PERHITUNGAN DEBIT AIR PADA ALIRAN SUNGAI/SALURAN

Terdapat banyak metode pengukuran debit air. Sistem konversi energi air skala besar pengukuran debit dapat berlangsung bertahun-tahun. Sedangkan untuk sistem konversi energi air skala kecil waktu pengukuran dapat lebih pendek, misalnya untuk beberapa musim yang berbeda saja.Mengukur luas permukaan sungai, dan kecepatan aliran air sungai dapat dilakukan seperti langkah langkah pengukuran berikut: a. Pengukuran kedalaman sungai dilakukan di beberapa titik berbeda X1 Xn (seperti ditunjukkan gambar).b.Lebar sungai (l) dimisalkan 10 m. c. Hitung kedalaman rata-rata, menggunakan rumus:

d. Luas diperoleh dengan mengalikan kedalaman rata-rata dengan lebar sungai, yaitu : A = X(rata). l

Mengukur kecepatan aliran sungai (V), langkah langkah pengukuran:. Carilah bagian sungai yang lurus dengan panjang sekitar 20 meter, dan tidak mempunyai arus putar yang menghambat jalannya pelampung. A. Ikatlah sebuah pelampung kemudian dihanyutkan dari titik t0 t1 seperti terlihat pada gambar berikut. a. Pengukuran luas permukaan sungai b. Pengukuran kecepatan aliran air sungai

Pengukuran luas permukaan dan kecepatan aliran sungaiB. Hal ini dilakukan 5 kali berturut turut kemudian catat waktu tempuh pelampung tersebut (t0 t1) dengan menggunakan stopwatch. C. Hitunglah waktu tempuh rata-rata dari pelampung tersebut, yaitu : trata = (sigma t) / nD. Kecepatan aliran air sungai (V) diperoleh dengan membagi jarak sungai (s) dengan waktu tempuh rata-rata dari pelampung tersebut, yaitu : Vsungai = s / trata Setelah luas dan kecepatan aliran sungai diketahui, maka besar debit pada sungai tersebut dapat dianalisis: Q = A x Vair sungai (m3/det) Saluran penghantar air diperlihatkan pada gambar berikut..Gambar 2 Saluran penghantar air

PERHITUNGAN TINGGI JATUH AIR (HEAD)

Hf Hs H Vs

Di dalam pembangkit tenaga listrik, tenaga air digunakan untuk memutar turbin. Garis energi turun secara teratur (perlahan- lahan), karena adanya kehilangan tenaga akibat gesekan.

Dengan menganggap kehilangan tenaga sekunder diabaikan, tinggi tekanan efektif H adalah sama dengan tinggi statis Hs dikurangi kehilangan tenaga akibat gesekan hf.H = Hs hf

Kehilangan tenaga hf diberikan oleh persamaan Darcy-Weisbach :

L V 2 h f = fD 2g

8 f L Q 2=g 2 D 5

Mengingat V = Q / A = Q / D2

Dengan demikian tinggi tekanan efektif adalah :

8 f L Q 2H = H s - g 2 D 5

Keterangan :

Q = kapasitas air L = panjang pipa D = diameter pipa pesat f = factor gesekan V = keceptan air dalam pipa pesat

DAYA AIR Dengan:Q = debit aliran (m3/dtk)

H = tinggi tekanan efektif (m)

= berat jenis zat cair (kgf/m3)

Apabila dikehendaki satuan dalam hp (horse power,daya kuda) maka:

P = Q H (hp)75

Apabila efisiensi turbin adalah maka daya yang diberikan oleh turbin adalah:

P = Q H (hp)75

P = P . 0,745 KW

Pengelompokkan Turbin

Berdasarkan prinsip kerja turbin dalam mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, turbin air dibedakan menjadi dua kelompok yaitu turbin impuls dan turbin reaksi. Pada Tabel 1 menunjukkan pengelompokan turbin.

Tabel 1 Pengelompokan turbin

High HeadMedium headLow head

Turbin ImpulsPelt on

TurgoCrossflo w Mult i-Jet Pelt on TurgoCrossflo w

Turbin ReaksiFrancisPrope ller

Kaplan

1. Turbin Impuls

Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozle. Air keluar nozle yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse). Akibatnya roda turbin akan berputar. Turbin impuls adalah sama dengan turbin tekanan karena aliran air yang keluar dari nozle tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.

1.1 Turbin Pelton

Turbin pelton merupakan turbin impuls. Turbin Pelton terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yan disemprotkan dari satu atau lebih alat yang disebut nozle. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien. Turbin Pelton adalah turbin yang cocok digunakan untuk head tinggi.Bentuk sudu turbin terdiri dari dua bagian yang simetris. Sudu dibentuk sedemikian sehingga pancaran air akan mengenai tengah-tengah sudu dan pancaran air tersebut akan berbelok ke kedua arah sehinga bisa membalikkan pancaran air dengan baik dan membebaskan sudu dari gaya-gaya samping sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Turbin Pelton untuk pembangkit skala besar membutuhkan head lebih kurang 150 meter tetapi untuk skala mikro head 20 meter sudah mencukupi.Gambar 2.2 merupakan bentuk dari turbin pelton.

Gambar 2.2 Turbin Pelton

1.2 Turbin Turgo

Turbin turgo dapat beroperasi pada head 30 m s/d 300 m. Seperti turbin pelton turbin turgo merupakan turbin impulse, tetapi sudunya berbeda. Pancaran air dari nozle membentur sudu pada sudut 20 o. Kecepatan putar turbin turgo lebih besar dari turbin pelton. Akibatnya dimungkinkan transmisi langsung dari turbin ke generator sehingga menaikkan efisiensi total sekaligus menurunkan biaya perawatan. Pada Gambar 2.3 menunjukkan bentuk turbin turgo.

Gambar 2.3 Turbin Turgo

1.3 Turbin Crossflow

Turbin cross-flowmerupakanjenisturbinyang dikembangkan oleh Anthony Michell (Australia), Donat Banki (Hongaria) dan Fritz Ossberger (Jerman). Michell memperoleh hak paten atas desainnya pada 1903. Turbin jenis ini pertama-tama diproduksi oleh perusahaan Weymouth. Turbin ini juga sering disebut sebagai turbin Ossberger, yang memperoleh hak paten pertama pada 1922. Perusahaan Ossberger tersebutsampai sekarang masih bertahan dan merupakan produsen turbin crossflow yang terkemuka di dunia.Turbin crossflow dapat dioperasikan pada debit 20 liter/s hingga 10 m3/s dan head antara 1 m s/d 200 m. Turbin crossflow menggunakan nozle persegi panjang yang lebarnya sesuai dengan lebar runner. Pancaran air masuk turbin dan mengenai sudu sehingga terjadi konversi energi kinetik menjadi energi mekanis. Air mengalir keluar membentur sudu dan memberikan energinya (lebih rendah dibanding saat masuk) kemudian meninggalkan turbin. Runner turbin dibuat dari beberapa sudu yang dipasang pada sepasang piringan paralel. Gambar 2.4 merupakan bentuk turbincrossflow.

Gambar 2.4 Turbin crossflow

2. Turbin Reaksi

Sudu pada turbin reaksi mempunyai profil khusus yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air selama melalui sudu. Perbedaan tekanan ini memberikan gaya pada sudu sehingga runner (bagian turbin yang berputar) dapat berputar. Turbin yang bekerja berdasarkan prinsip ini dikelompokkan sebagai turbin reaksi. Runner turbin reaksi sepenuhnya tercelup dalam air dan berada dalam rumah turbin.

2.1. Turbin FrancisTurbin francis merupakan salah satu turbin reaksi. Turbin dipasang diantara sumber air tekanan tinggi di bagian masuk dan airbertekananrendahdibagian keluar. Turbin Francis menggunakan sudu pengarah. Sudu pengarah mengarahkan air masuk secara tangensial. Sudu pengarah pad turbin Francis dapat merupakan suatu sudu pengarah yang tetap ataupun sudu pengarah yang dapat diatur sudutnya. Untuk penggunaan pada berbagai kondisi aliran air penggunaan sudu pengarah yang dapat diatur merupakan pilihan yang tepat. Gambar 2.5 menunjukkan sketsa dari turbin francais.

Gambar 2.5 Sketsa turbin francis

2.2 Turbin Kaplan & Propeller

Turbin Kaplan dan propeller merupakan turbin rekasi aliran aksial. Turbin ini tersusun dari propeller seperti pada perahu. Propeller tersebut biasanya mempunyai tiga hingga enam sudu. Gambar 2.6 merupakan bentuk dari turbin Kaplan.

Gambar 2.6 Turbin kaplan

Pemilihan Turbin

Daerah aplikasi berbagai jenis turbin air relatif spesifik. Pada beberapa daerah operasi memungkinkan digunakan beberapa jenis turbin. Pemilihanjenis turbin pada daerahoperasiyangoverlapingini memerlukan perhitungan yang lebih mendalam. Pada dasarnya daerah kerja operasi turbin menurut Keller dikelompokkan menjadi :

Low head power plant

Medium head power plant

High head power plant

Tabel 2 merupakan daerah operasi turbin.

Tabel 2 Daerah operasi turbin

Jenis TurbinVariasi Head (m)

Kaplan dan Propeller2 < H < 20

Francis10 < H < 350

Pelton50 < H < 1000

Crossflow6 < H < 100

Turgo50 < H < 250

Kriteria Pemilihan Jenis Turbin

Pemilihan jenis turbin dapat ditentukan berdasarkan kelebihan dan kekurangan dari jenis-jenis turbin, khususnya untuk suatu desain yang sangat spesifik. Pada tahap awal, pemilihan jenis turbin dapat diperhitungkan dengan mempertimbangkan parameter-parameter khusus yang mempengaruhi sistem operasi turbin, yaitu :

Faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkan untuk operasi turbin merupakan faktor utama yang mempengaruhi pemilihan jenis turbin, sebagai contoh : turbin pelton efektif untuk operasi pada head tinggi, sementara turbin propeller sangat efektif beroperasi pada head rendah.

Faktor daya (power) yang diinginkan berkaitan dengan head dan debit yang tersedia. Kecepatan (putaran) turbin yang akan ditransmisikan ke generator.

Sebagai contoh untuk sistem transmisi direct couple antara generator dengan turbin pada head rendah, sebuah turbin reaksi (propeller) dapat mencapai putaran yang diinginkan, sementara turbin pelton dan crossflow berputar sangat lambat (low speed) yang akan menyebabkan sistem tidak beroperasi.Ketiga faktor di atas seringkali diekspresikan sebagai "kecepatan spesifik, Ns", yang didefinisikan dengan formula :

P

Ns =

H 5/4

rpm(2.5)

Dimana :

NS = kecepatan spesifik

N = kecepatan putaran turbin (rpm) P = maksimum turbin output (kW) H = head efektif (m)

Output turbin dihitung dengan formula :P = 9.81 Q H turbin(2.6) Dimana :

P= daya Turbin (kW) Q= debit air (m3/s)H= efektif head (m)

turbin = efisiensi turbin

= 0.8 - 0.85 untuk turbin pelton

= 0.8 - 0.9 untuk turbin francis

= 0.7 - 0.8 untuk turbin crossflow

= 0.8 - 0.9 untuk turbin propeller/Kaplan

Kecepatan spesifik setiap turbin memiliki kisaran (range) tertentu berdasarkan data eksperimen. Kisaran kecepatan spesifik beberapa turbin air ditunjukkan pada Tabel 3.

Tabel 3 Kecepatan spesifik beberapa turbin

Turbin Pelton12 Ns 25

Turbin Francis60 Ns 300

Turbin Crossflow40 Ns 200

Turbin Propeller250 Ns 1000

Dengan mengetahui kecepatan spesifik turbin maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah. Dengan mengetahui besaran kecepatan spesifik maka dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan). Pada Gambar 2.7 menunjukkan diagram aplikasai berbagai jenis turbin.

Gambar 2.7 Diagram aplikasi berbagai jenis turbin (head vs debit)