PENGARUH JARAK DAN UKURAN NOZZLE PADA PUTARAN SUDU TERHADAP DAYA LISTRIK TURBIN PELTON Dr. Sri Purnomo Sari, ST., MT. *), Rendi Yusuf **) *) Dosen Teknik Mesin Universitas Gunadarma **) Mahasiswa Teknik Mesin Universitas Gunadarma ABSTRAKSI Dalam penulisan skripsi ini dibahas mengenai pengaruh putaran sudu, debit aliran fluida, kecepatan aliran fluida, dan laju aliran massa fluida terhadap daya listrik yang dihasilkan pada Turbin Pelton. Analisis tersebut terlebih dahulu dilakukan perhitungan hasil pengujian untuk mencari nilai debit aliran, kecepatan aliran, laju aliran massa serta jenis aliran pada nozzle dengan diameter 3 mm, 5 mm, dan kombinasi 3 & 5 mm. Berdasarkan dari perhitungan hasil pengujian, bukaan katup 750 pada diameter nozzle 3 mm bahwa nozzle tersebut paling banyak menghasilkan debit aliran fluida yaitu sekitar 0,32x10-3 m3/s dengan putaran sudu sekitar 332 RPM., Untuk diameter nozzle 5 mm, debit aliran tertinggi pada bukaan katup 900 menghasilkan debit aliran sekitar 0,48x10-3 m3/s dengan hasil putaran sudu 640 RPM. Menggunakan kombinasi antara nozzle 3 & 5 mm tersebut debit aliran fluida tertinggi 0,76x10-3dihasilkan pada bukaan katup 850 menghasilkan putaran sebesar 1009 RPM. Hasil tertinggi dari laju aliran massa fluida yaitu 0,753 kg/s. Pengambilan data pada Turbin Pelton ini semua jenis aliran fluida bersifat Laminar. Daya listrik yang dihasilkan pada nozzle 3 mm terjadi pada bukaan katup 750 daya listrik sebesar 1,6 Watt. Pada nozzle 5 mm daya listrik tertinggi pada bukaan katup 900 dengan daya listrik sebesar 2,1 Watt. Hasil maksimal nya terjadi pada kombinasi nozzle 3 mm dan 5 mm yaitu pada bukaan katup 850 dengan hasil daya listrik sebesar 2,7 Watt. Ukuran diameter nozzle berpengaruh terhadap besarnya debit aliran fluida, kecepatan fluida, laju aliran fluida dan putaran sudu turbin sehingga semakin besar pula input daya listrik yang akan tercipta pada Turbin Pelton ini. Kata kunci : Turbin pelton, putaran sudu, daya Listrik
PENDAHULUAN Dalam kemajuan terknologi sekarang ini bamyak dibuat peralatanperalatan yang inovatif dan tepat guna. Salah satu contoh bidang teknik mesin terutama dalam bidang konversi energi dan pemanfaatan alam sebagai sumber energi. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakkan oleh air yang disambungkan dengan generator. Dalam konvensionalnya pada zaman dahulu air juga dimanfaatkan
untuk pembangkit tenaga listrik yaitu untuk menggerakkan generator pembangkit digunakan kincir air, tetapi sekarang ini kincir air sudah ditinggalkan dan digunakanlah turbin air. Dalam suatu sistem PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air adalah alat untuk mengubah energi air menjadi energi puntir. Energi puntir ini diubah menjadi energi listrik oleh generator. Berbagai macam jenis pembangkit listrik telah banyak dibuat mulai dari turbin gas, turbin uap, turbin air, kincir air dan solar cell dengan berbagai
keuntungan dan kelebihan. Pemanfaatan energi tenaga air atau hydropower di Indonesia juga sangat minim[1].
digunakan adalah plat besi dan sekat sekat menggunakan papan seperti yang ditampilkan pada Gambar 1 di bawah ini.
Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya memanfaatkan energi potensial air sebagai energi listrik tenaga air. Turbin ini tergolong tipe turbin yang cukup efisien dalam perakitannya maupun dari segi ekonomi. Turbin Pelton ini sangat cocok digunakan untuk head tinggi, penyemprotan air ke sudu turbin dapat menggunakan jumlah nozzle lebih dari satu buah agar mendapatkan tenaga yang lebih besar. Turbin Pelton termasuk jenis Turbin impuls perubahan energi ini dilakukan didalam nozzle dimana air yang semula mempunyai energi potensial yang tinggi diubah menjadi energi kinetis.
Gambar 1. Gambar Design Turbin Pelton
Diagram Alir Perancangan
Prinsip kerja Turbin Pelton adalah memanfaatkan daya fluida dari air untuk menghasilkan daya poros. Pada Turbin Pelton energi potensial air berubah menjadi energi kinetik melalui nozzle disemprotkan ke bucket untuk dirubah menjadi energi mekanik yang digunakan untuk memutar poros alternator yang berfungsi sebagai sumber utama untuk menghasilkan arus listrik. Proses analisa yang akan dibahas dalam Penulisan Tugas Akhir ini adalah PENGARUH UKURAN DAN JARAK NOZZLE PADA PUTARAN SUDU TERHADAP DAYA LISTRIK TURBIN PELTON. METODOLOGI PERANCANGAN TURBIN PELTON Perancangan Turbin Pelton Suatu perancangan Turbin Pelton harus memiliki frame yang kuat sebagai pendukung terbentuk nya Turbin Pelton, dengan frame yang dirancang sesuai kebutuhan seperti sebagai tempat bak penampung air, pompa air, sudu Turbin Pelton dan pipa saluran air. Bahan yang
Gambar 2. Diagram Alir Perancangan Poros dan Sudu Turbin Pelton Seperti yang tampak pada bagan diagram alir Gambar 2 di atas yang menjelaskan mengenai rangkaian proses kerja yang dilakukan. Rangkaian tersebut dimulai dari studi pustaka yang diperoleh dari berbagai buku dan internet mengenai
sudu Turbin Pelton hingga proses pembuatan. Setelah itu dilakukannya proses perakitan poros, sudu dan komponen penunjang lainnya seperti bearing dll. Proses selanjutnya adalah proses pengujian komponen tersebut dengan cara melakukan penghidupan mesin yang kemudian akan ditarik suatu kesimpulan tertentu. Dalam perancangan sudu Turbin Pelton yang terlihat pada Gambar 3 satuan yang dipakai untuk geometri ini adalah mm. Turbin Pelton ini mempunyai diameter keselurahan 220 mm, dengan jumlah daun sudu sebanyak 16 buah namun dapat di bongkar pasang sehingga jumlah sudu dapat di kurangi dengan syarat harus kelipatan 4 yaitu dengan jumlah sudu 12, 8 dan 4 buah.
Gambar 3 Design Sudu Turbin Pelton Sudu ini mempunyai bobot seberat 1 kg dengan bobot itu sudu ini mempunyai bobot yang cukup ringan namun tidak terlalu ringan sehingga sudu ini mampu memutarkan poros alternator yang akan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Dari konstuksi dan bahan yang digunakan dalam sudu ini mempunyai ketahanan yang kuat untuk menerima pressure dari nozzle yang menyemburkan air yang bertekanan tinggi. Sudu Turbin Pelton ini benda
aslinya dapat dilihat pada Gambar 4 dengan jumlah sudu 16.
Gambar 4. Sudu Turbin Pelton Pembuatan Poros, Turbin Pelton
Dudukan
Sudu
Untuk langkah awal pembuatan sudu pada Turbin Pelton yaitu di awali dengan pembuatan poros yang berfungsi sebagai titik pusat agar sudu turbin dapat berputar, poros ini ,memiliki diameter 14 mm dan panjang 24 cm. Poros ini juga berfungsi sebagai pegangan salah satu dudukan sudu yang di las sehingga poros dan dudukan sudu menjadi satu. Untuk dudukan sudu yang kedua tidak dilakukan pengelasan agar dapat dilakukan bongkar pasang. Poros ini berbahan dasar besi cukup ringan dan kuat untuk menahan beban sudu dan beban daya puntir yang terjadi pada saat turbin di operasikan.
Gambar 5. Design Pelton
Poros
Turbin
Pada Gambar 5 yaitu design poros turbin di ujung salah satu poros pada bagian belakang box turbin di pasang pulley dan vbelt ke alternator untuk mentransmisikan tenaga turbin ke alternator sehingga alternator berputar dan menghasilkan daya listrik. Poros Turbin Pelton dapat dilihat pada Gambar 6.
tidak terlepas dan goyang maka dibuat 7 lubang baut agar dudukan terpasang dengan kuat.
Gambar 8. Dudukan Sudu Turbin Pelton. Daun Sudu Turbin Pelton
Gambar 6. Poros Dengan Dudukan Sudu Yang dilas [a], Poros Dengan Dua Dudukan Sudu Yang Salah Satunya Dapat Dilepas [b].
Daun sudu yang terliahat pada Gambar 9 berguna untuk menerima tekanan yang ditimbulkan oleh nozzel yang menyemburkan air sehingga sudu dapat berputar. Daun sudu ini memiliki diameter 6 cm terbuat dari bahan stainless ringan namun tetap kuat menerima tekanan air. Jumlah keseluruhan daun sudu ini terdapat 16 buah.
Dudukan Sudu Turbin Pelton Gambar 9. Daun Sudu Turbin Pelton Box Sudu Turbin Pelton
Gambar 7. Design Dudukan Sudu Turbin Pelton Komponen yang lainnya yaitu dudukan sudu turbin yang dapat dilihat design nya pada Gambar 7 berfungsi sebagai pegangan daun sudu turbin, dudukan sudu turbin ini terbuat dari plat setebal 3 mm yang mempunyai diameter 10 mm seperti yang ditunjukan di Gambar 8. Dudukan sudu ini terdapat dua buah dengan ukuran dan tebal plat yang sama. Masing masing dudukan mempunyai lubang-lubang untuk pegangan daun sudu
Box ini tebuat dari besi plat setebal 3 mm, memiliki panjang 30 cm dan lebar 13 cm sehingga box ini akan lebih kuat menahan getaran yang di timbulkan oleh sudu yang berputar kencang ketika turbin di jalankan seperti yang tampak pada Gambar 10 berikut ini.
Gambar 10. Box Turbin Pelton Aklirik Box Turbin Pelton
Terdapat 2 buah terletak di bagian atas dan di depan box Turbin Pelton, aklirik ini berguna agar proses kerja sudu turbin dapat terlihat. Untuk aklirik bagian atas berukuran 30 x 13 cm [a] dan untuk bagian depan berukuran 30 x 30 cm [b] yang tampak di Gambar 11, untuk bagian depan terdapat fungsi lain yaitu sebagai kedudukan bearing.
Gambar 13. Dudukan Box Turbin Pelton Nozzle Gambar 11. Aklirik Bagian Atas [a], Aklirik Bagian Depan [b] Bearing Bearing yang terlihat di Gambar 12 ini berfungsi sebagai bantalan atau penahan beban sudu turbin yang dipasang sebanyak 2 buah terletak di depan dan di belakang box turbin, diameter lubang bearing yaitu 12 mm.
Komponen penunjang lainnya yang terpenting lainnya adalah nozzle yang terlihat di design nozzle seperti pada Gambar 14 dan nozzle aslinya Pada Gambar 15 dengan variasi diameter tertentu. Ada empat buah nozzle yang mempunyai ukuran berbeda yaitu 3 mm, 5 mm, 7 mm dan 9 mm. Nozzle juga mempunyai beberapa fungsi penting terhadap pengaruh putaran sudu Turbin Pelton tersebut, yaitu : o Mengarahkan pancaran air ke sudu turbin o Mengubah tekanan menjadi energi kinetik o Mengatur kapasitas air yang masuk ke turbin
Gambar 12. Bearing Dudukan Box Turbin Pelton Di atas bak penampungan air terdapat kedudukan box turbin yang bertujuan agar air yang telah digunakan dapat langsung terbuang ke bak penampungan, dudukan box turbin ini di beri lubang sebesar ukuran box tersebut yaitu 30 cm bahan yang di gunakan plat setebal 3 mm serta panjang perseginya 55 x 55 cm dapat di lihat pada Gambar 13 ini.
Gambar 14 Design Nozzle
Untuk Turbin Pelton dengan daya yang cukup besar, sistem penyemprotan biasa digunakan dengan beberapa nozzle untuk mengurangi tumbukan yang terlalu besar terhadap sudu yang mengakibatkan air yang disemprotkan oleh nozzle tidak maksimal. Komponen Pendukung Turbin Pelton Gambar 15. Nozzle Turbin Pelton Perakitan Poros dan Sudu Turbin Pelton Setelah komponen lengkap dan siap digunakan, maka metode selanjutnya yang dilakukan adalah proses perakitan poros dan sudu turbin serta komponenkomponen penunjang lainnya yang berhubungan langsung dengan sudu Turbin Pelton ini. Seperti yang tampak pada Gambar 16 yang merupakan gambar hasil perakitan antara poros dan sudu Turbin Pelton dengan menggunakan proses pengelasan dan sistem knock down. Sudu Turbin Pelton merupakan komponen yang berfungsi untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi pada poros sudu dimana aliran air yang disemprotkan oleh nozzle kearah sudu mengakibatkan daun-daun sudu terdorong dan berputar. Aliran air yang diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah atau nozzle ini juga menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu berputar, gaya bekerja melalui suatu jarak sehingga menghasilkan kerja.
Gambar 16. Poros dan Sudu Turbin Pelton
Pompa Pompa yang biasa digunakan pada turbin air berskala mikro adalah jenis sentrifugal. Pompa sentrifugal ini menciptakan kecepatan fluida kemudian mentransformasikannya ke energi tekanan saat fluida terlepas dari pompa melalu pipa-pipa pengalir. Oleh karena itu head yang tercipta bisa dikatakan sebanding dengan energi kecepatan impeller maka digunakan pompa sentrifugal seperti yang ditampilkan pada Gambar 17 mengenai contoh gambar pompa sentrifugal.
Gambar 17. Pompa Sentrifugal Bak Penampung Bak penampung ini berfungsi sebagai tempat penampungan air yang digunakan untuk mensuplai kebutuhan pompa dalam memperoleh air seperti yang ditunjukkan pada Gambar 18.
Gambar 18. Bak Penampungan Air
Pipa Pipa merupakan salah satu komponen pada turbin ini yang berfungsi sebagai sarana penghubung antara satu komponen dengan komponen lainnya serta sebagai sarana untuk mengalirkan fluida air dari pompa yang menyuplai air dari bak penampungan air seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19 yang nantinya akan mengalir ke nozzle, aliran fluida air diatur dengan keran.
Gambar 19. Pipa Pengalir
memiliki tekanan lebih kecil dibanding dengan aliran air di dalam pipa.
Gambar 21. Selang Stopwatch Stopwatch yang ditunjukkan pada Gambar 22 digunakan untuk menghitung lamanya waktu yang diperlukan oleh sebuah fluida untuk mencapai volume tertentu di dalam gelas ukur yang nantinya berguna untuk menghitung debit aliran fluida air pada setiap pengambilan data yang dilakukan. Dalam proses pengambilan data menggunakan stopwatch lama waktu yang di gunakan setiap kali proses pengambilan data yaitu 3 detik.
Katup Pengatur Tekanan Katup pengatur tekanan ini mempunyai fungsi untuk mengatur tekanan fluida yang akan dteruskan ke nozzle sehingga debit aliran yang masuk ke turbin bisa terkontrol sperti yang ditunjukkan oleh Gambar 20.
Gambar 22. Stopwatch Gelas Ukur
Gambar 20. Katup Pengatur Tekanan
Gelas ukur yang ada pada Gambar 23 ini terbuat dari bahan plastik yang berguna untuk mengukur volume fluida yang keluar dari nozzle dalam waktu tertentu. Mengenai gelas ukur pengujian proses pengambilan data yang dilakukan dalam waktu (t) 3 detik untuk menghasilkan volume (V) tertentu
Selang Selang di Gambar 21 pada Turbin Pelton ini fungsinya hampir sama dengan pipa, yaitu sebagai penghubung serta sarana agar fluida dapat mengalir. Tetapi biasanya dialiri untuk fluida yang
Gambar 23. Gelas ukur
Lampu Lampu 12V10W yang nampak pada Gambar 24 sebagai media cahaya yang menyala karena adanya aliran listrik hasil dari putaran turbin yang ditransmiikan ke alternator sehingga menghasilkan daya listrik.
mematikan dan mengaktifkan kinerja dari alternator maka agar pengisian arus listrik dari alternator ke aki dapat terkontrol. Tiga switch lagi digunakan untuk menyalakan lampu 1, 2 dan 3.
Gambar 24. Lampu
Gambar 26. Switch Alternator dan lampu
Accumulator
Pulley dan V Belt
Accumulator yang dapat di lihat pada Gambar 25 sebagai media penyimpan dan pensuplai arus listrik dengan kapasitas 12v 40A. Pada aki terdapat elemen dan sel untuk penyimpan arus yang mengandung asam sulfat (H2SO4). Tiap sel berisikan pelat positif dan pelat negatif pada pelat positif terkandung oksid timah coklat (Pb 02), sedangkan pelat negatif mengandung timah (Pb). Pelat-pelat ditempatkan pada batang penghubung. Pemisah atau separator menjadi isolasi diantara pelat itu, dibuat agar baterai mudah beredar disekeliling pelat. Bila ketiga unsur kimia ini berinteraksi, munculah arus listrik.
Untuk mentransmisikan daya putar roda turbin ke alternator diperlukan alat pendukung yaitu Pulley yang berdiameter 60 mm dan V Belt dengan panjang 150 mm. Sehingga alternator dapat bekerja sesuai dengan daya putar yang dihasilkan oleh roda turbin seperti pada Gambar 27.
Gambar 3.27 Pulley dan V Belt Alternator Alternator merupakan komponen turbin air yang brfungsi untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, mempunyai kapasitas 45 A seperti yang tampak pada Gambar 28.
Gambar 25. Accumulator Switch Alternator dan Lampu
yang
Pada Gambar 26 ada empat switch digunakan, satu switch untuk
Gambar 28. Alternator
Listrik yang dihasilkan merupakan arus bolak-balik (AC), untuk merubah arus AC menjadi arus DC digunakan diode yang dipasang menjadi satu bagian dengan alternator. Alternator berfungsi untuk mensuplai tegangan listrik ke aki serta komponen elektrikal lain nya. Ditampilkan pada Gambar 29 Alternator di hubungkan ke turbin agar turbin dapat mentransmisikan putarannya ke alternotor sehingga alternator dapat menghasilkan arus listrik yang disuplai ke aki.
6.
Diameter rotor lebih kecil guna meningkatkan putaran alternator. 7. Menggunakan V ribbed belt untuk memperluas kontak belt dengan pulley sehingga tidak slip. 8. Lubang radiasi lebih banyak dan kipas pendingin ada di dalam alternator sebagai upanya meningkatkan proses pendinginan. Amperemeter Agar dapat mengetahui besarnya arus pengisian alternator ke aki digunakan amperemeter yang ditampilkan pada Gambar 30, jadi besaran arus pengisian dapat dilihat langsung pada alat ini.
Gambar 29. Alternator dan Poros Turbin dihubungkan Terdapat banyak kelebihan pada sistem pengisian alternator AC (alternator) yang menggunakan IC regulator dibanding dengan sistem pengisian generator AC (alternator) yang menggunakan regulator mekanik. Ini sangat berpengaruh terhadap daya listrik yang akan di hasilkan oleh alternator itu sendiri, adapun berdandingan antara alternator AC dengan IC regulator dan alternator regulator mekanik yaitu: 1. Stabilitas pengaturan tegangan dan arus yang dihasilkan lebih tinggi. 2. Ukuran regulator lebih kecil sehingga memungkin dijadikan satu kesatuan dengan unit alternator. 3. Rangkaian sistem pengisian lebih sederhana. 4. Tidak memerlukan penyetelan. 5. Dapat dirancang alternator yang mampu bekerja pada putaran tinggi, sehingga ukuran alternator lebih kecil untuk daya sama.
Gambar 3.30 Amperemeter Lokasi IC regulator menjadi satu kesatuan dengan alternator, pada Gambar 31 alternator terdapat 4 terminal yaitu terminal B, IG, S dan L. Terminal B merupakan terminal output altenator, dihubungkan ke baterai dan beban, terminal IG dihubungkan ke kunci kontak untuk mensuplai arus ke IC regulator, terminal S dihubungkan ke baterai langsung dan terminal L ke lampu indicator pengisian.
Gambar 31. Alternator
Rangkaian
Pengisian
Alternator ini memiliki peran yang sangat penting dalam turbin ini, karena alternator mengubah energi putar pada roda turbin ke energi listrik. Pada saat roda turbin berputar, putaran itu ditransmisikan ke alternator dengan menggunakan pulley dan v belt sehingga alternator bekerja menghasilkan energi listrik yang akan di simpan ke aki yang berguna untuk menyalakan lampu. Untuk melihat Konstruksi Turbin Pelton secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 32 dimana Turbin Pelton ini terdiri dari 3 bagian utama yaitu pompa, roda jalan dan alternator.
putaran sudu Turbin Pelton dan daya listrik yang akan dihasilkan. Karena kecepatan aliran fluidanya akan berbeda sehingga akan berpengaruh kepada daya puntir pada sudu Turbin Pelton yang berakibat lemahnya daya listrik yang akan dihasilkan.
Gambar 33. Jarak Sudu Turbin Pelton
Nozzle Terhadap
PERHITUNGAN DAN ANALISA DATA
Gambar 32. Turbin Pelton
Konstruksi
Lengkap
Jarak Nozzle Terhadap Sudu Turbin Pelton Dalam Turbin Pelton ini hal yang tegolong cukup penting yaitu jarah antara nozzle terhadap sudu Turbin Pelton seperti yang tampak pada Gambar 33. Dalam pengujian Turbi Pelton ini jarak nozzle yang dipakai yaitu dengan jarak 90 mm. Percobaan dilakukan dengan tiga tahap yaitu 1. Pengujian pada Diameter Nozzle 3 mm 2. Pengujian pada Diameter Nozzle 5 mm 3. Pengujian pada Kombinasi antara Diameter Nozzle 3 mm dan 5 mm Jarak Nozzle maupun ukuran dari diameter nozzle sangat mempengaruhi
Perencanaan Pengujian dan Analisa Data Pembuatan diagram alir proses sangat penting dilakukan sebelum melakukan suatu pengujian maupun analisis data. Diagram alir ini bertujuan untuk memudahkan dalam melakukan proses tersebut seperti yang tampak pada Gambar 34. mengenai diagram alir proses perencanaan dan analisa data yang dimulai dari proses pengambilan data secara langsung serta menganalisa data untuk menghasilkan suatu output tertentu.
Pengambilan Data Secara Langsung Dengan Menggunakan Alat Ukur Dalam proses pengambilan data ada beberapa alat ukur yang dibutuhkan yaitu sebagai berikut : Pengambilan Data Volume Fluida dan Putaran Turbin Dalam proses pengambilan data menggunakan stopwatch lama waktu yang di gunakan setiap kali proses pengambilan data yaitu 3 detik. Setiap 3 detik data volume fluida akan di ambil dengan menggunakan ukuran nozzel 3 mm dan 5 mm dengan bukaan katup dengan sudut 45o sampai dengan 90o. Setiap pengambilan data dilakukan secara teliti agar mendapatkan hasil yang akurat sehingga proses pengambilan data yang akan dilakukan selanjutnya juga dapat menghasilkan data yang akurat. Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengetahui besaran putaran pada suatu poros yang berputar. Tachometer ini menggunakan infra merah yang ditembakkan cahayanya ke arah poros yang berputar sehingga dapat diketahui jumlah putaran (rpm) pada poros tersebut yang kemudian didapatkan hasil putaran dari poros sudu Turbin Pelton dalam bentuk Tabel 1. Tabel 1. Volume Fluida dan Putaran Poros Sudu Turbin Pelton Pada L = 90 mm
Pengambilan Data Arus Listrik Proses pengambilan data arus listrik pada turbin dilakukan setelah runner turbin yang sudah di transmisikan dengan menggunakan pulley dan vbelt ke alternator berputar. Putaran tersebut akan dikonfersikan oleh alternator menjadi arus listrik yang akan di suplai ke accumulator . Arus listrik yang masuk ke accumulator selengkapnya dapat dilihat melalui Tabel 2. Tabel 2. Arus Listrik Pada Turbin Pelton
Perhitungan Hasil Pengujian Perhitungan Debit Aliran Fluida Dari hasil data pengambilan volume fluida air yang ada pada tabel 1 dapat dihitung debit aliran fluida yang keluar dari nozzle/3 detik. Perhitungan debit fluida air dengan menggunakan nozzle 3, 5, 3 dan 5 dengan bukaan katup 450 - 900 dapat menggunakan persamaan 2.1. Q = V t = 0,5 L = 0,16 L/s = 0,00016 m3/s 3s Dimana : 1 L = 0,001 m3
Dalam tabel 3 ini adalah hasil seluruh data debit aliran fluida air dan putaran sudu Turbin Pelton dengan menggunakan nozzle 3, 5, 3 dan 5 dengan bukaan katup 450 - 900. Tabel 3. Debit Aliran Fluida Air Turbin Pelton Pada L = 90 mm
Seperti yang tampak pada Gambar 35 ditampilkan Grafik hubungan antara debit aliran fluida terhadap putaran sudu Turbin Pelton pada bukaan katup 750 menggunakan diameter nozzle 3 mm tampak jelas bahwa nozzle tersebut paling banyak menghasilkan debit aliran fluida yaitu sekitar 0,32x10-3 m3/s dengan putaran yang dihasilkan sekitar 332 RPM. Hal ini membuktikan bahwa semakin besar debit aliran fluida yang dihasilkan semakin besar pula putaran yang dihasilkan untuk memutar sudu Turbin Pelton tersebut
Sedangkan untuk diameter nozzle 5 mm hubungan antara debit aliran fluida terhadap putaran sudu Turbin Pelton diperlihatkan pada diagram batang tersebut bahwa sebelumnya pada percobaan di nozzle 3 debit aliran tertinggi yang dihasilkan terjadi pada bukaan katup 750 hal ini berbeda saat menggunakan nozzle 5 mm debit aliran tertinggi yang dihasilkan terjadi pada bukaan katup 900. Mampu menghasilkan debit aliran sekitar 0,48x10-3 m3/s dengan putaran yang dihasilkan paling besar dibandingan dengan bukaan katup yang lainnya yaitu 640 RPM selengkapnya ditunjukkan melalui Gambar 36.
Jika sebelumnya nozzle 3 mm menghasilkan debit aliran fluida tertinggi pada bukaan katup 750 serta dengan menggunakan nozzle 5 mm pada bukaan katup 900 , maka dengan menggunakan kombinasi antara nozzle 3 mm dan 5 mm tersebut debit aliran fluida tertinggi 0,76 x 10-3 dihasilkan pada bukaan katup 850. Menghasilkan putaran sebesar 1009 RPM seperti yang lihat pada Gambar 37.
Perhitungan Kecepatan Aliran Fulida
debit aliran fluida terhadap putaran sudu Turbin Pelton.
Dari data Tabel 3 dapat melakukan perhitungan kecepatan aliran fluida menggunakan persamaan 2.2 serta dengan mencari Luas Penampang Nozzle melalui persamaan 2.3 berikut ini. v= Dimana : A = πr2 Maka A = 3,14 x (1,5x10-3 m)2 = 0,47x10-5 m2 jadi v = 0,016x10-3 m3/s 0,47x10-5 m2 = 0,34 m/s Proses perhitungan selanjutnya dicantumkan dalam bentuk Tabel 4 tersebut, semakin besar diameter nozzel dan debit aliran fluida, maka kecepatan aliran fluida tersebut akan semakin mengecil.
Pada hasil pengambilan data kecepatan aliran fluida hasil tertinggi terjadi pada bukaan katup 750 dengan debit aliran fluida 0,32 x 10-3 m3/s menghasilkan kecepatan fluida sebesar 0,86 m/s. Dari hasil tersebut membuktikan bahwa semakin besar jumlah debit aliran fuida maka semakin besar pula kecepatan fulida yang akan terjadi, seperti yang tertuang pada Gambar 38 Grafik hubungan antara
Pada Gambar 39 Grafik hubungan antara debit aliran fluida terhadap putaran sudu Turbin Pelton pada nozzle 5 mm menggambarkan perbedaan hasil jika pada nozzle 3 mm kecepatan aliran flida tertinggi terjadi pada bukaan katup 750 pada nozzle 5 mm terjadi pada bukaan penuh yaitu pada bukaan 900. Hasil debit aliran fluida sebesar 0,48 x 10-3 m3/s dengan kecepatan fluida 0,24 m/s
Untuk hasil pengujian terakhir pada kombinasi nozzle 3 dan 5 mm juga memiliki perbedaan yaitu pada kombinasi nozzle ini hasil tertinggi kecepatan aliran fluida terjadi pada bukaan katup 850 dengan jumlah debit aliran fluida sebesar 0,76 x 10-3 m3/s dengan hasil kecepatan aliran fluida 0,31 m/s. Dari semua hasil pengujian diketahui bahawa perbedaan ukuran nozzle dapat membedakan pada bukaan katup berapa kecepatan aliran fluida akan sampai pada titik maksimal dan membuktikan bahwa semakin jumlah debit aliran fluida berjumlah besar maka semakin tinggi pula kecepatan aliran fluida yang dihasilkan.
Dari hasil perhitungan laju aliran massa fluida menggunakan diameter nozzle 3 mm diketahui pada bukaan katup 750 menghasilkan nilai laju aliran massa fluida terbanyak yaitu 0,321 kg/s dengan kecepatan alirannya 0,68 m/s. Jadi semakin besar nilai kecepatan aliran fluida maka pada laju aliran massa fluida akan mengalami peningkatan yang dapat dilihat pada Gambar 41. Perhitungan Laju Aliran Massa Fluida Laju aliran massa fluida dapat dihitung berdasarkan data dari Tabel 4.4 dan juga berdasarkan data Massa Jenis fluida zat cair (ρair) 1000 kg/m3. Untuk mengetahui nilai laju aliran massa fulida digunakan persamaan 2.4 berikut ini. ṁ = ρair x A x v = 1000 kg/m3 x 0,47x10-5 m2 x 0,34 m/s = 0,162 kg/s Tabel 4.5 dapat dilihat seluruh hasil perhitungan dari laju aliran massa fluida, untuk laju aliran massa fluida berbanding terbalik dengan kecepatan fluida, yaitu semakin besar diameter nozzle digunakan dan debit aliran fluida yang dihasilkan, maka semakin besar pula laju aliran massa fluida yang diperoleh.
Pada pengujian dengan diameter nozzle 3 mm sebelumnya nilai tertinggi terjadi pada bukaan katup 750, berbeda dengan pengujian pada diameter 5 mm ini. Hasil pengujian menunjukkan jumlah terbesar laju aliran massa fluida terjadi pada bukaan katup 900 sebesar 0,472 kg/s dengan kecepatan aliran fluida 0,24 m/s seperti yang dituangkan dalam Gambar 42. Perbedaan Ukuran nozzle yang digunakan berpengaruh terhadap bukaan katup berapa nilai maksimal yang dihasilkan pada laju aliran massa fluida terhadap kecepatan aliran fluida akan tercipta.
Pengujian selanjutnya menggunakan kombinasi dua nozzle 3 mm dan 5 mm, peningkatan hasilnya jauh dibanding dengan menggunakan satu nozzle, pada bukaan katup 850 mampu
menghasilkan laju aliran massa fluida terbanyak yaitu 0,753 kg/s dengan kecepatan aliran fluida sebesar 0,31 selengkapnya dapat dilihat memalui Gambar 43.
Perhitungan Nilai Bilangan Reynold Berdasarkan dari data kecepatan aliran fluida pada Tabel 4 dan berdasarkan data Viskositas Kinematik air (ν) 1,46x10-5 m2/s, maka nilai bilangan reynold dapat diketahui berdasarkan jumlah bilangan Reynold (Re) dengan menggunakan persamaan 2.5 dibawah ini. Re = = 698 (Aliran laminar) Dimana : Aliran Laminar Reynold < 2300 Aliran Transisi Bilangan Reynold < 4000 Aliran Turbulen Reynold > 4000
=
: : :
Bilangan 2300
<
Bilangan
Pada Tabel 6. dapat dilihat seluruh data hasil perhitungan. Dari data tersebut diketahui yang mempengaruhi besar kecilnya bilangan Reynold adalah dari kecepatan fluida dan diameter nozzle. Semakin besar kecepatan aliran fluida & diameter nozzle, maka alirannya cenderung Turbulen, namun hasil pengambilan data pada Turbin Pelton ini semua jenis aliran fluida bersifat Laminar.
Perhitungan Daya Listrik Dalam pengambilan data pada putaran poros tabel 4.2 dan input daya pada Tabel 4 dari hasil data tersebut dapat dihitung hasil daya listrik yang akan tercipta pada setiap pengujian yang dilakukan. Contoh perhitungan dengan menggunakan persamaan 2.6. P =V.I = 12 V x 0,125 A = 1,5 Watt Dimana : P = daya, watt I = arus, ampere V = tegangan, volt
Dari Gambar 44 dapat Grafik Hubungan Antara Daya Listrik Terhadap Putaran Sudu Turbin Pelton Pada Diameter Nozzle 3 mm. Hasil daya listrik terbesar terjadi pada bukaan katup 750 dengan daya listrik sebesar 1,6 Watt. Maka diketahui semakin besar debit aliran fluida, kecepatan aliran fluida dan laju aliran fluida sangat mempengaruhi kecepatan putaran sudu turbin, semakin besar putaran pada sudu turbin semakin besar pula daya listrik yang akan dihasilkan
Jika sebelumnya pada nozzle 3 mm daya listrik yang terbesar terjadi pada bukaan 750 maka selanjutnya pada nozzle 5 mm daya listrik tertinggi yang dihasilkan terjadi pada bukaan katup 900 dengan daya listrik sebesar 2,1 Watt. Selengkapnya dapat dilihat pada Gambar 45 dalam bentuk Grafik hubungan antara daya listrik terhadap putaran poros Turbin Pelton. Maka ukuran didapat bahwa ukuran nozzle juga mempengaruhi pada bukaan katup berapa daya listrik dan putaran poros Turbin Pelton akan mencapai titik maksimal. Sehingga pemilihan ukuran nozzle sangat penting untuk meningkatkan kinerja putaran poros turbin dan input daya listrik yang akan dihasilkan.
Dari pengambilan data sebelumya dengan menggunanakan diameter nozzle 3 mm dan 5 mm, masing-masing memiliki perbedaan titik maksimal terhadap hasil daya listrik dan dalam hal perbedaan bukaan katup. Begitu juga dalam pengambilan data menggunakan kombinasi antara nozzle 3 mm dan 5 mm, hasil maksimal nya terjadi pada kombinasi nozzle 3 mm dan 5 mm yaitu pada bukaan katup 850 dengan hasil daya listrik sebesar 2,7 Watt yang dapat dilihat jelas dalam Gambar 46. Meskipun memliki perbedaan ukuran diameter nozzle mempengaruhi posisi bukaan katup dalam mencapai titik maksimal daya listrik, namun terdapat memiliki kesamaan yaitu semakin besar ukuran diameter nozzle berpengaruh terhadap besarnya debit aliran fluida, kecepatan fluida, laju aliran fluida dan putaran poros turbin sehingga semakin besar pula input daya listrik yang akan tercipta pada Turbin Pelton ini.
PENUTUP Kesimpulan Beberapa kesimpulan yang dapat di ambil berdasarkan hasil pengamatan dan perhitungan matematis tentang Turbin Pelton di Tugas Akhir ini adalah : 1. Pada debit aliran fluida setiap perbedaan ukuran nozzle maka akan memiliki perbedaan pula pada titik maksimal debit aliran dalam hal bukaan
katup. Pada diameter nozzle 3 mm diketahui bahwa nozzle dibukaan katup 750 debit aliran fluida yaitu sekitar 0,32x10-3 m3/s dengan putaran yang dihasilkan sekitar 332 RPM. Untuk diameter nozzle 5 mm, debit aliran tertinggi yang dihasilkan terjadi pada bukaan katup 900 menghasilkan debit aliran sekitar 0,48x10-3 m3/s dengan hasil putaran 640 RPM. Dengan menggunakan kombinasi antara nozzle 3 mm dan 5 mm tersebut debit aliran fluida tertinggi 0,76x10-3 dihasilkan pada bukaan katup 850 menghasilkan putaran sebesar 1009 RPM. Hal ini membuktikan semakin besar debit aliran fluida semakin besar pula putaran yang dihasilkan untuk memutar sudu Turbin. 2. Untuk kecepatan fluida diketahui bahwa semakin besar diameter nozzel dan debit aliran fluida yang dihasilkan, maka kecepatan aliran fluida tersebut akan semakin mengecil.
3. Dalam hal laju aliran massa fluida berbanding terbalik dengan kecepatan fluida, yaitu semakin besar diameter nozzle digunakan dan debit aliran fluida yang dihasilkan, maka semakin besar pula laju aliran massa fluida yang diperoleh. Hasil tertinggi dari laju aliran massa fluida yaitu 0,753 kg/s. 4. Dari nilai bilangan reynold yang ada hal, yang mempengaruhi besar kecilnya bilangan Reynold adalah dari kecepatan fluida dan diameter nozzle. Semakin besar kecepatan aliran fluida & diameter nozzle, maka alirannya cenderung Turbulen, namun hasil pengambilan data pada Turbin Pelton ini semua jenis aliran fluida bersifat Laminar. 5. Daya listrik yang dihasilkan dengan menggunakan nozzle 3 mm terjadi pada bukaan katup 750 dengan daya listrik sebesar 1,6 Watt. selanjutnya pada nozzle
5 mm daya listrik tertinggi yang dihasilkan terjadi pada bukaan katup 900 dengan daya listrik sebesar 2,1 Watt. Hasil maksimal nya terjadi pada kombinasi nozzle 3 mm dan 5 mm yaitu pada bukaan katup 850 dengan hasil daya listrik sebesar 2,7 Watt. Meskipun memliki persemakin besar ukuran diameter nozzle berpengaruh terhadap besarnya debit aliran fluida, kecepatan fluida, laju aliran fluida dan putaran poros turbin sehingga semakin besar pula input daya listrik yang akan tercipta pada Turbin Pelton ini.
DAFTAR PUSTAKA [1]. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin Pompa dan Kompresor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2006 [2]. M. White Frank, Mekanika Fluida Edisi Kedua Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1986. [3]. Pudjanarso, Astu dan Nursuhud D, Mesin Konversi Energi, Edisi Revisi, Yogyakarta : Andi, 2008. [4]. Reuben M. Olso, Steven j. Wraight. Essentials of Engineering Fluid Mechanics. Harper & Row Publisher , inc, 1990 [5]. Eugene C. Lister, Mesin dan Rangkaian Listrik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1993 [6]. M.M. Dandekar dan K.N. Sharma, Pembangkit Listrik Tenaga Air, Penerbit Universitas Gunadarma [7]. Firmanzah M, Analisis Distribusi Tekanan pada Nozel Turbin Pelton Berskala Mikro dengan Menggunakan Perangkat Lunak Solidwrks, Jurusan Teknik Mesin, Universitas Gunadarma, 2012
[8]. Wicaksono R.H, Rancang Bangun Turbin Pelton Menggunakan Mesin Jet Pump, Jurusan Teknik mesin, Universitas Gunadarma,2012 [9]. Situs Internet : http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbi ne ( Diakses pada tanggal 02-08-2012) [10]. Situs Internet : http://home.carolina.rr.com/microhydro ( Diakses pada tanggal 21-08-2012) [11]. Situs Internet : http://europa.eu.int/en/comm/dg17/hydro/ layman2.pdf ( Diakses pada tanggal 0509-2012) [12]. Situs Internet http://gunawananeva.wordpress.com ( Diakses pada tanggal 10-09-2012)
:
