampere)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 0 0 0

100 0.28 0.27 0.38

200 0.38 0.42 0.55

300 0.4 0.48 0.59

400 0.48 0.6 0.66

Putaran Pompa (rpm)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 308.9 358.2 368

100 241.7 277 286.4

200 188.2 223.4 236.8

0 314.2 379.7 403.6

100 251.4 281.1 294.3

200 198.5 230.6 246.2

300 167.3 191.1 201.2

400 145.6 161.2 192.8

Putaran Generator (rpm)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 1325 1621 1716

100 1073 1203 1256

200 856 997.3 1058

300 716.5 824.3 853.8

400 616.8 707.9 736.9

Data Hasil Pengujian Keempat

Dengan H = 9,29 m, ketinggian air dalam TPA 50 cm

Voltase (volt)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 570 750+ 750+

100

200 208

300 150 206 230

400 112 148 169

Arus (ampere)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 0 0 0

100

200 0.98

300 1.03 1.09 1.06

400 1.07 1.11 1.23

0 437.6 100

200 263.6

300 218.8 247.1 262.8

400 181.8 206.1 218.9

Putaran Generator (rpm)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 1863

100

200 1115

300 934.4 1053 1098

400 778.6 868.7 958.2

Data Hasil Pengujian Kelima

Dengan H = 5,18 m, ketinggian air dalam TPA 50 cm

Voltase (volt)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 225 322 360

100 124 177 196

200 78 114 127

300 53 80 92

400 39 60 63

Arus (ampere)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 0 0 0

100 0.28 0.32 0.38

200 0.32 0.41 0.6

300 0.42 0.65 0.62

400 0.44 0.72 0.77

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 294.6 336 350.9

100 239.6 261.1 286.6

200 187.6 210.9 217.3

300 158.8 174.1 183.6

400 142.6 150.2 157.6

Putaran Generator (rpm)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 1274 1440 1494

100 1073 1132 1145

200 808.4 908.7 954.2

300 666.4 739.5 765.6

400 591.5 648.5 677.5

Data Hasil Pengujian Kelima

Dengan H = 5,18 m, ketinggian air dalam TPA 70 cm

Voltase (volt)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 255 361 414

100 139 209 219

200 90 145 149

300 62 91 103

400 47 76 76

Arus (ampere)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 0 0 0

100 0.23 0.4 0.55

200 0.45 0.62 0.6

300 0.52 0.65 0.83

400 0.55 0.7 0.93

Putaran Pompa (rpm)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

100 252.3 286.9 297.7

200 199.9 233.5 243.4

300 164.5 190.5 199.8

400 146.8 165.8 171.5

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 1349 1619 1713

100 1103 1211 1253

200 858.6 981.2 1051

300 715.3 823.5 836.1

400 619.9 713.8 724.4

Data Hasil Pengujian Kelima

Dengan H = 9,29 m, ketinggian air dalam TPA 50 cm

Voltase (volt)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 576 750+ 750+

100

200 209

300 147 205 244

400 111 147 179

Arus (ampere)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 0 0 0

100

200 0.93

300 1.02 1.01 1.08

400 1.09 1.18 1.25

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0 440.6

100

200 263.9

300 216.6 247.8 282.5

400 182.1 206.3 234.3

Putaran Generator (rpm)

Beban (W) Bukaan Katup (%)

25 50 75 100

0

1873

100

200

1118

300

917

1061

1177

400

778.6

869.1

1012

PERINCIAN BIAYA SKRIPSI

Keterangan Jumlah @ Total

Instalasi Dudukan Tong

Dudukan tong 1 3,500,000.00 3,500,000.00

Sewa mesin las listrik 4 75,000.00 300,000.00

Mata bor + gerinda ( 3 + 3 ) 6 8,000.00 48,000.00

Instalasi Tong

Tong 4 100,000.00 400,000.00

Pipa penghubung 1 50,000.00 50,000.00

Las karbit 1 200,000.00 200,000.00

Pipa karet + klem + silikon 1 229,000.00 229,000.00

Upah tukang 2 org 5 150,000.00 750,000.00

Katup 3 330,000.00 990,000.00

Tang, tachometer 1 700,000.00 700,000.00

Pompa 4" 1 1,800,000.00 1,800,000.00

Pulley + belt 1 200,000.00 200,000.00

Elbow + T + lem 1 215,000.00 215,000.00

Socket dengan drat luar 4" 2 50,000.00 100,000.00

Dudukan pompa + generator 1 200,000.00 200,000.00

Gasket + lem gasket 1 40,000.00 40,000.00

Meteran (7,5m) + multimeter 2 15,000.00 30,000.00

Instalasi Pompa 3"

Pompa 3" 1 1,650,000.00 1,650,000.00

Socket dengan drat luar 3" 2 25,000.00 50,000.00

Reduser 4" ke 3" 1 20,000.00 20,000.00

Elbow 1 15,000.00 15,000.00

Pipa wavin 3" 1 90,000.00 90,000.00

Pulley 1 175,000.00 175,000.00