BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Sebagai mahasiswa/i program studi Teknik Konversi Energi, prioritas utama kami ialah sistem operasi pembangkit diataranya PLTU, PLTD, PLTG, PLTGU, dan PLTA. Operasi pembangkit tentunya membutuhkan komponen untuk sisitem pengoperasiannya, salag t aunya ialah turbin. Kami diharapkan untuk memahami sistem kerja turbin yang nantinya akan digunakan pada pembangkit, dan yang akan di bahas pada praktikum ini adalah turbin air, dan yang menjadi fokus ialah pompa aliran aksial.
B. Tujuan
1. Mahasiswa/i mampu memahami fungsi pompa aliran aksial 2. Mahasiswa/i mampu membuat gambar schematic alat ukur yang digunakan untuk praktikum 3. Mahasiswa/i mampu membuat daftar semua lambang 4. Mahasiswa/i mampu membaca alat ukur 5. Mahasiswa/i mampu membaca dan menghitung Head, Torsi, Daya, Efisiensi untuk perbedaan kondisi performa pompa 6. Mahasiswa/i mampu membuat kurva karakteristik pompa 7. Mahasiswa/i mampu membuat kesimpulan dan analisis dari praktikum
1
BAB II DASAR TEORI
A. Pompa
Pompa adalah peralatan mekanik yang mengubah energi mekanik menjadi energi hidrolik. Pompa membuat perbedaan tekanan diantara sisi inlet pompa, dimana tekanan berada di bawah tekanan atmosfir pada sisi outlet. Perbedaan tekanan ini memberikan perbedaan head.
Pompa aksial juga disebut pompa propeler. Pompa ini menghasilkan sebagian besar tekanan dari propeler dan gaya lifting dari sudu terhadap fluida. Pompa ini biasa digunakan di sistem drainase dan irigasi. Pompa aksial digunakan pada sistem-sistem yang membutuhkan debit aliran fluida tinggi, dengan besar head yang rendah. Pompa jenis ini banyak digunakan pada sistem irigasi, pompa penanggulangan banjir, dan di pembangkit listrik tenaga uap digunakan untuk mensupply air laut sebagai media pendingin di kondensor.
Menghitung Daya Hidrolik (D h)
VA
V1
V N V2 V1 > V2 P1 + ρgh1 +
1
1
2
2
ρV1 = P2 + ρgh2 + ρV2 2 2
P2 – P1 =
1 2
2
2
ρ (V1 - V2 ) > 0
P2 > P1
ΔP =
1 2
2
ρ V
Dimana P= 2
F A
ΔF = ΔP x A ΔF =
1
2
ρ V A
2
Selanjutnya W=Fxs D=
W t
D=
= 1 2
Fs t
= F x V
2
ρ V A V
Dh = Q x ρ x g x H Dimana : Q
= laju aliran fluida (m3/s)
ρ
= Masa Jenis fluida (kg/m3)
g
= Percepatan Gravitasi ( m/s2)
H
= Head (m)
Apabila kapasitas, masa jenis dan percepatan gravitasi telah terdapat pada spesifikasi dan telah diketahui, maka yang dicari yaitu Head (H), berikut adalah rumus perhitungan Head (H) : H = Hs + Hd H = ha + Δh p + Hf total +
v 2g
Dimana : H
= Head total pompa (m)
Hs
= Head statis pompa (m) , Head statis adalah perbedaan ketinggian (elevasi) dari sisi keluar (akhir proses) pompa dengan sisi hisap pompa.
Hd
= Head statis pompa (m)
Hd =
(
1 1
−
1 2
3
)×
2
Menghitung Daya Poros (D s) Ws = τ x θ Ds =
W t
=
θ t
Ds = τ x ω Dimana, ω = 2πT
2 6
=
Sehingga Ds =
Dimana: Ds
= Daya poros (kW)
ω
= Kecepatan angular (rad/s)
τ
= Torsi (Nm) m x g x l Ds =
τxπxn 30
Dimana: N
= (rpm)
F
= Gaya (N)
l
= Panjang lengan (m)
m
= Massa (kg)
Menghitung efisiensi pompa : η=
Dh DS
X 100%
Dimana, η
= Efisiensi pompa (%)
Dh
= Daya Hidrolik (Kw)
Ds
= Daya Poros (Kw)
4
Gambar 2.1 Karakteristik dan Perbedaan Pompa Aksial dan Pompa Sentrifugal
B. Turbin Kaplan
Turbin Kaplan adalah Turbin Air, jenis baling baling, yang memiliki pisau atau sirip, yang dapat disesuaikan. Turbin ini dikembangkan pada tahun 1913 oleh Profesor Austria Viktor Kaplan, yang dikombinasikan bilah baling-baling otomatis yang dapat disesuaikan, dengan gerbang gawang otomatis yang juga dapat disesuaikan, untuk dapat mencapai efisiensi melalui berbagai tingkat aliran dan air. Turbin Kaplan merupakan Evolusi dari Turbin Francis. Penemuan yang memungkinkan produksi listrik yang efisien di negara tertentu, yang memiliki head yang relatif rendah, yang tidak mungkin diterapkan untuk Turbin Francis.
5
Gambar 2.2 Bagian turbin kaplan Head Kaplan berkisar 10 - 70 meter dan Output Daya 5-120 MW. Diameter Runner adalah antara 2 dan 8 meter. Kecepatan putar Runner turbin adalah 79-429 rpm. Turbin Kaplan saat ini sudah banyak digunakan di seluruh dunia dalam High Flow, Low Head. Sesuai dengan persamaan euler, maka makin kecil tinggi air jatuh yang tersedia,makin sedikit belokannya aliran air di dalam sudu jalan. Dengan bertambahnya kapasitas air yang masuk ke dalam turbin, maka akan bertambah besar pula luas penampang salauran yang dilalui air, dan selain itu kecepatan putar yang demikian bisa ditentukan lebih tinggi. Kecepatan spesifik bertambah,kelengkungan sudu, jumlah sudu, dan belokan aliran air di dalam sudu berkurang. Pada permulaan sekali disaat pengembang pusat tenaga sungai, turbinnya menggunakan roda baling-baling dengan sudu-sudu tetap yang dituang. Untuk tempat pusat listrik tenaga sungai harus dihitung lebih dahulu besarnya perubahan tinggi air jatuhnya sepanjang tahun. Dan aliran sungai tersebut bisa diatur dengan memakai bendungan. Makin besar kapasitas air yang mengalir pada saat air tinggi, akan makin tinggi air jatuh yang bisa dimamfaatkan, karena tinggi permukaan air atas adalah konstan sedangkan air kelebihan pada permukaan air bawah akan naik. Turbin yang bekerja pada kondisi tinggi air jauh yang berubah-ubah mempunyai kerugian, karena dalam perencanaan sudu turbin telah disesuaikan bahwa perpindahan energi 6
yang baik hanya terjadi pada titik normal yaitu pada kondisi perbandingan kecepatan dan tekanan yang tertentu. Bila terjadi penyimpangan yang besar baik ke atas maupun ke bawah, seperti yang terdapat pada pusat tenaga listrik sungai, randamen roda baling-balingnya turbin cepat atau lambat akan turun. Keuntungan turbin baling-baling dibandingkan dengan turbin francis adalah kecepatan putarnya bisa dipilih lebih tinggi, dengan demikian roda turbin bisa dikopel langsung dengan langsung dengan generator dan ukurannyapun lebih kecil. Roda Jalan Turbin Kaplan : Kontruksi Dan Keadaan Aliran Air. Konstruksinya bisa dibedakan, sampai dengan alat pengarah pada hakekatnya sama dengan turbin francis dan pada leher poros terdapat sekitar 4 sampai 8 buah kipas sudu yang dapat diputar.
Gambar 2.3 Prinsip kerja turbin kaplan Kipas sudu pada gambar
Diatas
ini sama seperti baling-baling atau sayap pesawat
terbang yaitu membawa aliran dengan belokan yang hanya sedikit. Bila untuk pesawat terbang maksudnya adalah supaya dari gaya dorong yang ada bisa didapatkan gaya ke atas, dengan tahanan yang sedikit mungkin. Tetapi pada turbin kaplan maksudnya adalah untuk mendapatkan gaya tangensial yang bisa menghasilkan torsi pada pada poros. 7
Menghitung Daya Hidrolik (D h) Dh = Q x ρ x g x H Dimana : Q
= laju aliran fluida (m3/s)
ρ
= Masa Jenis fluida (kg/m3)
g
= Percepatan Gravitasi ( m/s2)
H
= Head (m)
Apabila kapasitas, masa jenis dan percepatan gravitasi telah terdapat pada spesifikasi dan telah diketahui, maka yang dicari yaitu Head (H), berikut adalah rumus perhitungan Head (H) : H = Hs + Hd H = ha + Δh p + Hf total +
v 2g
Dimana : H
= Head total pompa (m)
Hs
= Head statis pompa (m) , Head statis adalah perbedaan ketinggian (elevasi) dari sisi keluar (akhir proses) pompa dengan sisi hisap pompa.
Hd
= Head statis pompa (m)
Hd =
(
1
−
1
1 2
)×
2
Menghitung Daya Poros (D s) Ws = τ x θ Ds =
W t
=
θ
Ds = τ x ω Ds
= Daya poros (kW)
ω
= Kecepatan angular (rad/s) 8
t
τ
= Torsi (Nm) m x g x l Ds =
τxπxn 30
Menghitung efisiensi turbin : η=
D Dh
X 100%
Dimana, η
= Efisiensi turbin (%)
Dh
= Daya Hidrolik (Kw)
Ds
= Daya Poros (Kw)
9
BAB III PROSEDUR PRAKTIKUM
A. Lokasi dan Waktu
Tanggal : 10 September 2014 Lokasi : Laboratorium Teknik Konversi Energi, Politeknik Negeri Jakarta
B. Alat yang di butuhkan Nama Alat
Jumlah
1
Unit Turbin Kaplan
1
2
Alat Ukur ( Flow meter, Mano Meter, dll)
3
3
Papan Bola Lampu
1
Gambar
10
4
Regulator Tegangan
1
5
Kabel
20
C. Langkah Kerja 1. Mempersiapkan alat 2. Buatlah rangkaian seperti gambar di bawah ini
l e l a r a P
e i r e S
n o i t a t i c x E d l e i F
Excitation Supply
Load
L1
L2
L3
L4
L5
L6 Ke Beban
S1
S2
S3
Output Current
Output Voltage
Input Voltage
A
V
V
Trafo Regulator
Sumber AC 220 V
11
3. Operasikan motor listrik, agar pompa mendapatkan daya 4. Atur sudut propeller pompa 1,8,15 5. Atur sudut propeller turbin 1,2,3 tiap satu propeller pompa 6. Atur tekanan Hi dan masukan beban pada pompa hingga posisi pompa seimbang. 7. Perhatikan dan catat data yang terbaca di alat ukur pada pompa,turbin,papan beban,flow meter. 8. Atur kembali sudut propeller pompa dan turbin dengan sudut yang berbeda, lalu ulangi langkah 4-5
12
BAB IV DATA DAN PERHITUNGAN HASIL PRAKTIKUM
A. Data Praktikum
No
Posisition
1
0.5
2
Sudut turbin (°)
2.5
3
4.5
4
6.5
Input (Pump) Speed P1 Pump (Mh2O) (rpm)
Flow Rate (l/s)
35
15,61
45
17.95
55 35 45
17.56
55
18.69
35
15.56
45
17.34
55 35 45
17.75
55
18.48
Output Turbine P2 (kg/cm2)
Torque
Speed Turbine (rpm)
v
Current
P5 (Mh2O)
P6 (Mh2O)
0.2
0.6
0.7
1054
118
1.18
4.25
0.68
0.2
0.6
0.8
1018
110
1.1
4.25
0.68
18,31
0.25
0.6
0.7
978
105
1.05
4.25
0.68
15.69
0.25
0.6
0.7
1071
120
1.18
4.4
0.68
0.25
0.6
0.8
1028
118
1.15
4.43
0.68
0.26
0.6
0.7
998
110
1.12
4.45
0.68
9700
9700
0.26
0.6
0.8
1088
120
1.18
4.4
0.68
0.26
0.6
0.7
1044
119
1.15
4.42
0.68
18.26
0.28
0.6
0.7
1004
112
1.12
4.45
0.68
15.54
0.3
0.6
0.8
1097
120
1.18
4.48
0.68
0.3
0.6
0.8
1068
119
1.15
4.45
0.68
0.3
0.6
0.8
1017
118
1.13
4.45
0.68
9800
9600
13
B. Data Hasil Pengolahan
Pompa Input (Pump)
No
1
2
3
4
Posisition
0.5
2.5
4.5
6.5
Sudut turbin (°)
Flow Rate (l/s)
35
0.01561
45
0.01795
55
0.01831
35
0.01569
45
0.01756
55 35
Speed Pump (rpm)
Output Turbine
P1 (Mh2O)
P2 (kg/cm2)
2
60
9700
Daya Hidrolik (KW) 905.38
Torque
Speed Turbine (rpm)
v
0.7
1054
118
Generator
Current
P5 (Mh2O)
P6 (Mh2O)
1.18
42.5
6.8
Daya Hidrolik Turbin (KW)
Daya Mekanik
Daya Listrik
557.277
0.07722307
0.13924
2
60
1041.1
0.8
1018
110
1.1
42.5
6.8
640.815
0.08524053
0.121
2.5
60
1052.83
0.7
978
105
1.05
42.5
6.8
653.667
0.0716548
0.11025
2.5
60
902.175
0.7
1071
120
1.18
44
6.8
583.668
0.0784686
0.1416
2.5
60
1009.7
0.8
1028
118
1.15
44.3
6.8
658.5
0.08607787
0.1357
0.01869
2.6
60
1072.81
0.7
998
110
1.12
44.5
6.8
704.613
0.07312013
0.1232
0.01556
2.6
60
893.144
0.8
1088
120
1.18
44
6.8
578.832
0.09110187
0.1416
2.6
60
995.316
0.7
1044
119
1.15
44.2
6.8
648.516
0.0764904
0.13685
2.8
60
1044.47
0.7
1004
112
1.12
44.5
6.8
688.402
0.07355973
0.12544
45
0.01734
55
0.01826
35
0.01554
45
0.01775
55
0.01848
Debit Q (l/s) x 10
9700
9800
9600
-3
3
60
885.78
0.8
1097
120
1.18
44.8
6.8
590.52
0.09185547
0.1416
3
60
1011.75
0.8
1068
119
1.15
44.5
6.8
669.175
0.0894272
0.13685
3
60
1053.36
0.8
1017
118
1.13
44.5
6.8
696.696
0.0851568
0.13334
3
ω = 2 N/ 60
= Q (m /s)
-3
Head Pompa In (mH2O) x 10 = Head Pompa In (kPa)
Pmekanik = τ x ω = (Watt) x 10 = (kW)
2
-3
Head Pompa Out (kg/cm ) x 100 = Head Pompa Out (kPa) 3
PListrik = V x I = (Watt) x 10 = 2
Menghitung Daya hidrolik Pompa pada ρ 1000 kg/m ; g = 9,81 m/s Ppompa = ρ x g x ∆H x Q = (kW 14
(kW)
B. Data Hasil Pengolahan
Pompa Input (Pump)
No
1
2
3
4
Posisition
0.5
2.5
4.5
6.5
Sudut turbin (°)
Flow Rate (l/s)
Output Turbine
Speed Pump (rpm)
P1 (Mh2O) 2
60
905.38
0.7
9700
2
60
1041.1
0.8
P2 (kg/cm2)
Daya Hidrolik (KW)
Torque
Speed Turbine (rpm)
Generator
P5 (Mh2O)
P6 (Mh2O)
v
Current
1054
118
1.18
42.5
6.8
1018
110
1.1
42.5
6.8
Daya Hidrolik Turbin (KW)
Daya Mekanik
Daya Listrik
557.277
0.07722307
0.13924
640.815
0.08524053
0.121
35
0.01561
45
0.01795
55
0.01831
2.5
60
1052.83
0.7
978
105
1.05
42.5
6.8
653.667
0.0716548
0.11025
35
0.01569
2.5
60
902.175
0.7
1071
120
1.18
44
6.8
583.668
0.0784686
0.1416
45
0.01756
2.5
60
1009.7
0.8
1028
118
1.15
44.3
6.8
658.5
0.08607787
0.1357
55
0.01869
2.6
60
1072.81
0.7
998
110
1.12
44.5
6.8
704.613
0.07312013
0.1232
35
0.01556
2.6
60
893.144
0.8
1088
120
1.18
44
6.8
578.832
0.09110187
0.1416
45
0.01734
2.6
60
995.316
0.7
1044
119
1.15
44.2
6.8
648.516
0.0764904
0.13685
55
0.01826
2.8
60
1044.47
0.7
1004
112
1.12
44.5
6.8
688.402
0.07355973
0.12544
35
0.01554
45
0.01775
55
0.01848
Debit Q (l/s) x 10
9700
9800
9600
-3
3
60
885.78
0.8
1097
120
1.18
44.8
6.8
590.52
0.09185547
0.1416
3
60
1011.75
0.8
1068
119
1.15
44.5
6.8
669.175
0.0894272
0.13685
3
60
1053.36
0.8
1017
118
1.13
44.5
6.8
696.696
0.0851568
0.13334
3
ω = 2 N/ 60
= Q (m /s)
-3
Head Pompa In (mH2O) x 10 = Head Pompa In (kPa)
Pmekanik = τ x ω = (Watt) x 10 = (kW)
2
-3
Head Pompa Out (kg/cm ) x 100 = Head Pompa Out (kPa) 3
PListrik = V x I = (Watt) x 10 =
(kW)
2
Menghitung Daya hidrolik Pompa pada ρ 1000 kg/m ; g = 9,81 m/s Ppompa = ρ x g x ∆H x Q = (kW 14
C. GRAFIK Grafik Hubungan Antara Daya Hidrolik Pompa, Daya Hidrolik Turbin, Daya Mekanik, dan Daya Listrik terhadap Debit.
Posisi Sudu Pompa 0.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)
Grafik Daya terhadap Debit 1200
0.16 0.14
) ) 1000 t t t a t a W W 800 ( ( a n i p b m r 600 o u P T 400 a a y y a a D D 200
0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
0
) t t ) t a t a W ( W k i ( n k a i r k t s e i L M a a y y a a D D
0 0.01561
0.01795
0.01831
Debit ( m /s) ᶟ
Posisi Sudu Pompa 2.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)
Daya Pompa Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Poly. (Daya Turbin) Poly. (Daya Mekanik) Poly. (Daya Listrik)
C. GRAFIK Grafik Hubungan Antara Daya Hidrolik Pompa, Daya Hidrolik Turbin, Daya Mekanik, dan Daya Listrik terhadap Debit.
Posisi Sudu Pompa 0.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)
Grafik Daya terhadap Debit 1200
0.16 0.14
) ) 1000 t t t a t a W W 800 ( ( a n i p b m r 600 o u P T 400 a a y y a a D D 200
0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
0
) t t ) t a t a W ( W k i ( n k a i r k t e s i L M a a y y a a D D
0 0.01561
0.01795
0.01831
Daya Pompa Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Poly. (Daya Turbin) Poly. (Daya Mekanik) Poly. (Daya Listrik)
Debit ( m /s) ᶟ
Posisi Sudu Pompa 2.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)
Grafik Daya Terhadap Debit 1200
0.16 0.14 ) t t ) t 0.12 a t W a ( W 0.1 k ( i k i 0.08 n a r k t s i 0.06 e L M a y 0.04 a y a a D 0.02 D
) ) 1000 t t t a t a W W 800 ( ( a n i 600 p b m r o u P T 400 a a y y a a D D 200 0
0 0.01569
0.01756
0.01869
Daya Pompa Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Poly. (Daya Turbin) Poly. (Daya Mekanik) Expon. (Daya Listrik)
Debit (m /s) ᶟ
15
Posisi Sudu Pompa 4.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)
Grafik Daya Terhadap Debit 1200
0.16 0.14 ) t t ) 0.12 a t t W a W 0.1 ( ( k i k i 0.08 n a r k t i e s 0.06 M L a a y a 0.04 y a D D 0.02
) ) 1000 t t t a t a W W 800 ( ( a n i 600 p b m r o u P T 400 a a y y a a D D 200 0
0 0.01556
0.01734
Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Expon. (Daya Turbin) Poly. (Daya Turbin) Expon. (Daya Mekanik)
0.01826
Poly. (Daya Mekanik)
Debit (m /s) ᶟ
Daya Pompa
Posisi Sudu Pompa 6.5 dan Sudu Turbin (35, 45, 55)
Grafik Daya Terhadap Turbin 1200
0.16 0.14
1000
) ) t t t a t a W W 800 ( ( a n i 600 p b m r o u P T 400 a a y y a a D D 200
0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02
0
0 0.01554
0.01775
0.01848
Debit (m /s) ᶟ
16
) t t ) a t t W a ( W k i ( n k i a r k t i e s L M a a y y a a D D
Daya Pompa Daya Turbin Daya Mekanik Daya Listrik Poly. (Daya Pompa) Expon. (Daya Turbin) Poly. (Daya Turbin) Expon. (Daya Mekanik) Poly. (Daya Mekanik)
BAB V KESIMPULAN
Berdasarkan analisa data dari praktikum yang telah kelompok kami lakukan, dapat ditarik kesimpulan, bahwa: 1. Jika debit air makin tinggi maka daya hidrolik yang dihasilkan akan semakin tinggi, daya poros akan semakin rendah karena head nya rendah 2. pompa axial dirancang untuk beroperasi dalam berbagai aplikasi yang memerlukan gerakan flow air yang tinggi pada tekanan discharge yang rendah oleh karena itu untuk pompa axial yang dicari flow nya , head nya akan rendah. 3. Hubungan antara variabel debit (Q) dan efisiensi (η) , berguna untuk menghitung pemakaian energi listrik ketika pompa beroperasi. 4. Efisiensi pompa akan meningkat bila penggunaan daya poros meningkat, sampai pada batas tertentu akan menurun setelah mencapai nilai maksimum tercapai 5. Fungsi turbin adalah mengubah energi ketinggian air menjadi daya putaran poros, oleh karena pada turbinnya adalah turbin kaplan maka headnya rendah dan daya putaran porosnya juga rendah. 6. Daya sangat tergantung pada besarnya torsi dan putaran. Besaran torsi berbanding terbalik dengan putaran turbin, debit air sangat berpengaruh terhadap torsi dan putaran. 7. Terjadi ketidakakuratan pada data karena torsi meter tidak berfungsi dengan baik.
Saran : Sebelum mengoperasikan turbin air , sebaiknya lakukan kalibrasi alat ukur agar tidak terjadi kesalahan pengukuran.
17
