PRESTASI POMPA SENTRIFUGAL DENGAN IMPELER TERTUTUP SEBAGAI TURBIN AIR

PRESTASI POMPA SENTRIFUGAL DENGAN

No.745 / TA / FT-USD / TM / Januari / 2007

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh :

Nama : Teli Handayani

NIM : 015214033

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

THE PERFORMANCE OF A CENTRIFUGAL PUMP

WITH CLOSED IMPELLER AS WATER TURBINE

No.745 / TA / FT-USD / TM / JANUARY/2007

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

for the degree of Sarjana Teknik

in Mechanical Engineering

Presented by :

Teli Handayani

Student Number: 015214033

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

Saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 3 Oktober 2007 Teli Handayani

INTISARI

Krisis energi dan dampak pencemaran lingkungan mendorong penggunaan sumber energi alternative yang salah satunya berasal dari air. Pompa sebagi turbin cocok digunakan sebagai teknologi terapan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik terutama yang tinggal didaerah dengan banyak sungai. Penelitian pompa sebagai turbin ini bertujuan untuk mengetahui prestasi pompa sentrifugal yang digunakan sebagai turbin dari setiap variasi debit air masukan.

Alat yang digunakan dalam penelitian yaitu : pompa sebagai turbin dengan spesifikasi : debit air maksimum = 0,005m³/detik, Head maksimum = 18 m, Head isap maksimum = 9 m dan putaran kerja = 2900 rpm; pompa sumber; alternator; T-jungtion; pipa-pipa; alat-alat ukur; dll. Penelitian dimulai dengan merancang dan merangkai pipa-pipa untuk mengalirkan air dari bak sirkulasi ke pompa sumber, kemudian ke t-jungtion, pada t-jungtion terdapat katub yang mengatur debit air yang masuk ke pompa sebagai turbin. Air yang keluar dari pompa sebagai turbin dialirkan ke bak dan sisa air yang tidak masuk ke pompa sebagai turbin dialirkan kembali ke bak melalui saluran bypass. Setelah semua terpasang dilakukan percobaan awal, kemudian baru dilakukan tahap pelaksanaan dan pengambilan data. Dalam penelitian ini data yang diambil yaitu : tekanan pada saluran masuk dan saluran keluar turbin, putaran pada poros turbin, tegangan dan arus yang dihasilkan setiap pembebanan, dan jumlah air yang keluar dari turbin per satuan waktu yang terukur. Dari hasil penelitian didapat efisiensi tertinggi sebesar 5,74 % pada Debit = 0,00212 m³/detik, Head = 4,994 m dan Nq = 10,748 rpm dan menghasilkan daya keluaran sebesar 5,964 Watt . Daya terbesar yang dihasilkan 22,176 W pada Debit = 0,00385 m³/detik dan Nq = 15,508 rpm.

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat yang dianugerahkan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir ini adalah salah satu syarat dalam menyelesaikan studi di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.Terwujudnya penyelesaian penulisan Tugas Akhir ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak, oleh karena itu sudah sepantasnya penulis menghaturkan terima kasih kepada :

1. Bapak Ir.Greg. Heliarko, SJ., SS., B.ST., M.A., M.Sc., selaku Dekan Fatultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Bapak Budi Sugiharto, S.T., M.T, selaku Ketua Prodi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Bapak Yosef Agung Cahyananta, S.T, M.T, selaku dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah berkenan meluangkan waktu memberi bimbingan dan pengarahan sampai Tugas Akhir ini selesai.

4. Bapak I Gusti Ketut Puja, S.T., M.T, selaku dosen Pembimbing Akademik

5. Bapak Ir. Y.B.Lukiyanto, M.T, selaku Kepala Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

6. Bapak Ir. Agus Unggul Santosa, selaku Kepala Laboratorium Teknologi

7. Seluruh Dosen di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

8. Bapak Intan, bapak Ronny, Bapak Martono dan Seluruh karyawan Laboratorium Teknik Mesin maupun sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

9. Ayah dan Ibu yang telah memberikan bantuan moril dan materiil selama penulis menyelesaikan studi.

10. G.Dharu Hari Pribadi dan Putera Addo Dhaya Abadi yang selalu memberikan semangat.

11. Seluruh teman-teman Angkatan 2001 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

12. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Dalam penyusunan Tugas Akhir ini penulis telah berusaha maksimal agar dapat menyelesaikan dengan baik. Namun penulis menyadari masih ada hal-hal yang jauh dari sempurna dalam penulisan Tugas Akhir ini. Untuk itu penulis dengan besar hati akan menerima saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca demi perbaikan di kemudian hari.

Penulis

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ............................................................................................i

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ...............................................iii

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................ iv

HALAMAN PERNYATAAN ............................................................................ v

HALAMAN PERSEMBAHAN..........................................................................vi

INTISARI............................................................................................................ vii

KATA PENGANTAR ....................................................................................... viii

DAFTAR ISI ........................................................................................................x

DAFTAR LAMBANG ...................................................................................... xiii

DAFTAR TABEL ..............................................................................................xiv

DAFTAR GAMBAR ..........................................................................................xv

BAB I Pendahuluan ............................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang Masalah ..................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah................................................................................ 3

1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................ 3

1.4 Manfaat Penelitian............................................................................... 4

1.5 Batasan Masalah.................................................................................. 4

BAB II Dasar Teori..............................................................................................5

2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................................. 5

2.2.2 Daya yang Dihasilkan Turbin ............................................. 10

2.2.3 Kecepatan Spesifik ..............................................................11

2.2.4 Altenator ............................................................................. 12

2.3 Turbin Air........................................................................................... 14

2.3.1 Definisi Turbin Air ............................................................. 14

2.3.2 Perkembangan Turbin Air ...................................................15

2.3.3 Jenis-jenis Turbin Air.......................................................... 16

2.4 Pompa Sentrifugal ..............................................................................19

2.4.1 Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal ........................................ 19

2.4.2 Prinsip Dasar Turbin Francis .............................................. 21

2.5 Persamaan yang Digunakan ............................................................... 23

BAB III Metode Penelitian ................................................................................26

3.1 Diagram Alir ...................................................................................... 26

3.2 Jenis Penelitian ...................................................................................27

3.3 Sarana Penelitian.................................................................................27

3.3.1 Sarana Pengujian .................................................................28

3.3.2 Sarana Perhitungan ............................................................. 33

3.4 Jalannya Penelitian .............................................................................33

3.4.1 Tahap Persiapan .................................................................. 33

3.3.2 Tahap Pelaksanaan Penelitian .............................................35

BAB IV Perhitungan dan Pembahasan ........................................................... 36

4.2.1 Pengelompokan Data .......................................................... 41

4.2.2 Perhitungan Daya Air ......................................................... 44

4.2.3 Perhitungan Daya Turbin..................................................... 44

4.2.4 Perhitungan Efisiensi Turbin............................................... 45

4.2.5 Perhitungan Kecepatan Spesifik.......................................... 45

4.3 Perhitungan Data dan Pembahasan..................................................... 46

4.4 Kendala Saat Penelitian...................................................................... 56

BAB V Penutup .................................................................................................. 57

5.1 Kesimpulan ........................................................................................ 57

5.2 Saran .................................................................................................. 57

DAFTAR PUSTAKA..........................................................................................59

LAMPIRAN

DAFTAR LAMBANG

E _p

energi tempat (J)

E _{z energi tekanan (J)} E _{k energi kecepatan (J)}

m massa (kg) z ketinggian (m) c kecepatan fluida (m/s)

p _in tekanan masuk (Pa) p _{out tekanan keluar (Pa)} P _{in daya air (W)} P _{out daya turbin (W)}

P Daya listrik (W) ₃

debit air (m /detik)

V m  massa aliran air (kg/detik)

efisiensi turbin

η T H head total air (m)

Nq kecepatan spesifik (rpm) ₃

massa jenis air (kg/m ) ₂

percepatan gravitasi (m/detik ) V tegangan (Volt)

DAFTAR TABEL

Table 4.1 Data pada putaran katub pertama...............................................36Table 4.2 Data pada putaran katub kedua ................................................. 37Table 4.3 Data pada putaran katub ketiga..................................................38Table 4.4 Data pada putaran katub keempat ............................................. 38Table 4.5 Data pada putaran katub kelima.................................................39Table 4.6 Data pada putaran katub keempat.............................................. 40Table 4.7 Data denagan variasi beban lampu 5 Watt.................................41Table 4.8 Data denagan variasi beban lampu 10 Watt...............................41Table 4.9 Data denagan variasi beban lampu 15 Watt...............................42Table 4.10 Data denagan variasi beban lampu 20 Watt.............................42Table 4.11 Data denagan variasi beban lampu 25 Watt.............................43Table 4.12 Data denagan variasi beban lampu 35 Watt.............................43Table 4.13 Hasil data variasi dengan beban lampu 5 Watt .......................46Table 4.14 Hasil data variasi dengan beban lampu 10 Watt......................47Tabel 4.15 Hasil data variasi dengan beban lampu 15 Watt......................48Tabel 4.16 Hasil data variasi dengan beban lampu 20 Watt......................49Tabel 4.17 Hasil data variasi dengan beban lampu 25 Watt......................50Table 4.18 Hasil data variasi dengan beban lampu 35 Watt......................51Table 4.19 Prediksi daya maksimum yang dihasilkan...............................54

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Bentuk energi pada aliran air .............................................................. 7Gambar 2.2 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda..................................................................................... 12Gambar 2.3 Alternator dengan magnet berputar dan kumparan tetap................... 14Gambar 2.4 Bagan aliran fluida didalam pompa sentrifugal ................................ 19Gambar 2.5 Bagan aliran fluida didalam turbin francis ........................................22Gambar 3.1 Diagram alir penelitian ......................................................................26Gambar 3.2 Skema alat penelitian ........................................................................ 28Gambar 4.1 Grafik variasi dengan beban lampu satu ........................................... 46Gambar 4.2 Grafik variasi dengan beban lampu dua.............................................47Gambar 4.3 Grafik variasi dengan beban lampu tiga............................................ 48Gambar 4.4 Grafik variasi dengan beban lampu empat.........................................49Gambar 4.5 Grafik variasi dengan beban lampu lima........................................... 50Gambar 4.6 Grafik variasi dengan beban lampu enam .........................................51Gambar 4.7 Grafik Efisiensi vs Nq .......................................................................52Gambar 4.8 Grafik P out vs Nq ............................................................................ 53Gambar 4.9 Grafik daya yang dihasilkan pompa sebagi turbin.............................53Gambar 4.10 Grafik prediksi daya yang dihasilkan pompa sebagi turbin............. 54Gambar 4.11 Grafik Debit, Putaran, dan Nq vs Head total................................... 55Gambar 4.12 Grafik Daya keluar, Efisiensi, dan Torsi vs Putaran dan Nq........... 55

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Energi adalah basis dari perindustrian, tanpa energi era modern tidak akan pernah ada. Teknologi adalah yang paling banyak mengexploitasi sumber energi dari dalam perut bumi sehingga persedian sumber energi dalam perut bumi didunia semakin menipis dan memerlukan waktu yang lama untuk memperoleh kembali. Pada waktu minyak, kayu, batubara, dan sumber energi fosil yang lain masih murah, perindustian lebih memilih batubara atau minyak sebagai sumber energi, karena untuk membangun sistem energi air ini memerlukan biaya yang lebih mahal. Namun karena persedian sumber energi dalam perut bumi menipis dan efek dari perindustrian yang menggunakan sumber energi fosil sebagai bahan bakar membuat gas asam arang yang ada diatmosfer meningkat, dan terlebih lagi banyaknya hutan di dunia yang hilang sehingga gas asam arang yang ada diatmosfer sebagian besar tidak terserap mengakibatkan peningkatan temperatur global yang mengganggu pola cuaca, arus laut, badai, dan permasalahan lingkungan yang lain. Maka dari itu perlu dikembangkan sumber energi alternative seperti energi matahari, energi angin, energi air,dll.

Karena tuntutan energi listrik yang semakin meningkat, maka dewasa ini banyak Negara telah mengembangkan dan menggunakan tenaga air sebagai adalah sumber daya alami yang tersedia dimana saja, dengan volume air yang cukup dan arus yang mengalir mantap dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah yang dihasilkan dari hydraulic turbin. Waterpower tidak mengkonsumsi air tetapi hanya memanfaatkan air untuk tujuan memperoleh energi listrik. Teknologi waterpower merupakan teknologi yang sempurna dan tahan lama, dapat mencapai umur 50 tahun atau lebih. Air secara alami adalah suatu sumber energi yang bermanfaat dan itu diperoleh dalam bentuk tenaga mekanis, tanpa harus kehilangan banyak kalori dan bahan bakar untuk menjalankan mesin.

Contoh dari Teknologi Waterpower adalah Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA). PLTA dibangun untuk memenuhi tuntutan energi listrik yang terus meningkat, proses dari PLTA ini sendiri menggunakan turbin yang akan mengkonversi energi dari gerakan arus air menjadi energi mekanik yang kemudian di teruskan untuk menggerakkan generator dan dari situlah listrik dihasilkan.

Indonesia dilihat dari letak gografis dengan banyak pulau dan sungai yang dimiliki maka mendorong kearah suatu turbin yang dapat digunakan di banyak sungai dimana dapat dibangun dam-dam kecil untuk memenuhi kebutuhan energi listrik diseluruh wilayahnya, sehingga semua rakyatnya termasuk yang tinggal dipedalaman dapat menggunakan energi listrik. Pump as Turbin adalah salah satu bentuk picohidro power yang menghasilkan energi listrik kurang dari 3 kW. lebih murah dibandingkan dengan turbin air, selain itu tidak menggunakan bahan bakar dan biaya perawatan rendah. Pump as Turbin cocok digunakan sebagai teknologi terapan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik terutama yang tinggal di pedalaman.

1.2 Rumusan Masalah

Karena penggunaan turbin yang relatif digunakan untuk pemenuhan energi listrik yang besar untuk kebutuhan energi listrik disetiap daerah maupun industri- industri berskala besar, pada interval kerja di bawah 3 kW (Pico Hydro-Power) sangat jarang sekali turbin yang diproduksi, maka harga dari turbin air tersebut relatif sangat mahal dan tidak banyak pilihan terutama di Indonesia. Oleh karena itu diperlukan suatu teknologi terapan untuk mengatasi penyebaran energi listrik yang tidak merata. Karena secara sistem kerja pompa merupakan kebalikan dari turbin dan dapat lebih mudah dicari dipasaran dibandingkan mesin turbin maka penelitian ini meneliti prestasi pompa sentrifugal dengan impeller tertutup yang digunakan sebagai turbin.

1.3 Tujuan Penelitian

Penelitian yang dilakukan bertujuan untuk mengetahui prestasi pompa jika dijadikan turbin, mengamati unjuk kerja dari setiap variasi debit air masukan; dan mencari efisiensi terbaik dari variasi debit tersebut.

1.4 Manfaat Penelitian

Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan tambahan pengetahuan tentang tenaga air atau waterpower, terutama yang berkaitan dengan pemanfaatan pompa sebagai turbin.

1.5 Batasan Masalah

Agar penelitian ini tidak terlalu luas dan tetap berada dalam jangkauan penulis, maka perlu adanya batasan masalah. Untuk itu, dalam penelitian tentang “Pompa sebagai turbin” batasan yang hendak ditetapkan sebagai berikut :

a) Pompa sebagai turbin yang digunakan dalam penelitian adalah jenis pompa sentrifugal impeller tertutup maka jenis pompa yang lain dan jenis impeller yang berbeda tidak dibahas.

b) Pembahasan hanya bekisar tentang pengaruh debit air masukan terhadap daya input pompa sebagai turbin, putaran pompa sebagai turbin, daya output pompa sebagai turbin yang telah dikonversi menjadi energi listrik, dan efisiensi pompa sebagai turbin.

c) Pompa sebagai turbin yang digunakan sebagai sarana percobaan kondisinya bukan pompa baru dan tidak diketahui spesifikasinya. Penulis mencari data tentang pompa yang digunakan dengan cara mengambil data dari pompa yang bentuk serta ukurannya sama seperti pompa yang dijual

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Penulis menggunakan beberapa jurnal tentang penggunaan pompa sebagai turbin yang dijadikan pembanding untuk penelitian ini, yaitu :

1. Project report – Huai Kra Thing Micro-hydro project oleh Chris

Greacen. Dalam artikel itu ditulis tentang laporan penggunaan pompa

sebagai turbin untuk membangkitkan listrik hingga dapat mencapai 1,6 kW, dengan masukan head 20 m dan debit 10 l/detik, yang jika dikalkulasi maka efisiensi yang terjadi sebesar 81 %.

2. Experimental Work on Modification of Impeller Tips of a Centrifugal

Pump as a Turbine oleh Made Suarda dan rekan-rekan. Dalam

penelitiannya mereka menggunakan 2 (dua) jenis pompa sentifugal sebagai turbin, yaitu : a. Pompa diffuser dengan kapasitas maksimal 0,22 m³/menit dan head maksimal 46 m b. Pompa volut dengan kapasitas maksimal 0,13 m³/menit dan head maksimal 13 m

Kedua jenis pompa yang digunakan sebagai turbin tersebut menghasilkan head yang sama dengan head maksimum pompa dan yang digunakan sebagai turbin efisiensi tertinggi yang dicapai kurang lebih 28% pada Head 46,03 m. Sedangkan pada pompa volut yang digunakan sebagai turbin eisiensi tertinggi yang dicapai kurang lebih 34% pada Head 13 m. Selain itu dalam penelitiannya mereka memodifikasi impeler jenis tertutup pada pompa volut yang digunakan sebagai turbin. Hasil modifikasi impeler tersebut menghasilkan efisiensi lebih tinggi dari sebelum dimodifikasi, yaitu :

Sebagai Pompa : Efisiensi maksimum ± 27% pada debit (Q) = 0,002 m³/detik dan Head (H) = 8 m.
Sebagai Turbin Sebelum Dimodiikasi : Efisiensi maksimum ± 34% pada debit (Q) = 0,002 m³/detik dan Head (H) = 13 m.
Sebagai Turbin Sesudah Dimodiikasi : Efisiensi maksimum ± 37% pada debit (Q) = 0,0015 m³/detik dan Head (H) = 13 m.

3. Thima Pico Hydro, studi kasus yang dilakukan di Thima, distrik Kirinyaga, Kenya. Studi kasus ini ditulis oleh P. Maher tentang pengunaan pompa sentrifugal sebagai turbin, dimana pompa sentrifugal terpasang menjadi satu dengan motor induksi. Motor induksi ini kemudian digunakan sebagai generator dan dapat

2.2 Landasan Teori

2.2.1 Aliran Zat Cair dan Bentuk Energinya

Persamaan energi dihasilkan dari penerapan prinsip kekekalan energi pada aliran fluida. Energi yang dimiliki oleh suatu fluida yang mengalir terdiri dari energi dalam dan energi-energi akibat tekanan, kecepatan dan kedudukan.

Hukum Newton menyatakan tentang kekekalan energi, yang berarti energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan tetapi dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Arus air yang mengalir mengandung energi dan energi tersebut dapat diubah bentuknya, misalnya perubahan dari energi potensial (tekanan) kedalam energi kinetik (kecepatan), atau sebaliknya.

Gambar 2.1 Bentuk energi pada aliran air (Fritz Dietzel,1992, hal 4)

Arti selanjutnya dari dari kaidah kekekalan energi adalah apabila arus air dalam alirannya dilewatkan melalui turbin air, maka energi yang ada dalam air Energi tempat = z g m E _{p (Nm) (Frizt Dietzel,1996,hal.4)…………………… 2.1} dengan:

= massa

g = gravitasi

z = ketinggian Energi tekanan

ρ p E m _z

= (Nm) (Frizt Dietzel1996,hal.4)………………………2.2 dengan:

= massa

p = tekanan ρ

= massa jenis fluida Energi kecepatan

2 c E m ² _k

= (Nm) (Frizt Dietzel,1996,hal.4)……………………..…2.3 dengan:

m = massa Persamaan Bernoulli Pada suatu aliran air di dalam pipa, diambil suatu selisih ketinggian z antara tinggi air atas dan tinggi air bawah, maka menurut Bernoulli, besar energi aliran tersebut adalah: Persamaan energi ₂

p c W m g z m m = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ (Nm) (FriztDietzel,1996,hal.4)…………. 2.4 + +

Bila pada aliran tersebut diatas diambil suatu jumlah air tiap 1 kg untuk diperhitungkan, hal ini dinamakan “spesifik energi” satuannya dalam Nm/kg.

Karena dibagi m akan didapat: Persamaan spesifik energi ₂

p c w g z kons tan = ⋅ = (Nm/kg) (Frizt Dietzel,1996,hal.4)…...… 2.5 + +

Kemudian dibagi lagi dengan percepatan gravitasi g, akan didapat salah satu ruas dari persamaan Bernoulli, yang mempunyai arti ketinggian: Persamaan ketinggian ₂

p c H z kons tan

(m) (FriztDietzel,1996,hal.4)………...…2.6

= = + + g

2 g

ρ ⋅

dengan:

g p ⋅ ρ

ρ = massa jenis air (kg/m ³

(FriztDietzel,1996,hal.2) ………………………

H g m P η⋅ ⋅ ⋅ = ^.

dihasilkan: _T

m dan tinggi air jatuh telah diketahui, maka daya yang

_{T η = randemen turbin} tinggi air jatuh (m) Bila massa aliran ^.

H =

)

g = percepatan gravitasi (m/detik ²

)

kapasitas air (m ³ /detik)

= tinggi tekanan

P = daya yang dihasilkan turbin (kW) _. V =

(Frizt Dietzel,1996, hal. 2) ………………….2.7 dengan :

V P η ρ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ^.

H g

dihasilkan turbin: _T

V dan tinggi air jatuh H dapat diperoleh daya yang

2.2.2 Daya yang Dihasilkan Turbin Dari kapasitas air ^.

2 ² = tinggi kecepatan.

g c

2.8

2.2.3Kecepatan Spesifik

Kecepataan spesifik q

n dipakai sebagai tanda batasan untuk membedakan

roda turbin dan dipakai sebagai suatu besaran yang penting dalam merencanakan (desain) turbin air. Persamaan n dapat dituliskan sebagai berikut : q

V n = n (FriztDietzel,1996,hal.20) ……………………… _q ₄ _{3 /} ₄ H

2.9 dengan :

n = kecepatan spesifik ( rpm) q

n = kecepatan putar turbin (rpm) _. ₃ /detik)

V = kapasitas air (m

H = tinggi air jatuh (m) Bila disebutkan, berarti n adalah jumlah putaran roda turbin yang bekerja pada q ₃ tinggi air jatuh H = 1 m dan kapasitas air V = 1 m /detik (dengan jumlah putaran yang tertentu n/menit) Suatu roda turbin yang bekerja pada tinggi air jatuh yang berbeda dan kapasitas air yang berbeda , serta bekerja pada putaran yang telah ditentukan n/menit dan _q mempunyai harga n yang sama, maka turbin tersebut secara bentuk adalah mirip/serupa. Besar ukuran-ukuran pokoknya adalah berbeda, Diameter roda pengarah dan sudut-sudut sudu jalan, perbandingan diameter roda/lebarnya adalah sama.

Di lain pihak suatu turbin bisa direncanakan untuk kecepatan putar n yang tertentu, tinggi air jatuh yang sama, kapasitas air sama, tetapi bekerja dengan tipe sudu yang bebeda. Dari perbedaan roda turbin meskipun untuk besarnya daya yang dihasilkan turbin sama, akan memberikan bentuk roda dan kecepatan spesifik Nq yang berbeda pula.

Gambar 2.2 Daerah penggunaan dari beberapa jenis konstruksi turbin yang berbeda (Fritz Dietzel,1992, hal 24)

2.2.4 Altenator

Altenator adalah suatu alat ektromekanikal yang mengkonversi daya mekanis menjadi energi elektrik. Pada prinsipnya generator dapat juga disebut sebagai baterei pada kendaraan, dan pada saat mesin motor berputar, altenator bertugas memberi tenaga kepada semua komponen elektrik yang lain. Altenator memiliki 4 bagian yang penting, yaitu :

1. Rotor Yang dimakud rotor adalah bagian yang berputar yang terdiri dari magnet permanent, rotor berputar disekitar stator.

2. Stator

Bagian ini adalah bagian yang statis, yang berupa intibesi yang dibungkus dengan kawat tembaga.

3. Dioda Dioda mengkonversi arus bolak-balik yang dihasilkan oleh pasangan rotor dan stator menjadi arus searah yang digunakan sebagai batterei yang kemudian dapat menggerakan semua komponen elektrik yang ada pada kendaraan.

4. Pengatur Tegangan Pada bagian ini dapat mengontrol jumlah voltase yang diberikan oleh altenator.

Arus yang dihasilkan pada altenator dapat diperoleh dengan dua cara yaitu, magnet berputar didalam coil (lilitan) atau coil berputar pada medan magnet yang diciptakan oleh magnet. Besarnya arus yang dihasilkan oleh altenator tergantung pada kecepatan baling-baling, kekuatan medan magnet, dan ukuran dari coil

. Altenator menghasilkan listrik dengan prinsip yang sama pada DC generator, yakni adanya arus pengumpan yang disebut arus eksitasi saat terjadi medan magnet disekitar kumparan.

Gambar 2.3 Altenator dengan magnet berputar dan kumparam tetap

(http://www.microhydropower.net/intro.html) Arus yang keluar (I) dari altenator dan tegangan yang keluar (V) dari altenator dapat diukur untuk mengetahui energi listrik yang dihasilkan yaitu :

P = V x I ..................................................……………………2.10 dengan : P = daya listrik (kW) V = tegangan listrik (volt) I = arus listrik (ampere)

2.3 Turbin Air

2.3.1 Definisi Turbin Air

Turbin air adalah salah suatu mesin berputar yang mengkonversi energi dari suatu gerakan aliran air menjadi energi mekanis. Energi mekanis ini mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, dengan memanfaatkan aliran dan tinggi air jatuh. Air dibawah tekanan tinggi didalam dam dilepaskan kedalam suatu saluran dimana akan menggerakan impeler turbin sehingga menyebabkan putaran yang cepat. Daya mekanis ini kemudian ditransfer ke generator oleh suatu poros dan kemudian akan menghasilkan energi listrik. Pemilihan suatu turbin tergantung pada karakteristik lokasi, karena menentukan tinggi air jatuh dan kapasitas air. Selain itu pemilihan turbin juga tergantung dari kecepatan putar yang diminta oleh generator.

2.3.2 Perkembangan Turbin Air

Bentuk yang paling tua dan sederhana dari turbin air adalah kincir air, yang pertama kali digunakan oleh bangsa yunani pada abad pertengahan.

Perpindahan dari bentuk kincir air ke bentuk turbin air modern memakan waktu sekitar 100 tahun.

Pada awal abad ke 19 seorang insinyur Prancis yang bernama Claude Bourdin menemukan kata turbin yang diambil dari bahasa latin yang berarti memutar atau pusaran air. Perkembangan turbin air mulai terlihat pada pertengahan abad 18 :

1. Pada pertengahan abad 17 Jan Andrej Segner mengembangkan suatu turbin air reaktif, yang merupakan mesin yang sangat sederhana yang hingga saat ini masih dapat dijumpai di lokasi hidro yang kecil.

2. Pada tahun 1826 Benoit Fourneyron mengembangkan sebuah turbin

3. Pada tahun sebelumnya sekitar tahun 1820, Jean- Victor Poncelete mendisain turbin air aliran dalam, dengan menggunakan prinsip yang sama dia mendapat U.S.paten di tahun 1838.

4. Pada tahun 1848 James B. Francis mengembangkan disain turbin air aliran dalam untuk mendapatkan efisiensi yang lebih tinggi (90%).

Yang disebut turbin Francis.

2.3.3 Jenis-jenis Turbin Air

Terdapat berbagai jenis turbin air yang digunakan untuk penyediaan kebutuhan energi listrik. Turbin air biasanya dikelompokan berdasarkan kegunaan tertentu, kapasitas aliran dan tinggi air jatuh. Oleh karena itu turbin air diklasifikasikan berdasarkan beberapa cara, tapi secara umum turbin air dikelompokkan menurut tinggi air jatuh (Head) dan juga prinsip kerja turbin tersebut merubah energi air menjadi energi puntir. Berdasarkan klasifikasi ini turbin air dibagi menjadi :

Head tinggi Head sedang Head rendah Turbin impuls Turbin pelton

Turbin turgo Turbin cross flow TurbinPelton multi jet Turbin Turgo

Turbin cross flow Turbin reaksi Turbin Francis Turbin Kaplan

1. Turbin impuls Turbin impuls disebut juga turbin tekanan sama atau turbin pancaran bebas karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir disekitarnya. Yang dimaksud turbin implus adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan menjadi energi kecepatan dari pancaran.air. Pancaran air akan membentur roda jalan turbin yang kemudian membalikkan arus air, sehingga menghasilkan perubahan pada daya dorongan yang disebabkan oleh roda jalan turbin.

Pada roda jalan turbin tidak terjadi perubahan tekanan. Sebelum pancaran air membentur roda jalan turbin, tekanan air (energi potensial) dikonversi ke tenaga gerak (energi kinetic) oleh nossel dan dipusatkan pada roda jalan turbin. Jumlah nosel tergantung pada besarnya kapasitas air, tiap roda turbin bisa dilengkapi dengan 1 sampai 6 nosel. Bentuk sudu turbin ini terdiri dari 2 bagian yang simetris, maksudnya agar bisa membalikan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping. Turbin impuls sering digunakan pada aplikasi turbin yang membutuhkan head yang sangat tinggi. Yang termasuk turbin impuls antara lain: a. Turbin Pelton

Turbin ini terdiri dari roda jalan yang diputar oleh pancaran air b. Turbin Crossflow Turbin ini juga disebut Michell-Banki turbin. Cara kerja turbin ini adalah seperti turbin Pelton, yaitu hanya sebagian sudu-sudu saja yang bekerja membalikan aliran air. Turbin ini mempunyai alat pengarah sehingga dengan demikian celah bebas dengan sudu-sudu di sekeliling roda hanya sedikit. Karena itu pada keadaan pembebanan penuh putarannya roda terjadi sedikit kemacetan yang sedikit menimbulkan tekanan lebih.

c. Turbin Turgo Turbin ini sama persis dengan turbin Pelton, yang membedakan hanya kecepatan spesifik yang lebih tinggi.

2. Turbin reaksi Turbin ini juga disebut turbin tekanan lebih. Yang dimaksud dengan turbin reaksi adalah turbin air yang cara bekerjanya dengan merubah seluruh energi air yang tersedia menjadi energi puntir. Turbin air reaksi dibagi menjadi dua jenis yaitu: a. Francis

Turbin Francis dikembangkan oleh James B. Francis pada tahun 1848, yang juga disebut turbin aliran dalam.

b. Propeller Jenis ini saat pertama kali dikembangkan dirancang dan dibuat jika digunakan pada kisaran debit yang lebar. Oleh karena itu maka dikembangkanlah jenis baru dengan sudu yang dapat diatur atau adjustable blade, contoh dari turbin ini antara lain: Kaplan, Nagler, Bulb, Moody.

2.4 Pompa Sentrifugal

2.4.1 Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal, seperti diperlihatkan dalam Gb. 2.1, juga dikenal dengan nama rotary pump (pompa rotasi). Pompa sentrifugal mempunyai sebuah impeler (roda jalan) yang terbenam didalam zat cair, untuk mengangkat zat cair dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Agar supaya bisa bekerja pompa membutuhkan daya dari mesin penggerak pompa. Didalam roda jalan zat cair mendapat percepatan sedemikian rupa sehingga fluida tersebut mempunyai kecepatan mengalir keluar dari sudu-sudu roda jalan.

Zat cair masuk ke pompa dari dekat sumbu impeler. Daya dari luar diberikan kepada poros pompa untuk memutarkan impeler yang terbenam di dalam zat cair. Maka zat cair yang ada di dalam impeler, oleh dorongan sudu-sudu ikut berputar. Karena timbul gaya sentrifugal maka zat cair mengalir dari tengah impeler keluar melalui saluran di antara sudu-sudu. Di sini head tekanan zat cair manjadi lebih tinggi. Demikian pula head kecepatannya bertambah besar karena zat cair mengalami percepatan. Pompa sentriugal dapat digolongkan lebih lanjut atas pompa volut dan pompa difuser. Pada pompa difuser, impeler memberi zat cair suatu percepatan yang relatif tinggi yang diubah oleh difuser menjadi tekanan. Pompa difuser disebut juga pompa tekanan tinggi, dimana sejumlah impeler digunakan secara urut dengan penomoran dan difuser yang terdiri dari pemandu sudu untuk mengurangi percepatan zat cair secara perlahan-lahan mengikuti masing-masing impeler. Pada pompa volut atau disebut juga pompa tekanan rendah zat cair yang keluar dari impeller ditampung oleh saluran berbentuk volut (spiral) di sekeliling impeler dan disalurkan ke luar pompa melalui nosel. Di dalam nosel ini sebagian head kecepatan aliran diubah menjadi head tekanan.

Jadi impeler pompa berfungsi memberikan kerja kepada zat cair sehingga energi yang dikandungnya menjadi bertambah besar. Selisih energi per satuan berat atau head total zat cair antara flens isap dan flens keluar pompa desebut head total pompa. mengakibatkan pertambahan head tekanan, head kecepatan, dan head potensial pada zat cair yang mengalir secara kontinyu.

2.4.2 Prinsip Dasar Turbin Francis

Turbin Francis beroperasi dengan mengembangkan energi tekan dalam air selama ada disepanjang jalur lintasan impeler (roda jalan) yang kemudian menghasilkan reaksi berupa gaya tangensial terhadap roda yang berputar.Turbin Francis adalah turbin reaksi, yang berarti bahwa air yang bekerja pada turbin karena adanya perbedaan tekanan yang melewati turbin, dan memberikan energi.

Pada dasarnya turbin butuh aliran air untuk mengubah energi. Turbin terletak diantara air yang mempunyai tekanan tinggi dan air yang bertekanan rendah untuk keluarannya. Air yang masuk ke dalam turbin bisa dialirkan melalui pengisian air dari atas (turbin Schacht) atau melalui suatu rumah yang berbentuk spiral (rumah keong). Roda jalan semuanya selalu bekerja.

Biasanya menggunakan dam. Inlet berbentuk spiral dan terdapat baling-baling pengarah agar aliran menuju runner menyimpang. Aliran radial bekerja pada baling-baling runner sehingga runner berputar. Pergerakkan air yang melewati runner seperti putaran yang memotong jari-jari. Dan selanjutnya beraksi pada runner. Jika dibayangkan seperti bola dengan benang yang berayun mengelilingi lingkaran, jika benang yang didorong pendek

Fungsi tambahan dari tekanan air adalah membantu aliran air masuk ke turbin dengan memanfaatkan energi air.

Pada keluarannya air keluar lewat runner lanjutan yang berbentuk seperti cangkir,meninggalkan turbin tanpa putaran dan sangat sedikit menimbulkan energi kinetik maupun energi potensial. Keluaran turbin dibuat khusus agar dapat mengurangi aliran pada air dan mengurangi energi kinetik.

Pipa isap pada turbin ini mempunyai tugas yang mirip dengan sudu hantar yang terdapat pada pompa sentrifugal, yaitu sama-sama mengubah energi kecepatan menjadi energi tekanan.

Daya yang dihasilkan turbin bisa diatur dengan cara mengubah posisi pembukaan sudu pengarah, dengan demikian kapasitas air yang masuk ke dalam roda turbin bisa diperbesar atau diperkecil. Turbin Francis dilaksanakan dengan posisi poros vertikal atau horisontal.

Gambar 2.5 Bagan aliran fluida di dalam Turbin Francis

2.5 Persamaan yang Digunakan

b. Konversi massa aliran (

= massa aliran (liter/detik)

m 

/detik)

(FriztDietzel,1996,hal.2).................................(Pers. 2.7) dengan:

 = ^•

1000 m

(m ³ /detik)

m  (x liter/detik)) menjadi debit (

percepatan gravitasi (m/detik ² )

Persamaan-persamaan yang digunakan pada saat pengolahan dan perhitungan data antara lain:

= g

= massa jenis air (kg/m ³ )

)

H = head total air (m) p = tekanan pressure meter rata-rata (kg/cm ²

2.6) dengan:

× = .............................................................(Pers.

ρ 10000 p H

a. Konversi satuan tekanan pressure meter( p (kg/cm ² )) menjadi head ( H (m))

1. Persamaan untuk menghitung daya air ( in P )

V
V = kapasitas air (m

(FritzDietzel,1992,hal.2).......................(Pers. 2.8)

P _{in = ⋅ ρ ⋅ ⋅} V g H

dengan:

P = daya air (W) _in ₃

/detik)

V = kapasitas air (m ₃ ρ

= massa jenis air (kg/m ) ₂

g =

percepatan gravitasi (m/detik )

H = head total air (m) P )

2. Persamaan untuk menghitung daya turbin ( out

P ) dengan menghitung daya yang telah

Menghitung daya turbin ( out dikonversi kebentuk litrik. Dengan menggunakan persamaan daya listrik : P = V X I .........................................................................(Pers. 2.10) dengan :

P = Daya listik yang dihasilkan altenator (watt) V = Tegangan listrik yang dihasilkan altenator (volt) I = Arus listrik yang dihasilkan altenator (amperre)

3. Persamaan untuk menghitung efisiensi turbin ( η ) _T Persamaan yang digunakan untuk menghitung efisiensi turbin adalah:

P _out

100 %

η T = × ............................................................(Pers. 2.7) P dengan: = efisiensi turbin

η T P = daya air (W) _in P = daya turbin (W) _out

4. Persamaan untuk menghitung kecepatan spesifik ( n ) adalah: q

PRESTASI POMPA SENTRIFUGAL DENGAN IMPELER TERTUTUP SEBAGAI TURBIN AIR