materi teknik mesin

8/13/2019 materi teknik mesin

1/40

405

BAB 20 PRINSIP DASAR ALIRAN

Indonesia mempunyai potensi sumber daya alam yang besar yangdapat dimanfaatkan, khususnya sumber daya air yang sangat berlimpah.Air yang tersimpan di danau, waduk atau yang mengalir di sungai,mempunyai energi potensial yang besar dan dapat dimanfaatkan untukmenggerakan turbin air [gambar 20.1, 20.2, 20.3]. Dengan membangunbendungan-bendungan pada tempat-tempat yang tinggi, misalnya dipegunungan-pegunungan, air dapat diarahkan dan dikumpulkan padasuatu tempat, tempat tersebut dinamakan waduk atau danau buatan.Dengan memanfaatkan beda tinggi, air dapat dialirkan melalui saluransaluran ke turbin air, yang dipasang di bawah waduk.

Gambar 20.1 Waduk sebagai sumber energi potensial air


2/40

406

Gambar

Gambar 20.2 Instalasi Turbin air pada aliran sungai

Gambar 20.3 Instalasi pembangkit listrik tenaga air (Micro Hydro)

masuk

ke luar

kanal

pintu masuk air

penstok

turbin

pipa hisap


3/40

407

Sebagai contoh pada gambar 20.3 terlihat di bawah wadukdibangun rumah pusat tenaga, di dalam rumah tersebut terdapat turbinpelton dengan sudu-sudunya, yang menerima semprotan air dari nosel-nosel, sehingga roda turbin berputar. Air dari turbin kemudian dialirkan

ke sungai. Air waduk mempunyai beda tinggi H, sehingga air mempunyaienergi potensial, yang akan mengalir sampai ke turbin air. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran diubah menjadi energi mekanik yaitu putaranroda turbin. Apabila roda turbin dihubungan dengan poros generator listik,maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrikpada generator.

Dari uraian di atas, dapat ditarik kesimpulan bahwa turbin air akanmengubah energi kinetik air menjadi energi mekanik, yaitu putaran rodaturbin. Pada kondisi aktual, tidak semua energi potensial air dapat diubahmenjadi energi mekanik pada turbin, pasti dalam proses perubahan

terdapat kerugian-kerugian. Dari hal tersebut dapat didefinisikan efisiensidari turbin yaitu perbandingan daya pada turbin dengan daya air padawaduk. Adapun perumusannya adalah ;

wadukpembangkitairdaya

mekanikkeluarandaya=

Air dari waduk akan mengalir dengan kapasitas tertentu dalamsaluran yang menuju turbin. Pada turbin air terdapat pengaturankapasitas untuk memvariasi kapasitas aliran. Pengaturan kapasitas aliran

masuk turbin dimaksudkan untuk merespon beban dan perubahan head.Perubahan head pada waduk terjadi karena curah hujan tidak samasepanjang tahun. Di Indonesia yang beriklim tropis terdapat dua musimyaitu musim kemarau dan penghujan. Pada musin kemarau headpadakondisi paling rendah dan sebaliknya pada musim penghujan headpalingtinggi

Disamping turbin pelton untuk pembangkitan seperti di atas, dapatdigunakan jenis turbin air lainnya. Dengan menggunakan dasar mekanikafluida kita dapat menentukan energi potensial aliran, daya turbin, dankarakteristik turbin air lainnya.

Contoh soal 1

Dengan kapasitas tertentu dan head tertentu sebuah pembangkit listriktenaga air mempunyai daya air sebesar P = 180000 KW, sedangkandaya yang dihasilkan turbin adalah P = 160000 KW. Hitung efisiensiturbin tersebut !.Jawab :

Efisiensi turbin adalah perbandingan daya turbin dengan daya air. Dari

rumus efisiensi turbin yaitu =

KW

KW

180000

1600000,888.


4/40

408

A. Sejarah Turbin Air

Orang Cina dan Mesir kuno sudah mengunakan turbin air sebagaitenaga penggerak. Pada gambar 20.4 adalah contoh turbin air palingkuno, biasa dinamai roda air. Roda air dengan poros horizontal dipasangpada aliran sungai, sebagian dari roda air dimasukan ke aliran sungai,sehingga buket-bucket terisi air dan terdorong. Karena dorongan itulahroda air berputar. Karena teknologinya masih kuno, roda air hanyamenghasilkan daya rendah dengan efisiensi rendah.

Gambar 20.4 Roda air kuno

Perkembangan teknologi turbin kelihatan berkembang cepat mulaiabad 18 dan 19. Daya dan efisiensi turbin yang dihasilkan semakin tinggidan sejak saat itu, turbin mulai diproduksi komersial di industri-industri.Pada tahun 1750, J.A. Segner membuat roda jalan dimana roda jalan inimenerima gaya impuls dari jet air sehingga dapat memutar turbin. Padatahun 1824, Burdin orang Prancis, mengenalkan desain turbinnya untukdesertasi, selanjutnya pada tahun 1827, Fourneyron membuat turbindengan diameter roda jalan 500 mm, dapat menghasilkan daya 20 - 30kW [gambar 20.5]

Gambar 20.5 Turbin Fourneyron

poros roda air

roda air

bucket-bucket

pondasi

air sungai

poros vertikal

roda jalansudu pengarah


5/40

409

Pada tahun 1850, seorang insinyur Inggris yaitu Francismengenalkan teknologi turbinnya, turbin ini kemudian dinamakanmenggunakan namanya yaitu Francis. Turbin francis terdiri dari sudupengarah dan roda jalan, Aliran air masuk turbin melalui sudu pengarah,

selanjutnya masuk roda jalan. Pada tahun 1870, Prof Fink memperbaikiturbin francis, yaitu dengan memodifikasi sudu pengarahnya. Sudupengarah dapat diatur untuk merespon kapasitas aliran air yang masukturbin [gambar 20.7 A]

Pada tahun 1890, insinyur Amerika yaitu Pelton, mengenalkanturbinnya, yang kemudian dinamakan menggunakan namanya pelton.Prinsip turbin ini berbeda dengan turbin francis, turbin peltonmenggunakan prinsip impuls. Roda jalan pada turbin ini terdiri daribucket-bucket yag akan menerima semprotan air dari nosel-nosel.Karena semprotan air dari nosel, bucket -bucket pada roda jalan

menerima gaya impuls sehingga dapat menghasilkan torsi pada porosturbin [gambar 20.6, 22.7 B]

Prof Kaplan pada tahun 1913 membuat turbin untuk beroperasipada head yang rendah. Turbin ini terdiri dari roda jalan dengan suduyang mirip dengan baling baling. Selanjutnya prof Kaplanmengembangkan turbin ini dengan sudu yang dapat diatur. Nama turbinmenggunakan namanya yaitu Turbin Kaplan [gambar 20.7 A]

Gambar 20.6 Turbin Fourneyron

bucket-bucket

bantalan poros

noselkonstruksi penyangga

pengatur nosel

roda peyeimbang


6/40

410

Gambar 20.7 Tipe turbin air yang paling populer

pengatur sudu

turbin francis A

turbin kaplan C

turbin pelton B

noselbucket-bucket

rotor

Sudu jalan

sudu pengarah

sudu jalan atau baling baling

sudu pengarah

sudu jalan atau runner

poros turbin


7/40

411

B. Instalasi Pembangkit Tenaga Air

Sebelum melakukan pembangunan pusat pembangkit listriktenaga air, diperlukan uji kelayakan terhadap sumber air yang akandimanfaatkan energi potensialnya. Terutama ketersedian head dankapasitas terpenuhi dari bendungan atau waduk untuk beban yangdirancang. Ada beberapa kategori head tersedia yang diklasifikasikansebagai berikut [gambar 20.8];

1. head tinggi ( lebih dari 240 m)2. head sedang ( 30 m to 240 m)

3. head rendah ( kurang dari 30 m )

Gambar 20.8 Tingkat head sumber air

Setelah mengetahui ketersedian head yang ada, selanjutnyamenentukan jenis turbin dan beban yang terpasang. Beban yangterpasang atau daya ke luaran yang direncankan tidak boleh melampauidari ketersedian energi potensial air, karena efisiensi maksimum operasitidak akan tercapai dan dari segi ekonomis merugikan. Berikut iniklasifikasi dari jenis pembangkit dilihat dari daya ke luaran turbin ;

1. Large-hydro; daya ke luaran sampai 100 MW

2. Medium-hydro; daya ke luaran mulai 15 - 100 MW3. Small-hydro;daya ke luaran mulai 1 - 15 MW

4. Mini-hydrodaya ke luaran mulai 100 kW- 1 MW5. Micro-hydro;daya ke luaran sampai dari 5kW - 100 kW6. Pico-hydro;daya ke luaran sampai 5kW

head rendahhead sedang head tinggi

turbin

tandon air waduk

bendungan

arus sungai

turbin

penstok

Dam

Dam


8/40


9/40

413

pipahisap

turbin

rumahturbin

wadukataualransu

ngai

dum

ataubendung

an

penstok

saluran

buang

Gambar20.9

Instalasiturbinair


10/40

414

C. Energi Potensial Aliran Air

Gambar 20.10 Perubahan energi pada instalasi turbin air

energi

potensial

energikinetik

energi

listrik

energi mekanik

aliran listrik

muka air

turbin

penstoksaluran

buang

dam atau

bendungan

turbin

generator


11/40

415

Air yang mengalir melalui saluran mempunyai energi dan energitersebut dapat diubah bentuknya [gambar 20.10], adapun perubahanbentuk energinya oleh Bernoulli dirumuskan sebagai berikut ;

2

2

cmpmzgmW ++=

(Nm)

Jadi selama mengalir, energi potensial dapat berubah bentuk menjadibentuk lainya yaitu energi potensial, energi tekanan, dan energikecepatan.

C.1. Head air

Apabila ruas kanan dan kiri dibagi dengan mg,maka persamaan di atasmenjadi persamaan tinggi jatuh atau head ;

g

c

g

pzH

2

2

+

+=

= konstan

dimana H = tinggi jatuh air atau head total (m)z = tinggi tempat atau head potensial (m)

g

p

= tinggi tekan atau head tekan (m)

g

c

2

2

= tinggi kecepatan atau head kecepatan (m)

Pada tiap saat dan posisi yang ditinjau dari suatu aliran di dalampipa akan mempunyai jumlah energi ketinggian tempat, tekanan, dankecepatan yang sama besarnya. Persamanan Bernoulli umumnya ditulisdalam bentuk persamaan ;

g

c

g

pz

g

c

g

pz

22

2

222

2

111 +

+=+

+

Arti dari persamaan di atas adalah pada posisi satu pada gambar20.10 aliran air akan mempunyai kecepatan dan tekanan tertentu,perubahan energi terjadi karena terjadi perubahan penampang. Karenaluas penampang menjadi kecil, kecepatan aliran airnya naik, sedangkantekanannya menjadi turun. Jadi posisi dua energi kecepatannya lebihbesar dari pada posisi satu, dan energi tekanan pada posisi 2 lebih kecildibanding posisi satu.


12/40

416

D. Prinsip Peralian Energi Aliran

Aliran zat cair akan mengalami perubahan energi dai bentuk satukebentuk lainnya. Pada persamaan Bernoulli terlihat aliran mempunyaienergi tempat, tekan dan energi kecepatan. Proses perubahan energidari energi aliran menjadi energi mekanik dapat dilihat pada gambar20.11. Dari gambar tersebut menunjukkan model perubahan ada duacara yaitu prinsip impuls dan prinsip reaksi.

Prinsip impuls dapat dijelaskan sebgai berikut. Pada gambar 20.11adalah sebuah papan beroda sehingga dapat berjalan, pada papandipasang sudu. Apabila sudu disemprot air, aliran air akan menumbuksudu dengan gaya impuls F, dan sudu akan terdorong dengan arah yangsama dengan gaya yang bekerja, maka papan akan berjalan searahgaya F. Jadi gerakan papan searah dengan gaya yang beraksi pada

sudu. Ini adalah prinsip dasar dari turbin impuls.

Gambar 20.11 Prinsip impuls dan reaksi

F

Faksi

F

Freaksi

impuls atau aksi reaksi

c2

c1

c1

c2


13/40

417

Gambar 20.12 Prinsip impuls dan reaksi pada roda jalan pelton danfrancis

Prinsip reaksi dapat dijelaskan sebagai berikut. Turbin akanberputar karena dilewati air dari bejana, artinya sudu turbin akan bereaksidengan gaya yang berlawanan arah dengan gaya yang diberikan aliranair.

E. Daya Turbin

Bila diketahui kapasitas air dan tinggi air jatuh H, dapat ditentukandaya turbin P ( kW) yaitu ;

QP = [daya potensial air]

dimana P = daya (potensial air) turbin (kW)Q = kapasitas atau debit air (m3/dtk)g = percepatan gravitasi (kg/m2)H = tinggi jatuh air (m)

c2

c1c1

c2

runner turbin francis

roda jalan pelton

sudu

buket


14/40

418

massa aliran dapat dihitung dengan persamaan ;

=

Qm dimana

m = adalah laju aliran masa ( kg/dtk)

perhitungan daya persamaan di atas dapat diubah menjadi

HgmP =

atau

YmP =

Y = kerja spesifik (J/kg) Y =

Daya potensial air pada instalasi apabila dikalikan dengan efisiensi turbinair terpasang maka daya turbin dengan tinggi jatuh air sebesar H adalah

tHgQP .= dengan T = efisiensi turbin

dari perumusan terlihat bahwa daya turbin sangat bergantung dari besar

kapasitas aliran air dan tinggi jatuh air.

Daya yang dihasilkan dari proses konversi energi pada sudu-suduturbin adalah :

( )uu cucuQP 2211.. = [daya poros turbin]

dengan c1u = kecepatan absolut masuk arah u

c2u = kecpatan absolut ke luar arah u

apabila daya potensial air dan daya poros tubin bila disamakan akandidapat persamaan :

( ) Tuu HgQcucuQP == 2211..

( ) Tuu Hgcucu = 2211.

( )

T

uu

g

cucuH

2211.

= [head turbin]

Secara sederhana dapat dinyatakan bahwa semakin tinggi tinggi

jatuh air, dengan kapasitas aliran sama, akan mempuyai energi potensial

c1

c2

u

c2

c1= kecepatan absolut masuku = kecepatan roda turbin

c2= kecepatan absolut ke luar


15/40

419

yang lebih besar dibandingkan dengan tinggi jatuh air yang lebih rendah.Logika tersebut juga berlaku sebaliknya, yaitu untuk tinggi jatuh air yangsama, energi potensial yang dimiliki akan lebih besar apabila kapasitasaliran air juga besar.

Untuk menentukan luas penampang saluran aliran air masuk turbindapat dihitung dengan persamaan kontinuitas yaitu ;

vQ = sehinggav

QA =

dimana A = luasan penampang saluaran (m2)

v = kecepatan aliran air (m/dtk)Kecepatan aliran air akan besar pada penampang yang semakin kecil,

pada kapasitas aliran air yang sama. Adapun kecepatan pancaran airyang ke luar dari nosel (turbin pelton) adalah : gHc 21 = m/s

diameter pancaran air

5,054,0

H

Qd = m

F. Kecepatan Putar Turbin dan Kecepatan Spesifik

Kecepatan putar turbin harus diusahakan setinggi mungkin, karenadengan kecepatan putar turbin yang tinggi ukuran turbin menjadi kecil

sehingga lebih menguntungkan. Kecepatan spesifik juga sangat pentingdalam perancangan, karena dengan mengetahui nq kita dapatmenentukan tipe roda turbin . Adapun persamaan nq adalah sebagaiberikut;

4 3H

Qnnq =

dimana nq= kecepatan spesifik (rpm)n = kecepatan putar turbin (rpm)

Suatu turbin yang bekerja pada tinggi jatuh dan kapasitas air yangberbeda, dan bekerja pada putaran yang ditentukan, apabila mempunyaikecepatan spesifik yang sama, maka secara geometri bentuk turbintersebut adalah sama.

Hubungan antara jumlah nosel dengan keceptan sepesifik adalahsebagai berikut.

z

nn

qT

q = dimananqT = kecepatan spesifik pada z nosel (rpm)

z = jumlah nosel terpasang


16/40

420

G. Perhitungan Performasi Turbin

Turbin air sebagai salah satu alat konversi energi mempunyaibeberapa keunggulan, diantaranya yang paling penting adalah sumberenerginya adalah berlimpah dialam. Tetapi dibandingkan dengan mesinkonversi lainnya turbin air efisiensinya total masih rendah. Hal inidisebabkan karena kehilangan energi pada proses konversi sangatbanyak. Mulai dari saluran-saluran air, diturbin sendira dan faktor-faktorlainnya. Untuk mendapatkan gambaran tentang performasi turbin air dibawah ini diberika contoh perhitungan unjuk kerja dari turbin pelton

Sebuah turbin pelton dipasang di sebuah instalasi PLTAmempunyai 4 buah nosel. Adapun data-data yang lainnya adalah : Tinggiair jatuh 500 m, kapasitas alirannya 60 m3/menit, putaran turbin 180 rpm[ f= 60Hz], dan daya yang dihasilkan 160.000 KW,.Periksa apakah

pemasangan turbin pelton dengan 4 nosel sudah efektif.

Gambar 20.13 instalasi PLTA dengan turbin air jenis pelton 6 nosel

roda pelton

buket generator

nosel

beda tinggi

atau head air

air ke luar

dam


17/40

421

Diketahui :

H = 500 mQ = 60 m3/dtkn = 180 rpm (f = 60Hz)P = 160.000 KWD = 4400 mm

Jawab:

Daya air instalasi PLTA

WQP 2940000005008,9100060 ===

P = 249.000 KWDaya turbin pelton P = 200.000KWEfisiensi instalasi :

%80100249000

200000== xT

`

Perhitungan daya dapat dihitung dengan perumusan

( )uu cucuQP 2211.. =

karena c2tegak lurus dengan arah u maka c2u= 0 ; u = u1 ; jadi

ucuQP 11..= dengan c1u= c1

Menghitung kecepatan pancaran air dari nosel :

gHc 21 =

995008.921 == xxc m/s

pada efisiensi maksimum u = c1/2u = 99/2 = 49,5 m/s

294000000995,49100060.. 11 === xxxcuQP u w

c1

c2

u = c1/2

c2c2tegak lurus u


18/40

422

P = 294000 KWPeriksa kecepatan spesifiknya untuk satu nosel masih didaerah yang

dijinkan pada

4 3H

Qnnq = untuk satu nosel nq= nqt

19,13500

60180

4 3=== qtq nn

nila nqt= 13,19 di luar daerah yang dijinkan atau turbin akan bekerja tidaknormal dan tidak efektif, untuk itu perlu ditinjau pemakain beberapa nosel,untuk instalasi turbin pelton di atas digunakan jumlah nosel 4 buahseperti terlihat pada gambar 20.13 Untuk 4 nosel nilai nqadalah :

z

n

n qT

q =

6,64

19,13==qn

dengan instalasi 4 nosel pada turbin pelton , sangat tidak efektif karena diluar daerah diijinkan karena Hmaxterlampaui. Untuk operasi yang normalinstalasi harus dipasang turbin pelton dengan 2 nosel dengan Hmaxyangoptimal. Untuk 2 nosel kecepatan spesifiknya adalah

3,9

2

19,13==qn

putaran turbin :

12760

5003,9

5,0

75,04 3

===

Q

Hnn q m/s

Soal.1. Hitung efisiensi turbila apabila sbuah instalasi PLTA mempunyai tinggijatuh air 700 m dengan kapasitas alirnya 102 m3/dtk apabila daya turbinyang dihasilkan 250000 KW?

2. Periksa apakah instalasi PLTA yang mempunyai H = 700 danmenggunakan 4 buah nosel turbin pelton. Turbin berputar 210 rpm.Efisiensi turbin pelton sebesar 84%. Kapa


19/40

423

BAB 21 KLASIFIKASI TURBIN AIR

Dari perumusan Bernouli, menunjukkan bahwa daya air dari suatualiran mempunyai bentuk energi yang berbeda-beda. Pada prosesperalihan keseimbangan energi antara energi masuk ke mesin tenagadisatu pihak dengan energi mekanis yang dapat diteruskan oleh mesintenaga ditambah energi yang ikut ke luar bersama-sama air buangandipihak lain. Persamaan keseimbangan tinggi jatuh air adalah sebagaiberikut;

g

c

g

pzH

g

c

g

pz t

22

2

222

2

111 +

++=+

+

g

cc

g

ppzzHt

2

2

2

2

12121

+

+=

dari persamaan tersebut, suku sebelah kanan adalah jumlah energi yangdipakai oleh sudu jalan turbin untuk diubah menjadi energi mekanis.

Gambar 21.1 Kincir air

Pada gambar 21.1 adalah gambar kincir air. Kincir air adalah jenisturbin air yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan olehmasyarakat. Teknologinya sederhana, material kayu dapat dipakai untuk

membuat kincir air, tetapi untuk opersi pada tinggi jatuh air yang besar

aliran air sungai

sluran buang

kincir air

pondasi

generator


20/40

424

biasanya kincir air dibuat dengan besi. Kincir air bekerja pada tinggi jatuhyang rendah biasanya antar 0,1 m sampai 12 meter, dengan kapasitasaliran yang berkisar antara 0,05 m3/dtk sampai 5 m3/dtk. Dari datatersebut pemakai kincir air adalah di daerah yang aliran airnya tidak

besar dengan tinggi jatuh yang kecil. Putaran poros kincir air berkisarantara 2 rpm sampai 12 rpm.

A. Turbin Impuls atau Turbin Tekanan Sama

A.1. Turbin pelton

Prinsip dari turbin impuls sudah dijelaskan pada kincir air. Turbinimpus bekerja dengan prinsip impuls. Turbin jenis ini juga disebut turbintekanan sama karena aliran air yang ke luar dari nosel, tekanannyaadalah sama dengan tekanan atmosfer. Sebagai contoh pada gambar21.2 adalah turbin pelton yang bekerja dengan prinsip impuls, semua

energi tinggi dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubahmenjadi energi kecepatan. Pancaran air tersebut yang akan menjadi gayatangensial Fyang bekerja pada sudu roda jalan. Kecepatan pancaran airdari nosel adalah sebagai berikut ;

Hgc = 21

Gambar 21.2 Turbin inpuls dan proses penyemprotan

Turbin pelton beroperasi pada tinggi jatuh yang besar [gambar21.4]. Tinggi air jatuh dihitung mulai dari permukaan atas sampai tengah-tengah pancaran air. Bentuk sudu terbelah menjadi dua bagian yangsimetris, dengan maksud adalah agar dapat membalikan pancaran airdengan baik dan membebaslan sudu dari gaya-gaya samping [gambar

21.3]. Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagaian -

D

d

arum katup

air tekanan

tinggi


21/40

425

bagaian saja scara bergantian bergantung posisi sudut tersebut. Jumlahnoselnya bergantung kepada besarnya kapasitas air, tiap roda turbindapat dilengkapi dengan nosel 1 sampai 6. Adapun penampangkonstruksi sudu jalan dari pelton beserta noselnya dapat dilihat pada

gambar 21.2Ukuran-ukuran utama turbin pelton adalah diameter lingkar sudu

yang kena pancaran air, disingkat diameter lingkaran pancar dandiameter pancaran air. Pengaturan nosel akan menentukan kecepatandari turbin. Untuk turbin-turbin yang bekerja pada kecepatan tinggi jumlahnosel diperbanyak Hubungan antara jumlah nosel dengan keceptansepesifik adalah sebagai berikut.

z

nn

qT

q =

dimananqT = kecepatan spesifik pada z nosel (rpm)z = jumlah nosel terpasang

Pengaturan nosel pada turbin poros vertikal dan horizontal dapat dilihatpada gambar 21.4 dan 23.5

Gambar 21.3 Roda jalan turbin pelton


22/40

426

Gambar 21.4 Instalasi Turbin Pelton poros horizontal

roda pelton

buketgenerator

nosel

beda tinggi atau

head air

air ke luar

da


23/40

427

Gambar 21.5 Instalasi turbin pelton poros vertikal

Gambar 21.6 Pengaturan nosel pada turbin pelton

pembuangan

listrik tegangan

tinggi

katup pengatur roda pelton

trafo step up

head air

penstok

bendunganatau dam

air waduk

generator

jarum katup

deflektor

buket


24/40

428

A.2. Turbin aliran ossberger

Pada turbin impuls pelton beroperasi pada head relatif tinggi,sehingga pada head yang rendah operasinya kurang efektif atauefisiensinya rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang dipakaisecara luas untuk pembangkit listrik skala kecil. Sebagai alternatif turbin

jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah adalah turbinimpuls aliran ossberger atau turbin crossflow. Pada gambar 21.7 adalahturbin crossflow, konstruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu ;

1. Rumah turbin2. Alat pengarah3. Roda jalan4. Penutup5. Katup udara6. Pipa hisap

7. Bagian peralihan

Aliran air dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuksilinder, kemudian aliran air dari dalam silinder ke luar melului sudu-sudu.Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi duakali yaitu pada waktu air masuk silinder dan air ke luar silinder. Energiyang diperoleh dari tahap kedua adalah 20%nya dari tahap pertama.

Gambar 21.7 Konstruksi dari turbin impuls ossberger

pipa hisap

bagian peralihan

rumah turbin

penutup

alat pengarah

katup udara

roda jalan


25/40

429

Gambar 21.8 Aliran air masuk turbin ossberger

Air yang masuk sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligusberfungsi sebagai nosel seperti pada turbin pelton. Prinsip perubahanenergi adalah sama dengan turbin impuls pelton yaitu energi kinetik daripengarah dikenakan pada sudu-sudu pada tekanan yang sama.

B. Turbin Reaksi atau Turbin Tekan Lebih

B.1. Turbin Francis

Turbin francis adalah termasuk turbin jenis ini [gambar 21.9].Konstruksi turbin terdiri dari dari sudu pengarah dan sudu jalan, dankedua sudu tersebut, semuanya terendam di dalam aliran air. Air pertamamasuk pada terusan berbentuk rumah keong. Perubahan energiseluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak. Aliran air masukke sudu pengarah dengan kecepatan semakin naik degan tekanan yangsemakin turun sampai roda jalan, pada roda jalan kecapatan akan naiklagi dan tekanan turun sampai di bawah 1 atm. Untuk menghindarikavitasi, tekanan harus dinaikan sampai 1 atm dengan cara pemasanganpipa hisap.

Pengaturan daya yang dihasilkan yaitu dengan mengatur posisipembukaan sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang masuk ke rodaturbin dapat diperbesar atau diperkecil. Turbin francis dapat dipasangdengan poros vertikal dan horizontal [gambar 21.10]

silinder sudu

banki

pengarah


26/40

430

Gambar 21.9 Aliran air masuk turbin Francis

Gambar 13.8

Gambar 21.10 Instalasi turbin francis

B.2. Turbin Kaplan

Tidak berbeda dengan turbin francis, turbin kaplan cara kerjanyamenggunakan prinsip reaksi. Turbin ini mempunyai roda jalan yang miripdengan baling-baling pesawat terbang [gambar 21.7]. Bila baling-balingpesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan gaya dorong, roda jalan

pada kaplan berfungsi untuk mendapatkan gaya F yaitu gaya putar yang


27/40

431

dapat menghasilkan torsi pada poros turbin. Berbeda dengan roda jalanpada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinyauntuk menyesuaikan kondisi beban turbin [gambar 21.11].

Turbin kaplan banyak dipakai pada instalasi pembangkit listrktenaga air sungai, karena turbin ini mempunyai kelebihan dapatmenyesuaikan head yang berubah-ubah sepanjang tahun. Turbin kaplandapat beroperasi pada kecepatan tinggi sehingga ukuran roda turbin lebihkecil dan dapat dikopel langsung dengan generator. Pada kondisi padabeban tidak penuh turbin kaplan mempunyai efisiensi paling tinggi, hal inidikarenakan sudu-sudu turbin kaplan dapat diatur menyesuaikan denganbeban yang ada

Gambar 11.8

Gambar 21.11 Turbin kaplan dengan sudu jalan yang dapat diatur


28/40

432

Gambar 21.12 Instalasi pembangkit dengan turbin kaplan

C. Perbandingan Karakteristik Turbin

Gambar 21.13 Perbandingan karakteristik Turbin


29/40

433

Dapat dilihat pada gambar 21.13 terlihat turbin kaplan adalah turbinyang beroperasi pada head yang rendah dengan kapasitas aliran air yangtinggi atau bahkan beroperasi pada kapasitas yang sangat renah. Hal inikarena sudu-sudu trubin kaplan dapat diatur secara manual atau otomatis

untuk merespon perubahan kapasitasBerkebalikan denga turbin kaplan turbin pelton adalah turbin yang

beroperasi dengan head tinggi dengan kapasitas yang rendah. Untukturbin francis mempunyai karakteritik yang berbeda dengan lainnya yaituturbin francis dapat beroperasi pada head yang rendah atau beroperasipada head yang tinggi


30/40

434

BAB 22 DASAR REFRIGERASI DANPENGKONDISIAN UDARA

Udara panas menyebabkan rasa tidak nyaman untuk beraktifitas.Kondisi akan semakin parah apabila orang bekerja atau beraktifitas didalam ruang yang tertutup dengan sirkulasi udara yang terbatas. Udaradengan kelembaban tinggi dapat menimbulkan rasa tidak nyaman, hal inikarena pada kondisi tersebut orang menjadi mudah berkeringat. Untuk

mengatasi kondisi tersebut, udara di dalam ruangan harus dikondisikansehingga mempunyai karakteristik yang cocok dengan kondisi tubuhorang yang menempati ruangan.

Di dalam suatu ruangan yang udaranya dikondisikan, temperaturdan kelembaban udara dapat dikontrol sampai kondisi dimana penghuniruangan merasa nyaman. Peralatan yang dapat dipakai untukpengkondisian udara biasanya adalah air conditioner (AC), humidifier(pelembab), fan atau blower. Disamping untuk mengontrol temperaturudara, AC dapat digunakan sekaligus untuk sirkulasi sehingga kondisiudara tetap bersih. Fan dan bower hanya digunakan untuk sirkulasi udara

saja.

Air conditioner atau alat pengkondisi udara termasuk jenis mesinyang bekerja mengikuti siklus termodinamika yaitu siklus kompresi uapatau daur kompresi uap. Fluida kerja yang dipakai untuk daur ini biasadinamakan refrigeran.

Daur kompresi uap diaplikasikan pada mesin-mesin refrigerasi.Sebagai contoh adalah freezer, mesin ini banyak dipakai untukmengkondiskan benda pada suhu rendah. Sebagai contoh bahan panganseperti buah-buahan, sayur-mayur, makanan kaleng, atau lainnya sering

ditempatkan di dalam freezer supaya lebih awet dan tetap segar. Freezerbanyak dipakai industri makanan atau industri obat untuk pegawetan.

A. Klasifikasi Mesin Refrigerasi

Mesin refrigerasi berdasarkan cara kerjanya dibagi menjadi tigayaitu ;

1. Mesin refrigerasi daur kompresi uap2. Mesin refrigersi daur absorpsi3. Pompa kalor


31/40

435

Mesin refrigerasi daur kompresi uap banyak dipakai untuk mesinmesin pengkondisi udara skala kecil, fluidanya menggunakan refrigerankhusus [gambar 22.1]. Untuk mesin refrigerasi absorpsi biasanya dipakaiuntuk skala besar pada industri. Fluida kerja yang dipakai ada dua

macam yaitu sebagai absorpsi dan fluida sirkulasi. Pompa kalormerupakan jenis mesin refrigasi untuk pemanasan ruangan dengan caramemanfaatkan kalor yang dibuang dari kondensor

Gambar 22.1 Refrigerator

B. Penggunaan

Mesin refrigerasi secara umum digunakan untuk pengkondisianudara suatu ruangan, rumah atau industri, sehingga setiap orang yangberada pada ruagan tersebut akan merasa nyaman. Berikut ini adalahcontoh penggunaan mesin referigerasi;

B.1 Pengkondisian udara untuk industri

Pada industri terdapat banyak benda yang dapat menimbulkanpanas seperti mesin-mesin, peralatan komputer, dan jumlah karyawan

Pipa

kapilerEvaporator

Kondesor

Kompresor

Tempat

freezer

Udara ruangan


32/40

436

yang banyak. Hal ini dapat menyebabkan kondisi lingkungan yang tidaksegar, kotor dan lembab. Kelembaban yang tinggi dapat menyebabkanperalatan cepat korosi atau berkarat. Untuk peralatan komputer yangberoperasi pada temperatur di atas normal dapat menimbulakn

kerusakan. Pemasangan pengkondisi udara menjadi penting sehinggatemperatur dan kelembaban dapat datur.

B.2. Pengkondisian udara untuk Laboratorium

Peralatan-peralatan pada laboratorium biasannya harus besih danhigines, tidak boleh terkontaminasi dengan penyakit dan kotoran.Kelembaban udara harus dijaga pada kondisi dimana orang yang bekerjamerasa nyaman dan juga menjamin tidak terjadi kondisi dimanakelembaban cocok untuk perkembangan jamur atau penyebab penyakitlainnya. Kebutuhan pengkondisi udara juga disesuaikan dengan

fungsinya. Misalkan untuk pengujian peralatan yang akan beropersi suhurendah hingga -20oC.

B.3 Pengkondisian udara Ruang Komputer

Komputer adalah perangkat yang dapat menjadi sumber panaskarena komponen-komponenannya , sedangkan kalau komputer bekerjapada kondisi dimana udara panas akan terjadi hank. Dengan alasantersebut, pemasangan pengkondisi udara harus tepat. Fungsi utamapada kondisi tersebut adalah mengontrol temperatur.

B.4 Instalasi penkondisian udara pada Instalasi power plant

Fungsi utama dari pengkondisian udara pada kondisi ini adalahuntuk memperoleh udara nyaman dan bersih. Lingkungan yangcenderung kotor karena polusi dan panas yang berlebih menjadi masalahutama pada power plant. Sebgai contoh pada instalasi pembangkit listriktenaga uap dan gas, dari proses pembakaran dihasilkan gas pembakaranbertemperatur tinggi, sebagian akan hilang kelingkungan yang akanmenyebabkan kenaikan temperatur lingkungan. Karena hal tersebut,pengkondisi udara berfungsi untuk menyetabilkan temperatur sehinggatetap nyaman, terutama pada ruangan tempat pengendali pembangkit.

B.5. Pengkondisian udara pada rumah tanggaRumah tinggal berfungsi untuk tempat berkumpulnya anggauta ke

luarga, tempat menyimpan benda-benda mulai dari bahan makanansampai pakaian. Fungsi utama dari pengkondisi udara pada rumahtangga adalah menjaga temperatur dan kelembaban udara pada kondisiyang dianggap nyaman untuk beristirahat. Pada rumah tangga jugabanyak dipakai mesin pendingin untuk mengawetkan bahan makanandan untuk keperluan pembuatan balok es untuk minuman.


33/40

437

B.6. Pengkondisian udara untuk Automobil

Pada mobil penumpang, pengkondisi udara dipakai untukmengontrol suhu dan kelembaban sehingga udara tetap segar danbersih. Sumber utama beban pendinginan adalah dari radiasi mataharilangsung dan juga dari orang-orang yang mengendarai ataumenumpang. Permasalahan pengkondisian udara biasanya padapenggerak kompresor AC, penggerak ini adalah dari putaran porosengkol, sehingga dapat mengurangi daya dari mesin, terutama padabeban tinggi.

B.7. Penyimpanan dan pendistribusian

Daging, ikan, sayur mayur dan buah buah sangat mudahmembusuk sehingga diperlukan perlakuan khusus untuk pengawetan.Salah satu metodenya adalah dengan pendinginan. Metode pendinginan

dimaksudkan untuk membunuh kuman-kuman dan memperlambat prosespenguraian alamiah sehingga dengan proses ini kondisi bahan makanantadi dapat bertahan sampai beberapa bulan. Urutan proses pengawetanbahan makan dengan pendinginan adalah sebagai berikut ;

a. Pembekuan

Proses pembekuan bahan makanan sampai -30 0C dapat dilakukandengan cara sebagai berikut ;2 peniupan dengan kecepatan tinggi kearah timbunan paket

makanan

2 pembekuan sentuh, meletakan bahan-makanan diantara pelat-

pelat logam2 pembekuan celup, mencelupkan bahan makanan ke air garam

yang bersuhu rendah2 pembekuan hamparan dengan aliran fluida, paket makanan

dihamparkan di atas conveyor kemudian di tiup udara dingin.

b. Ruang penyimpanan

Ruang atau gudang penyimpanan berguna untuk menyimpanbahan makan setelah pemanenan, karena tidak semua hasil panen

dikonsumsi atau dijual. Untuk bahan makanan yang mudahmembusuk peyimpanannya harus dengan pendingianan. Untukmenjaga agar tetap awet dan segar, bahan makanan disimpansampai suhu -20 0C atau lebih rendah lagi.

c. Distribusi

Setelah proses peyimpanan di dalam gudang, bahan makanankemudian didistribusikan untuk dijual ke pasar-pasar atau toko-toko.Proses pendistribusian juga harus dilengkapi mesin pendingin,sehingga bahan makanan tidak membusuk.


34/40

438

C. Sistem Pengkondisian Udara

Teknik pengkondisian udara adalah teknik memidahkan panas dariatau ke suatu rungan sehingga diperoleh temperatur dan kelembabanudara yang diinginkan. Mesin yang dapat melakukan perpindahan ituadalah heat pump. Ada dua macam pompa kalor bergantung darikebutuhan akan panas atau tidak membutuhkan panas. Mesin pompapanas yang menyerap panas dari suhu ruangan kemudian dibuangkelingkungan disebut mesin pendingin. Sedangkan mesin pompa kaloryang menyerap panas dari lingkungan untuk dipakai untuk memanasiiruangan disebut pompa kalor

Tujuan dari memindahkan panas dari satu tempat ke tempat lainnyaadalah untuk mengkondisikan udara dengan temperatur dan kelembabanyang pas untuk kenyamanan, atau untuk lainnya seperti pengawetan, dan

pengeringan.Sebagai contoh ruangan kelas untuk proses belajar mengajar, pada

musim panas atau kemarau, ruangan cenderung panas pada waktuproses pengajaran. Beban pendinginan diperoleh dari suhu lingkungan,radiasi matahari, para siswa dan guru. Beban pendinginan paling besardiperoleh dari pemanasan radiasi matahari. Dengan menganalisis beban-beban pendinginan, dapat dibuat rancangan sistem untukmengkondisikan udara di dalam ruangan kelas menjadi nyaman untukproses pengajaran.

Seandainya indikasi kenyamanan kelas hanya terpaku padatemperatur saja, misalkan temperatur ruang kelas pada 25 0C yaitu samadengan temperatur di luar kelas, proses pengkondisian udara harusdapat mencapai temperatur tersebut. Sebagai contoh penyelesaiannyaadalah dengan memasang kipas sedemikian hingga sirkulasi udaralancar, ditambah dengan pemasangan tabir matahari pada jendela kacauntuk megurangi efek radiasi panas matahari.

Kalau kebutuhan kenyamanan dirasa pada temperatur yang lebihrendah lagi, misalkan pada 18 0C, sehingga harus dipasang airconditioner (AC) yang mampu mengkondisikan udara sampai temperatur

tersebut. Jendela-jendela kaca harus dengan tabir matahari ditutup untukmenghindari beban pendinginan yang besar dari radiasi matahari. ACakan bekerja menyerap kalor dari ruangan kelas kemudian dibuangkelingkungan di luar kelas. Karena ruang kalas, sebagian kalor nyadiserap AC, temperaturnya menjadi turun. Biasanya berbarengan denganproses penyerapan kalor kelembaban udara juga ikut berubah karenatemperatur turun, ada sebagian uap air di dalam kelas mengembun,sehingga kadar uap air di dalam ruangan kelas menurun. Dari contohtersebut terlihat bahwa proses pengkondisian udara bukan berarti hanyaproses pendinginan, tetapi proses untuk pencapaian temperatur yang

dirasa nyaman bagi pengguna ruangan [gambar 22.4]


35/40

439

Gambar 22.2 Instalasi penyegar udara rumah

D. Peralatan Pengkondisian udara

Dari uraian di atas bahwa sistem pengkondisian udara bertujuanuntuk mencapai kondisi dimana udara ruangan mempunyai temperaturdan kelembaban yang dirasa nyaman bagi pengguni ruangan tersebut.Adapun alat-alat untuk mengkondisikan udara ruangan sampaitemperatur dan kelembaban yang diinginkan adalah sebagai berikut;

2

Koil pendingin. Koil pendingin adalah pipa pipa yangmembawa refrigeran dan dilewatkan pada ruangan yang akandidinginkan. Koil pendingin adalah bagian evaporator darimesin refrigerasi

2 Koil pemanas. Koil pemanas adalah pipa pipa yang

membawa refrigeran dan dilewatkan pada saluran udara yangakan dikondisikan. Koil pemanas adalah bagian kondensordari mesin refrigeasi.

2 Fan atau kipas. Sebagai alat untuk menarik atau mendorong

fluida ke luar atau masuk ruangan. Sebagai alat sirkulasiudara.

AC sentarl

ducting

udara ke

udara segar


36/40

440

2 Pelembab udara atau humidifier.Pelembab udara adalahalat yang dapat merespon kondisi kelembaban udarasehingga dapat menambah kelembaban udara yangdikondisikan. Alat ini dapat menyemprotkan uap air ke udara

untuk meningkatkan kelembaban udara tersebut.2 Katup-katup dan damper -damperuntuk mengontrol aliran

udara dan cairan refrigeran2 Sensor-sensor untuk merespon kondisi udara. Alat tersebut

seperti termostat, sensor kecepatan, humidistat, selektortekanan, freezestat, dan lainnya

E. Beban Pemanasan dan Pendinginan

Sebelum melakukan pengkondisian udara di dalam suatu ruangan

kita harus mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi karakteristikudara di dalam ruangan, terutama dua indikator penting yaitu temperaturudara dan kelembaban udara.

Untuk daerah daerah beriklim subtropis yang terdapat musimdingin, kondisi udara dapat dalam keadaan ekstrim, temperatur di bawahnol dan kecendrungan udara kering atau kelembaban udaranya kering.Oleh karena itu, pengkondisian udara ruangan pada daerah beriklimsubtropis pada musim dingin bertujuan untuk pemanasan dan menaikkankelembaban udara sampai pada kondisi udara yang nyaman. Sehinggasemua faktor-faktor yang mempengaruhi proses pemanasan disebut

dengan beban pemanasan. Sebagai contoh adalah kondisi ruangan yaitumodel ventilasi, lampu-lampu terpasang, model dari jendela, dan kondisilainnya [gambar 22.3].

Kondisi sebaliknya dengan kondisi daerah subtropis, pada daerahtropis kebanyakan ruangan-ruangan akan mengalami pemanasansepanjang tahun dengan kelembaban udara yang tinggi, oleh karena itupengkondisian udara pada daerah ini diarahkan untuk proses penurunantemperatur dan kelembaban sampai kondisi udara yang dirasa nyaman.Semua faktor yang mempengaruhi proses tersebut di atas disebutdengan beban pendinginan. Sebagai contoh beban pendinginan adalah

radiasi panas matahari pada siang hari yang dominan, kondisi yang adadalam ruangan, misalkan peralatan yang dapat menjadi sumber panas,seperti lampu-lampu, peralatan elektronik, kompor masak, oven kue danlainnya yang mengeluarkan panas [gambar 22.3]. Di bawah ini beberapamacam proses perpindahan kalor dari atau ke sebuah bangunan rumah.

a. Transmisi, yaitu kehilangan kalor atau perolehan kalor yangdisebabkan oleh beda suhu dari kedua sisi elemen bangunan

( )tttUAq = 0 Watt

denagn UA = 1/Rtot, W/KRtot = hambatan total K/W


37/40

441

U = koefisien perpindahan kalor total W/m2.K

A = luas permukaan m2

(t0-tt) = beda suhu luar dan dalam, K

b. Panas matahari yaitu perolehan kalor matahari karena rambatanenergi matahari melaui benda tembus atau tidak tembus cahaya.

( ) NAIq tsg += ( permukaan tembus cahaya) Watt

It = intensitas radiasi pada permukaan luar (W/m2)

= faktor transmisi

N = fraksi radiasi yang diserap dan diteruskan kedalam ruangan

= Faktor penyerapan (absorpsi)

( )ieww

ttAUq = (permukaan tak tembus cahaya) Watt

dengan te= suhu udara matahari K

c. Perembesan udara (infiltrasi) yaitu kehilangan atau perolehan kalorkarena perembesan udara luar ke dalam ruangan yang dikondisikan.

( )tisensibel ttQq = 023,1o

;

( )tilatent WWQq = 03000o

dengan

o

Q = laju volumetrik udara luar, L/dtk

W = rasio kelembaban air terhadap udara kg/kg

d. Sumber dalam (internal) yaitu perolehan energi yang disebabkan olehpelepasan energi di dalam ruangan ( lampu-lampu,orang, peralatan, dansebagainya)

))()(( CLFFbFuq lampu = Watt (lampu-lampu)

dengan Fu = faktor penggunaan atau fraksi penggunaan lampuyang terpasang

Fb = faktor balast untuk lampu-lampu fluerescent = 1,2untuk fluerescent biasa

CLF = faktor beban pendinginan

orangxCLFxqq perorangorang = (perorang)

Untuk perhitungan beban penghangatan faktor faktor utama yangperlu diperhatikan adalah beban penghangatan transmisi termal, danbeban penghangatan perembesan udara (infiltrasi). Sedangkan untukperhitungan beban pendinginan faktor-faktor utama adalah beban sumber

internal (lampu-lampu dan orang), dan beban panas matahari.


38/40

442

Gambar 22.3 Beban pendinginan

permukaa tak tembus

tembok

Q

suhu lingkungan > dalam rumah

temperatur ruanganyang dikondisikan

AC

Q

Qjendela kaca

lampu

Q

ventilator

di dalam rumah

di luar rumah

masuk

Qke luar

pemanas


39/40

443

Gambar 22.4 Beban pemanasan

Q

suhu lingkungan rendah di bawah

00C < dalam rumah

temperatur ruangan yang

dikondisikan

pompa kalor

Qloss

Qloss

lampu

Qlampu

pemanas

luar rumah

dalam rumah

pompa kalorkompressor


40/40

F. Kualitas Udara

Setiap mahluk hidup pasti membutuhkan udara untuk hidup,demikian juga kita sebagai manusia, udara sangat penting, mulai banguntidur sampai tidur lagi kita selalu berinteraksi dengan udara lingkunganterutama untuk pernafasan. Dengan alasan tersebut sangatlah pentinguntuk selalu menjaga kualitas dari udara. Salah satu cara dalam teknikpengkondisian udara adalah dengan pemasangan ventilasi pada ruanganruangan. Fungsi ventilasi adalah untuk menyegarkan kondisi lingkungandengan udara segar. Model ventilasi disesuaikan dengan kebutuhan dariruangan yang akan dikondisikan. Untuk ruangan dengan tingkatpengotoran tinggi harus dibedakan dengan ventilasi dengan pengotoranrendah. Perlu diperhatikan juga bahwa ventilasi sangat berpengaruhterhadap beban pengkondisian untuk penghangatan atau pendinginan.Jadi perancangan ventilasi harus cocok dengan kebutuhan

pengkondisian. Perumusan model laju pemasukan udara adalah :

ooo

mr VVV +=

dengano

V = laju pemasukan udara untuk ventilasi L/dtk

o

V = laju aliran daur ulang, L/dtko

V m= laju udara luar minimum untuk pengguni tertentu

VVV mor

oo

o +=

oVo

= laju udara luar untuk pengguni tertentu ( merokok/tidak

merokok) L/dtkE = efisiensi alat penyingkir pengkotor udara oleh alat pembersih

Tabel 24.1 Kebutuhan udara luar untuk ventilasi

kebutuhan udara luar perorang, L/dtkFungsi ruangan Perkiraanpengguni per 100

m2luas lantai Merokok Tidak merokok

Kantor 7 10 2,5

Ruangpertemuan danruang tunggu

60 17,5 3,5

Loby 30 7,5 2,5

materi teknik mesin

Documents

Transcript of materi teknik mesin