4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Penelitian Terdahulu Menurut Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, Djoko Sutikno [2], pada penelitiannya mengenai pengaruh besar sudut kelengkungan sudu terhadap unjuk kerja kincir air tipe sudu lengkung, menyatakan bahwa semakin besar sudut kelengkungan dan debit air maka daya poros semakin meningkat pula, semakin tinggi debit air maka semakin kecil nilai rasio U/Vs, semakin besar sudut kelengkungan sudu maka efisiensi juga semakin semakin meningkat. Menurut Ketut Suriantara, 1998 [3], pada penelitiannya tentang pengaruh bukaan katup throttle terhadap unjuk kerja turbin air reaksi aliran radial, menyatakan bahwa untuk mendapatkan efisiensi yang setinggi – tingginya maka hal-hal yang perlu diperhatikan adalah penyesuaian antara kapasitas aliran dengan beban yang diberikan dan meminimalkan kerugian-kerugian yang ada. Menurut I Gusti Ngurah Sastra Santika, 2003 [4], pada penelitiannya tentang perancangan dan pengujian kincir pompa torak untuk irigasi dengan kapasitas 6 liter / menit dan head 6 meter menyatakan bahwa semakin tinggi jatuh air menyebabkan daya input air untuk memutar kincir menjadi lebih besar, maka putaran kincir untuk menggerakan poros pompa menjadi lebih cepat putaran kincir semakin menurun pada tinggi pemompaan yang semakin besar, hal ini dipengaruhi oleh tekanan hidrostatis zat cair akibat pengaruh ketinggian dan gravitasi. Menurut I Putu Adi Gunawan, 2010 [5], pada penelitiannya tentang pengaruh variasi tinggi jatuh air dan kapasitas terhadap unjuk kerja kincir air tipe cross flow menyatakan semakin besar tinggi jatuh air dan kapasitas secara rata-rata keseluruhan daya, torsi, dan efisiensi turbin semakin besar. Menurut I Dewa Putu Panji Krisnata Yuda, 2013 [6], pada penelitiannya tentang perancangan dan pengujian turbin air tipe pitchback sebagai penggerak pompa
5
torak menyatakan unjuk kerja terbaik turbin berada pada daya kincir air 23,35 Watt dengan efisiensi kincir air 35,91%. Demikian beberapa penelitian yang dapat penulis temukan mengenai kincir air, penulis memilih kincir air sebagai materi tugas akhir dengan judul Pengujian Kincir Air Sudu Lurus Sebagai Penggerak Pompa Torak. 2.2 Energi Potensial Benda yang diam pada kedudukannya memiliki energi potensial. Besarnya energi potensial ditentukan oleh tempat atau kedudukan benda tersebut. “Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat pengaruh tempat atau kedudukan dari benda tersebut” [7]. Persamaan yang dipakai dalam energi potensial adalah : Ep = m . g . h……………………………………………………………….(2.1) Ep = m . g . ∆ᵶ………………………………………………………………(2.2) Keterangan : Ep = Energi potensial ( joule). m
= Massa benda (kg).
g
= Percepatan gravitasi ( m/
h
= Ketinggian (m).
∆ᵶ
= Beda ketinggian (m).
).
2.3 Energi Kinetik Dalam benda yang bergerak terdapat energi kinetik, energi kinetik dipengaruhi oleh faktor kecepatan dan masa benda tersebut. “Energi kinetik adalah energi dari suatu benda yang dimiliki akibat pengaruh pergerakannya” [8]. Persamaan yang dipakai dalam energi kinetik adalah: Ek = m .
………………………………………………………………..(2.3)
6
Keterangan: Ek
= Energi kinetik ( joule ).
m
= Massa benda (kg).
v
= Kecepatan (m/dt).
2.4 Hukum Kekekalan Energi Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, jadi perubahan bentuk energi terjadi dari bentuk yang satu ke bentuk yang lainnya, tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan [8]. Berikut adalah persamaan mekanik yang berhubungan dengan hukum kekekalan energi: Em = Ep = Ek……………………………………………………………….. (2.4) Keterangan : Em = Energi mekanik ( joule). Ep
= Energi potensial ( joule).
Ek
= Energi kinetik ( joule).
2.5 Turbin Air Untuk dapat memanfaatkan energi air, maka energi air harus dikonversikan menjadi bentuk yang dibutuhkan yaitu dari energi potensial menjadi energi kinetis untuk selanjutnya dapat dimanfaatkan menjadi energi mekanis, dalam hal ini adalah untuk daya penggerak pompa torak. Proses konversi energi ini memerlukan alat berupa turbin air. Turbin air adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan langsung untuk memutar roda turbin air. Bagian turbin yang berputar dinamakan roda turbin atau rotor, sedangkan bagian yang diam disebut stator. Pada turbin fluida kerja mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara kontinyu. Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja yang mengalami kontak dan mengalir melalui ruang antara sudu tersebut. Kontak antara fluida dengan sudu – sudu
7
menyebabkan timbulnya gaya karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja yang mengalir diantara sudunya. Ada 2 jenis sudu berdasarkan pergerakannya,yaitu sudu gerak (runner) berupa sudu yang bergerak bersama – sama roda turbin dan sudu tetap berupa sudu yang bersatu dengan rumah turbin. Dari segi perubahan momentum fluida kerjanya, turbin dibagi menjadi turbin impuls dan turbin reaksi. Sudu – sudu turbin haruslah dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi perubahan momentum pada fluida kerja tersebut. Bentuk sudu – sudu turbin akan menentukan unjuk kerja turbin tersebut, khususnya pada turbin air bentuk sudu – sudu turbin akan menentukan daerah kerja turbin, maksudnya kebutuhan head air agar dapat dikonversikan menjadi energi mekanis secara maksimal berbeda – beda pada setiap jenis – jenis bentuk sudu turbin. 2.5.1 Daya Turbin PT = ɳT ɤ. .
(kW).………………………………………………………..(2.5)
Keterangan :
ɤ
= Berat jenis air (N/
Q
= Kapasitas air (
H
= Tinggi air jatuh ( hydraulic head,m)
ɳT PT
= Efisiensi turbin
)
/dt)
= Daya turbin ( kW)
Daya turbin dipengaruhi paling besar oleh banyak serta tinggi air jatuh, dikarenakan nilai berat jenis air dan efisiensi turbin adalah konstan, jadi semakin besar nilai Q dan H, maka daya turbin akan semakin besar. 2.5.2 Efisiensi Turbin
ɳT = PT / PA ……………………………………………………………(2.6) Keterangan
ɳT PT PA
:
= Efisiensi turbin = Daya kincir (kW) = Daya air (kW)
8
2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi pengubahan momentum fluida kerjanya yaitu: 1. Turbin impuls ( Pelton). 2. Turbin reaksi ( Francis, Kaplan,Propeler). Pada turbin dikenal adanya putaran spesifik ns, putaran spesifik adalah putaran yang mampu menghasilkan 1hp per head 1 ft [9].
ns = n ns = n Keterangan :
√
( ) ( )
rpm (basis daya)……………………………………………(2.7) rpm (basis kapasitas)……………………………………….(2.8)
n
= Kecepatan turbin sebenarnya pada efisiensi maksimum ( rpm).
N
= Daya turbin (kW).
H
= Tinggi air jatuh (m).
Q
= Kapasitas (
/dt).
Untuk keadaan nilai H dan Q tertentu, berdasarkan nilai putaran spesifiknya maka dapat dipilih turbin yang sesuai agar dapat bekerja pada efisiensi maksimal. Berikut adalah jenis roda turbin air dan putaran spesifiknya : Tabel 2.1 Jenis Roda Turbin Air dan Putaran Spesifiknya [9].
Jenis turbin Impuls (Pelton)
Francis
Propeler
Putaran spesifik (rpm) 2–4 4 4–7 10 – 30 30 – 82 82 – 90 100 – 140 140 – 250
ns
Efisiensi ɳT %
Tinggi air jatuh H (ft)
85 – 90 90 90 – 82 90 – 94 94 94 – 93 94 94 – 85
6000 – 2000 2000 2000 – 400 500 500 – 70 70 – 45 100 – 15 15 – 10
9
Tabel diatas menunjukkan turbin pelton memiliki putaran spesfikik terendah dibandingkan dengan turbin francis dan propeller namun turbin pelton paling baik dioperasikan pada tinggi air jatung yang paling ringgi dibandingkan trubin francis dan propeller. Berdasarkan
tinggi
air
jatuh
dan
putaran
spesifiknya
turbin
dapat
diklasifikasikan seperti tabel dibawah : Tabel 2.2 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Tinggi Air Jatuh [9].
Tinggi air jatuh (ft)
Jenis turbin
Lebih rendah dari 100 ft
Turbin dengan tinggi air jatuh rendah
100 – 1000 ft
Turbin dengan tinggi air jatuh sedang
1000 ft ke atas
Turbin dengan tinggi air jatuh tinggi
Tabel 2.2 menunjukan klasifikasi turbin air berdasarkan tinggi air jatuh dimana tinggi air jatuh dibagi menjadi 3 yaitu tinggi air jatuh rendah, sedang, dan tinggi air jatuh tinggi. Tabel 2.3 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Putaran Spesifiknya [9].
ns (rpm)
Jenis turbin
2 -12
Turbin dengan putaran spesifik rendah
12 – 90
Turbin dengan putaran spesifik sedang
90 – 250
Turbin dengan putaran spesifik tinggi
Tabel 2.3 menunjukkan pengklasifikasian turbin air berdasarkan putaran spesifiknya, turbin berdasarkan putaran spesifiknya terdiri dari turbin putaran spesifik rendah, sedang, dan tinggi. Jumlah sudu turbin turut menentukan putaran turbin (N) dan putaran spesifik turbin (Ns) seperti yang dijelaskan pada tabel 2.4, semakin tinggi putaran kincir maka jumlah sudu yang dimiliki turbin akan lebih sedikit. Sebaliknya untuk jumlah putaran spesifik yang semakin tinggi, maka semakin banyak.
10
Tabel 2.4 Hubungan antara Putaran (N) dan Putaran Spesifik Turbin (Ns) dengan Jumlah Sudu [10]
N (putaran kincir)
Z (jumlah sudu)
NS (Ns putaran spesifik)
Rpm
Buah
Rpm
40 ̴ 60
9
≤ 20
60 ̴ 180
8
20 ± 45
180 ̴ 350
6
45 ± 75
350 ̴ 580
5
75 ± 150
2.5.4 Klasifikasi Kincir atau Turbin Air Berdasarkan System Aliran Air Pendorong: Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan sistem aliran air pendorong yaitu titik darimana air akan mendorong sudu kincir air. Berikut adalah klasifikasi turbin air berdasarkan titik penembak air pipa pesat. Undershot : Gambar 2.1 merupakan kincir air tipe undershot, tipe undershot adalah tipe kincir air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian bawah kincir. Berikut adalah kincir air tipe undershot :
Gambar 2.1 Kincir Air Tipe Undershot [11].
11
Breastshot : Gambar 2.2 merupakan kincir air tipe breastshot Tipe breastshot adalah tipe kincir air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian tengah kincir. Berikut adalah kincir air tipe breastshot :
Gambar 2.2 Kincir Air Tipe Breastshot [11].
Overshot : Gambar 2.1 merupakan kincir air tipe overshot, tipe overshot adalah tipe kincir air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian atas kincir. Berikut adalah kincir air tipe overshot :
Gambar 2.3 Kincir Air Tipe Overshot [11].
12
Air yang melakukan kontak dengan sudu-sudu runner kincir air hanya mempunyai tekanan atmosfir, seperti gambar diatas ada 3 klasifikasi kincir yaitu overshoot, undershoot dan breastshoot. Rancangan pompa kincir ini direncanakan menggunakan tipe undershoot dimana air dari nossel penstok mendorong sudu dari bagian bawah kincir. 2.5.5 Daerah Kerja Efektif Turbin Berdasarkan ketersediaan tinggi air jatuh (h) dan debit air tersedia (Q) maka pemilihan jenis turbin air yang dipakai memiliki aturan untuk menjamin efisiensi turbin dapat diusahakan semaksimal mungkin dan didapat turbin yang paling ekonomis dan efisien. Gambar 2.4 merupakan pengaplikasian turbin menurut Head dan debit yang sesuai. Ketersediaan debit air dan tinggi air jatuh akan menentukan turbin yang paling efektif untuk digunakan, hal ini terkait dengan kecepatan spesifik masing-masing jenis turbin seperti pada tabel 2.1.
Gambar 2.4 Pengaplikasian turbin menurut Head (m) dan debit (
⁄ ) yang sesuai [1].
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head. Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat
13
ini menghasilkan unjuk kerja turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu. Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu .
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desain yang sudah ada dengan unjuk kerja yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah, bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan) [16]. 2.6 Komponen – Komponen Turbin Air 2.6.1 Nosel Nosel merupakan bagian dari turbin, didalam nosel tekanan air dirubah menjadi kecepatan. Nosel terdiri atas bagian selubung serupa hidung yang dipasang pada belokan pipa, dan jarum nosel yang bisa digerakkan didalam belokan pipa. Kerucut jarum dan selubung, yang cepat aus, dibuat dari bahan bermutu tinggi serta mudah untuk diganti [12]. Gambar 2.6 merupakan nosel yang dipakai dalam system pompa kincir di desa pucak sari. Nosel pada gambar 2.6 bertujuan untuk meningkatkan kecepatan air pipa pesat yang akan menumbuk sudu.
Gambar 2.6 nosel sebuah penstok kincir air ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 ).
14
2.6.2 Runner ( sudu jalan) Runner pada turbin air berfungsi sebagai penerus gaya dari sudu untuk dirubah menjadi gerak putar untuk selanjutnya diteruskan ke poros turbin. Turbin air yang akan dipakai adalah turbin air reaksi dan untuk menentukan diameter luar dan dalam runnernya menggunakan rumus : D1 = Zair – (2 x 0.1m)/2……………………………………………………(2.9) D2 = Keterangan:
. 1…………………………………………………………………(2.10)
Zair
= Ketinggian air terjun
(m)
D1
= Diameter luar runner
(m)
D2
= Diameter dalam runner
(m)
Diameter rata-rata runner:
Dr
=
………………………………………………….(2.11)
Keterangan: Dr
= Diameter rata – rata
(m)
2.6.3 Sudu Turbin Sudu turbin merupakan bagian turbin yang menerima gaya dari air yang akan diteruskan ke poros turbin melalui runner. Ada 2 bentuk profil sudu dan masing-masing tipe profil memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing dimana pemilihan tipe sudu disesuaikan dengan beban turbin. Profil Kelengkungan Sudu Profil Datar Profil sudu datar, gaya puntir yang diteruskan ke poros hanya didapatkan dari gaya dorong air pada nossel, jadi gaya puntir yang diteruskan ke poros akan sama
15
dengan gaya dorong air pada nossel. Profil sudu datar akan menimbulkan suara berisik saat terjadi tumbukan pada air dan sudunya sehingga ini akan memperpendek umur sudu. c1=c2 (kondisi steady state dan persamaan kontinyuitas). ∂2 = 90˚ dan ∂1 = 0˚ F = ṁ{(c1.cos ∂1 - c2 . cos ∂1)} F = ṁ{(c1.1- c2.0)} F = ṁ{(c1 )} F = ṁ . c1
Gambar 2.7 Profil Sudu Datar [6].
Gambar 2.7 merupakan profil sudu datar, torsi yang dihasilkan relatif kecil tetapi
tipe sudu ini mempunyai putaran dan power yang tinggi. Profil Sudu “U” Searah Aliran Profil sudu U memiliki torsi yang paling besar seperti yang terlihat pada gambar dibawah. Adanya momentum pada sisi – sisi sudu akibat aliran air yang bergerak mengikuti kelengkungan sudu menyebabkan besarnya torsi pada profil sudu tipe ini. Air cenderung lebih lambat meninggalkan sudu akibat kelengkungan sudu menyebabkan tipe sudu ini mempunyai putaran dan power yang lebih kecil dari pada tipe datar. Tipe sudu U tidak menimbulkan reaksi berisik saat air menumbuk sudunya, air menumbuk sudu dengan lebih lembut jadi umur sudu dapat bertahan lebih lama.
Gambar 2.8 Profil sudu “U” Searah Aliran [6]
16
Gambar 2.7 merupakan profil sudu lengkung searah aliran air, berikut adalah persamaan gaya yang terjadi pada sudu kincir saat kontak dengan air. c1=c2 (kondisi steady state dan persamaan kontinyuitas). ∂2 = 180˚ dan ∂1 = 0˚ F = ṁ{(c1.cos ∂1 - c2 . cos ∂2)} F = ṁ{(c1.+1 - c2 . -1)} F = ṁ{(c1+ c2)} F = 2 .ṁ.c1 Gaya Dorong (Fa) Pada Kincir Adapun gaya dorong yang dimiliki oleh sudu kincir dapat dihitung menggunakan rumus berikut [13] : Fa = ṁ.c = Q.ρ.c = A.c.ρ.c = A. ρ. ………………………………………(2.12) Keterangan : Fa
= gaya dorong sudu (N)
ṁ
= laju aliran massa (
Q
= kapasitas fluida (
ρ
= kerapatan fluida (
c
= kecepatan fluida saat terjadi tumbukan dengan sudu ( ⁄ )
A
⁄ )
⁄ ) ⁄
= luas penampang sudu (
)
)
Kecepatan fluida saat menumbuk sudu dapat diperoleh menggunakan rumus [12] : c = 2. . ………………………………………………………………...(2.13)
Keterangan : c = kecepatan fluida saat terjadi tumbukan dengan sudu ( ⁄ ) ⁄
)
g
= Grafitasi (
H
= Energi terjunan air ( m )
17
Impuls dan Momentum Impuls dan momentum merupakan satu kesatuan karena merupakan dua besaran yang setara, dikatakan setara karena memiliki satu satuan sistem internasional (SI). Pengertian impuls dan momentum Impuls merupakan gaya yang bekerja pada benda dalam waktu yang singkat atau sesaat, sebagai contohnya adalah peristiwa gaya yang terjadi pada bola saat ditendang. I = F . ∆t…………………..………………………………………………..(2.14) Keterangan : I
= Impuls (N.dt)
F
= Gaya ( N )
∆t
= selang waktu ( dt)
Momentum merupakan hasil kali antara massa dan kecepatan jadi momentum merupakan besaran yang dimiliki oleh benda yang bergerak. P = m . v…………………..………………………………………………..(2.15) Keterangan : P
= Momentum (Kg m/dt)
m
= Massa ( Kg )
v
= Kecepatan (m/dt)
Apabila sebuah partikel bermassa (m) bekerja pada gaya (F) yang konstan, maka setelah waktu (∆t) partikel tersebut bergerak dengan kecepatan Vt = V0 + a.∆t, Seperti yang dibahas pada hukun Newton ke-2 dimana F = m . a, dengan mensubstitusi kedua persamaan tersebut maka diperoleh : I = F . ∆t = m . v . t – m .v .0
18
Keterangan : m . v . t = Momentum benda pada saat kecepatan vt. m .v .0
= Momentum benda pada saat kecepatan v0.
2.6.4 Penstok atau Pipa Pesat Pipa pesat atau penstok merupakan komponen penyalur air dari bak penenang menuju sudu turbin, air dengan energi potensial pada bak penenang akan menjadi energi kinetis pada penstok selanjutnya air dengan energi kinetis akan menumbuk sudu turbin dan menciptakan energi mekanis pada poros turbin tersebut. Pada pipa pesat terdapat adanya Head loses karena pada pipa pesat penampang pipanya diperkecil secara bertahap hingga pada ujung penembaknya, Seperti yang dijelaskan pada persamaan kontinyuitas bahwa memperkecil penampang pipa akan meningkatkan kecepatan aliran airnya sehingga ini merupakan fungsi Head loses kecepatan, sebuah loses yang sengaja dibentuk dengan tujuan menciptakan tumbukan air dengan sudu turbin dengan kecepatan setinggi-tingginya. Berikut adalah kecepatan persamaan untuk menghitung kecepatan air yang menumbuk sudu turbin [12]: C1=φ 2
………………………………………………………………...(2.15)
Keterangan : C1 φ
: Kecepatan absolute fluida menabrak sudu turbin( ⁄ ) : Koefisien gesek pipa penstok : Percepatan grafitasi( ⁄ : Head(m)
)
19
Gambar 2.9 Nossel dan gate valve pada pipa penstock ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 )
Gambar 2.9 merupakan bagian gate valve dan nossel pada pipa penstok pada sistim pompa kincir ini seperti terlihat pada gambar bahwa gate valve terpasang pada bagian akhir pipa penstok juga memungkinkan gate valve berfungsi bukan hanya sebagai pengatur debit, tetapi juga memungkinkan gate valve ini berfungsi sebagai pengatur kecepatan air keluar melalui nossel penstok. Sebuah gate valve sebagai pengatur debit umumnya dipasang pada bagian awal penstok.
Gambar 2.10 Pipa penstok ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 )
Gambar 2.10 merupakan gambar pipa penstok pada sistim pompa kincir ini, pipa penstok ini dirancang dengan panjang total 24 meter yang direducer bertahap mulai dengan menggunakan pipa berdiameter 6 inch, 4 inch, 3 inch dan 2 inch.
20
2.7 Persamaan Dasar Aliran Fluida Dalam perancangan turbin air ada 3 persamaan dasar aliran fluida yang dipakai yaitu : 2.7.1 Persamaan Bernoulli Persamaan Bernoulli menjelaskan bahwa untuk suatu aliran air di dalam pipa dengan selisih ketinggian “ᵶ” antara tinggi air bagian pipa atas dan bagian pipa bawah memiliki energi yang dapat dihitung dengan:
Pair = ṁ.g.∆ ᵶ +
ṁ.∆
+
ṁ.∆
(Nm)………...……………..………(2.16)
Keterangan :
Pair
= Energi yang terdapat pada air (Nm).
ṁ
= laju aliran massa air ( kg/dt ).
g
= gaya gravitasi (
∆ᵶ
= selisih ketinggian ( m ).
ṁ.∆
= energi tekan (watt).
ṁ.∆
= energi kinetis (watt).
⁄
).
Gambar 2.11 Aliran energi pada air [13]
21
Untuk “spesifik energi”, ditentukan apabila pada aliran diatas diambil air sejumlah 1 kg untuk diperhitungkan, jadi persamaan diatas dibagi massa (m) menjadi [16] :
w = g.∆z+
∆
+
∆
(Nm/Kg)……………………………………………(2.17)
Adapun persamaan untuk energi Head air dapat ditarik dari persamaan diatas yaitu dengan membaginya dengan percepatan gravitasi [13] :
H = ∆ᵶ+ Keterangan :
∆
.
+
∆
(m)………………………..………………….(2.18)
∆ᵶ
= Beda ketinggian (m)
∆
= Head tekanan (m)
∆
= Head kecepatan (m)
.
2.7.2 Persamaan Kontinyuitas Melalui prinsip kekekalan massa dimana untuk aliran mantap (steady) massa fluida yang melalui semua bagian dalam arus fluida persatuan waktu adalah sama, dari sinilah persamaan kontinyuitas dihasilkan. Jika dijabarkan akan menjadi : ρ.A1.V1= ρ.A2.V2………………………….………………………………(2.19) Sedangkan untuk aliran incompressible (tak termampatkan) dimana perubahan densiti selama aliran adalah nol, dan karena ρ1= ρ2, persamaan ini menjadi : A1.V1= A2.V2= Q……………………………………….…………………(2.20) Keterangan : Q
= Kapasitas aliran (liter/detik)
A
= Luas penampang (
V
= Kecepatan aliran Fluida (m/dt)
)
22
Gambar 2.12 Aliran fluida pada pipa berventuri [14].
Gambar 2.12 merupakan aliran fluida pada pipa berventuri, seperti dijelaskan pada persamaan kontinyuitas bahwa debit pada sisi A1 dan A2 adalah sama maka kecepatan air pada sisi A2 akan lebih tinggi daripada sisi A1. 2.7.3 Persamaan Euler Terdapat hubungan antara tinggi air jatuh yang tersedia untuk memutar runner turbin dengan kelengkungan sudu runner itu sendiri untuk pemanfaatan energi air secara maksimal.
Gambar 2.13 Hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir air [13] .
Gambar 2.13 merupakan hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir, semakin kecil ketinggian jatuh air maka kelengkungan sudunya harus dibuat semakin lurus juga.
H= Keterangan :
₁. ₁ᵤ
.
₂. ₂ᵤ
(m)…………………………………..………..(2.21)
= Kecepatan tangensial pada runner (m/dt) g
= Percepatan grafitasi (m/
)
23
= Kecepatan relatif (m/dt) = Efisiensi kincir (%) 2.8 Perancangan Kincir Air 2.8.1 Tinggi Air Jatuh Air yang mengalir memiliki energi yang dapat dipergunakan untuk memutar runner kincir air. Tinggi air jatuh atau Head merupakan hal penting dalam merancang sebuah kincir air. Nilai Head akan menentukan bentuk kincir air, dengan menggunakan rumus mekanika fluida, daya kincir air, luas penampang lintang saluran dan dimensi bagian – bagian kincir air lainnya serta bentuk energi dari aliran airnya dapat ditentukan. 2.8.2 Daya Potensial Air Dari kapasitas perancangan air (Qd) dan tinggi air jatuh (h) maka dapat diperoleh daya potensial air dengan rumus : Pair =
ρ . g . Qd . h ……………………………………………………..(2.22)
Keterangan : Pair
= daya air (Kw)
Qd
= kapasitas air dalam rancangan (
ρ
= massa jenis air (
g
= percepatan gravitasi ( ⁄
h
= tinggi air jatuh (m)
⁄
)
⁄ .)
)
2.8.3 Dynamometer Dynamometer atau “dyno” merupakan alat yang digunakan untuk mengukur torsi yang dihasilkan oleh sebuah mesin yang diukur melalui porosnya [6]. Dynamometer mengabsorsi tenaga yang dikeluarkan oleh kincir
dengan cara
pengereman bertahap sejak kincir tersebut dalam keadaan idle sampai pada Rpm maksimumnya.
24
Pada penelitian ini menggunakan alat torsi meter untuk mengukur torsinya dan alat Tachometer untuk mengetahui Rpm kincir. Berikut adalah persamaan untuk menghitung torsi yang dibangkitkan oleh kincir air : T = ( F1- F2 ) . RP = ( ∆m ) . g . RP………………………….…………….(2.23) ∆m = m1 – m2………………………….………………………………….(2.24) Keterangan : T
= torsi terbangkitkan (Nm).
F1, F2 = gaya-gaya pada belt alat torsi (N). RP
= jari-jari puli torsi meter (m).
∆m
= perbedaan beban massa pada timbangan-timbangan alat torsi (kg).
m1, m2 = massa beban pada timbangan-timbangan alat torsi (kg). g
= percepatan gravitasi (m/dt2.).
Gambar 2.14 dynamometer
25
Gambar 2.14 merupakan gambar dynamometer yang dipakai dalam pengujian putaran berbeban dan tanpa beban. Unit dynamometer menggunakan 2 buah neraca pegas gantung dan v belt yang telah dipotong sebagai penghubung antara puli kincir dengan neraca pegas. 2.9 Pemilihan Unit Pompa Dengan data perencanaan unit kincir air tersebut diatas digunakan sebagai acuan dalam pemilihan unit pompa yang dipakai .Pompa yang dipakai adalah pompa torak dengan spesifikasi sebagai berikut : . ⁄
Pressure max.
= 35
Operation
= 300 - 1000 RPM
Capacity max.
= 20
Required power
= 135 – 265 watt.
⁄
Pompa ini adalah sebuah pompa torak dengan 3 silinder yang memiliki karakteristik Head yang besar. Pemilihan Head besar dikarenakan pompa akan mendorong air melalui elevansi yang tinggi dari titik pompa hingga bak pengumpul.
