Jobsheet Praktikum Turbin Crossflow
-
Upload
faiz-de-porras -
Category
Documents
-
view
92 -
download
17
description
Transcript of 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.
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