jobsheet praktikum turbin crossflow

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.





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

jobsheet praktikum turbin crossflow

Documents