-
0
JOB SHEET
PRAKTIKUM PENGUJIAN TURBIN CROSSFLOW
PADA VARIASI BUKAAN KATUP & PEMBEBANAN
Mata Kuliah: Praktikum Prestasi Mesin (1 SKS)
Dosen Pengampu: Muhammad Subri, ST, MT.
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SEMARANG
TAHUN 2014
-
1
I. Tujuan Tujuan dari praktikum ini adalah:
1. Menguji karakteristik turbin crossflow pada berbagai variasi
bukaan
katup dan pembebanan
2. Mengetahui hubungan daya turbin dan efisiensi turbin terhadap
variasi
bukaan katup dan pembebanan
3. Membuat kurva hubungan bukaan katup terhadap torsi
4. Membuat kurva hubungan bukaan katup terhadap daya turbin
5. Membuat kurva hubungan bukaan katup terhadap efisiensi
turbin
6. Membuat kurva hubungan bukaan katup terhadap efisiensi
generator
7. Membuat kurva hubungan bukaan katup terhadap efisiensi
sistem
II. Dasar Teori Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro
Pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) adalah suatu
pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan air sebagai
tenaga
penggeraknya seperti: saluran irigasi, aliran sungai atau air
terjun alam
dengan cara memanfaatkan tinggi jatuhan air (head) dan jumlah
debit air
(Jatmiko, dkk 2012). Di dalam Kamus Besar Bahasa Indonesia,
mikrohidro
merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang
berarti kecil dan
hidro yang berarti air. Dengan demikian pembangkit listrik
tenaga
mikrohidro berarti pembangkit listrik yang menggunakan air dalam
skala
yang kecil.
PLTMH termasuk sumber energi terbarukan yang ramah
lingkungan
karena hampir tidak ada dampak negatif yang dihasilkan dari
pengoperasian
PLTMH. Dari segi teknologi, PLTMH dipilih karena
konstruksinya
sederhana, mudah dioperasikan, serta mudah dalam perawatan.
Secara
ekonomi, biaya operasi dan perawatannya relatif murah. PLTMH
mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan
ketinggian
tertentu. Pada dasarnya, PLTMH memanfaatkan energi potensial
jatuhan air
(head). Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar energi
potensial air
yang dapat diubah menjadi energi listrik.
-
2
Beberapa keuntungan yang terdapat pada pembangkit listrik
tenaga
listrik mikrohidro adalah sebagai berikut:
1. Dibandingkan dengan pembangkit listrik jenis yang lain, PLTMH
ini
cukup murah karena menggunakan energi alam.
2. Memiliki konstruksi yang sederhana dan dapat dioperasikan di
daerah
terpencil dengan tenaga terampil penduduk daerah setempat
dengan
sedikit latihan.
3. Tidak menimbulkan pencemaran.
4. Dapat dipadukan dengan program lainnya seperti irigasi dan
perikanan.
5. Dapat mendorong masyarakat agar dapat menjaga kelestarian
hutan
sehingga ketersediaan air terjamin.
6. PLTMH bisa memanfaatkan ketinggian air yang tidak terlalu
besar.
Turbin Crossflow
Turbin crossflow adalah salah satu turbin air dari jenis turbin
aksi
(impulse turbine). Prinsip kerja turbin ini mula-mula ditemukan
oleh
seorang insinyur Australia yang bernama A.G.M. Michell pada
tahun 1903.
Kemudian turbin ini dikembangkan dan dipatenkan di Jerman Barat
oleh
Prof. Donat Banki sehingga turbin ini diberi nama Turbin Banki
kadang
disebut juga Turbin Michell-Ossberger (Haimerl, L.A., 1960).
Turbin arus silang (crossflow) dapat dioperasikan pada head
antara 1
s/d 200 m (Dietzel, 1991). Turbin arus silang memiliki pemasukan
air ke
sudu secara radial. Air dialirkan melewati sudu-sudu jalan yang
berbentuk
silinder, pertama-tama air dari luar masuk ke dalam silinder
sudu-sudu
kemudian dari dalam keluar. Pada Gambar 1, menunjukkan
penampang
turbin arus silang. Turbin jenis ini mempunyai 2 tingkat
kecepatan. Aliran
yang melewati tingkat kedua menghasilkan daya kurang lebih 20%
dari
daya yang dihasilkan pada tingkat pertama. Turbin crossflow
terdiri atas dua
bagian utama, yaitu: nosel dan runner. Dua piringan sejajar
disatukan pada
lingkaran luarnya oleh sejumlah sudu membentuk konstruksi yang
disebut
runner. Turbin crossflow menggunakan nosel persegi panjang yang
lebarnya
sesuai dengan lebar runner. Nosel memancarkan fluida
bertekanan
-
3
memasuki runner di titik A dengan sudut terhadap tangen dari
keliling roda runner. Bentuk dari pancaran adalah segi empat,
melebar dan tidak
terlalu dalam memasuki rim.
Gambar 1. Penampang turbin arus silang (Dietzel, 1991)
Pemakaian jenis turbin crossflow lebih menguntungkan
dibanding
dengan pengunaan kincir air maupun jenis turbin mikro hidro
lainnya.
Penggunaan turbin ini untuk daya yang sama dapat menghemat
biaya
pembuatan penggerak mula sampai 50% dari penggunaan kincir air
dengan
bahan yang sama. Penghematan ini dapat dicapai karena ukuran
turbin
crossflow lebih kecil dan lebih kompak dibanding kincir air.
Demikian juga daya guna atau effisiensi rata-rata turbin ini
lebih
tinggi dari pada daya guna kincir air. Menurut beberapa
literatur, efisiensi
dari turbin crossflow berada pada range 65% - 80%. Hasil
pengujian
laboratorium yang dilakukan oleh pabrik turbin Ossberger Jerman
Barat
yang menyimpulkan bahwa daya guna kincir air dari jenis yang
paling
unggul sekalipun hanya mencapai 70% sedang effisiensi turbin
crossflow
mencapai 82 % (Haimerl, L.A., 1960).
Tingginya effisiensi turbin crossflow ini akibat pemanfaatan
energi air
pada turbin ini dilakukan dua kali, yang pertama energi tumbukan
air pada
sudu-sudu pada saat air mulai masuk, dan yang kedua adalah daya
dorong
air pada sudu-sudu saat air akan meninggalkan runner. Adanya
kerja air
yang bertingkat ini ternyata memberikan keuntungan dalam hal
effektifitasnya yang tinggi dan kesederhanaan pada sistem
pengeluaran air
dari runner. Gambar 2 akan lebih menjelaskan tentang
perbandingan
effisiensi dari beberapa turbin konvensional.
-
4
Gambar 2. Effisiensi beberapa turbin dengan pengurangan
debit
sebagai variabel (Haimerl, L.A., 1960)
Karakteristik Turbin Crossflow
Debit () adalah banyaknya air yang mengalir dalam satu sekon
satuannya meter kubik per sekon (m3/s). Dari ilmu mekanika fluida
debit air
yang mengalir dari suatu tempat penampungan ditentukan oleh
kecepatan
aliran dan luas penampang aliran.
Persamaan lain untuk menentukan debit air yaitu:
Laju aliran massa ,
Daya hidrolis ( ),
Daya turbin ( ),
2 60
Daya generator ( ),
-
5
Efisiensi turbin () menunjukkan rasio kinerja turbin terhadap
energi penggeraknya. Semakin besar efisiensi turbin maka semakin
baik, karena
berarti semakin kecil energi yang terbuang.
100%
Efisiensi generator (),
100%
Efisiensi sistem () adalah kemampuan peralatan pembangkit untuk
mengubah energi kinetik dari air yang mengalir menjadi energi
listrik.
100%
Konsep Alat Uji
Gambaran dari instalasi pembangkit listrik tenaga mikrohidro
ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Desain instalasi alat uji PLTMH
-
6
Keterangan Gambar 3.
1. Reservoir bawah 10. Saklar eksitasi 2. Feed pump 11. Pipa
pesat 3. Katup utama 12. Kopling 4. Pressure gauge 13. Rumah turbin
5. Saklar utama 14. Alternator 6. Sistem eksitasi 15. Lengan torsi
7. Mulitimeter 16. Neraca massa 8. Beban lampu 17. Reservoir atas
9. Saklar lampu 18. Kolom air
Pada instalasi alat uji simulasi PLTMH ini, air ditampung
dalam
sebuah bak penampungan air (reservoir) kemudian dialirkan
menggunakan
sebuah pompa pengumpan (feed pump) melalui pipa-pipa pesat
menuju
rumah turbin. Untuk mengatur jumlah air (debit) yang mengalir
pada pipa
pesat menggunakan sebuah katup utama yang dipasang pada sisi
keluaran
feed pump. Jenis katup yang digunakan adalah jenis bola (bulb
valve)
dengan ukuran 1 inchi dan terbuat dari bahan PVC. Bukaan dari
katup
utama dapat divariasi dengan cara memutar tuas katup searah
jarum jam,
sehingga dapat menghasilkan debit air dan tekanan air yang
sesuai dengan
kebutuhan. Untuk menunjukkan besar sudut bukaan katup, pada tuas
katup
dipasang busur derajat dan jarum penunjuk, seperti yang
ditunjukkan pada
Gambar 4. Katup akan terbuka penuh (full open) pada penunjukan
sudut 90o
atau posisi tuas katup vertikal, sedangkan posisi tertutup penuh
(full close)
pada penunjukan 0o atau posisi tuas katup horisontal.
Gambar 4. (a) Katup utama posisi full close dengan sudut 0o,
(b) Katup utama posisi full open dengan sudut 90o
-
7
Pada ujung pipa pesat dipasang sebuah nosel berpenampang
persegi
untuk menyebarkan air berkecepatan tinggi ke sepanjang sudu
turbin air.
Pancaran air yang menumbuk sudu mengakibatkan turbin air
berputar.
Putaran turbin air diteruskan oleh sebuah poros turbin. Untuk
menghasilkan
energi listrik, poros turbin dihubungkan pada rotor generator
sinkron
(alternator) menggunakan kopling tak tetap. Putaran pada turbin
air akan
mengakibatkan rotor alternator berputar. Sistem eksitasi
dipasang untuk
menyuplai arus searah ke stator alternator sehingga timbul medan
magnet
pada field coil. Medan magnet pada field coil akan menimbulkan
garis-garis
gaya gerak listrik (ggl induksi) sehingga timbul listrik.
Energi listrik yang dibangkitkan alternator dimanfaatkan
secara
langsung oleh beban yang terdiri dari 4 (empat) buah lampu DC 12
Volt 10
watt. Pembebanan dapat dilakukan bertahap dengan menyalakan
lampu satu
per satu. Untuk dapat mengukur besaran torsi, maka pada
alternator
dipasang sebuah lengan torsi yang akan menekan neraca massa
sehingga
dapat terbaca nilai torsinya.
Air yang telah menumbuk turbin air kemudian di buang melalui
saluran pembuangan (tail race). Pada sisi tail race dipasang
kolom air.
Kolom air digunakan untuk mengukur volume air pada sisi buangan
turbin.
Jika diukur dalam selang waktu tertentu, maka kita dapat
mengetahui debit
air yang mengalir menuju turbin air. Prinsipnya adalah volume
dibagi
dengan durasi waktu pengukuran. Kolom air ditunjukkan oleh
Gambar 5.
Gambar 5. Pengukuran debit air menggunakan kolom air
5L
10L
15L
20L
-
8
III. Peralatan Yang Digunakan Sebelum melakukan pengujian,
terlebih dahulu kita siapkan peralatan
yang dibutuhkan. Alat-alat yang dibutuhkan untuk melakukan
pengujian alat
uji pembangkit listrik tenaga mikrohidro ini antara lain:
1. Stand Alat Uji Simulasi PLTMH
2. Tachometer
3. Neraca Massa
4. Stopwatch
IV. Prosedur Pengujian Agar pengujian dapat berjalan dengan
lancar, maka dibuatlah suatu
prosedur pengujian.
1. Menyiapkan peralatan yang dibutuhkan untuk pengujian
2. Mengisi reservoir bawah dengan air bersih hingga terisi 2/3
bagian
3. Hubungkan stop kontak alat uji dengan sumber tegangan 220
V
4. Tekan saklar S0 ke posisi ON
5. Putar tuas katup V0 ke posisi 30o
6. Geser tuas saklar beban SB ke posisi ON, sehingga arus
eksitasi
mengalir ke kumparan rotor dan membentuk medan magnet.
Lakukan
pengambilan data pada beban 0 watt sebagai berikut:
a) Head () yaitu dengan cara mengukur tekanan sesuai posisi
penunjukan jarum pada pressure gauge (P1).
b) Mengukur debit aliran (). Caranya tutup katup V1 dan V2.
Biarkan air buangan turbin mengisi reservoir atas. Ukur waktu
yang
dibutuhkan air untuk mencapai volume 10 liter pada reservoir
atas
dengan menggunakan timer (stopwatch). Setelah selesai, buka
kembali katup V1 dan V2 agar air dapat bersirkulasi lagi
didalam
sistem.
c) Putaran runner () yaitu dengan cara mengarahkan sensor
tachometer pada poros turbin-generator yang telah ditempelkan
indikator.
d) Gaya tangensial () yaitu nilai yang terbaca pada neraca
massa.
-
9
e) Tegangan generator ( ) yaitu pembacaan pada multimeter (M1).
f) Arus generator ( ) yaitu pembacaan pada multimeter (M2). g)
Ulangi sebanyak 5 kali agar mendapatkan data yang akurat.
7. Tekan saklar S1 sehingga lampu X1 menyala. Lalu lakukan
pengambilan data a) hingga g) pada prosedur 6.
8. Naikkan beban dengan menekan saklar S2 sehingga lampu X2
juga
menyala. Lalu lakukan pengambilan data a) hingga g) pada
prosedur 6.
9. Naikkan beban dengan menekan saklar S3 sehingga lampu X3
juga
menyala. Lalu lakukan pengambilan data a) hingga g) pada
prosedur 6.
10. Naikkan beban dengan menekan saklar S4 sehingga lampu X4
juga
menyala. Lalu lakukan pengambilan data a) hingga g) pada
prosedur 6.
11. Tekan saklar S1, S2, S3, S4 dan SB ke posisi OFF
12. Geser saklar beban ke posisi OFF
13. Ulangi prosedur 7 hingga 12 untuk variasi bukaan katup utama
(V0)
pada 40o, 50o, 60o, 70o, 80o, 90o)
14. Tekan saklar S0 ke posisi OFF dan lepas stop kontak dari
sumber
tegangan. Ini sekaligus mengakhiri prosedur pengujian.
V. Data Hasil Pengujian Pengambilan data dilakukan pada saat
pengujian. Kemudian data
tersebut diolah dan disajikan dalam bentuk tabel. Format dari
tabel
pengujian turbin crossflow dapat dilihat pada Tabel 1.
VI. Analisa Data Analisa data dilakukan dengan menelaah dan
mengolah data dari hasil
penelitian kemudian disusun kedalam tabel. Adapun data yang
disusun pada
tabel antara lain: debit (), laju aliran massa ( ), kecepatan
air masuk (), torsi (), daya hidrolis ( ), daya turbin ( ), daya
generator ( ), efisiensi turbin (), efisiensi generator (),
efisiensi sistem (). Format dari tabel analisa data seperti
ditunjukkan pada Tabel 2.
Data hasil perhitungan karakteristik turbin crossflow yang
telah
diperoleh kemudian disajikan dalam bentuk kurva-kurva untuk
mengetahui
-
10
hubungan antara variasi bukaan katup dan pembebanan yang
diberikan
terhadap karakteristik turbin crossflow. Berikut adalah beberapa
kurva yang
dihasilkan dari pengujian karakteristik turbin crossflow.
1. Kurva Hubungan Bukaan Katup Terhadap Torsi
2. Kurva Hubungan Bukaan Katup Terhadap Daya Turbin
Crossflow
3. Kurva Hubungan Bukaan Katup Terhadap Efisiensi Turbin
Crossflow
-
11
4. Kurva Hubungan Bukaan Katup Terhadap Daya Generator
5. Kurva Hubungan Bukaan Katup Terhadap Efisiensi Generator
6. Kurva Hubungan Bukaan Katup Terhadap Efisiensi Sistem
PLTMH
-
12
VII. Kesimpulan Kesimpulan yang diambil diperoleh dari hasil
perhitungan
karakteristik turbin crossflow dan analisa yang telah
diuraikan
VIII. Daftar Pustaka Budi, Faiz Setyo, 2014, Karakteristik
Turbin Crossflow dengan Diameter
150 mm dan Jumlah Sudu 14 Buah pada Variasi Bukaan Katup dan
Pembebanan, Skripsi Sarjana, Fakultas Teknik, Universitas
Muhammadiyah Semarang.
-
13
Tabel 1. Data Hasil Pengujian
BukaanKatup
(derajat)Beban(watt)
(V)
(A)
(rpm)
(grf)
(kgf/cm2)
(liter)
(sekon)
30
0 10 20 30 40
40
0 10 20 30 40
50
0 10 20 30 40
60
0 10 20 30 40
70
0 10 20 30 40
80
0 10 20 30 40
90
0 10 20 30 40
-
Tabel 2. Hasil Perhitungan Karakteristik Turbin Crossflow
BukaanKatup(derajat)
Beban(watt)
(rpm)
(m3/s)
(kg/s)
(m/s)
(Nm)
(watt)
(watt)
(watt)
(%)
(%)
(%)
30
0 10 20 30 40
40
0 10 20 30 40
90
0 10 20 30 40
JobsheetTabelTabel 4 2 Hasil Perhitungan - Copy