ABSTRAKSI PENGARUH TINGGI AIR JATUH TERHADAP DAYA DIHASILKAN KINCIR AIR EKO PRIAMBODO / 20033137710150031 Penulisan Tugas Akhir, Fakultas Teknologi Industri, 2008 Kata Kunci : Kincir Air Langkah Atas, Sudu-sudu, Energi Aliran (xiii + 57 + lampiran)
YANG
Kincir air merupakan alat yang dapat merubah bentuk energi aliran air menjadi energi listrik, pada tugas akhir ini di buat kincir air dengan jenis kincir air langkah atas. Bahan yang digunakan untuk membuat kincir tersebut adalah acrylic dan yang digunakan sebagai sudu kincir adalah serat karbon, sedangkan bahan yang digunakan untuk poros adalah kayu. Di dalam perencanaan serta pembuatannya dibutuhkan suatu teori yang yang dapat digunakan dalam pembuatan kincir air langkah atas. Adapun teori tersebut adalah teori tentang pembuatan kincir air yang berhubungan dengan mekanika fluida serta berhubungan dengan turbin air. Pada kincir air terdapat tinggi air jatuh yang sangat menentukan daya yang dihasilkan kincir. Pada skripsi ini dibuat kincir dengan tinggi air jatuh yang kecil, yaitu 0,78 meter, di mana tinggi air jatuh tersebut merupakan tinggi maksimal. Dari perhitungan diketahui daya maksimal yang dihasilkan kincir air untuk tinggi air jatuh maksimal sebesar 0,78 meter adalah 10,22.10-5Kw.
BAB I
yaitu dengan suatu sistem kincir air, baik
PENDAHULUAN
kincir air langkah atas maupun kincir air langkah bawah.
1.1.
Latar Belakang
1.2. Permasalahan
Saat ini kebutuhan energi listrik semakin
meningkat.
Baik
di
bidang
elektronika, permesinan, industri, dll. Dan seperti kita ketahui bersama, bahwa energi listrik
dihasilkan
melalui
serangkaian
mekanisme kompleks, yaitu perubahan-
Penulisan tugas akhir ini membahas pembuatan kincir air langkah atas dengan menggunakan teori-teori tentang pembuatan kincir yang berhubungan mekanika fluida serta berhubungan dengan turbin air. 1.3.
perubahan energi. Baik perubahan energi
Pembatasan Masalah Adapun
panas bumi menjadi listrik pada PLTPB ,
permasalahan
yang
akan
dibahas pada penulisan tugas akhir ini
energi uap menjadi listrik pada PLTU,
adalah membahas pengaruh tinggi air
energi nuklir menjadi listrik pada PLTN,
jatuh terhadap daya yang dihasilkan
energi hembusan angin pada pembangkit
roda kincir, dan kaitan antara tinggi air
listrik tenaga angin, dan energi aliran air
jatuh tersebut dengan variabel lain.
menjadi listrik pada PLTA bahkan pada 1.4.
Tujuan Penulisan
pembangkit listrik tenaga gelombang laut. Dari semua perubahan-perubahan
Tujuan Penulisan ini adalah sebagai berikut : • Menghitung pengaruh
energi di atas, saat ini energi aliran air tinggi air jatuh terhadap merupakan energi yang dapat diperbaharui, daya
yang
dihasilkan
atau dengan kata lain merupakan energi kincir air langkah atas, di yang paling banyak tersedia bumi. mana Banyak
cara
dilakukan
tinggi
air
jatuh
untuk tersebut
berhubungan
dengan
variabel-variabel
merubah energi aliran air, antara lain dengan suatu sistem PLTA dan penggunaan energi lain. aliran gelombang air laut, maupun dengan cara yang paling konvensional sekalipun
•
Analisa serta perhitungan mengenai variabel
Isi tugas akhir ini disajikan dalam
tinggi
lima BAB, di mana antara satu bab dengan
seperti
permukaan air, luas nosel,
bab yang lain memiliki hubungan, yaitu:
kecepatan
BAB I : PENDAHULUAN
aliran,
menyebabkan
dan yang
Memuat latar belakang
perubahan
penulisan, permasalahan,
tinggi air jatuh dan daya
pembatasan
kincir.
tujuan penulisan, metode
Menghitung perbandingan
penulisan,
kecepatan roda gigi antara
sistematika penulisan.
poros kincir dengan poros
1.5.
dan
: LANDASAN TEORI Memuat teori-teori yang
Metode Penulisan
penulis ambil dari hasil
penulisan
tugas
akhir
dalam penulisan ini adalah sebagai berikut :
studi pustaka, di mana teori
tersebut
berhubungan
Studi Pustaka Yaitu penulis mengumpulkan
mekanika
berhubungan
langkah atas, di mana isi dari buku
turbin air.
sangat
berhubungan
dengan
fluida
data dari buku mengenai kincir air
tersebut
2.
BAB II
masalah,
generator.
Metode
1.
Sistematika Penulisan
variabel-
kapasitas aliran
•
1.6.
dan
dengan
BAB III : PENYUSUNAN ALAT
dengan mekanika fluida.
Memuat
Proses Pembuatan
kincir air langkah atas
Setelah data mengenai kincir air
dan
prinsip
kerja
bagian-bagian
langkah atas telah diperoleh maka
utamanya, bahan dan alat
proses pembuatan kincir pun dapat
yang digunakan, dan cara
dilaksanakan.
pengambilan data
BAB IV : DATA DAN PEMBAHASAN Menjelaskan
pengaruh
desain kincir air pada tinggi air jatuh terhadap daya
yang
dihasilkan
kincir air langkah atas yang
disertai
dengan
perhitungan. BAB V : PENUTUP Berisi kesimpulan dari proses pembuatan kincir air langkah atas.
volumenya
BAB II
tertentu
temperaturnya
LANDASAN TEORI
diperlukan
bila
tekanan
tertentu.
Pada
perubahan
tekanan
dan cairan dan
Definisi Fluida
temperatur yang besar untuk memperoleh
Fluida adalah zat yang bentuknya
perubahan volume yang mudah terlihat.
dapat berubah secara kontinu akibat gaya
Karena volume cairan dapat dianggap
geser. Pada benda padat, gaya geser akan
konstan dan pada banyak keadaan, maka
menyebabkan terjadinya perubahan bentuk
cairan
sering
atau deformasi, yang tidak berubah besarnya
Untuk
perubahan
selama gaya yang bekerja ini besarnya tetap.
perubahan massa jenis gas juga sangat kecil,
Akan tetapi baik fluida viskos maupun encer
sehinga dalam praktek seringkali kita jumpai
akan mengalami pergerakan antara satu
keadaan di mana gas dapat dianggap
bagian terhadap bagian lainnya bila ada gaya
inkompresibel. Fluida yang inkompresibel
geser yang bekerja padanya. Jadi dapat
lebih mudah dianalisa daripada fluida
dikatakan bahwa suatu fluida tidak dapat
kompresibel.
2.1.
dikatakan
inkompresibel.
tekanan
yang
kecil,
menahan gaya geser. Dalam menganalisa fluida, sering Salah satu akibat dari definisi di
diperlukan konsep penyederhanaan. Salah
atas, adalah bila tidak ada gerakan di antara
satu konsep demikian adalah konsep fluida
partikel fluida, maka tidak ada gaya geser
ideal, yaitu fluida yang tak viskos. Dengan
yang bekerja pada partikel fluida tersebut.
demikian fluida ideal tidak dapat menahan gaya geser. Anggapan bahwa suatu fluida
Ada dua bentuk fluida yang kita tidak
viskos
sangat
menyederhanakan
kenal, yang satu dikenal sebagai cairan dan analisa, dan dalam banyak hal membantu yang lain gas. Cairan terlihat mempunyai penyelesaian
persoalan-persoalan
yang
rumit
teknik
volume yang tertentu, dan dapat berubah bentuk
mengikuti
bentuk
ruang
lebih
sebagai
pendekatan
yang pertama.
Selain
itu
penyederhanaan
ditempatinya. Suatu gas akan selalu mengisi demikian masih dapat diterima selama tempatnya
berapapun
besarnya,
dan
penyederhanaan
tersebut
memberikan
standar zat (umumnya terhadap air).
pedoman untuk memperoleh jawaban yang masuk akal.
2.2.
Jadi s.g tidak mempunyai satuan. 5.
Viskositas, viskositas suatu fluida merupakan ukuran ketahanan suatu
Beberapa Hal Dan Istilah Dalam
fluida
Mekanika Fluida
terhadap
deformasi
dan
perubahan bentuk.
Di bawah ini merupakan istilahistilah yang ada pada mekanika fluida, di
Dalam sistem SI, tegangan ( τ ) =
mana
akan
µ (du / dy) , atau dengan kata lain
berguna di dalam keseluruhan isi tugas akhir
tegangan geser diekspresikan dalam
ini.
N/m2 1.
istilah-istilah
ini
nantinya
(Pa)
dan
gradien
Mass Density ( ρ )
kecepatan ( du / dy ) dalam (m/s)/m,
adalah jumlah/kuantitas suatu zat
karena
pada suatu unit volume satuan
viskositas dinamik adalah N.s/m2
dalam SI adalah (kg/m3)
atau kg/m.s.
itu
satuan
SI
untuk
Sedang viskositas kinematik ( υ ) 2.
Berat spesifik (Specific Weight) (γ ) =
didefinisikan sebagai perbandingan
ρ . g satuan dalam SI =
antara viskositas dinamik terhadap N/m3 kerapatan (density) → 3.
Percepatan gravitasi (g)
dalam
Merupakan suatu konstanta umum yang sering digunakan dalam banyak hal, dimana g = ( ≈ 9,81 m / s )
satuan
SI
υ =µ/ρ
,
viskositas
kinematik mempunyai satuan m2/s. 6.
Luas penampang lintang saluran
2
4.
(A)
Merupakan
suatu
luasan
Spesifik Gravity (s.g) merupakan
permukaan irisan saluran yang
perbandingan antara density dengan
dibuat tegak lurus dengan arah
berat spesifik suatu zat terhadap
aliran cairan, dan dapat ditulis
density atau berat spesifik suatu
dengan persamaan :
A=
d 2π 4
kg m dt 2
=
……………………. (2.1)
= Newton 7.
Kapasitas Air (Q)
12. Usaha (W) Adalah jumlah volume air yang
Gaya yang dikerjakan pada suatu mengalir setiap detik, dan ditulis
benda dengan jarak tertentu, dan 3
dalam satuan m /detik.
ditulis dalam bentuk .
8.
Massa Aliran Air ( m )
W = F . s (Nm = Joule ) …..(2.3)
Adalah jumlah massa air yang
di mana s adalah jarak.
mengalir setiap detik, dan ditulis
Adalah usaha yang dikeluarkan
dengan satuan kg/detik. 9.
setiap detik, atau ditulis dalam
Kecepatan (c) Merupakan
13. Daya (P)
jarak
perpindahan
bentuk
P=
cairan setiap detiknya, dan ditulis
W = Watt ……… (2.4) t
dalam satuan m/detik.
di mana t adalah satuan waktu 10. Tinggi Air Jatuh (H) Adalah
selisih
yang dinyatakan dalam detik.
antara
tinggi
permukaan air (TPA) atas dengan tinggi permukaan air bawah (TPB), dan ditulis dalam satuan meter (m) 11. Gaya (F)
2.3. Teori Dasar Aliran (Hidrodinamik) Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air
Adalah perkalian antara massa
dibangun
dengan
pegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air
percepatan
dan
ditulis
di
sungai-sungai
dan
di
dalam bentuk
:
tersebut dapat dibedakan dalam 2 golongan,
F = m .a
……. (2.2)
yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan
= kg .
m dt 2
pusat tenaga air tekanan rendah. Dari selisih tinggi permukaan air atas (TPA) dan
permukaan air bawah (TPB), terdapat tinggi
dalam energi kinetis (kecepatan), atau
air jatuh (H).
sebaliknya. Arti
selanjutnya
dari
kaidah
2.4. Energi Air kekekalan energi adalah apabila arus air Energi air telah banyak digunakan, dalam alirannya dilewatkan melalui turbin baik untuk irigasi, menjalankan mesin air, maka energi yang ada dalam air akan penggilingan, mesin tekstil, mesin gergaji, diubah menjadi bentuk energi yang lain. dan lain sebagainya. Pada masa terdahulu bangsa india telah memanfaatkan tenaga air untuk kincir air dan mesin penggiling. Sedangkan di kerajaan Roma tenaga air digunakan untuk membuat tepung yang berasal tersebut mesin,
dari
gandum,
digiling dan
dimana
dengan
mesin
gandum
Gambar 2.1 Bentuk energi pada aliran air [3]
menggunakan
penggiling
tersebut
memperoleh tenaga dari air. Keunggulan dari penggunaan energi air ini adalah tidak
Aliran air pada suatu atandar ketinggian tertentu, garis NN pada gambar 2.1 mempunya bentuk-bentuk energi sebagai berikut :
menghasilkan karbondioksida atau emisi berbahaya lainnya.
Energi tempat
m.g .z 2.5.
dalam kg.
Aliran Zat Cair Dan Bentuk Energinya Kaidah energi menyatakan bahwa
.………………………… (2.5) Energi tekanan
suatu bentuk energi akan dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain. Arus air yang mengalir mengandung energi dan energi dapat diubah bentuknya, misalnya perubahan dari energi potensial (tekanan) ke
kg .m m .m = .m 2 dt 2 dt = Nm
m.
p
ρ
dalam kg .
N m3 . = .... = Nm m 2 kg
……………………….... (2.6)
ruas
Energi kecepatan
dari
persamaan
Bernoulli,
yang
mempunyai arti ketinggian : m2 kg.m dalam kg. 2 = .m = Nm 2 det det .………………………… (2.7) p c2 H=z+ + = konst. m . 2 . ρ g g Petunjuk untuk energi tekanan : Tekanan p
c2 m. 2
dalam N/m2 dalam hal ini dubuat dalam
.……………………..……………… (2.10)
bentuk :
z adalah ketinggian dari suatu tempat yang dipakai sebagai standar
kg .m 1 . det ik 2 m 2.6.
p dinamakan tinggi tekanan. ρ.g
Beberapa Bentuk Persamaan
c2 dinamakan tinggi kecepatan 2.g
Bernoulli Pada suatu aliran di dalam pipa,
Ketinggian adalah jarak ke suatu
diambil suatu selisih ketinggian z antara
tempat di mana suatu benda yang jatuh dari
tinggi air atas dan tinggi air bawah, maka
tempat tersebut mempunyai kecepatan c.
menurut persamaan Bernoulli adalah :
Jadi persamaan Bernoulli dapat dikaakan
W = m.g .z + m.
p
ρ
+ m.
c2 2
sebagai berikut : Pada tiap saat dan tiap posisi yang ditinjau
.…………………..…………(2.8)
dari suatu aliran di dalam pipa tanpa
Bila pada aliran tersebut di atas diambil
gesekan
suatu
jumlah
air
tiap
1
Kg
untuk
yang
mempunyai
tidak
jumlah
bergerak, energi
akan
ketinggian
diperhitungkan, hal ini dinamakan spesifik
tempat, tekanan, dan kecepatan yang sama
energi dan satuannya dalam Nm/Kg.
besarnya.
Karena dibagi dengan massa m, maka akan didapat :
Persamaan Bernoulli umumnya ditulis dalam bentuk :
c2 = konst. Nm / kg W = g .z + + ρ 2 p
…….……………………….(2.9) Kemudian dibagi lagi dengan percepatan gravitasi g, maka akan didapat salah satu
z1 +
p1 c2 p c2 + 1 = z2 + 2 + 2 ρ . g 2 .g ρ .g 2.g
……….……………………… (2.11)
Artinya, sebagai misal adalah aliran
Ketika cairan sampai di penampang 2 akan
air di dalam pipa, pada posisi 1 air
bentrok dengan rintangan di titik 2. Di sini
mempunyai
aliran cairan akan berhenti c2 = 0, melewati
tekanan
tertentu
dan
luas
penampang yang tertentu serta kecepatan c1,
titik bentrok di rintangan 2 dibuat garis
perubahan bentuk energi akan terjadi bila
referensi N . . . N, maka z1 = z2 dan
pada posisi 2 penampangnya diperkecil,
persamaan spesifik energi Bernoulli akan
dengan demikian kecepaan air akan naik
menjadi :
menjadi c2 dan tekanannya pada posisi 2 akan berkurang, hal ini akan terlihat dengan jelas apabila letak pipa tersebut mendatar,
0+
p1
ρ
+
c1 p =0+ 2 +0 ρ 2
.…………….……………………… (2.12)
jadi z1 = z2.
kemudian setelah diselesaikan Perubahan
bentuk
energi
akan
diketahui dengan seksama bila diamati memakai
alat
ukur.
Penjelasan
secara
p2 = p1 +
ρ 2
.c12
(tekanan total )
.……….………………………... (2.13) Keterangan :
singkat prinsip alat ukur tekanan statis,
p2 = Tekanan total tekanan dinamis atau rintangan, piezometer
p1 = Tekanan statis dan tabung pitot sebagai berikut :
p2 - p1 = Tekanan rintangan Di dalam pipa yang diletakkan mendatar pada gambar 2.2, dialiri cairan dengan tekanan P1 (dipompa), kerapatan cairan
ρ
dan kecepatannya c1.
Tekanan dinamis =
ρ.
c12 2
Di titik bentrok cairan dan rintangan 2 tekanannya lebih tinggi dari pada tekanan cairan di sekitarnya, sebab energi kecepatan telah diubah menjadi energi tekanan.
Gambar 2.2 Penghalang (rintangan) di dalam aliran
dan h2 =
p1 c2 + 1 ρ .g 2 .g
.……….…………………... (2.15)
h2 − h1 =
p1 c2 p c2 + 1 − 1 = 1 = ∆h ρ . g 2 .g ρ .g 2 .g
.….………………………... (2.16) Gambar 2.3 Piezometer (kiri) dan tabung pitot
Gambar 2.3 di atas menunnjukan bahwa
Dari persamaan di atas didapat persamaan umum kecepatan aliran, yaitu :
yang bertindak sebagai rintangannya
c = 2 g .∆h
adalah suatu pipa yang dibengkokkan
.….………………………... (2.17)
siku-siku dan kedua ujungnya terbuka, salah satu sisinya ditempatkan
2.7.
Besar Gaya Dan Bentuk Sudu
sedemikian rupa hingga kedudukannya melawan arah aliran zat cair. Yang lainnya adalah suatu pipa yang terbuka ujung-ujungnya dan dipasang sedemikian rupa pada dinding saluran supaya kecepatan aliran zat cair tidak mempengaruhinya.
Gambar 2.4 Terjadinya gaya pada Yang terlihat pada gambar aalah
pembelokkan aliran air
hasil pengukuran dan penjelasannya, dari
Suatu
sini didapat selisih kedua ketinggian h2 dan h1 yang besarnya sama dengan kecepatan aliran zat cair di dalam saluran, dengan keterangan adalah sebagai berikut :
h2 =
p1 ρ .g
.……….…………………... (2.14)
benda
berlubang
dan
diperkuat dengan bagan seperti pada gambar 2.4,
secara
teratur
dialiri
air
dengan
kecepatan c1 dan membentuk sudut
α1,
sejajar dinding batas benda tersebut. Aliran air m akan belok dan ke luar dengan membentuk sudut
α2.
Fx = Q.ρ .(c1 . cos α 1 − c 2 . cos α 2 )
Penampang di bagian keluar A2
.………………………….….(2.21)
lebih kecil dari pada A1, berarti kecepatan
Fy = Q.ρ.(c 2 . sin α 1 − c 2 . sin α 2 )
keluar c2 lebih besar dai c1. Dari gambar dan bentuk
peralatan
serta
aliran
dapat .….…………………………(2.22)
diperkirakan bagaiman asalnya gaya F. Besarnya
gaya
ini
menurut
Sebagai
kaidah
contoh
yaitu
pada
pergarakan atau impuls.
bendungan, energi yang terdapat pada
F .t = m.c1 − m.c2
bendungan adalah jumlah air yang dapat
.………………………..……………. (2.18) dan untuk t = 1 detik maka :
F = m.c1 − m.c 2
dilepaskan ke permukaan bawah dengan cara pengontrolan massa aliran air, atau massa aliran air persatuan waktu.
.….………………………………..…(2.19) 2.8 Gaya F dalam N, bila massa air yang lewat
Kincir Air Kincir air merupakan alat yang
m dalam kg/detik, dan kecepatannya c dalam memperoleh energi dari aliran air atau m/detik. Bila dihitung berdasarkan kapasitas air yang lewat, maka :
jatuhnya air ke dalam sel-sel kincir. Kincir air telah digunakan secara luas pada masa
F = Q.ρ.c1 − Q.ρ .c2
abad pertengahan untuk bidang industri di
.….………………………………… (2.20)
Eropa. Sebagai contoh yaitu untuk industri
Menurut kaidah impuls untuk perbedaan
penggilingan tepung, permesinan, penumbuk
geometri dari bagian-bagian yang bergerak
linen pada industri kertas, dan lain-lain.
didapat dari m.c1 dan – m.c2. Dengan
Kincir
air
adalah
yang
memperhatikan sudut aliran masuk dan ke
pembuatannya paling banyak ditiru, yang
luar, maka gaya yang terjadi dapat diuraikan
bekerja dengan memanfaatkan tinggi air
dalam arah x dan y. Dari gambar 2.4 didapat
jatuh H dan kapasitas air Q. Faktor yang
:
harus diperhatikan pada kincir air selain energi tempat adalah pengaruh berat air yang mengalir masuk se dalam sel-selnya.
Air yang mengalir ke dalam dan ke
serta daya pada poros transmisi masih bisa
luar dari kincir tidak memiliki tekanan lebih,
digunakan, misalnya di unit-unit kecil
hanya tekanan atmosfir saja. Kecepatan air
penggilingan tepung, minyak dan lain-lain.
yang mengalir ke dalam kincir harus kecil,
Randemen kincir antara 20% sampai 80%.
sebab bila kecepatannya tinggi makan ketika
Untuk roda kincir yang putarannya pelan
melalui sel air akan melimpah ke luar atau
bahannya terbuat dari kayu, namun apabila
energi yang ada hilang menjadi percuma dan
untuk tinggi air jatuh yang besar, maka roda
tak
kincir terbuat dari logam.
bisa
dimanfaatkan
karena
airnya
bergolak. Meskipun kincir air telah usang, namun pada kondisi yang tertentu di mana kemungkinan-kemungkinan lainnya tidak ada, maka kincir air tetap merupakan salah satu pilihan untuk digunakan. Tetapi di lain pihak kadang-kadang maksud utamanya adalah untuk mendapatkan energi yang sebesar-besarnya karena itu banyak kincir air yang diganti dengan turbin air. Tinggi
air
jatuh
yang
bisa
digunakan kincir air antara 0,1 m hingga 12
Gambar 2.5 Kincir Air Yang
m (roda kincir yang besar), dan kapasitas
Terdapat di Georgia USA
airnya 0,05 m3/detik sampai 5 m3/detik. Pemakaian kincir adalah di daerah yang
2.8.1
Sejarah Kincir Air
aliran airnya tidak menentu, berubah-ubah
Sejak dahulu kincir air telah banyak
dan tinggi air jatuhnya kecil, bila perubahan
digunakan di berbagai Bangsa di berbagai
kecepatan putar tidak menganggu
dan
belahan bumi, baik di India pada abad ke-4
kecepatan putarannya kecil yaitu 2 putaran
SM, di Yunani dan Asia minor pada 240
/menit sampai dengan 12 putaran/menit,
SM, kerajaan Romawi. Pada masa Cina
kuno kincir air telah digunakan pada masa Dinasti Han, maupun pada Dinasti Ming. Gambar di bawah ini merupakan mekanisme kincir yang dibuat pada masa Dinasti Ming pada tahun 1587-1666 M.
Gambar 2.7 Kincir Air Di Sungai Orontes Syria
2.8.2
Tipe Kincir Air Sebagian besar kincir air yang ada
di Inggris dan di Amerika adalah kincir dengan rotasi vertikal yang menggunakan sumbu horizontal. Namun di dataran tinggi Skotlandia banyak ditemui kincir air dengan poros/sumbu vertikal. Hal Gambar 2.6 Kincir Pada Masa Dinasti Ming Pada Tahun 1587-1666 Sedangkan pada masa kejayaan Islam di Abad ke-7, para insinyur muslim telah membuat dan menggunakan kincir air, kincir air tersebut hingga saat ini masih tetap ada di sungai Orontes yang ada di Syiria, kincir air tersebut ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
umum
yang
menentukan
pemilihan jenis kincir air adalah lokasi penempatan kincir, selain itu pula adalah besarnya aliran air di mana lokasi kincir berada Di bawah ini merupakan tipe/jenis dari kincir air. •
Kincir
Air
Horizontal
(Horizontal Wheel)
Kincir
air
jenis
menggunakan
poros
vertikal,
•
•
ini
Kincir Air Langkah Atas (Overshot wheel)
sehingga
Pada kincir jenis ini aliran
perputaran kincir terjadi
air melewati kincir melalui
secara horizontal.
bagian
Kincir
Air
Langkah
atas
bilah/sudu
kincir. Dengan demikian
Bawah (Undershot wheel)
posisi kincir berada di
Kincir air jenis ini dapat
bawah aliran air. Gambar
berputar jika aliran air
di bawah ini menunjukkan
melewati bagian bawah
salah satu contoh kincir air
dari
langkah atas.
bilah-bilah/sudu
kincir. Dengan kata lain perputaran kincir terjadi akibat
aliran
air
yang
melewati bagian bawah kincir,
kincir air jenis
tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.9 Kincir Air gambar di bawah ini. Langkah Atas
2.8.3
Material Yang Digunakan Dalam Pembuatan Kincir Kincir
umumnya
air
terbuat
tradisional dari
bahan
pada kayu,
Gambar 2.8 Kincir Air sedangkan penggunaan bahan besi dan baja Langkah Bawah baru dapat dilakukan jika diinginkan putaran tinggi dan torsi yang besar.
2.8.4
Menentukan Daya Yang
2.9
Transmisi Roda Gigi
Dihasilkan Kincir Air Kita
perlu
menentukan
Lurus Poros Sejajar berapa
banyak daya yang dihasilkan oleh kincir yang kita buat, untuk melakukannya kita perlu mngetahui dua hal, pertama adalah kuantitas air yang ada serta tinggi tebing air, atau dalam arti tinggi air jatuh. Dengan dua
Pada kincir air, putaran poros kincir selanjutnya
akan
diteruskan
ke
poros
generator melalui transmisi roda gigi, pada umumnya
transmisi
roda
gigi
yang
digunakan adalah roda gigi lurus dengan poros sejajar.
hal tersebut kita dapat menghitung besarnya daya yang dihasilkan poros kincir.
2.10
Perbandingan
Putaran
Dan
Perbandingan Roda Gigi Jika
Persamaan yang digunakan adalah :
putaran
roda
gigi
yang
Horse Power = Constant x Quantity x
nerpasangan dinyatakan dengan n1 (rpm)
Height x Eff .……………………... (2.23)
pada poros penggerak dan n2 (rpm) pada
= Constant x (Cubic Ft / Sec of water) x
poros yang digerakkan, diameter lingkaran
(Height of Fall) x (Eff. of Wheel)
jarak bagi d1 dan d2 (mm), dan jumlah gigi z1 dan z2 , maka perbandingan putaran u adalah:
contoh : Horse Power for 800 gal/min @ 15 Feet
u=
n2 d1 m.z1 z1 1 = = = = n1 d 2 m.z 2 z 2 i
Horse Power = C* Q* H* E
.…………………………..…………(2.24) Horse Power =0 .1134 * 1.783 * 15 * .85 Horse Power = 2.577 Constant = (Water Weight lbs.) / (footlbs/sec) Constant = (62.42 / 550.221) Constant = 0.113491
z2 = i .…...……………….……... (2.25) z1 Harga I yaitu perbandingan antara jumlah gigi pada roda gigi dan poros pinyon, disebut
perbandingan
perbandingan transmisi.
roda
gigi
atau
BAB III
= 7,45
PENYUSUNAN ALAT
= 2,73 m / dt 3.
3.1.
Luas permukaan
Cara Memperoleh Data
lubang ( A ) adalah :
Data yang diperoleh untuk pembuatan
A = p.l
kincir pada tugas akhir ini didapat
= (40.10 −3 ).(25.10 −3 )
melalui buku dan melalui situs yang berhubungan
dengan
kincir
= 0,04 × 0,025
air.
= 0,001 m 2
Selanjutnya data yang telah diperoleh diolah
lebih
lanjut
menggunakan
dengan
persamaan
4.
permukaan lubang
yang
dan kecepatan
berhubungan dengan mekanika fluida.
diketahui maka
Sedangkan data-data mengenai kincir air
yang
dibuat
didapat
Kapasitas aliran air
dengan
yang keluar dari bak
pengukuran langsung pada objek yang dibuat.
Adapun
data-data
Setelah luas
( Q ) adalah :
yang
Q = A.c
dibutuhkan untuk pembuatan Kincir air
= 0,001× 2,73
langkah atas yaitu :
= 0,00273 m 3 / dt 1.
H = Tinggi air jatuh, dinyatakan
dalam
satuan meter = 0,78 m 2.
5.
Sehingga laju massa aliran pada bak air .
( m ) adalah :
C = kecepatan .
(m/detik)
= 2.g.h
= 2.9,81.0,38
m = Q.ρ = 0,00273 × 1000 = 2,73 kg / dt
6.
Pada bagian bak air
namun
diketahui data sebagai
perhitungan, bahan-bahan yang digunakan
berikut :
adalah :
D = 420 mm r = 210 mm −3
= 210.10 m = 0,21 m
Besi siku sepanjang 7,04 meter
•
Satu buah ember plastik dengan volume 40 Liter.
•
•
Acrylic sebanyak 60 cm.
•
Kayu untuk poros dengan D = 1,5 cm dan panjang L = 41 cm.
•
V = π r2.L = 3,14.(0,212 ).0,38
Mur
dan
baut
10
•
Mur
dan
baut
berukuran
12
sebanyak 23 buah. •
Polykarbonat sebanyak 2 meter.
h = Tinggi air pada
•
Generator mini 6 Volt, 24 Watt.
bak sumber air
•
Cat semprot.
•
Penyiku 17 buah.
•
Fiber plastik dengan tebal 0,5 mm
= 380 mm −3
= 380.10 m = 0,38 m
dan 1 mm.
3.2.2
Alat Yang Digunakan
3.2.
Bahan Dan Alat Yang Digunakan
3.2.1
Bahan Yang Digunakan
•
Alat ukur
Kincir air yang dibuat pada tugas
•
Gergaji logam
akhir ini menggunakan bahan-bahan yang
•
Solder
mudah didapat
pasaran. Dan cara
•
Lem plastik adhesif
pembuatannya yang tidak terlalu rumit
•
Lem silikon
di
berukuran
sebanyak 50 buah.
= 0,053 m 3 7.
Bearing/bantalan sebanyak 2 buah dengan diameter D = 1,5 cm.
Maka volume bak air adalah :
perhitungan-
•
L = 380 mm = 380.10 −3 m = 0,38 m
membutuhkan
•
Satu set kunci
luar. Gambar dari bak sumber air yang telah
•
Termometer
dilubangi tersebut ditunjukkan pada gambar
•
Penjepit/tang
di bawah ini.
3.3.
Bagian-bagian
Kincir
Air
Langkah Atas Kincir air langkah yang dibuat pada tugas akhir ini memiliki bagian-bagian yang membutuhkan sedikit perhitungan di dalam pembuatannya. Terutama adalah pada sudusudu kincir yang meliputi sudut masuk air
α1
, sudut keluar
α2
, luas penampang Gambar 3.1 Bak air tampak depan
masuk A1 , luas penampang keluar A2 dan diameter kincir D. Kemudian tinggi dudukan sumber air
yang
nantinya
akan
sangat
mempengaruhi tinggi air jatuh H. Dan tinggi air jatuh ini merupakan pokok bahasan di dalam skripsi ini.
3.3.1
Bak Sumber Air Adapun sumber air pada alat ini
menggunakan satu buah ember berbahan plastik, yang kemudian bak air ini dilubangi untuk saluran air, lubang bak air tersebut berukuran 40 mm x 25 mm. Selain mudah didapat bahan ini memiliki kemampuan untuk menahan air agar tidak meresap ke
Gambar 3.2 Bak Air 3 dimensi
Semua gambar yang ditunjukkan pada skripsi ini menggunakan satuan milimeter, oleh sebab itu dalam perhitungannya harus dikonversikan ke dalam satuan meter.
Setelah semua satuan dikonversikan ke dalam meter maka volume ember air dapat di hitung.
3.3.2
Kerangka
Kerangka dibuat dengan menggunakan besi siku yang dipotong sesuai dengan ukuran yang tertera pada gambar di bawah ini. Setelah semua besi siku dipotong disusun
kemudian dan
besi diikat
tersebut
Gambar 3.4 Kerangka tampak samping
dengan
menggunakan mur dan baut. Kemudian 4 buah roda dipasang pada tiap sudut kerangka tersebut.
Gambar 3.5 Kerangka 3 dimensi
Gambar 3.3 Kerangka tampak depan
3.3.3
Poros Kincir
Poros
kincir
dibuat
dengan
menggunakan kayu yang dibubut dan dihaluskan, kincir
adapun
tersebut
diameter
disesuaikan
poros dengan
diameter bearing,
Gambar 3.8 Pandangan atas kincir
Gambar 3.6 Poros kincir
3.3.4
Kincir
Bagian
sudu-sudu
menggunakan
bahan
kincir fiber
ini dengan
ketebalan 1 mm, sedangkan bagian lainnya dari kincir terbuat dari bahan acrylic. Gambar 3.9 Kincir 3 dimensi
3.3.5
Penampung Air Jatuh (Dudukan Kincir) Tempat
jatuhnya air
ini
juga
merupakan tempat dudukan kincir, sehingga bearing atau bantalan juga terpasang pada Gambar 3.7 Pandangan depan kincir bagian ini. Tempat jatuhnya air ini terbuat dari bahan polykarbonat, tempat jatuhnya air ini terbagi menjadi 5 bagian, yaitun bagian
depan, bagian belakang, bagian kanan, bagian kiri, dan alas. Dan masing-masing bagian disatukan dengan menggunakan mur dan baut pada kerangka. Selanjutnya bagianbagian pojok dari dudukan air tersebut dilapisi atau dilem dengan menggunakan lem silikon. Untuk menghindari semburan air Gambar 3.10 Dudukan kincir tampak depan
dan keluarnya air dari tempat penampungan akibat jatuhnya air pada sudu kincir, maka bagian sisi-sisi dari dudukan kincir perlu dipertinggi
dengan
menggunakan
fiber,
ketebalan fiber yang digunakan adalah 0,5 mm. Setelah
polykarbonat
terpasang
pada kerangka, langkah selanjutnya adalah melubangi bagian dinding untuk meletakkan bantalan.
Alat
yang
digunakan
untuk
Gambar 3.11 Dudukan kincir tampak samping
melubangi adalah solder.
adalah
Kemudian
langkah
melubangi
bagian
selanjutnya bawah/bagian
dasar dari dudukan air dengan menggunakan solder, fungsi dari lubang tersebut adalah sebagai saluran keluar air. Jumlah lubang buangan adalah sebanyak dua buah. Gambar dudukan tersbut ditunjukkan di bawah ini. Gambar 3.12 Dudukan air tampak bawah yang telah dilubangi
3.4
Kincir Air Langkah Atas Keseluruhan Setelah proses pemasangan bagianbagian kincir telah selesai, maka proses pelaksanaan kincir air dapat terlaksana, gambar keseluruhan kincir air langkah atas tersebut ditunjukkan pada gambar
Gambar 3.13 Dudukan kincir 3 dimensi di bawah ini.
Gambar 3.14 Dudukan yang telah diberi lubang Gambar 3.15 Kincir air keseluruhan
3.3.6
Generator Mini DC tampak depan
Generator yang digunakan pada kincir
ini
maksimal
mempu sebesar
mengeluarkan 24
Watt,
daya dan
menghasilkan beda potensial sebesar 6 Volt. Poros
generator
tersebut
dihubungkan
dengan poros kincir melalui transmisi roda gigi lurus. Roda gigi yang digunakan pada kincir air ini adalah roda gigi lurus, dengan diameter penggerak adalah 40 mm dan diameter pinion adalah 35 mm. Gambar 3.16 Foto kincir air langkah atas
BAB IV
8.
c = 2,73 m / dt
9.
Q = 0,00273 m 3 / dt
DATA DAN PEMBAHASAN 4.1.
Data Kincir Air Adapun
data
yang
.
10. m = 2,73 kg / dt
diperlukan
mengenai kincir air pada tugas akhir ini didapat
dengan
pengukuran
langsung
4.2.
Kincir air langkah atas akan berputar
terhadap objek yang dibuat, data yang diperoleh
dengan
pengukuran
Urutan Operasi Kincir
apabila lubang penutup bak air dibuka,
langsung
aliran air yang keluar dari lubang
yaitu:
tersebut akan masuk ke dalam sudu1.
H = 0,78 m
2.
Luas permukaan lubang
sudu kincir dan memutar roda kincir. Maka perputaran roda kincir tersebut ( A ) / nozel adalah :
akan menghasilkan daya pada poros
A = 0,001 m 2
kincir, kemudian daya pada poros kincir
3.
h = 0,38 m
tersebut akan diteruskan ke poros
4.
Pada
bagian
diketahui
bak
data
generator mini melalui transmisi roda
air
gigi
sebagai
lurus.
Dan
tentunya
dengan
berikut :
menggunakan persamaan teoritis, maka
D = 0,21 m
daya yang dihasilkan pada poros kincir
L = 0,38 m
dapat diketahui.
V = 0,053 m 3
4.2.1.
Tahapan untuk pengisian
1.
Mengisi bak air hingga mencapai
Sedangkan data yang memerlukan tinggi air jatuh H = 0,78 meter proses
perhitungan
teoritis
yang
telah 2.
Membuka penutup bak air
3.
Air dari bak akan keluar dan masuk
dijabarkan pada bab 3 adalah sebagai berikut: ke sela-sela sudu kincir 4.
Tekanan air akan menyebabkan kincir berputar
5.
Perputaran yang terjadi pada kincir
3.
Proses pengisian ulang dilakukan
daya pada poros
secara continue hingga air di bak
kincir, kemudian daya tersebut
menjadi penuh dan mencapai tinggi
diteruskan ke poros generator mini
air jatuh yang telah ditentukan di
dengan
permulaan.
menimbulkan
menggunakan
transmisi
roda gigi lurus. 4.3 6.
Analisa Bagian–bagian
Kincir
Air yang keluar dari kincir akan Air jatuh ke bak penampung air/tinggi Pada sub bab ini akan dibahas dan permukaan air bawah (TPB). di analisa satu persatu bagian-bagian kincir
7.
Setelah air yang ada di dalam bak air yang disertai dengan perhitungan, tabel air telah habis, maka air yang ada dan grafik. pada bak penampung air kemudian terbuang
melalui
saluran
Pada Ember/Bak (h)
pembuangan. 4.2.2
4.3.1 Analisa Ketinggian Permukaan Air
Tahapan pengisian ulang
Pada saat air yang ada pada bak penampung
telah
dibuang
melalui
saluran pembuangan, dan air yang ada pada bak telah habis, maka proses pengisian ulang perlu dilakukan. Proses pengisian
ulang tersebut
dilakukan
secara manual, adapun langkah-langkah pengisian ulang tersebut adalah sebagai berikut. 1.
Menutup lubang bak air
2.
Mengisi bak air secara manual
Gambar 4.1 Ketinggian permukaan air pada bak (h) Ketinggian permukaan air pada ember mempengaruhi kecepatan aliran air (c) yang keluar dari lubang ember/luas permukaan lubang (A), karena hal tersebut sesuai dengan persamaan :
c = 2.g .h
3.
h = 0,28 m
g = 9,81
m/det2
Di mana,
c = 2.g .h
c = kecepatan aliran air yang keluar dari bak (m/det)
= 2 × 9,81 × 0,28
g = percepatan gravitasi (m/det2)
= 5,493 = 2,34 m / det
h = tinggi permukaan air pada bak (m) 4.
h = 0,31 m
g = 9,81
Setelah persamaan diketahui, maka
m/det2 dapat
dihitung
pengaruh
perbedaan
c = 2.g .h
ketinggian air pada bak terhadap kecepatan
= 2 × 9,81 × 0,31
aliran air. Di sini akan di analisa mengenai 5
= 6,082
ketinggian air yang berbeda, namun dengan
= 2,45 m / det
harga g yang konstan yaitu sebesar 9,81
5.
m/det2.
h = 0,38 m
g = 9,81
m/det2 1.
h = 0,10 m
g = 9,81
c = 2.g .h
2
m/det
= 2 × 9,81 × 0,38
c = 2.g .h
= 7,455 = 2,73 m / det
= 2 × 9,81 × 0,10
2.
= 1,962
Dari perhitungan di atas dapat diketahui jika
= 1,41 m / det
tinggi permukaan air pada bak (h) semakin
h = 0,18 m
g = 9,81
kecil maka kecepatan aliran air yang keluar
m/det2
dari lubang juga akan berkurang, hasil dari
c = 2.g .h
perhitungan di atas tercantum pada tabel dan
= 2 × 9,81 × 0,18
grafik di bawah ini. Pada tabel dan grafik
= 3,531
dapat
= 1,88 m / det
permukaan air yang berbeda terhadap nilai c
dilihat
pengaruh
walau dengan nilai g tetap.
5
ketinggian
4.3.2
Analisa Luas Permukaan Lubang
Pada Bak Air (A)
Tabel 4.1 Perubahan kecepatan aliran akibat perubahan tinggi permukaan air pada bak Tinggi permukaan air pada
Percepatan
Kecepatan
gravitasi
aliran air
bumi/g
Yang
2
(m/det )
ember/h
keluar dari ember/ c
(Meter)
Gambar 4.3 Luas permukaan
(m/det)
0,10
9,81
1,41
0,18
9,81
1,88
lubang (A)
Pada gambar di atas diketahui 0,28
9,81
2,34
0,31
9,81
2,45
panjang (p) = 0,04 m, dan lebar (l) = 0,025
0,38
9,81
2,73
m. Maka luas permukaan lubang (A) tersebut
bahwa
lubang/nozel
tersebut
berukuran
adalah :
A = p.l
Kecepatan aliran air (c)
3 2,5
= (40.10 −3 ).(25.10 −3 )
2 1,5
c-h
1
= 0,04 × 0,025 = 0,001 m 2
0,5 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
Luas lubang tersebut sangat mempengaruhi
Tinggi air pada bak (h)
kapasitas aliran air ( Q ), hal tersebut sesuai Gambar 4.2 Grafik pengaruh tinggi air pada bak (h) terhadap kecepatan aliran air (c)
dengan persamaan :
Q = A. c
di mana,
A = 0,001 m2 c = 2,73 m/det
5.
Q = A. c
Q = kapasitas aliran air (m3/det)
= 0,001× 2,73
A = nozel/luas permukaan lubang (m)
= 0,00273 m 3 / dt
c = kecepatan aliran air (m/det) Selanjutnya dapat dihitung kapasitas aliran dengan menggunakan persamaan di atas
Dari perhitungan tersebut dapat diketahui, bahwa
jika
luas
permukaan
lubang
dengan 5 harga A yang berbeda, sedangkan
diperbesar atau diperkecil maka kapasitas
untuk c besarnya tetap.
aliran air juga akan berubah, di bawah ini di
1.
A = 0,001 m2 c = 2,73 m/det
Q = A. c = 0,0002 × 2,73 = 0,00054 m 3 / dt
cantumkan
yang
lubang yang berbeda yang merupakan hasil di
atas,
namun
dengan
A = 0,0004 m2 c = 2,73 m/det
kecepatan aliran (c) yang tetap.
Q = A. c = 0,0004 × 2,73
Tabel 4.2 Perubahan Q yang disebabkan
A = 0,0006 m2 c = 2,73 m/det
Q = A. c = 0,0006 × 2,73
perubahan A, dengan c tetap Kecepatan
Kapasitas
Luas
aliran air
aliran air
permukaan
Yang keluar
Yang
lubang/A
dari ember/
keluar dari
(Meter)
c
ember/ Q
(m/det)
(m3 /det)
0,0002
2,73
0,00054
0,0004
2,73
0,00109
0,0006
2,73
0,00163
0,0009
2,73
0,00245
0,001
2,73
0,00273
= 0,00163 m 3 / dt 4.
grafik
( Q ) yang disebabkan 5 luas permukaan
= 0,00109 m 3 / dt 3.
serta
menunjukkan perubahan kapasitas aliran air
perhitungan 2.
tabel
A = 0,0009 m2 c = 2,73 m/det
Q = A. c = 0,0009 × 2,73 = 0,00245 m 3 / dt
Pada perhitungan sebelumnya telah diketahui variasi kapasitas aliran yang
Kapasitas aliran air (V)
Q = A . c (c = konstan)
berbeda, maka dapat dihitung laju massa
0,003 0,0025
aliran dengan menggunakan persamaan di
0,002
Q -A
0,0015 0,001 0,0005
atas. Karena fluida yang digunakan adalah air pada suhu ± 230C maka harga
0 0
0,0005
0,001
ρ
adalah
0,0015
Luas permukaan lubang (A)
sebesar 998,01 kg/m3
Gambar 4.4 Grafik yang menunjukkan perubahan Q yang
1.
.
m = Q.ρ
Disebabkan perubahan A, dengan nilai c konstan
= 0,00054 × 998,01 = 0,54 kg / dt
.
4.3.3 Analisa Laju Massa Aliran air ( m )
Q = 0,00054 ρ = 998,01 kg/m3
2.
Q = 0,00109 ρ = 998,01 kg/m3 .
Laju
massa
aliran
air
m = Q.ρ
adalah
= 0,00109 × 998,01 = 1,09 kg / dt
quantitas/jumlah air yang mengalir dari bak ke dalam sudu-sudu kincir air dalam satuan kg/det, yang besarnya sangat ditentukan oleh
3.
Q = 0,00163 ρ = 998,01 kg/m3 .
m = Q.ρ
kapasitas aliran fluida ( Q ) serta rapat massa
= 0,00163 × 998,01 = 1,63 kg / dt
.
fluida ( ρ ). Karena laju massa aliran ( m ) ditulis dengan persamaan :
4.
Q = 0,00245 ρ = 998,01 kg/m3 .
.
m = Q .ρ Di mana, .
m = Laju massa aliran (kg/det) Q = Kapasitas aliran (m3/det)
ρ = Rapat massa fluida (kg/m3)
m = Q.ρ = 0,00245 × 998,01 = 2,45 kg / dt
Q = 0,00273 ρ = 998,01 kg/m3
5.
.
= 0,00273 × 998,01 = 2,73 kg / dt Setelah semua perhitungan selesai
Laju massa aliran (m)
3
m = Q.ρ
2,5 2 1,5
m-Q
1 0,5
dilakukan maka hasil perhitungan tersebut
0 0
0,001
dapat kita masukkan ke dalam tabel. Selanjutnya dari tabel tersebut dapat dibuat grafik. Pada tabel dicantumkan pula harga
0,002
0,003
Kapasitas aliran (Q )
Gambar 4.5 Grafik antara kapasitas aliran dengan laju massa aliran
rapat massa fluida yang besarnya konstan.
Dari grafik di atas dapat diketahui
Tabel serta grafik tersebut ditunjukkan di
perubahan
bawah ini.
laju
massa
aliran
akibat
perubahan kapasitas aliran, namun dengan Tabel 4.3 Laju massa aliran air yang keluar dari bak Laju aliran Rapat
massa air
massa air
Yang keluar
(konstan
dari
0
pada 23 C) 3
(kg/m )
fluida yang digunakan bukan air, maka Kapasitas aliran air
.
harga laju massa aliran juga akan berubah sesuai dengan jenis fluida yang digunakan,
Yang keluar dari ember/
ember/ m
rapat massa fluida yang tetap. Namun jika
Q 3
(kg/det)
(m /det)
998,01
0,54
0,00054
998,01
1,09
0,00109
998,01
1,63
0,00163
998,01
2,45
0,00245
998,01
2,73
0,00273
namun
yang
gunakan
adalah
fluida
inkompresibel (fluida yang tidak dapat dimampatkan).
4.4
Analisa Secara Serempak
Pengaruh Tinggi Permukaan Air (h) Terhadap Kecepatan Aliran (c), Kapasitas Aliran ( Q ) dan Laju Aliran .
Massa ( m ) Gambar 4.6 Pengaruh h terhadap c, Q Pada sub bab sebelumnya telah .
dan
diulas satu persatu mengenai pengaruh tinggi permukaan air terhadap kecepatan
m
Dengan menggunakan persamaan yang telah
aliran, kapasitas aliran serta laju massa digunakan sebelumnya yaitu : aliran, pada dasarnya aliran air yang keluar dari nosel mengandung semua harga yang
c = 2.g .h
telah disebutkan di
Q = A. c
atas
yang keluar
bersama-sama secara serempak yaitu c, Q .
.
m = Q.ρ
dan m , besarnya kedua harga tersebut akan berkurang seiring dengan berkurangnya
Selanjutnya
ketinggian air pada bak, atau untuk lebih
persamaan di atas dapat kita hitung satu
jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah
persatu
ini.
ketinggian air (h) 0,10, 0,18, 0,28, 0,31, dan 0,38.
dengan
secara
Dan
menggunakan
berurutan
dengan
dimulai
luas
dari
permukaan
lubang/nosel (A) yang tetap yaitu 0,001 m2, karena fluida yang digunakan adalah air pada suhu ± 230C maka rapat massa fluida ( ρ ) yaitu sebesar 998,01 kg/m3.
1.
h = 0,10 m
A = 0,001 m2
ρ
=
3.
998,01 kg/m3
h = 0,28 m
ρ
=
ρ
=
998,01 kg/m3
c = 2.g .h
c = 2.g .h
= 2 × 9,81 × 0,28
= 2 × 9,81 × 0,10
= 5,493
= 1,962
= 2,34 m / det
= 1,41 m / det
Q = A. c
Q = A. c = 0,001× 1,41
= 0,001× 2,34 = 0,00234 m 3 / dt
= 0,00141 m 3 / dt .
m = Q.ρ
.
m = Q.ρ
= 0,00234 × 998,01 = 2,34 kg / dt
= 0,00141× 998,01 = 1,41 kg / dt 2.
A = 0,001 m2
h = 0,18 m
A = 0,001 m2
998,01 kg/m3
c = 2.g .h
ρ
=
4.
h = 0,31 m 998,01 kg/m3
c = 2.g .h = 2 × 9,81 × 0,31
= 2 × 9,81 × 0,18
= 6,082
= 3,531
= 2,45 m / det
= 1,88 m / det
Q = A. c = 0,001 × 1,88
A = 0,001 m2
Q = A. c = 0,001× 2,45 = 0,00245 m 3 / dt
= 0,00188 m 3 / dt .
.
m = Q.ρ = 0,00188 × 998,01 = 1,88 kg / dt
m = Q.ρ = 0,00245 × 998,01 = 2,45 kg / dt
5.
h = 0,38 m
A = 0,001 m2
ρ
=
Tabel 4.4 Tabel perubahan serempak c, Q, dan m akibat perubahan h
998,01 kg/m3
c = 2.g .h Laju
= 2 × 9,81 × 0,38 = 7,455 = 2,73 m / det
Q = A. c = 0,001× 2,73 = 0,00273 m 3 / dt
Kecepatan Tinggi
aliran air
permukaan
bak / h
keluar dari bak /
(m)
aliran air
Yang
dari bak/
keluar
Q
c (m/det)
dari
(m3 /det)
bak/m (kg/det)
m = Q.ρ
Hasil dari perhitungan di atas kemudian kita
massa air
keluar
.
= 0,00273 × 998,01 = 2,73 kg / dt
aliran
Yang
yang
air pada
Kapasitas
0,10
1,41
0,00141
1,41
0,18
1,88
0,00188
1,88
0,28
2,34
0,00234
2,34
0,31
2,45
0,00245
2,45
0,38
2,73
0,00273
2,73
masukkan ke dalam tabel, dan selanjutnya dapat dilihat pula grafiknya di bawah ini.
Kecepatan aliran (c) Kapasitas aliran (Q) massa aliran (m)
Hubungan antara h terhadap c , Q , dan m 3 2,5 2
c-h
1,5
Q-h
1
m-H
0,5 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
Tinggi permukaan air (h)
Gambar 4.7 Grafik perubahan serentak c, Q, dan m yang diakibatkan perubahan h
Dari grafik di atas dapat diketahui bahwa
Dari persamaan tersebut dapat diketahui
pada saat bak air penuh terisi atau tinggi
adanya variable H dan Q . Karena kapasitas
permukaan maksimum hingga air di dalam
aliran air ( Q ) berhubungan dengan nosel
bak
tersebut
berkurang
telah
terjadi
penurunan kecepatan aliran, kapasitas aliran dan laju massa aliran.
(A),
dan
kecepatan
aliran
air
(c)
berhubungan dengan tinggi permukaan air pada bak (h), maka di sini diperoleh hubungan yang saling terkait. Dalam arti
4.5
Analisa Daya Yang Dihasilkan jika tinggi permukaan air di dalam bak
Kincir Air berubah maka semua variable H dan Q juga Persamaan yang digunakan untuk akan berubah. Hal tersebut mengakibatkan menentukan daya yang dihasilkan kincir daya yang dihasilkan kincir juga akan adalah persamaan 2.23, yaitu : berubah sesuai dengan perubahan tinggi air Horse Power = Constant x Quantity x pada bak. Height x Eff = Constant x (Cubic Ft / Sec of water) x (Height of Fall) x (Eff. of Wheel)
Sebelum mulai menghitung daya
Karena satuan-satuan yang digunakan tidak
kincir akan dibahas dari mana asal tinggi air
dalam
perlu
jatuh. Tinggi air jatuh (H) adalah selisih
menyesuaikannya. Dan setelah disesuaikan
antara tinggi permukaan air atas (TPA)
maka persamaan tersebut akan menjadi :
dengan tinggi permukaan air bawah (TPB),
P = C.Q.H .Eff
untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada
Di mana :
gambar di bawah ini.
metrik,
maka
kita
P = Daya yang dihasilkan kincir (kW) C = Konstanta
Q = Kapasitas aliran (m3/dt) Eff = Adalah effisiensi kincir dan dinyatakan dalam persen. H = Tinggi air jatuh (m)
1.
C = 0,12 Q = 0,00141 m3/det H = 0,50 m Eff = 40 %
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,00141 × 0,50 × 0,40 = 0,0000337 kW 2.
C = 0,12 Q = 0,00188 m3/det H = 0,58 m Eff = 40 %
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,00188 × 0,58 × 0,40
Gambar 4.8 Tinggi air jatuh (H)
Jika
nilai
h
adalah
= 0,0000522 kW
tinggi 3.
C = 0,12 Q = 0,00234 m3/det H =
permukaan air pada bak, maka nilai tinggi 0,68 m Eff = 40 % air jatuh (H) yang akan dipergunakan untuk
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,00234 × 0,68 × 0,40
perhitungan adalah tinggi permukaan air
= 0,0000764 kW
pada bak ditambah tinggi kerangka kincir, yaitu sebesar 0,4 m. 4. Dengan
mengasumsikan
nilai
0,71 m Eff = 40 %
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,00245 × 0,71 × 0,40
konstanta (C) adalah 0,12, dan dengan asumsi effisiensi kincir air adalah sebesar 40
= 0,0000835 kW
%, besar tinggi air jatuh (H) sesuai dengan tinggi permukaan air pada bak (h) ditambah dengan tinggi kerangka 0,4 m, dan kapasitas aliran
air
disesuaikan
dengan
hasil
perhitungan sebelumnya, maka daya yang dihasilkan kincir adalah:
C = 0,12 Q = 0,00245 m3/det H =
5.
C = 0,12 Q = 0,00273 m3/det H = 0,78 m Eff = 40 %
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,00273 × 0,78 × 0,40 = 0,0001022 kW
Daya kincir yang telah dihitung tersebut
Grafik antara P - Q
tinggi air adalah sesuai dengan perubahan ketinggian air pada permukaan bak (h) yang telah dihitung sebelumnya. Dan kapasitas aliran
besarnya
berubah
menurut
Daya yang dihasilkan kincir (P )
merupakan daya yang dihasilkan kincir jika 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 0
P-Q
0
0,005
perhitungan sebelumnya, sedangkan nilai konstanta, dan efisiensi besarnya tetap,
0,01
0,015
0,02
Kapasitas aliran (Q )
Gambar 4.9 Grafik daya kincir dengan
kemudian semua hasil perhitungan tersebut
kapasitas aliran
dimasukkan ke dalam tabel dan grafik di Grafik antara P - H
bawah ini.
berubahnya tinggi air jatuh dan
Daya (P )
Tabel 4.5 Variasi daya yang disebabkan
Kapasitas aliran air
0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 0
P-H
0
Tinggi air
Kapasitas
jatuh/H
aliran air/Q
(m)
(m3 /det)
(kW)
0,50
0,00141
0,0000337
0,58
0,00188
0,0000522
0,68
0,00234
0,0000764
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Tinggi air jatuh (H )
Daya
Gambar 4.10 Grafik daya kincir dengan tinggi air jatuh
0,78
0,00245 0,00273
0,0000835 0,0001022
0,00012 Daya kincir (P )
0,71
Gfafik antara Q , H dengan P
0,0001 0,00008
P -Q P -H
0,00006 0,00004 0,00002 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
Kapasitas aliran air (Q ) Tinggi air jatuh (H )
Gambar 4.11 Grafik daya kincir dengan tinggi air jatuh dan kapasitas aliran
1
Karena kapasitas aliran air ( Q ) berhubungan
dengan
nosel
(A),
dan
kecepatan aliran air (c) berhubungan dengan tinggi permukaan air pada bak (h), maka di sini diperoleh hubungan yang saling terkait. Dalam arti jika tinggi permukaan air di dalam bak (h) berubah maka semua variable H dan Q juga akan berubah. Hal tersebut mengakibatkan daya yang dihasilkan kincir (P) juga akan berubah sesuai dengan perubahan tinggi air pada bak.
4.7
Luas Permukaan Lubang/nozel
(A), Kapasitas aliran (Q)
2.g .h dan Q = A. c , maka
Karena c =
besarnya luas permukaan lubang/nosel (A) akan mempengaruhi nilai Q. Karena Q adalah variable yang digunakan di dalam perhitungan langsung
daya
luas
kincir,
maka
permukaan
nosel
secara akan
mempengaruhi daya kincir. Berikut ini akan dianalisa dan dihitung mengenai lima buah luas permukaan lubang (A) yang yang lebih besar dari sebelumnya, dan hubungannya
4.6
Analisa
Penyebab-penyebab
dengan
daya
yang
dihasilkan
kincir,
Perubahan Daya Kincir
sedangkan ketinggian permukaan air (h) Adapun
variabel
yang
yang digunakan di dalam perhitungan ini menyebabkan
perubahan
daya
yang
disesuaikan
dengan
permukaan
air
nilai
ketinggian
dihasilkan kincir secara tidak langsung telah
yang
telah
diulas
dibahas di atas, di mana variable tersebut
sebelumnya. sangat berhubungan satu sama lain, di antaranya kapasitas aliran air (Q), Tinggi air jatuh (H), effisiensi kincir (Eff), dan konstanta kincir (C). Namun ada penyebab lain yang menyebabkan perubahan daya
1.
h = 0,10 m H = 0,50 m g = 9,81 m/dt2 A = 0,002 m2 C = 0,12 Eff = 40 %
c = 2.g .h
yang dihasilkan kincir yang akan dibahas di
= 2 × 9,81 × 0,10
bawah ini.
= 1,962 = 1,41 m / det Q = A. c = 0,002 × 1,41 = 0,00282 m 3 / dt
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,00282 × 0,50 × 0,40
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,00936 × 0,68 × 0,40
= 0,0000677 kW 2.
h = 0,18 m H = 0,58 m g = 9,81
= 0,0003054 kW 4.
m/dt2 A = 0,003 m2 C = 0,12 Eff =
m/dt2 A = 0,005 m2 C = 0,12 Eff =
40 %
40 %
c = 2.g .h
c = 2.g .h
= 2 × 9,81 × 0,18
= 2 × 9,81 × 0,31
= 3,531
= 6,082
= 1,88 m / det
= 2,45 m / det
Q = A. c
Q = A. c
= 0,003 × 1,88
= 0,005 × 2,45
= 0,00564 m 3 / dt
= 0,0121 m 3 / dt
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,00564 × 0,58 × 0,40
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,0121 × 0,71 × 0,40
= 0,0001570 kW
= 0,000416 kW 5.
3.
h = 0,31 m H = 0,71 m g = 9,81
h = 0,28 m H = 0,68 m g = 9,81 2
h = 0,38 m H = 0,78 m g = 9,81 m/dt2 A = 0,006 m2 C = 0,12 Eff =
2
m/dt A = 0,004 m C = 0,12 Eff =
40 % 40 %
c = 2.g .h
c = 2.g .h = 2 × 9,81 × 0,28 = 5,493
= 2 × 9,81 × 0,38 = 7,455 = 2,73 m / det
= 2,34 m / det Q = A. c = 0,004 × 2,34 = 0,00936 m / dt 3
Q = A. c = 0,006 × 2,73 = 0,0164 m 3 / dt
P = C .Q.H .Eff = 0,12 × 0,0164 × 0,78 × 0,40
Dari perhitungan di atas selanjutnya dapat
Daya kincir (P )
= 0,0006132 kW
Grafik antara P - A 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 0
kita buat grafiknya, di mana grafik tersebut
P-A
0
0,002
0,004
0,006
0,008
Luas permukaan lubang (A )
menunjukkan
dampak
dari
pembesaran
nosel/luas permukaan lubang (A) terhadap
Gambar 4.12 Grafik pengaruh luas
daya yang dihasilkan kincir. Namun hasil
permukaan lubang (A)
dari perhitungan di atas selanjutnya kita
terhadap daya kincir (P)
masukkan terlebih dahulu ke dalam tabel di
Dari grafik di atas dapat diketahui bahwa
bawah ini.
luas permukaan lubang juga berpengaruh Tabel 4.6 Hasil perhitungan luas
terhadap daya yang dihasilkan kincir, namun
penampang lubang terhadap daya kincir
Luas
Kecepatan Tinggi
permukaan
permukaan
lubang
air pada
(A)/nozel
bak / h
(meter)
(meter)
Tinggi
aliran
air
yang
jatuh/H
keluar
(meter)
dari bak / c
karena besar antara A, Q, c, dan P saling berhubungan, maka
Kapasitas aliran
tentunya besar kapasitas aliran
Yang
Daya
keluar
kincir
dari bak/
air/P
yang dihasilkan kincir, dan besar
Q
(kW)
kapasitas aliran tersebut juga
juga berpengaruh terhadap daya
3
(m/det)
(m /det)
dipengaruhi oleh luas permukaan
0,002
0,10
0,50
1,41
0,00282
0,0000677
lubang (A). Selanjutnya dari
0,003
0,18
0,58
1,88
0,00564
0,0001570
tabel di atas dapat kita buat pula
0,004
0,28
0,68
2,34
0,00936
0,0003054
0,005
0,31
0,71
2,45
0,0121
0,000416
grafik antara A dengan Q, dan selanjtnya antara Q dengan P. Grafik tersebut dapat dilihat di
0,006
0,38
0,78
2,73
0,0164
0,0006132 bawah ini.
4.8
Kapasitas aliran (Q )
Grafik antara A - Q
Analisa Laju Massa Aliran Air
0,02
.
( m ) dan Penyebab
0,015
A -Q
0,01
Perubahannya
0,005
.
0 0
0,002
0,004
0,006
Laju massa aliran air ( m ) adalah
0,008
Luas permukaan lubang (A )
banyaknya air dalam kg yang mengalir Gambar 4.13 Grafik hubungan antara
keluar melalui luas permukaan lubang (A)
luas permukaan lubang (A)
setiap detik (kg/dt). Persamaan untuk laju
dengan kapasitas aliran (Q)
Setelah hubungan antara A dan Q
massa aliran air adalah : telah
.
m = Q.ρ
dihubungkan dengan grafik di atas maka
di mana, selanjutnya
kita
dapat
pula
membuat .
hubungan antara kapasitas aliran (Q) dengan
m = Laju massa aliran (kg/det)
daya yang dihasilkan kincir (P). Grafik
Q = Kapasitas aliran (m3/det)
antara kapasitas aliran dengan daya tersebut
ρ = Rapat massa fluida (kg/m3)
dapat dilihat di bawah ini.
Pada persamaan di atas terdapat variable Q,
Daya (P )
Grafik antara P - Q 0,0007 0,0006 0,0005 0,0004 0,0003 0,0002 0,0001 0
di mana variable tersebut sangat dipengaruhi P -Q
oleh Luas permukaan lubang (A) dan kecepatan aliran (c). Sedangkan variable c
0
0,005
0,01
0,015
0,02
Kapasitas aliran (Q )
Gambar 4.14 Grafik hubungan antara kapasitas aliran (Q) dengan daya kincir (P)
sangat
dipengaruhi
oleh
ketinggian
permukaan air pada bak (h). Sehingga di sini didapat suatu hubungan yang saling terkait. Dalam arti pada saat ketinggian (h) tertentu di dalam bak, maka akan mempengaruhi nilai c, Q, dan m. Dan karena fluida yang digunakan adalah air pada suhu ± 230C,
maka nilai rapat massa air (
ρ
BAB V
) besarnya
PENUTUP
tetap yaitu sebesar 998,01 kg/m3. Dengan menggunakan data yang telah
digunakan
sebelumnya
Kesimpulan
untuk Dari rangkaian kegiatan yang telah
ketinggian
permukaan
air
(h),
luas
penulis
laksanakan,
yang
meliputi
permukaan lubang (A), dan rapat massa ( ρ ), maka dapat dihitung laju aliran massa yang masuk ke dalam sudu-sudu kincir pada setiap ketinggian yang berbeda di dalam bak.
Perhitungan tersebut
telah
diulas
sebelumnya pada sub bab 4.4. Namun pada sub bab tersebut hanya digunakan fluida air
pengambilan data dari buku maupun informasi dari situs web dan pengolahan data yang telah diambil, kemudian dari serangkaian proses pembuatan kincir air dapat
ditarik
beberapa
kesimpulan
mengenai proses pembuatan kincir air, kesimpulan tersebut adalah :
dengan rapat massa yang tetap karena suhu iar tidak berubah, dan jika fluida yang
1.
Kincir air merupakan teknologi yang ramah lingkungan, karena
digunakan berbeda maka rapat massa juga
tidak menghasilkan limbah sisa,
akan berbeda sehingga laju massa aliran
sehingga
juga akan berubah. Dan tentunya jika suhu
ekosistem.
air berubah maka nilai rapat massa air juga
2.
tidak
mencemari
Kincir air merupakan cara yang tepat di dalam penanganan krisis
akan berubah, hal tersebut menyebabkan
energi di Indonesia dalam hal
laju massa aliran air (m) akan berubah.
energi listrik. Khususnya untuk masyarakat umum, karena energi yang digunakan pada pada kincir air merupakan energi yang dapat diperbaharui dan banyak tersedia di alam. 3.
Dengan
kapasitas
konstanta kincir
kincir,
yang
aliran dan
tetap
air,
efisiensi dan
dari
perhitungan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa
untuk menghasilkan daya yang besar maka variable seperti Luas permukaan lubang/nosel (A), dan tinggi permukaan air pada bak (h) perlu
diperbesar,
karena
dua
variable tersebut mempengaruhi c, Q, tinggi air jatuh (H), serta laju massa
aliran
(m).
Karena
persamaan-persamaan
yang
digunakan saling berhubungan satu sama lain. 4.
Pada saat ketinggian air pada bak maksimum, dihasilkan
maka kincir
daya
yang
berada
pada
puncaknya, setelah ketinggian air pada bak mulai turun maka daya yang dihasilkan kincir juga akan menurun
secar
linier
menurut
ketinggian air pada bak, selain itu variabel-variabel seperti kecepatan aliran (c), kapasitas aliran (Q), laju massa
aliran
(m)
juga
akan
menurun, hal tersebut diakibatkan variabel-variabel
tersebut
berhubungan satu sama lain.
saling
