BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang - digilib.its.ac.id · Tugas Akhir BAB I PENDAHULUAN 1.1. ......

1

Tugas Akhir

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Indonesia saat ini menghadapi masalah krisis energi yang parah, baik dalam harga maupun ketersediaannya. Krisis ekonomi

yang telah terjadi di Indonesia sejak Orde Baru berakhir

berdampak pada sedikitnya penambahan kapasitas pembangkitan

listrik. Hal ini tentu saja menyebabkan krisis penyediaan listrik di beberapa daerah yang menimbulkan efek tidak menguntungkan

bagi pertumbuhan ekonomi Indonesia sebab pertumbuhan

ekonomi masyarakat menyebabkan permintaan akan tenaga listrik semakin meningkat (www.energi.lipi.go.id). Hal ini harus

diimbangi dengan ketersediaan tenaga listrik dalam jumlah,

keandalan, dan mutu yang memadai.

Perusahaan Listrik Negara (PLN) yang mendapat tugas dalam pengadaan energi listrik oleh pemerintah, kesulitan dalam

menambah pembangkit-pembangkit baru, hal ini dikarenakan

naiknya harga BBM dan non BBM (seperti batubara) yang merupakan bahan bakar utama sebagian besar pembangkit listrik.

Jika hal ini dibiarkan terus menerus, dimana PLN tidak mampu

menambah kapasitas pembangkitan listrik sedangkan kebutuhan akan listrik terus meningkat, maka dipastikan krisis energi listrik

akan terjadi dan mengakibatkan efek beruntun seperti terhentinya

perekonomian. Saat ini, dampak yang terasa jelas terjadi di Pulau

Jawa dimana pemadaman bergilir dilakukan karena tidak seimbangnya antara pasokan listrik dengan ketersedian jumlah

listrik yang diproduksi (www.energi.lipi.go.id). Oleh karena itu,

perlu dilakukan berbagai terobosan oleh berbagai pihak, baik itu PLN, pemerintah dan masyarakat pada umumnya untuk

mengatasi persoalan ketersediaan energi listrik ini, sehingga

diharapkan pada ulang tahun Republik Indonesia yang ke-75 Indonesia dapat menikmati listrik di seluruh penjuru sesuai misi

PLN tahun 2015.

Pemerintah saat ini melakukan berbagai terobosan untuk

mengatasi kekurangan pasokan energi listrik sekaligus

2

Tugas Akhir

mengurangi ketergantungan terhadap BBM, salah satunya adalah

dengan mengembangkan berbagai energi alternatif yang dapat menggantikan bahan bakar fosil sebagai penghasil listrik. Di

Indonesia, sebenarnya cukup banyak sumber-sumber energi

alternatif yang tersedia. Untuk solar sel, letak Indonesia yang berada di garis katulistiwa sudah tidak diragukan lagi dengan

potensi sebesar 4 KWh/m2. Sumber energi alternatif lainnya pun

memiliki potensi yang besar seperti geothermal dengan total

potensi sebesar 19.658 MW, tenaga hydro memiliki total potensi 75.000 MW, sedangkan yang saat ini termanfaatkan baru sekitar

34.000 MW. Untuk energi angin, Indonesia memiliki potensi

sebesar 9.286 MW (www.energi.lipi.go.id). Namun dari potensi tersebut belum seluruhnya bisa

dimanfaatkan untuk membangkitkan energi listrik, mengingat ada

beberapa kendala antara lain:

1. Lokasi yang jauh dari pusat beban. 2. Belum tersedianya teknologi pemanfaatan energi alternatif

yang cukup ekonomis terutama dengan pembangkit

konvensional. 3. Kontinuitas ketersediaan pasokan energi alternatif.

4. Pembangunan fasilitas yang memakan waktu yang lama dan

tidak ekonomis Energi angin sebagai salah satu sumber energi alternatif

terbarukan merupakan energi yang mempunyai potensi cukup

besar (9,29 GW) namun dalam penggunaan sekarang ini masih

sangat minim yaitu sekitar 700 kW atau 0,008% dari potensi sesungguhnya (www.wikipedia.org). Potensi energi angin di

Indonesia umumnya berkecepatan lebih dari 5 meter per detik

(m/detik). Hasil pemetaan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan) pada 120 lokasi menunjukkan, beberapa

wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5 m/detik, masing-

masing Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara Barat, Sulawesi Selatan, dan Pantai Selatan Jawa. Adapun kecepatan angin 4

m/detik hingga 5 m/detik tergolong berskala menengah dengan

potensi kapasitas 10-100 kW.

3

Tugas Akhir

Pemanfaatan energi angin sebagai sumber energi

alternatif non-konvensional terutama di negara maju telah banyak diaplikasikan baik untuk menghasilkan energi listrik maupun

energi mekanik. Di Jerman misalnya, sepanjang tahun 2003 telah

memanfaatkan 18.500 GWh energi yang berasal angin (www.wikipedia.org). Energi angin merupakan sumber energi

yang ramah lingkungan. Pembangkit energi angin tersebut tidak

menimbulkan emisi karbon dioksida sehingga ramah lingkungan.

Pemanfaatan energi angin dalam sistem ventilasi untuk mensirkulasi udara di dalam sebuah ruangan, dimanfaatkan secara

luas terutama pada industri, pergudangan, workshop, bahkan

rumah tangga dengan memasang peralatan yang disebut sebagai turbine ventilator atau roof ventilator. Peralatan ini berfungsi

untuk menghisap udara dalam sebuah ruangan yang selanjutnya

akan dibuang menuju atmosfir. Peralatan tersebut tidak

membutuhkan energi listrik untuk memutarnya, cukup dengan hembusan angin dari luar gedung, peralatan tersebut telah

berfungsi dengan baik.

Modifikasi memperluas penggunaan turbine ventilator untuk pembangkit listrik adalah dengan penambahan komponen

pengubah energi dari mekanik menjadi listrik. Lai, C.M. (2003)

melakukan serangkain tes pada kamar mandi, hasil yang dicapai bahwa debit ventilasi meningkat dan mampu menciptakan

pencampuran udara luar sehingga udara dalam ruangan menjadi

lebih segar. Lai, C.M. (2003) mengkombinasikan dengan inner

fan untuk meningkatkan kinerja turbine ventilator. Umumnya kombinasi dengan inner fan mampu memberikan hasil positif

pada debit udara ventilasi, sedangkan kecepatan optimal dari

inner fan berkisar pada angka 1500 rpm. Kecepatan ideal untuk inner fan dicapai pada kecepatan angin rendah yaitu 5m/s, dan

akan semakin berkurang pengaruhnya ketika kecepatan angin

bertambah dan hilang sama sekali pada 10 m/s. Berdasarkan penelitian tersebut, muncul pemikiran untuk

melakukan penelitan mengenai unjuk kerja turbine ventilator

sebagai pembangkit tenaga listrik alternatif sebagai solusi

terhadap krisis energi di Indonesia dengan melakukan modifikasi

4

Tugas Akhir

penambahan rasio panjang dan diameter pipa cerobong turbine

ventilator untuk mendapatkan unjuk kerja turbine ventilator yang optimal sebagai pembangkit tenaga listrik.

1.2 Perumusan Masalah Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besarnya

putaran turbine ventilator, yaitu besarnya debit ventilasi yang

mengalir pada pipa cerobong turbine ventilator dan besarnya

kecepatan freestream udara yang mengalir menuju turbine ventilator, sehingga Lai, C.M. (2003) melakukan modifikasi

dengan penambahan inner fan, yang tujuannya untuk

mendapatkan debit ventilasi dan putaran turbine ventilator yang besar.

Berdasarkan pertimbangan di atas dan penelitian yang

telah dilakukan sebelumnya, Lai, C.M. (2003), maka penelitian

ini difokuskan untuk melakukan modifikasi penambahan rasio panjang dan diameter turbine ventilator. Modifikasi penambahan

rasio panjang dan diameter pipa cerobong turbine ventilator (L/D)

dimaksudkan agar memperoleh debit yang besar pada pipa cerobong turbine ventilator, karena dengan semakin

bertambahnya rasio panjang dan diameter turbine ventilator, dan

dengan diameter turbine ventilator konstan, akan terjadi penurunan tekanan didalam pipa cerobong turbine ventilator,

sehingga menimbulkan perbedaan tekanan yang semakin besar

antara udara yang memasuki inlet pipa cerobong turbine

ventilator dan udara pada outlet pipa cerobong turbine ventilator. Perbedaan tekanan ini akan menimbulkan terjadinya perbedaan

energi yang semakin besar antara udara yang memasuki inlet pipa

cerobong turbine ventilator dan udara pada outlet pipa cerobong turbine ventilator, sehingga akan menghasilkan debit yang

semakin besar pada outlet pipa cerobong turbine ventilator.

Dengan semakin bertambahnya debit pada outlet pipa cerobong turbine ventilator, maka akan dihasilkan unjuk kerja turbine

ventilator yang lebih besar, dan akan mempengaruhi besarnya

daya yang dihasilkan untuk diaplikasikan sebagai pembangkit

listrik.

5

Tugas Akhir

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh rasio panjang dan diameter pipa cerobong turbine

ventilator terhadap unjuk kerja turbine ventilator, dalam hal ini

perbedaan tekanan pada pipa cerobong, putaran, dan daya listrik yang dihasilkan oleh turbine ventilator. Percobaan ini dilakukan

dengan cara :

1. Mengukur takanan statis pada inlet dan outlet pipa

cerobong turbine ventilator 2. Mengukur besarnya putaran yang dihasilkan oleh turbine

ventilator

3. Mengukur besarnya daya yang dihasilkan oleh turbin ventilator

I.4. Batasan Masalah

Untuk lebih memfokuskan arah penelitian, maka diberikan beberapa batasan masalah sebagai berikut:

1. Roof atau turbine ventilator yang akan dilakukan

pengujian adalah dengan menggunakan desain yang beredar atau tersedia di pasaran.

2. Turbine ventilator yang digunakan dalam pengujian

memiliki rasio panjang dan diameter pipa cerobong sebesar 1, 2 dan 3

3. Besarnya bilangan Reynolds yang digunakan dalam

pengujian adalah 56.000, 93.000, 130.000, dan 170.000

4. Aliran yang dipakai bersifat incompressible, viscous, uniform, dan steady.

5. Kemungkinan terjadinya perpindahan panas dapat

diabaikan.

1.5. Manfaat Penelitian

Hasil yang diperoleh dalam penelitian ini diharapkan

memiliki manfaat antara lain : 1. Turbine ventilator dapat dimanfaatkan sebagai micro

power plant

2. Pemanfaatan teknologi konversi energi mampu

memberikan solusi mengenai kelangkaan energi.

6

Tugas Akhir

3. Dapat membantu menyelesaikan keresahan yang

dihadapi oleh masyarakat khususnya krisis energi menggunakan energi alternatif yang ramah

lingkungan.

7

Tugas Akhir

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Terjadinya Angin

Energi angin merupakan bentuk tidak langsung energi matahari, karena angin dipengaruhi oleh pemanasan yang tidak

merata dari kerak bumi oleh matahari.

Angin secara garis besar dapat diklasifikasikan sebagai

angin “planetary” dan “lokal”. Angin planetary disebabkan oleh pemanasan yang lebih besar pada permukaan bumi dekat ekuator

dari pada kutub utara dan selatan. Hal ini menyebabkan udara

hangat di tropis naik dan mengalir melalui atmosfer ke kutub dan udara dingin dari kutub mengalir kembali ke ekuator di dekat

permukaan bumi.

Gambar 2.1 Angin planetary dalam atmosfer bumi

(Pudjanarsa dan Nursuhud, 2005)

Arah angin dipengaruhi oleh rotasi bumi. Udara hangat

menuju kutub di atas atmosfer diasumsikan ke arah timur (di

kedua hemisfer), yang menyebabkan timbulnya “prevailing

westerlies” (Gambar 2.1). Pada saat yang sama, inersia udara dingin bergerak ke ekuator dekat permukaan bumi

8

Tugas Akhir

menyebabkannya bergerak ke barat menghasilkan “northeast

trade winds” di hemisfer utara dan “southeast trade winds” di hemisfer selatan. Angin lokal disebabkan dua mekanisme, yang

pertama adalah perbedaan panas antara daratan dan air, dan yang

kedua karena hill and mountain sides.

2.2 Potensi Energi Angin di Indonesia

Menurut beberapa literatur, kecepatan angin yang

dikehendaki untuk kincir angin berada pada kelas 3 sampai kelas

8 (table 2.1), dimana angin bertiup pada 3 m/s sampai 20 m/s. Indonesia belum memiliki peta angin dimana pada setiap daerah

dimonitor kecepatan angin sebagai referensi untuk pembangunan

kincir angin dan untuk keperluan lainnya, seperti penerbangan. Potensi energi angin di Indonesia umumnya berkecepatan lebih

dari 5 meter per detik (m/detik). Hasil pemetaan Lembaga

Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan) pada 120 lokasi

menunjukkan, beberapa wilayah memiliki kecepatan angin di atas 5 m/detik, masing-masing Nusa Tenggara Timur, Nusa Tenggara

Barat, Sulawesi Selatan, dan Pantai Selatan Jawa

(www.energi.lipi.go.id).

Tabel 2.1 Potensi angin berdasarkan kecepatannya

(www.energi.lipi.go.id)

9

Tugas Akhir

Berikut ini (Tabel 2.2) beberapa data hasil pemetaan

Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (Lapan) pada kecepatan angin rata-rata di beberapa daerah di Indonesia yang

dikumpulkan oleh Suharta, H. (2007).

Tabel 2.2 Kecepatan angin rata-rata pada ketinggian 50m diatas

permukaan tanah

(www.energi.lipi.go.id)

No Lokasi

Kecepatan

rata-rata (m/s)

1 Desa KEMADANG , Kec. Tepus , Kab. G. Kidul , DIY 5.11

2 P. KARYA, Kep. Seribu DKI 5.34

3 Desa BINANGEUN, Kec. Muara, Kab. Lebak, BANTEN 5.24

4 UPT OITUI, Kec Wira, Timur, Kab. Bima NTB 4.99

5 Desa PAI , Kec. Wera , Kab. Bima , NTB 4.04

6 Desa LIBAS , Kec. Likupang , Kab. Minahasa, SULUT 3.44

7 Desa PATIRONG, Kab. Jeneponto, SULSEL 5.99

8 34 Dusun APPATANAH , Kab. Selayar , SULSEL 7.33

9 Sakteo, Soe NTT 6.13

10 Papagarang,Komodo, Komodo, Manggarai, NTT 3.78

11 Tameras, Soe NTT 6.88

12 Fatukalen,Timor Tengah Selatan NTT 7.62

2.3 Turbine Ventilator

Salah satu aplikasi sistem konversi energi angin dipakai pada turbine ventilator. Pada dasarnya sebuah turbine ventilator

berfungsi menyalurkan udara panas dari sebuah ruangan ke

lingkungan sekitar. Konsep awalnya dibuat oleh Meadows pada tahun 1929, berupa rotary ventilator. Hingga usaha komersialisasi

dilakukan oleh Edmonds pada tahun 1934. Sebuah turbine

ventilator biasanya terdiri dari beberapa sudu vertikal yang tersusun pada frame silinder dan sebuah kubah digunakan

sebagai penutup. Sebagai sistem transmisi digunakan poros dan

bantalan yang dipasang pada saluran ventilasi utama. Ketika

turbin tertiup oleh angin, gaya angkat ke atas dan gaya hambat

10

Tugas Akhir

mengakibatkan turbine ventilator berotasi, perputaran ini akan

mengakibatkan tekanan di bawah turbine ventilator menjadi rendah sehingga udara yang terperangkap dalam gedung akan

mengalir keluar.

Havens (2003) memodelkan turbine ventilator dikombinasikan dengan backward curved centrifugal fan dan

kincir angin. Dasar pemikirannya adalah kenyataan bahwa turbine

ventilator menangkap dan menggunakan tenaga angin sebagai

turbin angin. Model ini menunjukkan bahwa Kecepatan rotasi ventilator sebagai fungsi dari kecepatan angin, selanjutnya turbine

ventilator dibuat memompa udara keluar dari ruangan.

Visualisasi aliran yang di kaji oleh Lai (2003) menunjukkan adanya pola aliran udara disekitar turbine

ventilator. Aliran udara ini membelah jadi dua aliran ketika

mengalir melalui turbine ventilator. Satu aliran berada pada arah

rotasi sehingga menjadikannya sebuah gaya untuk berotasi sedangkan yang lain barada pada arah yang berlawanan dengan

rotasi dan menghambat rotasi dari turbine ventilator. Bilah yang

berputar mengakibatkan pencampuran udara di belakang turbine ventilator. Riset yang sama diuji dalam 3 diameter turbine

ventilator ukuran yang berbeda yaitu 6, 14, 20 in dengan

kecepatan free stream antara 10 sampai 30 m/s di Taiwan. Pada riset tersebut ditemukan bahwa untuk diameter turbine ventilator

yang semakin besar maka akan menghasilkan laju ventilasi yang

lebih besar pula, namun pada diameter antara 14 sampai 20 in

peningkatan laju vetilasi tidaklah signifikan sehingga Lai (2003) menambahkan inner fan untuk meningkatkan laju ventilasi seperti

yang ditunjukkan pada gambar 2.2.

11

Tugas Akhir

Gambar 2.2 Turbine ventilator dengan inner fan

(Lai 2003)

2.4 Mekanisme Ventilasi

Pada saat musim kemarau suhu ruang dalam plafond/atap dapat mencapai paling tinggi 60° C. Panas yang diterima

permukaan atap akan diradiasikan kembali ke bawah dan

menyebabkan ruangan menjadi panas sehingga udara panas akan

terperangkap dan tidak dapat keluar. Sedangkan pada musim hujan kelembapan di dalam ruangan dapat dihasilkan dari air

kamar mandi, uap hasil memasak, yang mana akan terkumpul di

plafond dan menyebabkan adanya kondensasi. Kondensasi ini akan mengurangi efektifitas dari insulasi, dan menyebabkan

tumbuhnya jamur pada dinding dan plafond. Hal ini seperti

terlihat pada gambar 2.3, sehingga dengan adanya turbine

ventilator beberapa masalah tersebut dapat teratasi, karena turbine ventilator memiliki mekanisme antara lain :

Efek Thermal

Efek thermal disebabkan oleh perbedaan suhu diluar

ruangan dengan suhu didalam ruangan, sehingga udara yang lebih panas dan ringan akan terdorong ke atas oleh

udara yang lebih sejuk dan berat (perbedaan densitas

udara).

12

Tugas Akhir

Efek Induksi

Dengan adanya dorongan angin pada salah satu sisi

ventilator akan menyebabkan berputarnya turbine ventilator yang juga menyebabkan daerah wake pada sisi

yang berlawanan dimana udara dalam ruangan yang

bertekanan tinggi akan tersedot keluar.

Gambar 2.3 Mekanisme ventilasi dengan menggunakan

Turbine Ventilator

2.5 Bilangan Reynolds Kondisi aliran laminar atau turbulen dapat dinyatakan

dengan bilangan Reynolds. Bilangan Reynolds adalah suatu

bilangan tak berdimensi yang merupakan perbandingan antara

gaya inersia body terhadap gaya geser yang ditimbulkan aliran fluida.

Re = GeserGaya

InersiaGaya.............................................. (2.1)

dimana : Gaya Inersia = p x A = 22 .. DU

Gaya Geser = x A = 2.

.D

L

U.

Sehingga,

13

Tugas Akhir

Re = DU

DD

U

DU ..

..

..

2

22

dimana : : Densitas fluida

U : Kecepatan aliran free stream fluida

D : Diameter pipa cerobong turbine

ventilator

: Viskositas dinamis fluida.

Sehingga,

Re = DU ..

...........................................................(2.2)

2.6 Efisiensi Turbine Ventilator,

Efisiensi turbine ventilator adalah perbandingan antara

daya yang dihasilkan oleh turbine ventilator dan tenaga total

aliran angin yang masuk pada turbine ventilator. Daya dari

turbine ventilator dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

IVP ...................................................................(2.3)

dimana :

V = Tegangan yang dibangkitkan oleh turbine ventilator,

Volt

I = Arus listrik yang dibangkitkan oleh turbine ventilator, Ampere

Sehingga efisiensi turbine ventilator dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan sebagai berikut:

32UD

P............................................................(2.4)

dimana:

14

Tugas Akhir

P = daya yang dibangkitkan turbine ventilator, Watt

= massa jenis udara, kg/m3

D = diameter pipa cerobong turbine ventilator, m

U = kecepatan freestream udara, m/s

2.7 Bilangan Strouhal , St

Pada percobaan ini bilangan Strohal digunakan untuk merepresentasikan kecepatan angular dari putaran yang

dihasilkan oleh turbine ventilator. Adapun besarnya kecepatan

angular dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

60

2 n....................................................................(2.5)

dimana :

n = putaran turbine ventilator, rpm

Sehingga besarnya bilangan Strouhal adalah sebagai berikut:

U

DSt ....................................................................(2.6)

dimana :

= kecepatan angular turbine ventilator, rps

D = diameter cerobong turbine ventilator, m


2.8 Koefisien Perbedaan Tekanan, Kp Koefisien perbedaan tekanan merupakan representasi dari

besarnya tekanan yang mengalir pada inlet dan outlet pipa

cerobong turbine ventilator. Semakin besar perbedaan tekanan pada inlet dan outlet pipa cerobong turbine ventilator maka

semakin besar debit hisap yang mengalir melalui pipa cerobong

turbine ventilator. Untuk menghitung perbedaan tekanan statis

pada pipa cerobong turbine ventilator maka terlebih dahulu dihitung besarnya tekanan statis pada inlet dan outlet pipa

cerobong.

Tekanan statis pada inlet pipa cerobong turbine ventilator, pi :

15

Tugas Akhir

sin212 hhgSGpi airredoil …….…(2.7)

sin212 hhgSGpo airredoil ….…...(2.8)

dimana:

redoilSG = specific gravity dari red oil = 0,804

air = massa jenis air, kg/m3

g = percepatan gravitasi, m/s2

1h = bacaan awal manometer, m

2h = bacaan akhir manometer, m

= sudut kemiringan manometer

Sehingga perbedaan tekanan statis antara inlet dan outlet pipa

cerobong turbine ventilator adalah :

pipop .............................................................(4.9)

dimana:

po = tekanan statis pada inlet pipa cerobong, N/m2

pi = tekanan statis pada outlet pipa cerobong, N/m2

Sehingga koefisien perbedaan tekanan dihitung dengan

menggunakan persamaan sebagai berikut:

2

U

pKp ............................................................(2.10)

dimana:

p = perbedaan tekanan antara inlet dan outlet pipa

cerobong, N/m2

= massa jenis udara, kg/m3


2.9 Ketidakpastian Pengukuran Bilangan Strouhal , St

Perhitungan ketidakpastian pengukuran bilangan Strouhal

adalah sebagai berikut :

16

Tugas Akhir

U

DSt

U

DSt lnln

UDSt lnlnlnln

2

1

)ln(lnlnln hDSt

)ln(2

1lnlnln hDSt

h

h

D

D

St

St

2

)(...... .................(2.11)

dimana :

= error dalam pengukuran, rps

= hasil pengukuran kecepatan sudut turbine

ventilator, rps

D = error dalam pengukuran diameter , mm

D = hasil pengukuran diameter turbine ventilator, mm

)( h = error pembacaan manometer pada freestream, mm

h = hasil pembacaan manometer pada freestream, mm

2.10 Ketidakpastian Pengukuran Efisiensi Turbine

Ventilator,

Perhitungan ketidakpastian pengukuran efisiensi turbine

ventilator adalah sebagai berikut :

32UD

P

32lnln

UD

P

32 lnlnlnlnln UDP

UDP ln3ln2lnlnln

17

Tugas Akhir

UDIV ln3ln2lnlnlnln

2

1

)ln(3ln2lnlnlnln hDIV

)ln(2

3ln2lnlnlnln hDIV

h

h

D

D

I

I

V

V

2

)(32...... ....(2.12)

dimana :

V = error dalam pengukuran tegangan, V

V = hasil pengukuran tegangan, V

I = error dalam pengukuran arus listrik, A

I = hasil pengukuran arus listrik, A

D = error dalam pengukuran diameter, mm

D = hasil pengukuran diameter turbine ventilator, mm



2.11 Perhitungan Ketidakpastian Pengukuran Koefisien

Perbedaan Tekanan, Kp

Perhitungan ketidakpastian pengukuran koefisien perbedaan tekanan pada inlet dan outlet pipa cerobong turbine


2

U

pKp

2lnln

U

pKp

2lnlnlnln UpKp

2lnlnlnln UpKp

18

Tugas Akhir

2

1

)ln(2ln)ln(ln hhKp x

)ln(ln)ln(ln hhKp x

h

h

h

h

Kp

Kp

x

x )()(........ .............(2.13)

dimana :

)( xh = error dalam pembacaan manometer pada inlet

dan outlet pipa cerobong, mm

xh = hasil pembacaan manometer pada inlet dan outlet

pipa cerobong, mm



2.12 Penelitian Terdahulu

2.12.1 Penelitian Lai, C.M. (2003).

Ketika udara luar mengalir melintasi turbine ventilator, alirannya akan terbagi menjadi dua stream pada bidang

horisontal. Aliran yang menumbuk sudu turbine ventilator akan

menyebabkan terjadinya gaya dorong yang menyebabkan putaran pada turbine. Aliran yang searah dengan letak sudu lainnya akan

langsung diteruskan ke daerah wake. Pada saat aliran bertemu

dengan blades, separasi aliran akan meninggalkan aliran terluar menuju daerah wake dan membentuk sirkulasi kedua diantara

aliran terseparasi. Aliran yang mengalir didalam pipa cerobong

(yang terhubung dengan ventilator blades) akan tersedot keluar

lingkungan (Lai, C.M. 2003). Gambar dibawah ini menunjukkan visualisasi aliran di luar dan didalam ventilator.

19

Tugas Akhir

Gambar 2.4 Visualisasi aliran diluar dan didalm turbine ventilator

Lai, C.M. (2003).

Riset yang sama diuji dalam 3 diameter turbine ventilator

ukuran yang berbeda yaitu 6, 14, 20 in dengan kecepatan free stream antara 10 sampai 30 m/s di Taiwan. Pada riset tersebut

ditemukan bahwa untuk diameter turbine ventilator yang semakin

besar maka akan menghasilkan laju ventilasi yang lebih besar pula, namun pada diameter antara 14 sampai 20 in peningkatan

laju vetilasi tidaklah signifikan, hal ini ditunjukkan pada gambar

2.11.

Gambar 2.5 Grafik hubungan variasi kecepatan udara luar dengan debit

aliran dengan diameter 6",14"dan20"

Lai, C.M. (2003).

20

Tugas Akhir

Untuk semakin meningkatkan laju ventilasi Lai, C.M.

(2003) melakukan penambahan inner fan, dari hasil penelitian dengan membandingkan antara turbine ventilator diameter 20 in

tanpa menggunakan inner fan dan menggunakan inner fan,

didapatkan bahwa turbine ventilator dengan menggunakan inner fan menghasilkan laju ventilasi lebih baik di bandingkan tanpa

menggunakan inner fan, namun perbedaannya tidak terlalu

signifikan, sebagaimana yang ditunjukkan oleh gambar 2.12.

Gambar 2.6 Grafik hubungan variasi kecepatan udara luar dengan debit

aliran pada diameter 20" dengan menggunakan inner fan dan tanpa

menggunakan inner fan

Lai, C.M. (2003).

2.12.2 Penelitian Revel & Huynh (2004)

Penelitian ini mengacu pada gambar 2.13, dimana

besarnya variabel kecepatan fan di induksikan pada turbine ventilator dengan range yang berkisar antara 8 sampai 18 km/hr

di sesuaikan dengan kecepatan angin rata-rata di Sydney. Turbine

ventilator diletakkan diatas sebuah kotak plenum dengan luas 1.2 m² dengan tinggi 2.4 m. Kemudian di lakukan pengukuran

besarnya tekanan statis dan dinamis pada manometer

21

Tugas Akhir

Gambar 2.7 Prosedur Pengujian

Revel & Huynh. (2004)

Dari pengujian yang telah dilakukan Revel & Huynh (2004)

dengan menggunakan turbine ventilator berdiamater 300 mm, didapatkan grafik performa turbine ventilator sebagai berikut:

Gambar 2.8 Grafik hubungan antara tekanan plenum dan debit pada

turbine ventilator berdiameter 300mm

Revel & Huynh (2004)

22

Tugas Akhir

HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN

23

Tugas Akhir

BAB III

METODE PENELITIAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai analisis

dimensi, instalasi penelitian, alat ukur yang digunakan,

prosedur pengukuran, diagram alir penelitian serta alokasi

waktu untuk melakukan penelitian ini.

3.1. Parameter yang Diukur

Analisis dimensi diperlukan untuk mengetahui

apakah suatu parameter berpengaruh terhadap suatu

percobaan. Parameter- parameter yang berpengaruh

terhadap unjuk kerja turbine ventilator adalah daya yang

dihasilkan turbine ventilator (P), kecepatan free stream

fluida (U∞), massa jenis fluida ( ), viskositas absolut fluida

( ), diameter pipa cerobong turbine ventilator (D), panjang

pipa cerobong turbine ventilator (L), kecepatan angular

turbine ventilator (ω), dan perbedaan tekanan antara inlet

dan outlet pipa cerobong turbine ventilator (∆p), skema

penelitian ditunjukkan pada gambar 3.1

Ket : Posisi pengukuran

Gambar 3.1 Skema penelitian dan posisi pengukuran tekanan statis pada

model uji

24

Tugas Akhir

Daya yang dihasilkan turbine ventilator, kecepatan

angular, dan perbedaan tekanan pada pipa cerobong turbine ventilator dipengaruhi oleh beberapa parameter,. Secara

metematik parameter tersebut dapat dituliskan sebagai berikut :

P = f(ρ, μ, U∞, L, D)................................................... (3.1)

ω = f(ρ, μ, U∞, L, D).................................................... (3.2)

∆p = f(ρ, U∞, µ, L, D)................................................. (3.3)

Menggunakan Buckingham Pi Theorema dengan

parameter berulang , D dan U∞ masing-masing diperoleh 3

grup tak berdimensi yaitu :

32UD

P= f (

D

L ,

UD)

U

DSt = f (

D

L ,

UD)

)(UfQ

)(4

2

UfD

u

Uu

07.0

1 004,0

2

u

U

2

2 u

U

U

pKp = f (

D

L ,

UD)

2

004,0

u

pKp = f (

D

L ,

UD)

Atau bisa disederhanakan menjadi :

= f (D

L ,Re)……..…………………………….....(3.4)

St = f (D

L ,Re) ……………………………..…….(3.5)

Kp = f (D

L ,Re) ……..……………………..…….(3.6)

25

Tugas Akhir

3.2 Model Uji

Pada penelitian ini akan digunakan 3 model uji, yaitu

dengan modifikasi rasio panjang dan diameter (L/D) pipa

cerobong turbine ventilator, variasi ketiga model uji tersebut

adalah :

a) Model Uji dengan L/D=1

Gambar 3.2 Turbine ventilator dengan L/D=1

b) Model Uji dengan L/D=2


26

Tugas Akhir

c) Turbin Ventilator dengan L/D=3


Adapun spesifikasi dari keseluruhan model uji tersebut

adalah :

Type : L – 30WA

Diameter Cerobong (D) : 300 mm

Panjang head : 310 mm

Diameter head : 450 mm

27

Tugas Akhir

3.3 Instalasi Penelitian

Wind tunnel adalah peralatan utama yang digunakan

untuk membangkitkan kecepatan freestream. Seluruh

percobaan akan dilakukan pada test section (daerah uji)

terowongan angin. Kondisi aliran dalam saluran uji

dikondisikan sedemikian rupa sehingga menyerupai kondisi

yang sebenarnya.

Gambar 3.5 Wind Tunnel tampak depan dan belakang

Gambar 3.6 Instalasi Penelitian

28

Tugas Akhir

a. Test Section (daerah uji)

Komponen ini berfungsi tempat pengujian benda kerja. Idealnya test section memiliki panjang 3 – 4 kali

diameternya, namun karena keterbatasan lokasi, maka

panjang test section untuk terowongan angin ini hanya 1,77 kali diameternya dengan asumsi aliran keluaran nosel tetap

paralel.

Penampangnya berbentuk bujur sangkar dengan dimensi:

- Tinggi : 660 mm - Lebar : 660 mm

- Panjang : 1165 mm

Adapun dimensi dari benda uji didalam test section ditunjukkan pada gambar 3.11 berikut :

Gambar 3.7 Dimensi benda uji didalam test section

29

Tugas Akhir

b. Fan

Komponen ini berfungsi sebagai penggerak udara dari ruangan terbuka agar melewati saluran uji dengan kecepatan

tertentu. Fan yang digunakan adalah jenis aksial dengan

spesifikasi sebagai berikut: - Type : Aksial

- Diameter : 36 inch

- Kapasitas maksimum : 39971 ft3/menit

- Static Pressure : 45 mm H2O - Motor : 1400 rpm / 3 phase / 20

HP

c. Inverter (pengatur putaran motor) - Komponen ini berfungsi sebagai pengatur kecepatan dari

putaran motor fan (rpm) secara smooth dan continous,

tidak bertahap. Inverter ini menggunakan arus 3 fase.

Inverter ini keluaran SIEMENS dengan motor 4 kutub, seru ILA5 atau sejenisnya.

30

Tugas Akhir

3.4 Alat Ukur Parameter yang diukur pada penelitian ini meliputi alat

ukur tekanaan, alat ukur torsi, dan putaran. Alat ukur dari masing-

masing parameter tersebut meliputi:

1. Pitot Static Tube

Alat ini berfungsi untuk mengukur besarnya tekanan

statis sekaligus tekanan stagnasi pada pipa cerobong turbine

ventilator.

Gambar 3.8 pitot static tube

2. Manometer Manometer digunakan sebagai pembaca perbedaan

tekanan yang terukur melalui pressure tap dan pitot tube.

Manometer yang digunakan mempunyai kemiringannya sebesar

150

hal ini dimaksudkan untuk mempermudah pembacaan h

terukur.

Gambar 3.9 Manometer yang digunakan

31

Tugas Akhir

3. Pengukuran Daya

Pada pengukuran daya, poros turbine ventilator diperpanjang dan dihubungkan pada generator DC, kemudian

generator tersebut dihubungkan dengan lampu. Ketika turbine

ventilator dialiri oleh freestream udara didalam wind tunnel, maka putaran poros yang terhubung pada generator akan sama

dengan putaran turbine ventilator sehingga generator tersebut

akan menyalakan lampu LED, kemudian besar arus dan tegangan

yang mengalir melewati kabel diukur dengan menggunakan clamp meter, adapun skema pengukuran daya dapat dilihat pada

gambar 3.10

Gambar 3.10 Mekanisme pengukuran daya

32

Tugas Akhir

Fungsi dari masing-masing komponen pengukuran daya

adalah sebagai berikut : 1. Poros

Poros digunakan untuk menghubungkan blade turbine

ventilator dengan generator DC. 2. Coupling

Coupling digunakan untuk menyambung poros turbine

ventilator dengan generator DC

3. Generator DC

Gambar 3.11 Generator DC

Generator yang digunakan adalah generator DC tipe M

136, dengan efisiensi generator sebesar 80%, merupakan

generator sederhana hasil modifikasi yang dapat membangkitkan arus listrik dengan putaran dan torsi

rendah, generator ini berfungsi untuk mengubah energi

mekanik dari putaran poros turbine ventilator menjadi energi listrik

4. Lampu LED

Lampu digunakan sebagai output dari listrik yang

dibangkitkan oleh turbine ventilator.

33

Tugas Akhir

4. Clamp Meter

Alat ini Digunakan untuk mengetahui besarnya arus dan tegangan yang dibangkitkan oleh Turbine Ventilator.

Gambar 3.12 Clamp Meter

Adapun spesifikasi dari alat ini adalah sebagai berikut :

Function Range&Resolution Accuracy (% of reading)

AC Current (50/60 Hz) True RMS 200,0 AAC (2.5% + 8 digits)

DC Current 200,0 ADC (2.0% + 5 digits)

DC Voltage 600,0 VDC (1.0% + 2 digits)

AC Voltage (50/60 Hz) True RMS 600,0 VAC (1.5% + 8 digits)

Resistance 999,9 Ω (1.5% + 8 digits)

Clamp Size : 0,7” (18mm) approx

Input Impedance : 1,0MΩ (VDC and ADC)

Operating Temperature : 14 to 122°F (-10 to 50°C)

Dimension/Weight : 164x65x32mm/175g

34

Tugas Akhir

5. Tachometer

Alat ini Digunakan untuk mengetahui besarnya putaran

Turbine Ventilator.

Gambar 3.13 Tachometer

Adapun spesifikasi dari alat ini adalah sebagai berikut :

Speed Range : 5 rpm to 100.000 rpm

Accuracy : 1 rpm or 0,01% of reading

Resolution : 1 rpm

Display : 6 digits 0,45 high liquid crystal

Display updates : Twice persecond

Temperature : 41°F (5°C) to 104°F (40°C)

Dimension/Weight : 155,7x82,6x44,5x120,7mm/0,57kg

35

Tugas Akhir

3.5 Langkah-Langkah Eksperimen

Beberapa tahap yang dilakukan selama melakukan penelitian adalah sebagai berikut:

1. Pengambilan data kuantitatif

2. Pengolahan data kuantitatif

3.5.1 Pengambilan Data Kuantitatif

Sebelum dilakukan pengambilan data terlebih dahulu

dilakukan pemasangan pitot static tube untuk mengukur tekanan statis pada dinding pipa cerobong turbine ventilator. Pitot static

tube dipasang pada inlet dan outlet pipa cerobong turbine

ventilator yaitu y/Li = 0,01 dan y/Lo =0,65 untuk turbine ventilator L/D = 1, y/Li = 0,008 dan y/Lo =0,825 untuk turbine

ventilator L/D = 2, y/Li = 0,005 dan y/Lo =0,883 untuk turbine

ventilator L/D = 3. Adapun lokasi pemasangan pitot static tube

ditunjukkan pada gambar 3.14 di bawah ini:

Gambar 3.14 Skema penelitian dan posisi pengukuran tekanan

statis pada masing-masing model uji

36

Tugas Akhir

Adapun prosedur dalam pengukurannya adalah:

1) Pengukuran temperatur dan tekanan udara di ruangan saat pengujian

2) Persiapan test section

3) Pemasangan Pitot static tube pada test section untuk mengukur besarnya kecepatan freestream wind tunnel

4) Pencatatan bacaan awal yang ditunjukkan oleh inclined

manometer

5) Penghubungan Pitot static tube ke manometer dengan selang kapiler.

6) Pencatatan bacaan akhir pada inclined manometer

7) Pengaturan kecepatan free stream berdasarkan bilangan Reynold sebesar 56.000

8) Pemasangan turbine ventilator pada test section

9) Pemasangan Pitot static tube pada pipa cerobong turbine

ventilator untuk mengukur tekanan statis 10) Pencatatan bacaan awal yang ditunjukkan oleh inclined

manometer

11) Penghubungan Pitot static tube ke manometer dengan selang kapiler.

12) Pencatatan bacaan akhir pada inclined manometer

13) Pengukuran besarnya putaran turbine ventilator 14) Pengukuran besarnya daya yang dihasilkan oleh turbine

ventilator

15) Mengulangi langkah 1– 9 dengan peningkatan kecepatan

free stream berdasarkan bilangan Reynolds sebesar 93.000, 130.000, dan 170.000

37

Tugas Akhir

3.5.2 Pengolahan Data Kuantitatif

Dari pengambilan data secara kuantitatif maka akan diplot suatu grafik yang menunjukkan unjuk kerja turbine

ventilator :

Grafik efisiensi turbine ventilator fungsi rasio panjang dan diameter turbine ventilator dan bilangan Reynolds

= f (D

L ,Re)

Grafik bilangan Strouhal fungsi rasio panjang dan diameter turbine ventilator dan bilangan Reynolds

St =f (D

L ,Re)

Grafik rasio perbedaan tekanan pipa cerobong turbine ventilator fungsi rasio panjang dan diameter turbine

ventilator dan bilangan Reynolds Kp =f (D

L ,Re)

38

Tugas Akhir

3.6 Diagram Alir Penelitian

Keseluruhan proses diatas dapat digambarkan dalam

diagram alir pada gambar 3.15

.

Gambar 3.15 Diagram alir penelitian

Adapun Urutan langkah yang akan dilakukan dalam

pengambilan data dapat digambarkan dalam diagram alir seperti

pada gambar 3.16

39

Tugas Akhir

Gambar 3.16 Diagram alir pengambilan data

STAR

T

Fan dihidupkan

Setting Posisi

Turbine Ventilator

Model Uji dengan Variasi

L/D = 1; L/D = 2 dan L/D =3

L/D = 1

Setting Re= 56.000

Catat rpm Fan

Pengambilan data

Re ≥

170.000?

L/D ≥ 3

END

L/D + 1

Re= 93.000, 130.000,

170.000

y

y

n

n

40

Tugas Akhir

3.7 Alokasi Waktu

Alokasi waktu yang direncanakan untuk melakukan

eksperimen bisa dilihat pada tabel 3.1.

Tabel 3.1 Skema alokasi waktu penelitian

41

Tugas Akhir

BAB IV

ANALISA DAN DISKUSI

4.1 Perencanaan Awal Peralatan Percobaan Untuk mendukung penelitian maka dibuat suatu instalasi

penelitian. Pada awalnya instalasi penelitian untuk

membangkitkan kecepatan freestream pada percobaan ini adalah

dengan menggunakan turbine ventilator diffuser, dengan spesifikasi sebagai berikut :

Gambar 4.1 Sketsa perencanaan instalasi Penelitian

42

Tugas Akhir

4.1.1 Perencanaan Duct

Untuk meningkatkan performance dari fan yang digunakan, maka kondisi aliran udara yang keluar dari fan harus

uniform, sehingga dibutuhkan duct agar kondisi aliran udara yang

keluar dari fan uniform. Menurut ASHRAE fundamental standart tahun 1997, duct dalam kondisi operasi harus memiliki 100% duct

effective length, hal ini seperti terlihat pada gambar 4.2

Gambar 4.2 Jarak uniform velocity profile pada outlet duct

(ASHRAE fundamental standard 1997 chapter 32)

Besarnya panjang efektif duct adalah 2 kali diameter

hydraulic dari duct, untuk perhitungan diameter hydraulic maka

digunakan persamaan berikut :

P

AD c

h

4....... ..............................................(4.1)

dimana:

cA = luas duct = 240300 mm² = 72.000 mm²

P = keliling duct = 300 + 240 mm = 540 mm

Dari nilai – nilai tersebut kemudian dimasukkan ke dalam persamaan 4.1, didapatkan :

33,533540

000.724hD mm

43

Tugas Akhir

Sehingga panjang efektif dari duct adalah 33,5332

mm = 1066,67 mm. Oleh karena itu panjang duct yang digunakan

harus 1066,67 mm. Adapun duct yang dipakai pada percobaan

ini terlihat pada gambar 4.3

Gambar 4.3 Duct

Dimensi (p x l x t) : 1500 mm x 300 mm x 240 mm

Referensi : Duct Design, ASHRAE

fundamental standard 1997

4.1.2 Perencanaan Diffuser

Diffuser berfungsi untuk mengalirkan freestream pada turbine ventilator. Diffuser juga dilengkapi honeycomb yang

berfungsi untuk membuat kecepatan freestream yang keluar dari

diffuser uniform. perencanaan diffuser mengacu pada ASHRAE standard tahun 1997 chapter 32, dengan pemilihan diffuser jenis

pyramidal seperti terlihat pada gambar 4.4

Gambar 4.4 Pyramidal diffuser

Untuk perencanaan diffuser maka dibutuhkan perhitungan rasio luas diffuser dan luas duct dengan

menggunakan persamaan berikut :

44

Tugas Akhir

00

11

0

1

HW

HW

A

A............ .................................(4.2)

dimana:

1W = lebar diffuser = 735 mm

1H = tinggi diffuser = 588 mm

0W = lebar duct = 300 mm

0H = tinggi duct 240 mm

Dari nilai – nilai tersebut kemudian dimasukkan ke dalam

persamaan 4.2, didapatkan:

240300

588735

0

1

A

A= 6

Dengan mengacu pada ASHRAE fundamental standard

tahun 1997 chapter 32, maka digunakan diffuser dengan sudut

30°. Berikut ini spesifikasi dari duct yang digunakan dalam

percoban ini :

Gambar 4.5 Pyramidal Diffuser pada instalasi percobaan

Jenis : Pyramidal Diffuser

Referensi : Duct Design, ASHRAE 1997

A1/A0 : 6

Sudut θ : 30°

Panjang : 1260 mm

Luas Honeycomb : 735 mm x 588

45

Tugas Akhir

4.1.3 Perencanaan Damper

Damper berfungsi untuk mengatur kecepatan freestream yang mengalir keluar dari diffuser. Damper dipasang sebelum udara memasuki fan, damper yang digunakan adalah jenis butterfly seperti terlihat pada gambar 4.6

Gambar 4.6 Butterfly damper

Dengan mengacu pada ASHRAE fundamental standard

tahun 1997 chapter 32 maka untuk perencanaan damper

dibutuhkan besarnya rasio 0DD . Pada perencanaan ini

digunakan rasio 0DD =1 dengan diameter damper sebesar 320

mm. Berikut ini spesifikasi dari damper yang digunakan pada instalasi penelitian

Gambar 4.7 Butterfly damper pada instalasi percobaan

Model : Butterfly Damper

Alat Ukur : Busur Derajat

0DD : 1

46

Tugas Akhir

4.1.4 Pemilihan Fan

Fan berfungsi sebagai penggerak udara dari ruangan terbuka agar melewati diffuser dengan kecepatan tertentu. Adapun

spesifikasi dari fan yang digunakan adalah sebagai berikut :

Gambar 4.8 Fan

Jenis : Centrifugal

Ukuran : 12 inch

Kapasitas : 3600 CMH

Static Pressure : 60 mmH2O

Daya : 1,5 HP

Kecepatan : 1400 rpm

Voltase/Phase : 380 volt / 3

47

Tugas Akhir

4.1.5 Perakitan Komponen dan Pengujian

Tahap selajutnya yang dilakukan adalah perakitan semua komponen tersebut kemudian diletakkan pada dudukan kayu.

Turbine ventilator diffuser diletakkan pada ketinggian 2000 mm

dari permukaan tanah agar diperoleh ketinggian ideal turbine ventilator pada kondisi operasi seperti terlihat pada gambar 4.9

Gambar 4.9 Turbine ventilator diffuser

Pada saat dilakukan perakitan semua komponen tersebut,

kemudian dilakukan pengujian hasil output kecepatan freestream

pada turbine ventilator diffuser. Namun ternyata output kecepatan

freestream terlalu rendah yaitu hanya menghasilkan kecepatan maksimal 3 m/s dengan kondisi damper fully open, dan profil

kecepatan yang dihasilkan tidak uniform, hal ini dikarenakan

besarnya headloss yang terjadi pada instalasi percobaan. sehingga media untuk membangkitkan kecepatan freestream diganti

dengan menggunakan wind tunnel dengan mengabaikan efek

blockage yang terjadi pada test section wind tunnel

48

Tugas Akhir

4.2 Contoh Perhitungan

Data yang akan digunakan pada semua contoh perhitungan ini adalah data turbine ventilator dengan

perbandingan panjang dan diameter (L/D) = 2

4.2.1 Perhitungan Bilangan Reynolds

Massa jenis udara ( )

Dari persamaan Boyle – Gay Lussac mengenai pemuaian gas

didapatkan bahwa :

2

22

1

11

T

Vp

T

Vp.............................................................(4.3)

karena m

V , maka persamaan 4.3 berubah menjadi

22

22

11

11

T

mp

T

mp ...........................................................(4.4)

dimana :

1p = tekanan absolut udara pada keadaan 1 (acuan)

= 1,01325 510 N/m

2

1T = temperatur udara pada keadaan 1 (acuan)

= 288,2 K

1 = massa jenis udara pada keadaan 1 (acuan)

= 1,2250 kg/m3

1m = massa udara pada keadaan 1 (acuan)

2p = tekanan absolut udara pada keadaan 2 (penelitian)

2T = temperatur udara pada keadaan 2 (penelitian)

= 29° C = 302 K

2 = massa jenis udara pada keadaan 2 (penelitian)

2m = massa udara pada keadaan 2 (penelitian).

Keadaan 1 dan 2 berada pada ketinggian yang sama sehingga

21 pp dan karena massa udara pada keadaan 1 dan 2 sama,

49

Tugas Akhir

maka 21 mm . Dari batasan tersebut, maka persamaan 4.4

menjadi :

2

112

T

T

..................................................................(4.5)

169,1302

225,12,2882 kg/m

3

Viskositas Udara ( )

Untuk perhitungan viskositas udara digunakan persamaan

Sutherland, yaitu :

TS

bT 23

..................................................................(4.6)

dimana untuk udara :

b = 1,458 10-6

21msK

kg

4,110S K

T = temperatur saat pengujian = 302 K


3024,110

)302(10458,1 23

6

5109,1 kg/ms

Kecepatan Freestream (U )

Untuk perhitungan kecepatan freestream digunakan

persamaan berikut:

udara

oil hgU

15sin22.....................(4.7)

50

Tugas Akhir

dimana :

oil = massa jenis red oil

= 196,803804,0999oilair SG kg/m3

g = percepatan gravitasi bumi = 9.81 m/s²

h = selisih pembacaan pada skala manometer = 3104 m

udara = massa jenis udara = 1,169 kg/m3


5169,1

15sin104281,9196,8032 3

U m/s

Bilangan Reynolds, Re

Perhitungan bilangan Reynolds didasarkan pada diameter pipa cerobong turbine ventilator, D. Persamaan untuk

menghitung bilangan Reynolds adalah sebagai berikut :

DU

Re ............................................................. (4.8)

dimana :

= massa jenis udara = 1,169 kg/m3

= viskositas udara = 5109,1 kg/ms

D = diameter cerobong turbine ventilator = 300 mm= 0,3 m

U = kecepatan freestream udara = 5 m/s

Dengan menggunakan persamaan 4.8 didapatkan bilangan Reynolds sebagai berikut :

000.93109,1

103005169,1Re

5

3

51

Tugas Akhir

3.2.1 Perhitungan Efisiensi,

Daya turbine ventilator, P

Daya turbine ventilator dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

IVP ...................................................(4.9)

dimana :

V = Tegangan yang dibangkitkan oleh turbine ventilator

= 3,9 Volt

I = Arus listrik yang dibangkitkan oleh turbine ventilator

= 0,9 Ampere

sehingga dengan persamaan 4.9 dapat dihitung besar Daya turbine ventilator sebagai berikut :

51,39,09,3P Watt

Daya total turbine ventilator, totP

Daya total turbine ventilator dihitung dengan menggunakan

persamaan berikut:

gen

tot

PP

..................................................(4.10)

dimana :

P = Daya turbine ventilator = 3,51 Watt

gen = efisiensi generator = 0,80

sehingga dengan persamaan 4.10 dapat dihitung besar Daya

total turbine ventilator sebagai berikut :

38,480,0

51,3totP Watt

Efisiensi turbine ventilator ,

Efisiensi turbine ventilator dihitung dengan menggunakan

persamaan sebagai berikut:

52

Tugas Akhir

32UD

P.......................................................(4.11)

dimana:

P = daya yang dibangkitkan turbine ventilator = 3,51 Watt


D = diameter pipa cerobong turbine ventilator = 0,3 m


Dari data tersebut dapat dihitung koefisien daya sebagai berikut:

27,0)5()3,0(169,1

51,332

3.2.2 Perhitungan Bilangan Strouhal, St

Kecepatan angular turbine ventilator, ω

Kecepatan angular turbine ventilator dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

60

2 n...................................................................(4.12)

dimana :

n = putaran turbine ventilator = 322 rpm

Dari data tersebut dapat dihitung kecepatan sudut turbine ventilator sebagai berikut:

70.3360

32214.32rps

Bilangan Strouhal, St

Perhitungan bilangan Strouhal adalah sebagai berikut :

U

DSt ................................................................(4.13)

dimana :

= kecepatan sudut turbine ventilator = 33,70 rps

D = diameter cerobong turbine ventilator = 0,3 m

53

Tugas Akhir


Dari data tersebut dapat dihitung bilangan Strouhal sebagai

berikut:

5

3,070,33St 2,02

3.2.3 Perhitungan Koefisien Perbedaan Tekanan, Kp

Perbedaan tekanan statis pada inlet dan outlet pipa

cerobong turbine ventilator, p

Untuk menghitung perbedaan tekanan statis pada pipa

cerobong turbine ventilator maka terlebih dahulu dihitung besarnya tekanan statis dan dinamis pada inlet dan outlet pipa

cerobong.

Tekanan statis pada inlet pipa cerobong turbine ventilator, pi

sin212 hhgSGpi airredoil ……(4.14)

dimana:


air = massa jenis air = 999 kg/m3

g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2

1h = bacaan awal manometer = 224 mm

= 224310 m

2h = bacaan akhir manometer

= 215 mm = 215310 m

= sudut kemiringan manometer = 15°

dari data tersebut dapat dihitung besar tekanan statis

freestream sebagai berikut:

15sin21022421581,9999804,0 3pi

= -36,60 N/m2

Adapun Tekanan statis pada outlet pipa cerobong turbine ventilator, po :

54

Tugas Akhir

sin212 hhgSGpo airredoil …...(4.15)

dimana:


air = massa jenis air = 999 kg/m3

g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2

1h = bacaan awal manometer = 224 mm

= 224310 m

2h = bacaan akhir manometer = 218 mm

= 218310 m

= sudut kemiringan manometer = 15°

Dari data tersebut dapat dihitung besar tekanan statis pada outlet pipa cerobong sebagai berikut:

15sin21022421881,9999804,0 3po

= -24,40 N/m2

Sehingga perbedaan tekanan statis antara inlet dan outlet pipa cerobong turbine ventilator adalah :

pipop ...........................................................(4.16)

dimana:

po = tekanan statis pada inlet pipa cerobong

= -24,40 N/m2

pi = tekanan statis pada outlet pipa cerobong

= -36,60 N/m2

dari data tersebut dapat dihitung besarnya perbedaan tekanan

statis antara inlet dan outlet pipa cerobong turbine ventilator, sebagai berikut :

20,1260,3640,24p N/m2

Koefisien perbedaan tekanan , Kp

Koefisien perbedaan tekanan dihitung dengan menggunakan

persamaan sebagai berikut:

55

Tugas Akhir

2

U

pKp ............................................................(4.17)

dimana:

p = perbedaan tekanan antara inlet dan outlet pipa

cerobong = 12,20 N/m2



Dari data tersebut dapat dihitung koefisien perbedaan tekanan

sebagai berikut:

42,0)5(169,1

20,122

3.2.4 Perhitungan Ketidakpastian Pengukuran Bilangan

Strouhal, St

Perhitungan ketidakpastian pengukuran bilangan Strouhal

adalah sebagai berikut :

h

h

D

D

St

St

2

)(....................(4.18)

dimana :

= error dalam pengukuran 1n rpm

= 0,104 rps

= hasil pengukuran kecepatan angular

turbine ventilator = 33,70 rps

D = error dalam pengukuran diameter = 0,5 mm

D = pengukuran diameter turbine ventilator = 300 mm

)( h = error pembacaan manometer pada freestream

= 1 mm

h = hasil pembacaan manometer pada freestream

= 4 mm

56

Tugas Akhir

Dari data tersebut dapat dihitung nilai ketidakpastian

pengukuran koefisien kecepatan sudut turbine ventilator sebagai berikut:

)4(2

1

300

5,0

70,33

104,0

St

St

13,0St

St

%10013,0%St

St

%13%St

St

Sehingga besar ketidakpastian relatif dari pengukuran K

adalah : 2,02 %13

3.2.5 Perhitungan Ketidakpastian Pengukuran Efisiensi

Turbine Ventilator,

Perhitungan ketidakpastian pengukuran efisiensi turbine


h

h

D

D

I

I

V

V

2

)(32........(4.19)

dimana :

V = error dalam pengukuran tegangan = 0,01 V

V = hasil pengukuran tegangan = 3,90 V

I = error dalam pengukuran arus listrik = 0,02 A

I = hasil pengukuran arus listrik = 0,90 A

D = error dalam pengukuran diameter = 0,5 mm

D = pengukuran diameter turbine ventilator 300 mm


= 0,5 mm


= 4 mm

57

Tugas Akhir

Dari data tersebut dapat dihitung nilai ketidakpastian

pengukuran efisiensi sebagai berikut:

)4(2

)5,0(3

300

)5,0(2

90,0

02,0

90,3

01,0

216.0

%100216.0%

%6,21%

Sehingga besar ketidakpastian relatif dari pengukuran

adalah : 0,27 %6,21

3.2.6 Perhitungan Ketidakpastian Pengukuran Koefisien

Perbedaan Tekanan, Kp

Perhitungan ketidakpastian pengukuran koefisien perbedaan

tekanan pada inlet dan outlet pipa cerobong turbine


h

h

h

h

Kp

Kp

x

x )()(.........................(4.20)

dimana :

)( xh = error dalam pembacaan manometer pada inlet

dan

Outlet pipa cerobong = 0,5 mm

xh = hasil pembacaan manometer pada inlet dan outlet

pipa cerobong = 3 mm


= 0,5 mm


58

Tugas Akhir

= 4 mm

Dari data tersebut dapat dihitung nilai ketidakpastian pengukuran koefisien perbedaan tekanan turbine ventilator

sebagai berikut:

4

5,0

3

5,0

Kp

Kp

292.0Kp

Kp

%100292.0%Kp

Kp

%2,29%Kp

Kp

Sehingga besar ketidakpastian relatif dari pengukuran Kp

adalah : 0,42 %2,29

59

Tugas Akhir

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

1 2 3

Re = 170000

Re = 130000

Re = 93000

Re = 56000

L/D

Kp

4.2 Analisa Grafik

4.2.1 Grafik Koefisien perbedaan tekanan pada pipa cerobong turbine ventilator (Kp) fungsi rasio panjang dan diameter turbine

ventilator (L/D) dan bilangan Reynolds (Re)

Gambar 4.10 Grafik Kp = f (L/D, Re)

Gambar 4.10 menunjukkan besarnya koefisien perbedaan

tekanan pada masing-masing jenis turbine ventilator berdasarkan

besarnya bilangan Reynolds, koefisien perbedaan tekanan (Kp) merupakan representasi dari besarnya perbedaan tekanan statis

yang diukur pada inlet dan outlet pipa cerobong turbine

ventilator. Pada nilai bilangan Reynolds yang konstan terlihat bahwa

nilai Kp semakin naik seiring naiknya L/D, dimana turbine

ventilator dengan L/D=3 memiliki nilai Kp yang paling besar kemudian diikuti L/D=2 dan L/D=1. Besarnya ketidakpastian

60

Tugas Akhir

relatif dari nilai error yang mungkin dilakukan akibat ketelitian

dalam pengukuran dari harga Kp adalah sebagai berikut :

Tabel 4.1 Persentase error akibat ketelitian dalam pengukuran Kp

Besarnya nilai batas atas dan batas bawah dari range pengukuran

yang disebabkan persentase error yang terjadi dapat dilihat pada grafik berikut ini :

Reynolds % error rata-rata

Kp

56.000 51,4

93.000 28,9

130.000 12,3

170.000 8,5

61

Tugas Akhir

Gambar 4.11 Batas atas dan batas bawah error pada Re=56.000

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

1 2 3

Re = 93000

Bts atas

Bts bawah

L/D

Kp

62

Tugas Akhir



0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1 2 3

Re = 130000

Bts atas

Bts bawah

L/D

Kp

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

1 2 3

Re = 170000

Bta atas

Bts bawah

L/D

Kp

63

Tugas Akhir


Sehingga dikarenakan besarnya nilai error yang mungkin terjadi

akibat ketelitian dalam pengukuran maka belum bisa dipastikan

bahwa turbine ventilator dengan L/D=3 memiliki nilai Kp yang paling besar kemudian diikuti L/D=2 dan L/D=1. Hampir dapat

dipastikan bahwa nilai Kp pada tiap jenis turbine ventilator

besarnya sama.

Pada turbine ventilator dengan L/D yang konstan terlihat bahwa semakin besar bilangan Reynolds maka nilai Kp juga akan

semakin besar. Hal ini dapat dianalisa dengan menggunakan

persamaan energi, yaitu ketika bilangan Reynolds semakin besar maka kecepatan freestream yang mengalir menuju turbine

ventilator juga akan semakin besar dan akibatnya putaran turbine

ventilator juga semakin besar. Sehingga daya hisap yang

dilakukan oleh turbine ventilator akan bertambah akibatnya debit udara yang mengalir pada pipa cerobong turbine ventilator akan

semakin besar. Oleh karena itu akan terjadi loses yang besar

antara inlet dan outlet pipa cerobong turbine ventilator, karena rasio panjang dan diameter turbine ventilator tetap, maka

perbedaan tekanan antara inlet dan outlet pipa cerobong turbine

ventilator juga akan naik, sehingga nilai Kp juga akan naik.

4.2.2 Grafik bilangan Strouhal (St) fungsi rasio panjang dan

diameter turbine ventilator (L/D) dan bilangan Reynolds (Re)

64

Tugas Akhir

Gambar 4.15 Grafik St = f (L/D,Re)

Gambar 4.15 menunjukkan grafik besarnya bilangan Stouhal pada masing masing jenis turbine ventilator berdasarkan

besarnya bilangan Reynolds. Bilangan Stouhal pada (St)

merupakan representasi dari besarnya putaran turbine ventilator. Pada bilangan Reynolds yang konstan turbine ventilator

dengan L/D=2 memiliki nilai St yang paling besar kemudian

diikuti oleh turbine ventilator dengan L/D=1 dan L/D=3.

Besarnya ketidakpastian relatif dari nilai error yang mungkin dilakukan akibat ketelitian dalam pengukuran dari harga St adalah

sebagai berikut:

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

1 2 3

Re = 170000

Re = 130000

Re = 93000

Re = 56000

L/D

St

65

Tugas Akhir

Tabel 4.2 Persentase error akibat ketelitian dalam pengukuran St


yang disebabkan persentase error yang terjadi dapat dilihat pada

grafik berikut ini :


0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

1 2 3

Re = 56000

Bts atas

Bts bawah

L/D

St


St

56.000 34,3

93.000 13,0

130.000 7,1

170.000 4,7

66

Tugas Akhir



0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

1 2 3

Re = 93000

Bts atas

Bts bawah

L/D

St

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

1 2 3

Re = 130000

Bts atas

bts bawah

L/D

St

67

Tugas Akhir



akibat ketelitian dalam pengukuran maka belum bisa dipastikan bahwa turbine ventilator dengan dengan L/D=2 memiliki nilai St

yang paling besar kemudian diikuti oleh turbine ventilator dengan

L/D=1 dan L/D=3. Hampir dapat dipastikan bahwa nilai St pada tiap jenis turbine ventilator besarnya sama.

Pada turbine ventilator dengan L/D yang konstan terlihat

bahwa dengan semakin besarnya bilangan Reynolds yang

diberikan maka harga St juga semakin besar. Hal ini dapat dianalisa dengan menggunakan persamaan moment of momentum

yaitu ketika bilangan Reynolds semakin besar maka kecepatan

freestream yang mengalir menuju turbine ventilator akan semakin besar, sehingga kecepatan tangensial dari sudu turbine ventilator

juga akan semakin besar, karena kecepatan tangentsial merupakan

perkalian dari kecepatan angular dan jari-jari turbine ventilator dimana jari-jari turbine ventilator konstan maka kecepatan

angular dari turbine ventilator juga akan semakin besar.

Akibatnya putaran yang dihasilkan turbine ventilator semakin

besar sehingga harga St juga semakin besar.

1,35

1,40

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

1 2 3

Re = 170000

Bts atas

Bts bawah

L/D

St

68

Tugas Akhir

4.2.3 Grafik efisiensi turbine ventilator ( ) fungsi rasio panjang

dan diameter turbine ventilator (L/D) dan bilangan Reynolds (Re)

Gambar 4.20 Grafik = f (L/D,Re)

Gambar 4.20 menunjukkan besarnya koefisien daya yang

dihasilkan oleh masing-masing jenis turbine ventilator

berdasarkan besarnya bilangan Reynolds. Besarnya efisiensi ( )

merupakan representasi dari besarnya daya listrik yang dihasilkan

oleh turbine ventilator. Pada bilangan Reynolds yang konstan turbine ventilator

dengan L/D=2 memiliki harga yang paling besar kemudian

diikuti oleh turbine ventilator L/D=3 dan turbine ventilator L/D=1. Pada pembahasan sebelumnya telah dijelaskan bahwa

dengan besarnya nilai ketidakpastian relatif dari pengukuran St,

maka hampir bisa dipastikan bahwa nilai St pada tiap jenis

turbine ventilator besarnya sama. Sehingga putaran dari tiap jenis turbine ventilator juga hampir sama, sehingga dengan

menggunakan generator DC yang berfungsi merubah energi

mekanik dari putaran Turbine ventilator menjadi listrik, maka

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1 2 3

Re = 170000

Re = 130000

Re = 93000

Re = 56000

L/D

ή

69

Tugas Akhir

hampir bisa dipastikan bahwa arus listrik dan tegangan yang

dihasilkan oleh generator DC besarnya sama, sehingga daya yang dihasilkan pada tiap jenis turbine ventilator juga besarnya hampir

sama. Hal ini juga dapat dilihat dari nilai ketidakpastian relatif

dari error yang mungkin dilakukan akibat ketelitian dalam

pengukuran dari harga adalah sebagai berikut :

Tabel 4.3 Persentase error akibat ketelitian dalam pengukuran Kd


yang disebabkan persentase error yang terjadi dapat dilihat pada

grafik berikut ini :


Kd

56.000 55,5

93.000 22,2

130.000 14,4

170.000 10,4

70

Tugas Akhir

Gambar 4.21 Batas atas dan batas bawah error pada Re = 56.000

Gambar 4.22 Batas atas dan batas bawah error pada Re =93.000

71

Tugas Akhir



0,000,020,040,060,080,100,120,140,160,180,20

1 2 3

Re = 130000

Bts atas

Bts bawah

L/D

ή

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

1 2 3

Re = 170000

Bts atas

Bts bawah

72

Tugas Akhir


akibat ketelitian dalam pengukuran maka belum bisa dipastikan bahwa turbine ventilator dengan L/D=2 memiliki harga Kd yang

paling besar kemudian diikuti oleh turbine ventilator L/D=3 dan

turbine ventilator L/D=1. Hampir dapat dipastikan bahwa nilai

pada tiap jenis turbine ventilator besarnya sama.

Pada turbine ventilator dengan L/D yang konstan terlihat

bahwa dengan semakin besarnya bilangan Reynolds yang

diberikan maka harga juga semakin besar, hal ini bisa dianalisa

dengan menggunakan persamaan moment of momentum, yaitu

ketika bilangan Reynolds semakin besar maka kecepatan

freestream yang mengalir menuju turbine ventilator akan semakin besar sehingga kecepatan tangensial, kecepatan angular dan laju

aliran massa juga semakin besar. Karena daya turbine ventilator

merupakan fungsi dari kecepatan angular, kecepatan tangensial, dan laju aliran massa, maka maka daya mekanik yang dihasilkan

oleh turbine ventilator juga semakin besar sehingga daya listrik

yang dihasilkan oleh generator DC yang berfungsi merubah energi mekanik dari putaran poros menjadi energi listrik juga

semakin besar. Sehingga harga juga semakin besar.

73

Tugas Akhir


74

Tugas Akhir

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Beberapa kesimpulan yang dapat diambil setelah melakukan penelitian dan analisa data adalah sebagai berikut:

1. Dari hasil pengujian melalui eksperimental dapat

dibuktikan bahwa turbine ventilator yang selama ini

hanya dipakai sebagai ventilasi udara didalam ruangan dapat diaplikasikan untuk membangkitkan arus listrik.

2. Pada bilangan Reynolds yang semakin tinggi, perbedaan

tekanan pada inlet dan outlet pipa cerobong turbine ventilator dengan rasio panjang dan diameter pipa

cerobong sebesar 1, 2, dan 3 juga akan semakin besar

3. Pada bilangan Reynolds yang semakin tinggi, besarnya

putaran yang dihasilkan oleh turbine ventilator dengan rasio panjang dan diameter sebesar 1, 2 dan 3 juga akan

semakin besar

4. Pada bilangan Reynolds yang semakin tinggi, besarnya daya yang dihasilkan oleh turbine ventilator dengan rasio

panjang dan diameter turbine ventilator sebesar 1,2 dan 3

juga akan semakin besar

5.2 Saran

Beberapa saran yang dapat diberikan setelah melakukan

penelitian dan mungkin berguna untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut:

1. Turbine ventilator perlu dikaji lebih lanjut agar bisa

optimal untuk dimanfaatkan sebagai micro power plant. 2. Peralatan yang digunakan untuk membangkitkan

kecepatan freestream sebaiknya menggunakan turbine

ventilator diffuser dengan kapasitas fan yang besar pada ketinggian 50m diatas permukaan tanah

3. Peralatan ukur yang digunakan harus teliti dan

dikaliberasi, sehingga dapat memberikan hasil yang

optimal dalam pengukuran

75

Tugas Akhir


76

Tugas Akhir

DAFTAR PUSTAKA

Fox, R.W. & McDonald, A. T., 1998, Introduction to Fluid

Mechanics, 5th

edition, John Wiley and Son, Inc. Khan, N., Su, Y & Riffat, S.B., 2008 A Review on Wind Driven

Ventilation Techniques, Energy and Buildings 40 (2008)

1586–1604.

Lai, C.M., 2003, Experiments on the Ventilation Efficiency of Turbine Ventilators Used for Building and Factory

Ventilation. Energy and Buildings 35 (2003) 927–932.

Lai, C.M. 2005, Prototype Development of The Rooftop Turbine Ventilator Powered by Hybrid Wind and Photovoltaic

Energy. Energy and Buildings 38 (2006) 174–180.

Pudjanarsa, Astu. & Nursuhud, Djati. 2005. Mesin Konversi

Energi. Penerbit ANDI. Revel, A., & Huynh, B.P. Characterising Roof Ventilators. 15th

Australasian Fluid Mechanics Conference The University

of Sydney, Sydney, Australia. Parsons, Robert A. 1997. ASHRAE Handbook. Colorado : USA

www.energi.lipi.go.id

www.wikipedia.org

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang - digilib.its.ac.id · Tugas Akhir BAB I PENDAHULUAN 1.1. ......

Documents

Transcript of BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang - digilib.its.ac.id · Tugas Akhir BAB I PENDAHULUAN 1.1. ......