tugas praktek pelton
Post on 20-Feb-2018
237 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
1/12
Abstrak
Sumber energi yang dapat diperbaharukan di Indonesia menurut sumber asean energy
salah satunya adalah mikrohidro yang memanfaatkan air sebagai sumber energi dari suatu
turbin. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozel. Air keluar nozel yang
mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah
kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse) sehingga roda
turbin akan berputar. Turbin elton merupakan turbin impuls yang terdiri dari satu set sudu
jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut
nozel. Turbin elton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien dan sesuai
digunakan untuk headtinggi dan debit aliran yang kecil. Turbin elton mempunyai beberapa
keuntungan antara lain efisisensi turbin yang relatif stabil pada berbagai perubahan debit
aliran. Tujuan penulisan artikel ilmiah ini adalah untuk mengetahui dan memberikan
!a!asan tentang model sudu dan nozel pada Turbin elton sebagai embangkit "istrik
Tenaga #ikrohidro ("T#). #odel sudu dan nozel yang ber$ariasi akan memberi impulsyang baik untuk menghasilkan putaran turbin. %arakteristik model sudu turbin pada $ariasi
jarak nozel dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi.
1. Pendahuluan
ada saat ini dunia sedang mengalami krisis energi dan khususnya Indonesia
mengalami krisis energi listrik secara nasional. "istrik merupakan salah satu kebutuhan hidupmanusia yang primer& sehingga diperlukan suatu instalasi pembangkit tenaga listrik yang
efisien. 'erbagai macam jenis pembangkit listrik telah banyak dibuat mulai dari turbin gas&
turbin uap& turbin air& kincir air dan solar cell dengan berbagai keuntungan dan kelebihan.
emanfaatan energi tenaga air (hydropo!er) di Indonesia juga sangat minim. Turbin pelton
merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya memanfaatkan energi potensial
air sebagai energi listrik tenaga air. rinsip kerja turbin pelton adalah memanfaatkan daya
fluida dari air untuk menghasilkan daya poros.
engembangan sumber energi yang dapat diperbarahukan semakin meningkat sebagai
antisipasi makin berkurangnya sumber energi yang berasal dari fosil seperti minyak bumi dan
batubara. Turbin air berperan untuk mengubah energi air menjadi energi mekanik dalam
bentuk putaran poros. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapatmemanfaatkan headyang lebih tinggi. utaran poros turbin ini akan diubah oleh generator
menjadi tenaga listrik. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang
keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi
tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi
kecepatan.
Turbin elton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu "ester A.
elton pada tahun*. Turbin ini dioprasikan pada head sampai ** m& turbin ini relati$e
membutuh kan jumlah air yang lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar.
Tujuan penulisan artikel ilmiah ini adalah untuk mengetahui dan memberikan !a!asan
tentang model sudu dan nozel pada Turbin elton sebagai embangkit "istrik Tenaga
#ikrohidro ("T#).
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
2/12
Gambar 1. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di dunia
Gambar 2. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di Asia Tenggara
%ebutuhan tenaga potensial air di Indonesia +*&,+, -h/tahun (sekitar 0+.10, #).
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
3/12
Gambar 3. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di Indonesia
Tabel 1. Sumber Energi Terbarukan di Indonesia
2. Klasiikasi Turbin Air
. 'erdasarkan gerak air pada sudu yang bergerak
a. Turbin Impuls
Energi tekanan seluruhnya diubah menjadi energy kinetik& air menumbuk sudu pada tekanan
atmosfer sehingga tidak ada perubahan tekanan antara inlet dan outlet. Turbin ini juga
disebut sebagai 23elocity Turbine4
b. Turbin 5eaksi
'ekerja berdasarkan Tekanan pada inlet dan otlet dari turbin 2pressure turbine4 energy kinetic
dan tekanan memutar sudu turbin.
6. 'erdasarkan nama penemu
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
4/12
elton !heel& Turgo& -irard& 'anki adalah turbin impuls sedangkan 7rancis& %aplan dan
Thomson adalah turbin reaksi.
8. 'erdasarkan head dan jumlah air yang tersedia
a. 9igh head ( : 6** m) jumlah air sedikit& contohnya turbin impuls (turbin elton)
b. #edium 9ead (8*;6** m) jumlah air sedang& contohnya turbin reaksi (turbin 7rancis)c. "o! 9ead (< 8* m) jumlah air besar& contohnya turbin reaksi (turbin %aplan& turbin
propeller)
Gambar !. Klasiikasi Turbin Air
Gambar ". #ead pada Turbin Pelton
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
5/12
Gambar $. Graik perbandingan eisiensi turbin air
3. Komponen utama Turbin Pelton
ada Turbin elton& air mengalir dalam 2penstock4(pipa pesat)& sampai ujung ba!ah
masuk nosel (energy kinetic naik)& keluar mengenaik sudu;sudu ( yang terpasang pada
runner). engaturan jumlah air dapat dengan regulator / go$ernor (untuk instalasi yang besar)
atau denga tangan / manual (instalasi yang kecil).
. =ozel& energi tekanan dari air pada reser$oir se!aktu mele!ati penstock sebagian dirubah
menjadi energi kinetic dan energy kinetik ini makin lama meningkat oleh karena nozzle padatekana atmosfer pada casing. %etika air menabrak buckets maka dihasilkan energy mekanik .
untuk turbin degan kapasitas yang kecil menggunakan single jet. >an untuk turbin yang
memproduksi tenaga besar& jumlah jet harus lebih banyak.
6. 'uckets(sudu)& buckets dari pelton !heel mempunyai bentuk double hemispherical cup.
ancaran dari air yang datang mengenai buckets bagian tengah yang ada pemisahnya terbagi
menjadi dua bagian dan setelah hancur pada permukaan bagian dalam bucket berubah ,*
sampai 0* lalu meninggalkan bucket. 'ucket ini terbuat dari cast iron (head rendah)& cast
steel atau dari stainless steel (head tinggi). ermukaan bagian dalam dip les sedemikian rupa
untuk menghindari gesekan yang besar.
8. ?asing. 'erfungsi untuk menghindari deburan air& serta untuk mengarahkan air ke tail race
dan sebagai keamanan.
+. 5em hidrolik. @ntuk menghentikan putaran turbin& !alaupun pancaran air telah berhenti&
runner tetap akan berputar untuk !aktu yang lama. @ntuk menghentikannya diperlukan rem
nozle yang kecil& dimana arah air dari rem ini berla!anan arah dengan putaran runner.
'entuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian
sehingga pancaran air akan mengenai tengah;tengah sudu dan pancaran air tersebut akanberbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
6/12
membebaskan sudu dari gaya;gaya samping. @ntuk turbin dengan daya yang besar& sistem
penyemprotan airnya dibagi le!at beberapa nozel. >engan demikian diameter pancaran air
bisa diperkecil dan mangkok sudu lebih kecil.
Turbin elton merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya
memanfaatkan energi potensial air menjadi energi listrik tenaga air (hydropo!er). rinsipkerja turbin pelton adalah mengkon$ersi daya fluida dari air menjadi daya poros untuk
digunakan memutar generator listrik. Air yang berada pada bak penampung dihisap oleh
pompa dimana pompa berfungsi untuk menghisap dan memompa air untuk dialirkan ke sudu
turbin. =amun aliran air tidak langsung mengarah ke sudu turbin melainkan harus mele!ati
pipa;pipa saluran yang telah diberi katup buka tutup sehingga laju aliran air dapat diatur
sesuai dengan yang diinginkan. %emudian katup;katup tersebut terhubung dengan saluran
nozel dimana nozel berfungsi sebagai pemancar air yang dipancarkan langsung ke arah sudu
turbin sehingga sudu turbin berputar. ada sudu;sudu turbin& energi aliran air diubah menjadi
energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros
generator listik& maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrik pada
generator. %emudian air yang telah digunakan untuk memutar sudu turbin jatuh kedalam bakpenampung untuk kembali ke tahap a!al maka terjadilah sirkulasi.
Energi potensial air disemprotkan oleh nozel ke sudu untuk dirubah menjadi energi
mekanik yang digunakan untuk memutar poros generator. =ozel merupakan mekanisme
pancaran yang berbentuk melengkung yang mengarahkan air sesuai dengan arah aliran yang
direncanakan dan mengatur aliran air. 7ungsi utama nozel adalah untuk mengubah tekanan
air menjadi suatu kecepatan aliran yang digunakan untuk memutar runner. 'entuk nozel
sangat mempengaruhi performa turbin. erancangan sebuah nozelturbin pelton dimulai darimenentukan ukuran runner dan sudu dengan menggunakan data yang telah ada setelah itu
melakukan perhitungan diameter ujung nozel& kecepatan aliran air pada ujung nozel& panjang
ujung nozel. 'ahan yang digunakan untuk nozelturbin pelton ini adalah menggunakan paduan
Aluminium. >ari tahap;tahap yang telah direncanakan tersebut& maka didapatkan ukuran nozeluntuk turbin air pelton yang sesuai dengan yang diharapkan.
Gambar %. &o'el Turbin
@kuran nozel yang sesuai dapat memutar sudu lebih baik sehingga dapat
meningkatkan efesiensi turbin. >engan meningkatkan efesiensi turbin maka dapat
meningkatkan energi yang dihasilkan sehingga turbin air mampu menghasilkan kerja yang
optimal dengan menggunakan energi yang minimal.
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
7/12
Gambar (.RunnerTurbin Pelton
=ozel mempunyai beberapa fungsi yaitu mengarahkan pancaran air ke sudu turbin&
mengubah tekanan menjadi energi kinetik dan mengatur kapasitas air yang masuk turbin.
Sudu turbin merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi
pada poros sudu dimana aliran air yang disemprotkan oleh nozel ke arah sudu mengakibatkan
daun;daun sudu terdorong dan berputar. Aliran air yang diarahkan langsung menuju sudu;
sudu melalui pengarah atau nozel ini juga menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu
berputar& gaya bekerja melalui suatu jarak& sehingga menghasilkan kerja. >alam proses ini
energi ditransfer dari aliran air ke turbin.
Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah;tengah sudu
dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran
air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya;gaya samping. @ntuk turbin dengan daya
yang besar& sistem penyemprotan airnya dibagi le!at beberapa nozel. >engan demikian
diameter pancaran air bisa diperkecil dan mangkok sudu lebih kecil seperti pada gambar + di
atas. >esain ini dibuat untuk mempermudah dalam proses perakitan sehingga dapat diketahui
langkah;langkah yang harus dilakukan.
!. Teori
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi aliran fluida& yaitu
a. )a*u Aliran +olume
"aju aliran $olume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah $olume aliran per satuan !aktu.
>ebit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut
B C A.3 ()
>imana
vC %ecepatan aliran (m/s)AC "uas penampang pipa (m)
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
8/12
QC >ebit aliran (m/s)
Selain persamaan di atas dapat juga menggunakan persamaaan sebagai berikut
B C 3/t(6)
>imana V C 3olume aliran (m8)
QC >ebit aliran (m/s)
tC !aktu aliran (s)
u C B/A (8)
>imana
C %ecepatan atau laju aliran (m/s)
QC >ebit aliran (m8/s)
AC "uas penampang ( m6)
b. ,ilangan -enolds
'ilangan 5eynolds didapat dengan menggunakan persamaan (+) dimana nilai dari
'ilangan 5eynolds (5e) dapat dihitung bila mempunyai nilai;nilai dari kecepatan aliran (v)&
massa jenis ()& diameter dalam pipa (d)& $iskositas dinamik () atau $iskositas kinematik
().
(+)
/. Daa
Tenaga yang didapat dari aliran air adalah&
C D g h i (F)
>imana
G C >aya (H/s or !atts)
G D C Efisiensi turbin
G C #assa jenis air (kg/m8)
G g C ercepatan gra$itasi (1. m/s6)
G h C 9ead (m).
@ntuk air tenang& ada perbedaan berat antara permukaan masuk dan keluar. erpindahan
air memerlukan komponen tambahan untuk ditambahkan untuk mendapatkan aliran energikinetik. Total head dikalikan tekanan head ditambah kecepatan head.
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
9/12
G i C Aliran rata;rata (m8/s)
d. Ke/epatan Spesiik
%ecepatan spesifik (ns)& menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak berhubungan
dengan ukurannya. 9al ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah skalanya dari desainyang sudah ada dengan performa yang sudah diketahui. %ecepatan spesifik merupakan
kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik
sumber air. %ecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan
ideal& persamaan geometris turbin& yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan head.
%ecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang lainnya) dan dan
selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. erhitungan tepat ini menghasilkan
performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.
& n C rpm
&
C kecepatan sudut (radian/detik)
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
10/12
Gambar 0. Perbandingan Turbine Shape vs Spesific Speed
%ecepatan spesifik juga merupakan titik a!al dari analisis desain dari sebuah turbin baru.
Sekali kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui& dimensi dasar dari bagian;bagian turbin
dapat dihitung dengan mudah. 9ukum Affinity mengijinkan keluaran turbin dapat
diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. 9ukum Affinity didapatkan dari penurunan
yang membutuhkan persamaan antara test permodelan dan penggunaanya. >ebit yang
melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar
sekeliling pengarah turbin. erubahan head dan debit dapat dilakukan dengan $ariasi bukaanpintu& akan menghasilkan diagram yang menunjukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang
berubah;ubah.
". Analisa
'esarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya
head dan debit air. >alam hubungan dengan reser$oir air maka head adalah beda ketinggian
antara muka air pada reser$oir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. "aju aliran
$olume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah $olume aliran per satuan !aktu. >ebit
aliran dapat dituliskan dari persamaan (6) dimana dapat didefinisikan besarnya $olume (V)
persatuan !aktu (t) sedangkan untuk kecepatan laju aliran dapat didefinisikan besarnya debit
(Q) aliran yang mengalir persatuan luas penampang (A) seperti pada persamaan (8).
>ebit aliran fluida didapatkan dari $olume fluida yang diambil selama !aktu tertentu.
aktu diukur dengan menggunakan stopwatchdalam satuan sekon (s) dan $olume didapat
menggunakan gelas ukur dari percobaan dalam satuan ml.
Semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar& atau semakin
besar bukaan katup maka $olume fluida akan semakin tinggi per satuan !aktu. Sementara
untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat disimpulkan bah!a
semakin besar bukaan katup& maka kecepatan aliran fluida akan cenderung meningkat.
%ecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi 'ilangan 5eynolds kerena kecepatan
aliran merupakan fungsi pembilang dalam 'ilangan 5eynolds& sehingga semakin cepat aliran
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
11/12
fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat) maka nilai bilangan 5eynolds akan
cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan turbulen.
Penghitungan ,ilangan -enolds
'ilangan 5eynolds (5e) dapat dihitung bila mempunyai nilai;nilai dari kecepatan
aliran (v)& massa jenis ()& diameter dalam pipa (d)& $iskositas dinamik () atau $iskositaskinematik ().
=ilai $iskositas kinematis () dan dinamis () untuk air murni didapat dari fungsi
temperatur fluida pada tabel sifat fisika air murni. >ari tabel 6 diatas untuk diameter pipa
yang sama dapat dilihat 'ilangan 5eynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi
peningkatan kecepatan aliran fluida. 9al ini menunjukan semakin terjadi peningkatan
kecepatan aliran fluida& maka aliran dalam pipa akan cenderung turbulen. Sedangkan semakin
terjadi penurunan kecepatan aliran fluida& aliran tersebut akan cenderung laminer. >alam
pengujian ini kecepatan aliran (v) yang berfungsi sebagai pembilang di dalam 'ilanganReynoldssangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di dalam pipa
pengujian. Selain itu transisi dari aliran laminer ke aliran turbulen tentunya juga merupakanfungsi dari bilanganReynolds.
Harak tembak antara nozel terhadap daun sudu juga dapat mempengaruhi kecepatan
putar sudu turbin. enempatan titik jarak yang tepat antara nozel dengan daun sudu maka
dapat meningkatkan efisiensi turbin sehingga didapatkan putaran yang maksimal. >engan
mengetahui titik optimum dari jarak nozel terhadap daun sudu dapat meningkatkan putaran
runner menjadi lebih cepat karena titik jatuhnya pancaran nozel tepat mengenai daun sudu
dan tidak terpecah karena salah satu fungsi utama nozel adalah dapat mengarahkan pancaran
aliran air tepat mengenai daun sudu.
Pengaruh *arak no'el terhadap sudu turbin l
Gambar 1. Skema 4arak Antara &o'el TerhadapRunner
erbedaan jarak antara nozel dengan daun sudu dapat mempengaruhi kecepatan putar
sudu turbin. Harak antara runner dengan nozel yang terlalu dekat dapat memecah aliran
sehingga pancaran air tidak tepat atau tidak fokus. Selain itu jarak antara nozel terhadap
runnermenentukan titik jatuhnya aliran air& karena itu nozel harus memiliki jarak yang tepat
agar sudu turbin dapat menerima impuls dengan baik.
-
7/24/2019 Tugas Praktek Pelton
12/12
$. Kesimpulan
>ari hasil pengujian dan pengamatan yang telah dilakukan pada penelitian ini maka
dapat disimpulkan sebagai berikut
>iameter nozel yang lebih besar menghasilkan $olume air yang lebih banyak dibandingkannozel dengan diameter yang lebih kecil. Sehingga dapat disimpulkan nozel yang berdiameter
lebih besar dapat menghasilkan $olume air yang besar.
erbedaan putaran sudu dimana nozel yang memiliki diameter lebih besar dapat memutarkan
sudu lebih cepat dibandingkan dengan nozel yang memiliki ukuran diameter lebih kecil yang
dapat memutarkan sudu pada bukaan katup yang sama.
>ari data pengujian yang telah diolah untuk mencari debit aliran dan kecepatan aliran dapat
dilihat bah!a semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar& atau
dengan kata lain semakin besar bukaan katup maka $olume fluida akan semakin tinggi per
satuan !aktu. >alam pengujian ini ada beberapa faktor yang mempengaruhi hasil
pengambilan data untuk menentukan debit aliran seperti& ketepatan pengambilan $olumedengan gelas ukur agar dalam proses penampungan tidak ada air yang tumpah dan ketepatan
pengambilan !aktu penampungan.
Sementara untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat
disimpulkan bah!a semakin besar bukaan katup& maka kecepatan aliran fluida akan
cenderung meningkat. %ecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi 'ilangan
5eynolds kerena kecepatan aliran merupakan fungsi pembilang dalam 'ilangan 5eynolds&
sehingga semakin cepat aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat)
maka nilai bilangan 5eynolds akan cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan
turbulen pada saat 'ilangan 5e mencapai +*** keatas.
'ilangan 5eynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi peningkatan kecepatan aliran
fluida. 9al ini menunjukan semakin terjadi peningkatan kecepatan aliran fluida& maka alirandalam pipa akan cenderung turbulen. >alam pengujian ini kecepatan aliran (v) di dalam'ilangan 5eynolds sangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di
dalam pipa pengujian.
DA5TA- P6STAKA
JK. 5euben #. Llso& Ste$en j. raight.Essentials of Engineering Fluid Mechanics. 9arper M5o! ublisher & inc& 11*
J6K. 3ictorI& Streeter&Fluid Mechanics. #c-ra!;9ill& Inc. 1F.
J8K. 7ritz>ietzel& >akso Sriyono& Turbin ompa dan !ompresor& enerbit
Erlangga& Hakarta& 6**,
J+K E'A5A 9atakeyama #emorial 7und& Ebara ?orporation&Tokyo& Hapan
JFK >a$id -. @llman& The Mechanical design rocess& #c -ra! hill international Editions& 116
J,K 5obert >. 'le$ins&Applied Fluid "ynamics #andboo$& 1+
http://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbinehttp://lingolex.com/bilc/engine.htmlhttp://lingolex.com/bilc/engine.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/francis_turbine
top related