PROPOSAL TUGAS AKHIR PEMBUATAN TURBIN VO
PROPOSAL TUGAS AKHIR
PEMBUATAN TURBIN VORTEX DENGAN SUDU
BERBENTUK SPIRAL SEBAGAI UPAYA UNTUK
MENINGKATKAN EFISIENSI
Disusun oleh :
AGUS EKO SETYONO
ANDI YULIAN
FAIZ AJI WICAKSONO
VENNY VENTRIOLLA
(3.22.14.2.01)
(3.22.14.0.05)
(3.22.14.0.10)
(3.22.14.2.21)
PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG
2017
HALAMAN PERSETUJUAN
1. Judul Tugas Akhir
2. Pelaksana
a. Nama
1. Agus Eko Setyono
2. Andi Yuliyan
3. Faiz Aji Wicaksono
4. Venny Ventriolla
b. Program studi
c. Jurusan
3. Pembimbing :
a. Pembimbing I
b. Pembimbing II
: Pembuatan Turbin Vortex Dengan sudu Berbentuk Spiral
Sebagai Upaya Untuk Meningkatkan Efisiensi
:
:
NIM. 3.22.14.2.01/KE3C
NIM. 3.22.14.0.05/KE3A
NIM. 3.22.14.0.10/KE3A
NIM. 3.22.14.2.21/KE3C
: Teknik Konversi Energi
: Teknik Mesin
: Drs. Bono S.T, M.Eng,
: Ir. Gatot Suwoto M.T,
Semarang, 5 Desember 2016
Pelaksana
Pelaksana I
Agus Eko Setyono
NIM. 3.22.14.2.01
Pelaksana II
:
Pelaksana III
Pelaksana IV
Andi Yuliyan
Faiz Aji Wicaksono
NIM. 3.22.14.0.05 NIM. 3.22.14.0.10
Venny Ventriolla
NIM. 3.22.14.2.21
Menyetujui :
Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. Bono S.T, M.Eng,
NIP. 195903231986031004
Ir. Gatot Suwoto M.T,
NIP.196109061988031001
Mengetahui,
Ketua Program Studi Teknik Konversi Energi
Sahid S.T, M.T,
NIP. 19700512996011001
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 JUDUL PROGRAM TUGAS AKHIR
Pembuatan Pengembangan Turbin Vortex Dengan sudu Berbentuk Spiral Sebagai
Upaya Untuk Meningkatkan Efisiensi
2.1 LATAR BELAKANG
Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan
energi fosil secara berlebihan disemua bidang, ilmuwan diseluruh dunia
menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu sumber
energi yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Penggunaan berbagai
macam turbin semakin maju. Indonesia adalah negara agraris dengan potensi
sumber daya air terbesar ke 5 didunia. Potensi sumber daya air yang sangat
melimpah
dengan
jumlah
total
sekitar
3.200
miliar
m³/tahun
(Kirmanto, Djoko. 2012). Sehingga turbin air lebih diutamakan dari pada
turbin angin karena angin di Indonesia relatif kurang stabil.
Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam
memanfaatkan sumber energi terbaru, namun pemanfaatan yang ada masih
menggunakan teknologi yang sederhana. Pembangkit listrik jenis ini dalam
proses pembuatannya sangat ekonomis, tetapi masih dalam skala kecil. Artinya
pembangkit-pembangkit seperti ini hanya mampu mencukupi pemakaian energi
listrik untuk sejumlah rumah saja. Jenis pembangkit listrik tenaga air ini sering
disebut microhydro atau sering juga disebut picohydro tergantung keluaran
daya listrik yang dihasilkan. Teknologi ini terdiri dari komponen utama yaitu
turbin air dan generator listrik (Marsudi, Djiteng. 2006). Turbin air berperan
untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik)
menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran poros turbin ini
akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Microhydro ataupun
picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun dengan head jatuh
yang besar. Sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh yang kecil belum
termanfaatkan dengan optimal. Padahal di Indonesia terdapat potensi air sungai
yang berasal dari 5.590 aliran sungai yang tersebar diberbagai pulau di
Indonesia.
Hal
ini
menjadi
referensi
untuk
memanfaatkan
dengan
mengubahnya menjadi aliran vortex (pusaran air).
Turbin vortex adalah salah satu jenis turbin mikrohidro yang menggunakan
pusaran air sebagai penggerak sudunya. Turbin vortex memiliki head yang
relatif rendah 0,7 m – 3m dengan debit 50L/s
(Mohanan, Anjali
M. 2016). Turbin jenis ini sangat cocok digunakan untuk aliran sungai, karena
kebanyakan sungai memiliki head yang rendah. Berdasarkan uraian diatas,
dalam penelitian ini akan dilakukan pengembangan turbin air vortex dengan
bentuk sudu flat dan turbin vortex dengan bentuk sudu spiral sehingga kita
dapat mengetahui perbedaan kinerjanya dan dapat memanfaatkan aliran air
yang memiliki tinggi jatuh (head) yang rendah dengan efisiensi yang
maksimal.
3.1 PERUMUSAN MASALAH
Perumusan masalah dalam penelitian ini adalah apakah bentuk aliran air
yang kita rekayasa menjadi vortex dan bentuk sudu yang dimodifikasi dengan
bentuk spiral dengan basis turbin vortex dapat meningkatkan efisiensi, untuk
menjawab pertanyaan tersebut, dalam penelitian ini akan dibuat 2 model turbin
air tipe turbin vortex dengan sudu berbentuk flat dan tipe turbin vortex dengan
sudu berbentuk spiral. Kedua model tersebut di uji kinerjanya dan
dibandingkan berdasarkan karakteristik efisiensi yang dihasilkan.
4.1 TUJUAN
a. Tujuan
Tujuan utama penelitian ini adalah mengembangkan desain turbin air tipe
vortex yang telah ada dengan variasi sudu berbentuk spiral. Untuk mencapai
tujuan utama tersebut dirumuskan tujuan khusus sebagai
berikut :
1. Merekayasa model turbin vortex dan pengembangannya (Dengan
bentuk
sudu spiral).
2. Melakukan uji kinerja model turbin vortex yang telah dibuat
(turbin air
tipe vortex dan turbin dengan bentuk sudu spiral)
3. Melakukan analisis kinerja turbin vortex dan pengembangannya (dengan
bentuk sudu spiral).
b. Manfaat
Manfaat dari penelitian pembuatan Turbin Vortex Dengan sudu Berbentuk
Spiral adalah :
1. Mengurangi ketergantungan sumber energi berbasis fosil.
2. Hasil penelitian dapat diterapkan dilokasi yang memiliki potensi aliran
sungai dan dapat dingunakan sebagai pembangkit listrik tenaga air dengan
head (tinggi jatuh air) yang rendah.
3. Dapat dimanfaatkan oleh masyarakat sebagai sumber energi alternatif.
5.1 LUARAN YANG DIHARAPKAN
Target luaran dari Tugas Akhir (TA) ini adalah menghasilkan sebuah
model turbin air Vortex dengan sudu berbentuk spiral sebagai upaya untuk
meningkatkan effisiensi.
6.1 KEGUNAAN
Kegunaan pembuatan Tugas Akhir (TA) dengan judul Turbin Air Vortex
dengan sudu berbentuk spiral sebagai upaya untuk meningkatkan efisiensi
adalah :
1.
Hasil Tugas Akhir (TA) ini dapat langsung diterapkan di lokasi yang
memiliki potensi aliran sungai dan dapat berguna sebagai pembangkit listrik
2.
3.
4.
tenaga air maupun menggerakkan beban lain seperti pompa irigasi.
Dapat dingunakan untuk alat praktikum pengujian Turbin Vortex.
Mengurangi ketergantungan sumber energi berbasis fosil.
Dapat dimanfaatkan oleh masyarakat sebagai sumber energi alternatif
sehingga meningkatkan kerjasama antara pihak institusi dengan masyarakat
pengguna dan masyarakat umum dengan harapan turbin ini sangat
bermanfaat bagi daerah yang memiliki potensi.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
KONSEP TURBIN VORTEX SUDU SPIRAL
Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai
media perantara energi terhadap sumbu vertikal. Turbin air ini dioperasikan pada
daerah yang memiliki tinggi jatuh (head) rendah dan memanfaatkan pusaran
grafitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian
sumbu (zotloeterer). Efisiensi maksimum yang dihasilkan sebesar 15,1%.
Efisiensi tersebut didapat menggunakan blade yang paling besar, inflow maksimal
25 cm, dan besarnya gaya sama dengan 60% dari gaya maksimal yang digunakan
(Power, Christine dkk. 2016). Tangki sirkulasi dengan diameter 1 m,
menggunakan outlet 0.2 m, beroperasi dengan head 0.4 m, dapat menghasilkan
daya maksimal 60 W dan efisiensi system 30 % (Wanchat, Sujate dkk. 2013)
Sistem PLTA pusaran air adalah sebuah teknologi baru yang
memanfaatkan energi yang terkandung dalam pusaran air yang besar dengan
diciptakan melalui perbedaan head rendah disungai. Cara kerja turbin vortex
yaitu :
1.
Air sungai dari tepi sungai disalurkan dan dibawa ke tangki sirkulasi. Tangki
2.
sirkulasi ini memiliki suatu lubang lingkaran pada dasarnya.
Tekanan rendah pada lubang dasar tangki dan kecepatan air pada titik masuk
3.
tangki sirkulasi mempengaruhi kekuatan aliran vortex.
Energi potensial seluruhnya diubah menjadi energi kinetik rotasi diinti
4.
vortex yang selanjutnya diekstraksi melalui turbin sumbu vertikal.
Air kemudian kembali kesungai melalui saluran keluar.
Gambar 2.1 Model saluran pusaran air (vortex) besarta turbin vortex
2.2
KINERJA TURBIN VORTEX SUDU SPIRAL
Untuk mengetahui kinerja dari
turbin vortex, dapat digunakan rumus –
rumus perhitungan daya dan efisiensi sistem.
Perhitungan Daya
1.
Daya Kinetik (Pk)
Daya kinetik adalah energi yang secara efektif diterima oleh air dari
pompa (penggerak).
Pk = ½ ρ Q c2 (Watt) .......................(01)
Dimana ρ merupakan massa jenis air (kg/m3), Q merupakan debit
(m3/s), c merupakan kecepatan aliran (m/s)
2.
Daya Mekanik (Pm)
Daya mekanik adalah daya yang dihasilkan oleh sudu (blade) turbin.
2 πNT
Pm=
(Watt) ..........................(02)
60
Dimana n adalah putaran turbin (rpm), T merupakan torsi (Nm)
3.
Efisiensi
Secara umum efisiensi dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja
yang dihasilkan dengan energi masukan. Efisiensi turbin, yaitu :
Pm
.100 ................................(03)
ηt =
Pk
BAB III
METODE PELAKSANAAN
3.1 TAHAPAN PELAKSANA TUGAS AKHIR
Secara singkat, langkah - langkah penelitian dirangkum dalam bentuk
flowchart seperti berikut :
Persiapan
Penelusuran sumber pustaka dan materi penelitian
Studi Pustaka :
1. Turbin Vortex yang telah ada
(bentuk sudu flat)
2. Saluran pusaran air (vortex)
3. Cara pengujian turbin Vortex
Desain Model
Turbin
Luaran Tahap I :
Dua Model Turbin
yaitu Turbin Vortex
dengan sudu Flat dan
Turbin Vortex dengan
Sudu Spiral
Pembuatan 2 Model Turbin Vortex :
1. Turbin Vortex dengan sudu berbentuk flat
2. Turbin Vortex dengan sudu berbentuk spiral
Uji Kinerja Turbin Air Meliputi :
1) Variabel : bentuk sudu Flat dan Spiral
2) Data yang diambil : Torsi, Putaran,
kecepatan aliran, debit, beda tekanan
aliran
Analisa Data dan Pelaporan: Menyusun
Laporan Tugas Akhir dan Artikel TA
Luaran Tahap II :
Data Hasil Pengujian
Turbin
Grafik karakteristik
Kinerja
Luaran Akhir
Laporan Tugas Akhir dan
Artikel TA
Gambar 3.1 Langkah-langkah penelitian
3.2 URAIAN KEGIATAN
3.1.1 Uraian Kegiatan
Untuk mendapatkan pemahaman yang komprehensif, langkahlangkah penelitian diuraikan dalam uraian dibawah ini :
1. Persiapan
Langkah ini dilakukan berdasarkan objek penelitian meliputi jurnaljurnal dan artikel. Metode ini dilakukan dengan cara menelusuri di
internet dan mempelajari buku-buku tentang turbin vortex yang telah ada
dari perpustakaan.
2. Desain Model Turbin
Setelah melakukan studi pustaka kami mendapat beberapa sumber pustaka
tentang model turbin yang akan kita buat sehingga kami dapat merancang
desain model turbin yang akan dibuat. Turbin Vortex yang pertama
memiliki 4 sudu dan berdiameter 48cm dan tinggi 60cm sedangkan yang
kedua yaitu turbin dengan bentuk sudu spiral memiliki 4 sudu dan
berdiameter 56cm.
3. Pembuatan Alat
Dalam pembuatan alat ini meliputi :
a. Pembuatan sudu flat Turbin Vortex dengan menggunakan bahan berupa
plat stainless steel dengan panjang sudu 60cm dan lebar turbin 15,7cm.
Sedangkan untuk turbin dengan sudu spiral juga menggunakan bahan
yang sama dengan diameter sebesar 38cm. Dalam pembuatan model
turbin, kami memerlukan ring diameter 30mm dan besi silinder
diameter 10mm sebagai pemegang sudu turbin flat maupun spiral,
beberapa bahan seperti mata bor untuk membuat lubang tempat baut,
kikir untuk mengikis komponen yang berlebih, amplas kasar, amplas
halus dan dempul untuk melakukan finishing dan selanjutnya dilakukan
pengecatan.
b. Untuk pembuatan poros turbin menggunakan bahan ST 40 dengan
jumlah 2 batang dengan ukuran panjang 150cm dan diameter 12mm,
dalam pembuatan ini kami memerlukan alat gergaji baja untuk
memotong poros sesuai keinginan dan ukuran yang telah ditentukan.
Dalam pembuatan ini kami menggunakan mesin bubut di lab kampus
untuk
membuat
direncanakan.
poros
dengan
diameter
sesuai
ukuran
yang
c. Untuk pembuatan
kerangka
menggunakan
baja profil 50x50 mm
dengan jumlah 5 batang dan 40x40mm dengann jumlah 2 batang, juga
dibutuhkan bearing dan bantalan untuk poros ST40 dengan diameter
16mm sebagai dudukan poros turbin agar tetap berputar. Diperlukan
generator yang berguna untuk menghasilkan listrik dan mengukur torsi.
Dalam pembuatan kerangka ini membutuhkan alat yaitu gerinda potong
untuk memotong plat sesuai yang diinginkan dan direncanakan pada
gambar, meteran untuk keperluan mengukur, dan setelah selesai proses
pemotongan dan pengukuran maka menyatukan bagian per bagian
dengan menggunakan mesin las listrik hingga membentuk kerangka
yang sesuai dengan gambar yang direncanakan, setelah terbentuk
kerangka tersebut dilakukan penggerindaan pada tempelan las, dalam
pengerjaan penggerindaan dibutuhkan batu gerinda (selep), dan
selanjutnya dilakukan pendempulan, dalam hal ini dibutuhkan dempul
dan amplas. Setelah selesai mendempul dan merapikan dempulan
kemudian dilakukan pengecatan.
d. Untuk membuat rekayasa aliran air kami menggunakan pompa air
sentrifugal dengan head 17m dan debit 1200L/menit
e. Untuk pembuatan bak penampung air, saluran air, dan tangki sirkulasi
kami menggunakan stainlees steel 220x80cm sebanyak2 buah, pipa
poly vinyl chloride (PVC) diameter 4inch panjang 5meter dan diameter
2inch sepanjang 2meter, katub 2 buah diameter 4inch.
f. Untuk
mendapatkan
data-data
yang
diinginkan
maka
kami
menggunakan generator untuk memperoleh torsi, tachometer untuk
mengetahui
kecepatan
putaran
turbin,
neraca pegas digital
(dinamometer) untuk mengukur besar torsi yang dihasilkan, pompa
sentrifugal merupakan komponen yang berfungsi mengalirkan air dari
bak penampung menuju tangki sirkulasi.
g. Untuk pembuatan proposal dan dokumen
yang
diperlukan
menggunakan alat dan bahan yaitu kertas kuarto A4 80gram dengan
jumlah 1 rim, tinta printer 4 botol untuk black & warna, selain itu untuk
mendesain membuat mal turbin kami perlu mencetak gambar desain
dalam ukuran A3, A2, dan A4 dalam pembuatan ini kami menggunakan
jasa rental foto copy untuk penggandaan dokumen dan pembuatan soft
cover.
h. Untuk dokumentasi diperlukan baterai alkaline ukuran sedang dengan
jumlah 4 buah untuk kamera digital, CD R original untuk penyimpanan
soft copy dan untuk pencetakan gambar kami menggunakan jasa studio
4.
foto.
Uji Kinerja Turbin (Pengambilan Data)
Dalam uji kinerja turbin, sebagai variabel adalah bentuk sudu Vortex
d a n Tu r b i n dengan sudu berbentuk spiral. Dalam pengambilan data ini
parameter yang diukur adalah torsi dari turbin menggunakan neraca pegas
(dinamometer), putaran turbin menggunakan tachometer, besarnya debit yang
didapat menggunakan tabung pitot. Diuji pada debit aliran konstan. Setelah
semua pengujian selesai maka didapat data hasil kinerja dari kedua turbin dan
selanjutnya dapat dibuat grafik karakteristik kinerja dari turbin tersebut
5.
Analisa Data
Melakukan analisa data berdasarkan grafik karakteristik kinerja turbin air.
Analisa dilakukan dengan cara membandingkan efisiensi maksimum turbin
vortex yang telah ada dan spiral.
6. Tahapan Terakhir
Menyusun laporan akhir Tugas Akhir dan artikel TA.
3.3 GAMBAR DESAIN
1.
2.
3.
4.
Gambar 3.1. Model Turbin Vortex sudu bentuk Flat
3.2 Model Turbin Dengan Sudu bentuk Spiral
3.3 Penampang Turbin Vortex sudu bentuk Flat tampak atas
3.4 Penampang Turbin Vortex Sudu bentuk Spiral tampak atas
Gambar 4. Kerangka Uji Turbin
Gambar 5. Skema Saluran Pengujian Turbin
Keterangan :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Bak penampung air
Rangka
Turbin
Generator
Saluran air
Pipa air
Pompa sentrifugal
Tabel 1. Jadwal kegiatan Tugas Akhir
Bulan 1
Bulan 2
Bulan 3
Bulan 4
Minggu
Minggu
Minggu
Minggu
Jenis Kegiatan
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Persiapan :
1. Penelusuran sumber pustaka
2. Material Penelitian
Perencanaan desain
Pembuatan alat :
1. Turbin Vortex bentuk sudu
Flat
2. Turbin bentuk sudu Spiral
Pengujian Turbin (Pengambilan
data)
Analisa data dan hasil akhir
Tahapan Akhir
Tabel 2. Anggaran Biaya
1. Peralatan penunjang
Harga
Satuan
(Rp)
Jumlah (RP)
1 buah
1.650.000
1.650.000
Generator AC
L 196 x 90 x 90 mm, Digunakan untuk
mengasilkan
No-load 3200 rpm, 12listrik
24 Volt
1 buah
2.630.000
2.630.000
mengukur beda
head, tekanan air
1 buah
60.000
60.000
Material
Justifikasi
Pemakaian
Pompa Sentrifugal
THF/6A, Q 201200 L/min, Hmax
17 m
digunakan untuk
menggerakkan/
mengalirkan air
di dalam saluran
uji
Tabung Pitot
Kuantitas
SUB TOTAL (Rp)
4.340.000
2. Bahan Habis Pakai
Material
Justifikasi
Pemakaian
Kuantitas
Harga
Satuan
(Rp)
Jumlah (Rp)
Poros D 16 mm
ST 40
digunakan untuk
poros turbin
2 meter
200.000
400.000
Ring diameter 30
mm
Sebagai
pemegang sudu
turbin bentuk
sudu spiral
2 buah
25.000
50.000
besi silinder
diameter 10 mm
Sebagai
pemegang sudu
turbin vortex
2 meter
50.000
100.000
Mur Baut M5x50
mm
menyatukan partpart pada alat uji
(kerangka turbin)
tidak permanen
20 buah
1.500
30.000
8 buah
53.000
424.000
2 buah
4.700
9.400
Plat stainless steel
60x16 cm
Amplas
membuat sudu
bentuk flat dan
bentuk spiral
Menghaluskan
permukaan
Cat sintetis
(mengecat alat uji)
mengecat alat uji
dan
sudu turbin agar
lebih rapi
1 kaleng
200.000
200.000
SUB TOTAL (Rp) 1.213.400
3. Lain-lain
Kuantitas
Harga
Satuan
(Rp)
Jumlah (Rp)
cetak gambar
desain A2
acuan gambar
ketika
membuat
peralatan
(gambar
keseluruhan dari
alat dan peralatan
uji)
1 buah
5.000
5.000
cetak gambar
desain A3
gambar bagian
part
(turbin kerangka,
alat uji, dan
sistem
pengujian)
4 buah
3.000
12.000
cetak gambar
desain A4
gambar bagian
part
(poros, bearing,
dll)
20 buah
1.000
20.000
Material
Justifikasi
Perjalanan
Pengadaan laporan
pengadaan
laporan untuk
perpustakaan
jurusan, institusi,
dosen
pembimbing dan
anggota
kelompok
7
eksemplar
12.000
84.000
CD R original
untuk
menyimpan
laporan dan data
penelitian PKM
dalam bentuk
CD-R
8 keping
10.000
80.000
baterai alkaline
untuk kamera
digital
4 buah
10.000
40.000
kertas A4 80
gram
untuk
mengeprint
laporan, dll
1 rim
35.000
35.000
SUB TOTAL (Rp)
4. Total Biaya
No
Jenis Pengeluaran
276.000
Biaya
1
Peralatan Penunjang
Rp 4.340.000
2
Bahan Habis Pakai
Rp 1.213.400
3
Lain – lain
Rp 276.000
Jumlah
Rp 5.829.400
DAFTAR PUSTAKA
http://www.antaranews.com/berita/307705/baru-25-persen-potensi-airtermanfaatkan. 20 Oktober 2016
http://www.zotloeterer.com/welcome/gravitation-water-vortex-powerplants/configuration-function/ di akses 22 Oktober 2016
Marsudi, Djiteng. 2006. Pembangkitan Energi Listrik. Jakarta: Erlangga
Mohanan, Anjali M. 2016. Power Generation With Simultaneous Aeration
Using A Gravity Vortex Turbine. International Journal of Scientific &
Engeenering Research, Volume 7, Issue 2
Power, Christine dkk. 2016. A Parametric Experimental Investigation of the
Operating Conditions of Gravitationel Vortex Hydropower (GVHP).
Journal of Clean Energy Technologies, Vol. 4, No. 2
Ray Posdam J Sihombing dan Syahril Gultom, 2014. Analisa Efisiensi Turbin
Voltex Dengan Casing Berpenampang Lingkaran Pada Sudu
Berdiameter 56 Cm Untuk Variasi Jarak Sudu Dengan Saluran Keluar.
Sumut.
Wanchat, Sujate dkk 2013. A Parametric Studi Of a Gravitation Vortex Power
Plant. Advanced Materials Research Vols. 805-806 (2013) pp 811-817
PEMBUATAN TURBIN VORTEX DENGAN SUDU
BERBENTUK SPIRAL SEBAGAI UPAYA UNTUK
MENINGKATKAN EFISIENSI
Disusun oleh :
AGUS EKO SETYONO
ANDI YULIAN
FAIZ AJI WICAKSONO
VENNY VENTRIOLLA
(3.22.14.2.01)
(3.22.14.0.05)
(3.22.14.0.10)
(3.22.14.2.21)
PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI
JURUSAN TEKNIK MESIN
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG
2017
HALAMAN PERSETUJUAN
1. Judul Tugas Akhir
2. Pelaksana
a. Nama
1. Agus Eko Setyono
2. Andi Yuliyan
3. Faiz Aji Wicaksono
4. Venny Ventriolla
b. Program studi
c. Jurusan
3. Pembimbing :
a. Pembimbing I
b. Pembimbing II
: Pembuatan Turbin Vortex Dengan sudu Berbentuk Spiral
Sebagai Upaya Untuk Meningkatkan Efisiensi
:
:
NIM. 3.22.14.2.01/KE3C
NIM. 3.22.14.0.05/KE3A
NIM. 3.22.14.0.10/KE3A
NIM. 3.22.14.2.21/KE3C
: Teknik Konversi Energi
: Teknik Mesin
: Drs. Bono S.T, M.Eng,
: Ir. Gatot Suwoto M.T,
Semarang, 5 Desember 2016
Pelaksana
Pelaksana I
Agus Eko Setyono
NIM. 3.22.14.2.01
Pelaksana II
:
Pelaksana III
Pelaksana IV
Andi Yuliyan
Faiz Aji Wicaksono
NIM. 3.22.14.0.05 NIM. 3.22.14.0.10
Venny Ventriolla
NIM. 3.22.14.2.21
Menyetujui :
Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. Bono S.T, M.Eng,
NIP. 195903231986031004
Ir. Gatot Suwoto M.T,
NIP.196109061988031001
Mengetahui,
Ketua Program Studi Teknik Konversi Energi
Sahid S.T, M.T,
NIP. 19700512996011001
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 JUDUL PROGRAM TUGAS AKHIR
Pembuatan Pengembangan Turbin Vortex Dengan sudu Berbentuk Spiral Sebagai
Upaya Untuk Meningkatkan Efisiensi
2.1 LATAR BELAKANG
Energi pada saat sekarang ini semakin berkurang akibat penggunaan
energi fosil secara berlebihan disemua bidang, ilmuwan diseluruh dunia
menyadari hal ini dan mencoba berbagai energi alternatif. Salah satu sumber
energi yang banyak dilakukan penelitian adalah arus air. Penggunaan berbagai
macam turbin semakin maju. Indonesia adalah negara agraris dengan potensi
sumber daya air terbesar ke 5 didunia. Potensi sumber daya air yang sangat
melimpah
dengan
jumlah
total
sekitar
3.200
miliar
m³/tahun
(Kirmanto, Djoko. 2012). Sehingga turbin air lebih diutamakan dari pada
turbin angin karena angin di Indonesia relatif kurang stabil.
Pembangkit listrik tenaga air saat ini menjadi salah satu pilihan dalam
memanfaatkan sumber energi terbaru, namun pemanfaatan yang ada masih
menggunakan teknologi yang sederhana. Pembangkit listrik jenis ini dalam
proses pembuatannya sangat ekonomis, tetapi masih dalam skala kecil. Artinya
pembangkit-pembangkit seperti ini hanya mampu mencukupi pemakaian energi
listrik untuk sejumlah rumah saja. Jenis pembangkit listrik tenaga air ini sering
disebut microhydro atau sering juga disebut picohydro tergantung keluaran
daya listrik yang dihasilkan. Teknologi ini terdiri dari komponen utama yaitu
turbin air dan generator listrik (Marsudi, Djiteng. 2006). Turbin air berperan
untuk mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik)
menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Putaran poros turbin ini
akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Microhydro ataupun
picohydro yang dibuat biasanya memanfaatkan air terjun dengan head jatuh
yang besar. Sedangkan untuk aliran sungai dengan head jatuh yang kecil belum
termanfaatkan dengan optimal. Padahal di Indonesia terdapat potensi air sungai
yang berasal dari 5.590 aliran sungai yang tersebar diberbagai pulau di
Indonesia.
Hal
ini
menjadi
referensi
untuk
memanfaatkan
dengan
mengubahnya menjadi aliran vortex (pusaran air).
Turbin vortex adalah salah satu jenis turbin mikrohidro yang menggunakan
pusaran air sebagai penggerak sudunya. Turbin vortex memiliki head yang
relatif rendah 0,7 m – 3m dengan debit 50L/s
(Mohanan, Anjali
M. 2016). Turbin jenis ini sangat cocok digunakan untuk aliran sungai, karena
kebanyakan sungai memiliki head yang rendah. Berdasarkan uraian diatas,
dalam penelitian ini akan dilakukan pengembangan turbin air vortex dengan
bentuk sudu flat dan turbin vortex dengan bentuk sudu spiral sehingga kita
dapat mengetahui perbedaan kinerjanya dan dapat memanfaatkan aliran air
yang memiliki tinggi jatuh (head) yang rendah dengan efisiensi yang
maksimal.
3.1 PERUMUSAN MASALAH
Perumusan masalah dalam penelitian ini adalah apakah bentuk aliran air
yang kita rekayasa menjadi vortex dan bentuk sudu yang dimodifikasi dengan
bentuk spiral dengan basis turbin vortex dapat meningkatkan efisiensi, untuk
menjawab pertanyaan tersebut, dalam penelitian ini akan dibuat 2 model turbin
air tipe turbin vortex dengan sudu berbentuk flat dan tipe turbin vortex dengan
sudu berbentuk spiral. Kedua model tersebut di uji kinerjanya dan
dibandingkan berdasarkan karakteristik efisiensi yang dihasilkan.
4.1 TUJUAN
a. Tujuan
Tujuan utama penelitian ini adalah mengembangkan desain turbin air tipe
vortex yang telah ada dengan variasi sudu berbentuk spiral. Untuk mencapai
tujuan utama tersebut dirumuskan tujuan khusus sebagai
berikut :
1. Merekayasa model turbin vortex dan pengembangannya (Dengan
bentuk
sudu spiral).
2. Melakukan uji kinerja model turbin vortex yang telah dibuat
(turbin air
tipe vortex dan turbin dengan bentuk sudu spiral)
3. Melakukan analisis kinerja turbin vortex dan pengembangannya (dengan
bentuk sudu spiral).
b. Manfaat
Manfaat dari penelitian pembuatan Turbin Vortex Dengan sudu Berbentuk
Spiral adalah :
1. Mengurangi ketergantungan sumber energi berbasis fosil.
2. Hasil penelitian dapat diterapkan dilokasi yang memiliki potensi aliran
sungai dan dapat dingunakan sebagai pembangkit listrik tenaga air dengan
head (tinggi jatuh air) yang rendah.
3. Dapat dimanfaatkan oleh masyarakat sebagai sumber energi alternatif.
5.1 LUARAN YANG DIHARAPKAN
Target luaran dari Tugas Akhir (TA) ini adalah menghasilkan sebuah
model turbin air Vortex dengan sudu berbentuk spiral sebagai upaya untuk
meningkatkan effisiensi.
6.1 KEGUNAAN
Kegunaan pembuatan Tugas Akhir (TA) dengan judul Turbin Air Vortex
dengan sudu berbentuk spiral sebagai upaya untuk meningkatkan efisiensi
adalah :
1.
Hasil Tugas Akhir (TA) ini dapat langsung diterapkan di lokasi yang
memiliki potensi aliran sungai dan dapat berguna sebagai pembangkit listrik
2.
3.
4.
tenaga air maupun menggerakkan beban lain seperti pompa irigasi.
Dapat dingunakan untuk alat praktikum pengujian Turbin Vortex.
Mengurangi ketergantungan sumber energi berbasis fosil.
Dapat dimanfaatkan oleh masyarakat sebagai sumber energi alternatif
sehingga meningkatkan kerjasama antara pihak institusi dengan masyarakat
pengguna dan masyarakat umum dengan harapan turbin ini sangat
bermanfaat bagi daerah yang memiliki potensi.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
KONSEP TURBIN VORTEX SUDU SPIRAL
Turbin vortex merupakan turbin yang memanfaatkan pusaran air sebagai
media perantara energi terhadap sumbu vertikal. Turbin air ini dioperasikan pada
daerah yang memiliki tinggi jatuh (head) rendah dan memanfaatkan pusaran
grafitasi air sehingga akan menimbulkan perbedaan tekanan air dengan bagian
sumbu (zotloeterer). Efisiensi maksimum yang dihasilkan sebesar 15,1%.
Efisiensi tersebut didapat menggunakan blade yang paling besar, inflow maksimal
25 cm, dan besarnya gaya sama dengan 60% dari gaya maksimal yang digunakan
(Power, Christine dkk. 2016). Tangki sirkulasi dengan diameter 1 m,
menggunakan outlet 0.2 m, beroperasi dengan head 0.4 m, dapat menghasilkan
daya maksimal 60 W dan efisiensi system 30 % (Wanchat, Sujate dkk. 2013)
Sistem PLTA pusaran air adalah sebuah teknologi baru yang
memanfaatkan energi yang terkandung dalam pusaran air yang besar dengan
diciptakan melalui perbedaan head rendah disungai. Cara kerja turbin vortex
yaitu :
1.
Air sungai dari tepi sungai disalurkan dan dibawa ke tangki sirkulasi. Tangki
2.
sirkulasi ini memiliki suatu lubang lingkaran pada dasarnya.
Tekanan rendah pada lubang dasar tangki dan kecepatan air pada titik masuk
3.
tangki sirkulasi mempengaruhi kekuatan aliran vortex.
Energi potensial seluruhnya diubah menjadi energi kinetik rotasi diinti
4.
vortex yang selanjutnya diekstraksi melalui turbin sumbu vertikal.
Air kemudian kembali kesungai melalui saluran keluar.
Gambar 2.1 Model saluran pusaran air (vortex) besarta turbin vortex
2.2
KINERJA TURBIN VORTEX SUDU SPIRAL
Untuk mengetahui kinerja dari
turbin vortex, dapat digunakan rumus –
rumus perhitungan daya dan efisiensi sistem.
Perhitungan Daya
1.
Daya Kinetik (Pk)
Daya kinetik adalah energi yang secara efektif diterima oleh air dari
pompa (penggerak).
Pk = ½ ρ Q c2 (Watt) .......................(01)
Dimana ρ merupakan massa jenis air (kg/m3), Q merupakan debit
(m3/s), c merupakan kecepatan aliran (m/s)
2.
Daya Mekanik (Pm)
Daya mekanik adalah daya yang dihasilkan oleh sudu (blade) turbin.
2 πNT
Pm=
(Watt) ..........................(02)
60
Dimana n adalah putaran turbin (rpm), T merupakan torsi (Nm)
3.
Efisiensi
Secara umum efisiensi dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja
yang dihasilkan dengan energi masukan. Efisiensi turbin, yaitu :
Pm
.100 ................................(03)
ηt =
Pk
BAB III
METODE PELAKSANAAN
3.1 TAHAPAN PELAKSANA TUGAS AKHIR
Secara singkat, langkah - langkah penelitian dirangkum dalam bentuk
flowchart seperti berikut :
Persiapan
Penelusuran sumber pustaka dan materi penelitian
Studi Pustaka :
1. Turbin Vortex yang telah ada
(bentuk sudu flat)
2. Saluran pusaran air (vortex)
3. Cara pengujian turbin Vortex
Desain Model
Turbin
Luaran Tahap I :
Dua Model Turbin
yaitu Turbin Vortex
dengan sudu Flat dan
Turbin Vortex dengan
Sudu Spiral
Pembuatan 2 Model Turbin Vortex :
1. Turbin Vortex dengan sudu berbentuk flat
2. Turbin Vortex dengan sudu berbentuk spiral
Uji Kinerja Turbin Air Meliputi :
1) Variabel : bentuk sudu Flat dan Spiral
2) Data yang diambil : Torsi, Putaran,
kecepatan aliran, debit, beda tekanan
aliran
Analisa Data dan Pelaporan: Menyusun
Laporan Tugas Akhir dan Artikel TA
Luaran Tahap II :
Data Hasil Pengujian
Turbin
Grafik karakteristik
Kinerja
Luaran Akhir
Laporan Tugas Akhir dan
Artikel TA
Gambar 3.1 Langkah-langkah penelitian
3.2 URAIAN KEGIATAN
3.1.1 Uraian Kegiatan
Untuk mendapatkan pemahaman yang komprehensif, langkahlangkah penelitian diuraikan dalam uraian dibawah ini :
1. Persiapan
Langkah ini dilakukan berdasarkan objek penelitian meliputi jurnaljurnal dan artikel. Metode ini dilakukan dengan cara menelusuri di
internet dan mempelajari buku-buku tentang turbin vortex yang telah ada
dari perpustakaan.
2. Desain Model Turbin
Setelah melakukan studi pustaka kami mendapat beberapa sumber pustaka
tentang model turbin yang akan kita buat sehingga kami dapat merancang
desain model turbin yang akan dibuat. Turbin Vortex yang pertama
memiliki 4 sudu dan berdiameter 48cm dan tinggi 60cm sedangkan yang
kedua yaitu turbin dengan bentuk sudu spiral memiliki 4 sudu dan
berdiameter 56cm.
3. Pembuatan Alat
Dalam pembuatan alat ini meliputi :
a. Pembuatan sudu flat Turbin Vortex dengan menggunakan bahan berupa
plat stainless steel dengan panjang sudu 60cm dan lebar turbin 15,7cm.
Sedangkan untuk turbin dengan sudu spiral juga menggunakan bahan
yang sama dengan diameter sebesar 38cm. Dalam pembuatan model
turbin, kami memerlukan ring diameter 30mm dan besi silinder
diameter 10mm sebagai pemegang sudu turbin flat maupun spiral,
beberapa bahan seperti mata bor untuk membuat lubang tempat baut,
kikir untuk mengikis komponen yang berlebih, amplas kasar, amplas
halus dan dempul untuk melakukan finishing dan selanjutnya dilakukan
pengecatan.
b. Untuk pembuatan poros turbin menggunakan bahan ST 40 dengan
jumlah 2 batang dengan ukuran panjang 150cm dan diameter 12mm,
dalam pembuatan ini kami memerlukan alat gergaji baja untuk
memotong poros sesuai keinginan dan ukuran yang telah ditentukan.
Dalam pembuatan ini kami menggunakan mesin bubut di lab kampus
untuk
membuat
direncanakan.
poros
dengan
diameter
sesuai
ukuran
yang
c. Untuk pembuatan
kerangka
menggunakan
baja profil 50x50 mm
dengan jumlah 5 batang dan 40x40mm dengann jumlah 2 batang, juga
dibutuhkan bearing dan bantalan untuk poros ST40 dengan diameter
16mm sebagai dudukan poros turbin agar tetap berputar. Diperlukan
generator yang berguna untuk menghasilkan listrik dan mengukur torsi.
Dalam pembuatan kerangka ini membutuhkan alat yaitu gerinda potong
untuk memotong plat sesuai yang diinginkan dan direncanakan pada
gambar, meteran untuk keperluan mengukur, dan setelah selesai proses
pemotongan dan pengukuran maka menyatukan bagian per bagian
dengan menggunakan mesin las listrik hingga membentuk kerangka
yang sesuai dengan gambar yang direncanakan, setelah terbentuk
kerangka tersebut dilakukan penggerindaan pada tempelan las, dalam
pengerjaan penggerindaan dibutuhkan batu gerinda (selep), dan
selanjutnya dilakukan pendempulan, dalam hal ini dibutuhkan dempul
dan amplas. Setelah selesai mendempul dan merapikan dempulan
kemudian dilakukan pengecatan.
d. Untuk membuat rekayasa aliran air kami menggunakan pompa air
sentrifugal dengan head 17m dan debit 1200L/menit
e. Untuk pembuatan bak penampung air, saluran air, dan tangki sirkulasi
kami menggunakan stainlees steel 220x80cm sebanyak2 buah, pipa
poly vinyl chloride (PVC) diameter 4inch panjang 5meter dan diameter
2inch sepanjang 2meter, katub 2 buah diameter 4inch.
f. Untuk
mendapatkan
data-data
yang
diinginkan
maka
kami
menggunakan generator untuk memperoleh torsi, tachometer untuk
mengetahui
kecepatan
putaran
turbin,
neraca pegas digital
(dinamometer) untuk mengukur besar torsi yang dihasilkan, pompa
sentrifugal merupakan komponen yang berfungsi mengalirkan air dari
bak penampung menuju tangki sirkulasi.
g. Untuk pembuatan proposal dan dokumen
yang
diperlukan
menggunakan alat dan bahan yaitu kertas kuarto A4 80gram dengan
jumlah 1 rim, tinta printer 4 botol untuk black & warna, selain itu untuk
mendesain membuat mal turbin kami perlu mencetak gambar desain
dalam ukuran A3, A2, dan A4 dalam pembuatan ini kami menggunakan
jasa rental foto copy untuk penggandaan dokumen dan pembuatan soft
cover.
h. Untuk dokumentasi diperlukan baterai alkaline ukuran sedang dengan
jumlah 4 buah untuk kamera digital, CD R original untuk penyimpanan
soft copy dan untuk pencetakan gambar kami menggunakan jasa studio
4.
foto.
Uji Kinerja Turbin (Pengambilan Data)
Dalam uji kinerja turbin, sebagai variabel adalah bentuk sudu Vortex
d a n Tu r b i n dengan sudu berbentuk spiral. Dalam pengambilan data ini
parameter yang diukur adalah torsi dari turbin menggunakan neraca pegas
(dinamometer), putaran turbin menggunakan tachometer, besarnya debit yang
didapat menggunakan tabung pitot. Diuji pada debit aliran konstan. Setelah
semua pengujian selesai maka didapat data hasil kinerja dari kedua turbin dan
selanjutnya dapat dibuat grafik karakteristik kinerja dari turbin tersebut
5.
Analisa Data
Melakukan analisa data berdasarkan grafik karakteristik kinerja turbin air.
Analisa dilakukan dengan cara membandingkan efisiensi maksimum turbin
vortex yang telah ada dan spiral.
6. Tahapan Terakhir
Menyusun laporan akhir Tugas Akhir dan artikel TA.
3.3 GAMBAR DESAIN
1.
2.
3.
4.
Gambar 3.1. Model Turbin Vortex sudu bentuk Flat
3.2 Model Turbin Dengan Sudu bentuk Spiral
3.3 Penampang Turbin Vortex sudu bentuk Flat tampak atas
3.4 Penampang Turbin Vortex Sudu bentuk Spiral tampak atas
Gambar 4. Kerangka Uji Turbin
Gambar 5. Skema Saluran Pengujian Turbin
Keterangan :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Bak penampung air
Rangka
Turbin
Generator
Saluran air
Pipa air
Pompa sentrifugal
Tabel 1. Jadwal kegiatan Tugas Akhir
Bulan 1
Bulan 2
Bulan 3
Bulan 4
Minggu
Minggu
Minggu
Minggu
Jenis Kegiatan
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Persiapan :
1. Penelusuran sumber pustaka
2. Material Penelitian
Perencanaan desain
Pembuatan alat :
1. Turbin Vortex bentuk sudu
Flat
2. Turbin bentuk sudu Spiral
Pengujian Turbin (Pengambilan
data)
Analisa data dan hasil akhir
Tahapan Akhir
Tabel 2. Anggaran Biaya
1. Peralatan penunjang
Harga
Satuan
(Rp)
Jumlah (RP)
1 buah
1.650.000
1.650.000
Generator AC
L 196 x 90 x 90 mm, Digunakan untuk
mengasilkan
No-load 3200 rpm, 12listrik
24 Volt
1 buah
2.630.000
2.630.000
mengukur beda
head, tekanan air
1 buah
60.000
60.000
Material
Justifikasi
Pemakaian
Pompa Sentrifugal
THF/6A, Q 201200 L/min, Hmax
17 m
digunakan untuk
menggerakkan/
mengalirkan air
di dalam saluran
uji
Tabung Pitot
Kuantitas
SUB TOTAL (Rp)
4.340.000
2. Bahan Habis Pakai
Material
Justifikasi
Pemakaian
Kuantitas
Harga
Satuan
(Rp)
Jumlah (Rp)
Poros D 16 mm
ST 40
digunakan untuk
poros turbin
2 meter
200.000
400.000
Ring diameter 30
mm
Sebagai
pemegang sudu
turbin bentuk
sudu spiral
2 buah
25.000
50.000
besi silinder
diameter 10 mm
Sebagai
pemegang sudu
turbin vortex
2 meter
50.000
100.000
Mur Baut M5x50
mm
menyatukan partpart pada alat uji
(kerangka turbin)
tidak permanen
20 buah
1.500
30.000
8 buah
53.000
424.000
2 buah
4.700
9.400
Plat stainless steel
60x16 cm
Amplas
membuat sudu
bentuk flat dan
bentuk spiral
Menghaluskan
permukaan
Cat sintetis
(mengecat alat uji)
mengecat alat uji
dan
sudu turbin agar
lebih rapi
1 kaleng
200.000
200.000
SUB TOTAL (Rp) 1.213.400
3. Lain-lain
Kuantitas
Harga
Satuan
(Rp)
Jumlah (Rp)
cetak gambar
desain A2
acuan gambar
ketika
membuat
peralatan
(gambar
keseluruhan dari
alat dan peralatan
uji)
1 buah
5.000
5.000
cetak gambar
desain A3
gambar bagian
part
(turbin kerangka,
alat uji, dan
sistem
pengujian)
4 buah
3.000
12.000
cetak gambar
desain A4
gambar bagian
part
(poros, bearing,
dll)
20 buah
1.000
20.000
Material
Justifikasi
Perjalanan
Pengadaan laporan
pengadaan
laporan untuk
perpustakaan
jurusan, institusi,
dosen
pembimbing dan
anggota
kelompok
7
eksemplar
12.000
84.000
CD R original
untuk
menyimpan
laporan dan data
penelitian PKM
dalam bentuk
CD-R
8 keping
10.000
80.000
baterai alkaline
untuk kamera
digital
4 buah
10.000
40.000
kertas A4 80
gram
untuk
mengeprint
laporan, dll
1 rim
35.000
35.000
SUB TOTAL (Rp)
4. Total Biaya
No
Jenis Pengeluaran
276.000
Biaya
1
Peralatan Penunjang
Rp 4.340.000
2
Bahan Habis Pakai
Rp 1.213.400
3
Lain – lain
Rp 276.000
Jumlah
Rp 5.829.400
DAFTAR PUSTAKA
http://www.antaranews.com/berita/307705/baru-25-persen-potensi-airtermanfaatkan. 20 Oktober 2016
http://www.zotloeterer.com/welcome/gravitation-water-vortex-powerplants/configuration-function/ di akses 22 Oktober 2016
Marsudi, Djiteng. 2006. Pembangkitan Energi Listrik. Jakarta: Erlangga
Mohanan, Anjali M. 2016. Power Generation With Simultaneous Aeration
Using A Gravity Vortex Turbine. International Journal of Scientific &
Engeenering Research, Volume 7, Issue 2
Power, Christine dkk. 2016. A Parametric Experimental Investigation of the
Operating Conditions of Gravitationel Vortex Hydropower (GVHP).
Journal of Clean Energy Technologies, Vol. 4, No. 2
Ray Posdam J Sihombing dan Syahril Gultom, 2014. Analisa Efisiensi Turbin
Voltex Dengan Casing Berpenampang Lingkaran Pada Sudu
Berdiameter 56 Cm Untuk Variasi Jarak Sudu Dengan Saluran Keluar.
Sumut.
Wanchat, Sujate dkk 2013. A Parametric Studi Of a Gravitation Vortex Power
Plant. Advanced Materials Research Vols. 805-806 (2013) pp 811-817