BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Penelitian Terdahulu Menurut

4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Penelitian Terdahulu
Menurut Muhammad As’ad Abidin, Rudy Soenoko, Djoko Sutikno [2], pada
penelitiannya mengenai pengaruh besar sudut kelengkungan sudu terhadap unjuk kerja
kincir air tipe sudu lengkung, menyatakan bahwa semakin besar sudut kelengkungan
dan debit air maka daya poros semakin meningkat pula, semakin tinggi debit air maka
semakin kecil nilai rasio U/Vs, semakin besar sudut kelengkungan sudu maka efisiensi
juga semakin semakin meningkat.
Menurut Ketut Suriantara, 1998 [3], pada penelitiannya tentang pengaruh
bukaan katup throttle terhadap unjuk kerja turbin air reaksi aliran radial, menyatakan
bahwa untuk mendapatkan efisiensi yang setinggi – tingginya maka hal-hal yang perlu
diperhatikan adalah penyesuaian antara kapasitas aliran dengan beban yang diberikan
dan meminimalkan kerugian-kerugian yang ada.
Menurut I Gusti Ngurah Sastra Santika, 2003 [4], pada penelitiannya tentang
perancangan dan pengujian kincir pompa torak untuk irigasi dengan kapasitas 6 liter /
menit dan head 6 meter menyatakan bahwa semakin tinggi jatuh air menyebabkan
daya input air untuk memutar kincir menjadi lebih besar, maka putaran kincir untuk
menggerakan poros pompa menjadi lebih cepat putaran kincir semakin menurun pada
tinggi pemompaan yang semakin besar, hal ini dipengaruhi oleh tekanan hidrostatis zat
cair akibat pengaruh ketinggian dan gravitasi.
Menurut I Putu Adi Gunawan, 2010 [5], pada penelitiannya tentang pengaruh
variasi tinggi jatuh air dan kapasitas terhadap unjuk kerja kincir air tipe cross flow
menyatakan semakin besar tinggi jatuh air dan kapasitas secara rata-rata keseluruhan
daya, torsi, dan efisiensi turbin semakin besar.
Menurut I Dewa Putu Panji Krisnata Yuda, 2013 [6], pada penelitiannya
tentang perancangan dan pengujian turbin air tipe pitchback sebagai penggerak pompa
5
torak menyatakan unjuk kerja terbaik turbin berada pada daya kincir air 23,35 Watt
dengan efisiensi kincir air 35,91%.
Demikian beberapa penelitian yang dapat penulis temukan mengenai kincir air,
penulis memilih kincir air sebagai materi tugas akhir dengan judul Pengujian Kincir Air
Sudu Lurus Sebagai Penggerak Pompa Torak.
2.2 Energi Potensial
Benda yang diam pada kedudukannya memiliki energi potensial. Besarnya
energi potensial ditentukan oleh tempat atau kedudukan benda tersebut. “Energi
potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu benda akibat pengaruh tempat atau
kedudukan dari benda tersebut” [7]. Persamaan yang dipakai dalam energi potensial
adalah :
Ep = m . g . h……………………………………………………………….(2.1)
Ep = m . g . ∆ᵶ………………………………………………………………(2.2)
Keterangan :
Ep
= Energi potensial ( joule).
m
= Massa benda (kg).
g
= Percepatan gravitasi ( m/
h
= Ketinggian (m).
∆ᵶ
= Beda ketinggian (m).
).
2.3 Energi Kinetik
Dalam benda yang bergerak terdapat energi kinetik, energi kinetik dipengaruhi
oleh faktor kecepatan dan masa benda tersebut. “Energi kinetik adalah energi dari suatu
benda yang dimiliki akibat pengaruh pergerakannya” [8]. Persamaan yang dipakai
dalam energi kinetik adalah:
Ek = m .
………………………………………………………………..(2.3)
6
Keterangan:
Ek
= Energi kinetik ( joule ).
m
= Massa benda (kg).
v
= Kecepatan (m/dt).
2.4 Hukum Kekekalan Energi
Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan
maupun dimusnahkan, jadi perubahan bentuk energi terjadi dari bentuk yang satu ke
bentuk yang lainnya, tidak merubah jumlah atau besar energi secara keseluruhan [8].
Berikut adalah persamaan mekanik yang berhubungan dengan hukum kekekalan
energi:
Em = Ep = Ek……………………………………………………………….. (2.4)
Keterangan :
Em
= Energi mekanik ( joule).
Ep
= Energi potensial ( joule).
Ek
= Energi kinetik ( joule).
2.5 Turbin Air
Untuk dapat memanfaatkan energi air, maka energi air harus dikonversikan
menjadi bentuk yang dibutuhkan yaitu dari energi potensial menjadi energi kinetis
untuk selanjutnya dapat dimanfaatkan menjadi energi mekanis, dalam hal ini adalah
untuk daya penggerak pompa torak. Proses konversi energi ini memerlukan alat berupa
turbin air.
Turbin air adalah mesin penggerak, dimana energi fluida kerja dipergunakan
langsung untuk memutar roda turbin air. Bagian turbin yang berputar dinamakan roda
turbin atau rotor, sedangkan bagian yang diam disebut stator. Pada turbin fluida kerja
mengalami proses ekspansi, yaitu proses penurunan tekanan dan mengalir secara
kontinyu. Pada roda turbin terdapat sudu dan fluida kerja yang mengalami kontak dan
mengalir melalui ruang antara sudu tersebut. Kontak antara fluida dengan sudu – sudu
7
menyebabkan timbulnya gaya karena terjadinya perubahan momentum dari fluida kerja
yang mengalir diantara sudunya. Ada 2 jenis sudu berdasarkan pergerakannya,yaitu
sudu gerak (runner) berupa sudu yang bergerak bersama – sama roda turbin dan sudu
tetap berupa sudu yang bersatu dengan rumah turbin. Dari segi perubahan momentum
fluida kerjanya, turbin dibagi menjadi turbin impuls dan turbin reaksi.
Sudu – sudu turbin haruslah dibentuk sedemikian rupa sehingga dapat terjadi
perubahan momentum pada fluida kerja tersebut. Bentuk sudu – sudu turbin akan
menentukan unjuk kerja turbin tersebut, khususnya pada turbin air bentuk sudu – sudu
turbin akan menentukan daerah kerja turbin, maksudnya kebutuhan head air agar dapat
dikonversikan menjadi energi mekanis secara maksimal berbeda – beda pada setiap
jenis – jenis bentuk sudu turbin.
2.5.1 Daya Turbin
PT = ɳT ɤ. .
(kW).………………………………………………………..(2.5)
Keterangan :
ɤ
= Berat jenis air (N/
Q
= Kapasitas air (
H
= Tinggi air jatuh ( hydraulic head,m)
ɳT
PT
= Efisiensi turbin
)
/dt)
= Daya turbin ( kW)
Daya turbin dipengaruhi paling besar oleh banyak serta tinggi air jatuh,
dikarenakan nilai berat jenis air dan efisiensi turbin adalah konstan, jadi semakin besar
nilai Q dan H, maka daya turbin akan semakin besar.
2.5.2 Efisiensi Turbin
ɳT = PT / PA ……………………………………………………………(2.6)
Keterangan
ɳT
PT
PA
:
= Efisiensi turbin
= Daya kincir (kW)
= Daya air (kW)
8
2.5.3 Jenis Turbin dan Putaran Spesifik
Turbin air dibedakan menjadi 2 golongan utama jika ditinjau dari segi
pengubahan momentum fluida kerjanya yaitu:
1. Turbin impuls ( Pelton).
2. Turbin reaksi ( Francis, Kaplan,Propeler).
Pada turbin dikenal adanya putaran spesifik ns, putaran spesifik adalah putaran
yang mampu menghasilkan 1hp per head 1 ft [9].
ns = n
ns = n
Keterangan :
√
( )
( )
rpm (basis daya)……………………………………………(2.7)
rpm (basis kapasitas)……………………………………….(2.8)
n
= Kecepatan turbin sebenarnya pada efisiensi maksimum ( rpm).
N
= Daya turbin (kW).
H
= Tinggi air jatuh (m).
Q
= Kapasitas (
/dt).
Untuk keadaan nilai H dan Q tertentu, berdasarkan nilai putaran spesifiknya
maka dapat dipilih turbin yang sesuai agar dapat bekerja pada efisiensi maksimal.
Berikut adalah jenis roda turbin air dan putaran spesifiknya :
Tabel 2.1 Jenis Roda Turbin Air dan Putaran Spesifiknya [9].
Jenis turbin
Impuls (Pelton)
Francis
Propeler
Putaran spesifik
(rpm)
2–4
4
4–7
10 – 30
30 – 82
82 – 90
100 – 140
140 – 250
ns
Efisiensi ɳT %
Tinggi air jatuh
H (ft)
85 – 90
90
90 – 82
90 – 94
94
94 – 93
94
94 – 85
6000 – 2000
2000
2000 – 400
500
500 – 70
70 – 45
100 – 15
15 – 10
9
Tabel diatas menunjukkan turbin pelton memiliki putaran spesfikik terendah
dibandingkan dengan turbin francis dan propeller namun turbin pelton paling baik
dioperasikan pada tinggi air jatung yang paling ringgi dibandingkan trubin francis dan
propeller.
Berdasarkan
tinggi
air
jatuh
dan
putaran
spesifiknya
turbin
dapat
diklasifikasikan seperti tabel dibawah :
Tabel 2.2 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Tinggi Air Jatuh [9].
Tinggi air jatuh (ft)
Jenis turbin
Lebih rendah dari 100 ft
Turbin dengan tinggi air jatuh rendah
100 – 1000 ft
Turbin dengan tinggi air jatuh sedang
1000 ft ke atas
Turbin dengan tinggi air jatuh tinggi
Tabel 2.2 menunjukan klasifikasi turbin air berdasarkan tinggi air jatuh dimana
tinggi air jatuh dibagi menjadi 3 yaitu tinggi air jatuh rendah, sedang, dan tinggi air
jatuh tinggi.
Tabel 2.3 Klasifikasi Turbin Air Berdasarkan Putaran Spesifiknya [9].
ns (rpm)
Jenis turbin
2 -12
Turbin dengan putaran spesifik rendah
12 – 90
Turbin dengan putaran spesifik sedang
90 – 250
Turbin dengan putaran spesifik tinggi
Tabel 2.3 menunjukkan pengklasifikasian turbin air berdasarkan putaran
spesifiknya, turbin berdasarkan putaran spesifiknya terdiri dari turbin putaran spesifik
rendah, sedang, dan tinggi.
Jumlah sudu turbin turut menentukan putaran turbin (N) dan putaran spesifik
turbin (Ns) seperti yang dijelaskan pada tabel 2.4, semakin tinggi putaran kincir maka
jumlah sudu yang dimiliki turbin akan lebih sedikit. Sebaliknya untuk jumlah putaran
spesifik yang semakin tinggi, maka semakin banyak.
10
Tabel 2.4 Hubungan antara Putaran (N) dan Putaran Spesifik Turbin (Ns) dengan Jumlah Sudu [10]
N (putaran kincir)
Z (jumlah sudu)
NS (Ns putaran spesifik)
Rpm
Buah
Rpm
40 ̴ 60
9
≤ 20
60 ̴ 180
8
20 ± 45
180 ̴ 350
6
45 ± 75
350 ̴ 580
5
75 ± 150
2.5.4 Klasifikasi Kincir atau Turbin Air Berdasarkan System Aliran Air
Pendorong:
Turbin air dapat diklasifikasikan berdasarkan sistem aliran air pendorong yaitu
titik darimana air akan mendorong sudu kincir air. Berikut adalah klasifikasi turbin air
berdasarkan titik penembak air pipa pesat.
Undershot :
Gambar 2.1 merupakan kincir air tipe undershot, tipe undershot adalah tipe
kincir air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian bawah kincir.
Berikut adalah kincir air tipe undershot :
Gambar 2.1 Kincir Air Tipe Undershot [11].
11
Breastshot :
Gambar 2.2 merupakan kincir air tipe breastshot Tipe breastshot adalah tipe
kincir air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian tengah kincir.
Berikut adalah kincir air tipe breastshot :
Gambar 2.2 Kincir Air Tipe Breastshot [11].
Overshot :
Gambar 2.1 merupakan kincir air tipe overshot, tipe overshot adalah tipe kincir
air yang aliran air pendorongnya menabrak sudu pada bagian atas kincir. Berikut adalah
kincir air tipe overshot :
Gambar 2.3 Kincir Air Tipe Overshot [11].
12
Air yang melakukan kontak dengan sudu-sudu runner kincir air hanya
mempunyai tekanan atmosfir, seperti gambar diatas ada 3 klasifikasi kincir yaitu
overshoot, undershoot dan breastshoot. Rancangan pompa kincir ini direncanakan
menggunakan tipe undershoot dimana air dari nossel penstok mendorong sudu dari
bagian bawah kincir.
2.5.5 Daerah Kerja Efektif Turbin
Berdasarkan ketersediaan tinggi air jatuh (h) dan debit air tersedia (Q) maka
pemilihan jenis turbin air yang dipakai memiliki aturan untuk menjamin efisiensi turbin
dapat diusahakan semaksimal mungkin dan didapat turbin yang paling ekonomis dan
efisien. Gambar 2.4 merupakan pengaplikasian turbin menurut Head dan debit yang
sesuai. Ketersediaan debit air dan tinggi air jatuh akan menentukan turbin yang paling
efektif untuk digunakan, hal ini terkait dengan kecepatan spesifik masing-masing jenis
turbin seperti pada tabel 2.1.
Gambar 2.4 Pengaplikasian turbin menurut Head (m) dan debit (
⁄ ) yang sesuai [1].
Kecepatan spesifik dari sebuah turbin juga dapat diartikan sebagai kecepatan
ideal, persamaan geometris turbin, yang menghasilkan satu satuan daya tiap satu satuan
head. Kecepatan spesifik tubin diberikan oleh perusahaan (dengan penilaian yang
lainnya) dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat
13
ini menghasilkan unjuk kerja turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.
Kecepatan spesifik setiap turbin mempunyai kisaran (range) tertentu .
Kecepatan spesifik (ns), menunjukkan bentuk dari turbin itu dan tidak
berhubungan dengan ukurannya. Hal ini menyebabkan desain turbin baru yang diubah
skalanya dari desain yang sudah ada dengan unjuk kerja yang sudah diketahui.
Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin
yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. Dengan mengetahui kecepatan spesifik
turbin, maka perencanaan dan pemilihan jenis turbin akan menjadi lebih mudah,
bahkan dimensi dasar turbin dapat diestimasi (diperkirakan) [16].
2.6 Komponen – Komponen Turbin Air
2.6.1 Nosel
Nosel merupakan bagian dari turbin, didalam nosel tekanan air dirubah menjadi
kecepatan. Nosel terdiri atas bagian selubung serupa hidung yang dipasang pada
belokan pipa, dan jarum nosel yang bisa digerakkan didalam belokan pipa. Kerucut
jarum dan selubung, yang cepat aus, dibuat dari bahan bermutu tinggi serta mudah
untuk diganti [12]. Gambar 2.6 merupakan nosel yang dipakai dalam system pompa
kincir di desa pucak sari. Nosel pada gambar 2.6 bertujuan untuk meningkatkan
kecepatan air pipa pesat yang akan menumbuk sudu.
Gambar 2.6 nosel sebuah penstok kincir air ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 ).
14
2.6.2 Runner ( sudu jalan)
Runner pada turbin air berfungsi sebagai penerus gaya dari sudu untuk dirubah
menjadi gerak putar untuk selanjutnya diteruskan ke poros turbin. Turbin air yang akan
dipakai adalah turbin air reaksi dan untuk menentukan diameter luar dan dalam
runnernya menggunakan rumus :
D1 = Zair – (2 x 0.1m)/2……………………………………………………(2.9)
D2 =
Keterangan:
. 1…………………………………………………………………(2.10)
Zair
= Ketinggian air terjun
(m)
D1
= Diameter luar runner
(m)
D2
= Diameter dalam runner
(m)
Diameter rata-rata runner:
Dr
=
………………………………………………….(2.11)
Keterangan:
Dr
= Diameter rata – rata
(m)
2.6.3 Sudu Turbin
Sudu turbin merupakan bagian turbin yang menerima gaya dari air yang akan
diteruskan ke poros turbin melalui runner. Ada 2 bentuk profil sudu dan masing-masing
tipe profil memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing dimana pemilihan tipe
sudu disesuaikan dengan beban turbin.
Profil Kelengkungan Sudu
Profil Datar
Profil sudu datar, gaya puntir yang diteruskan ke poros hanya didapatkan dari
gaya dorong air pada nossel, jadi gaya puntir yang diteruskan ke poros akan sama
15
dengan gaya dorong air pada nossel. Profil sudu datar akan menimbulkan suara berisik
saat terjadi tumbukan pada air dan sudunya sehingga ini akan memperpendek umur
sudu.
c1=c2 (kondisi steady state dan persamaan kontinyuitas).
∂2 = 90˚ dan ∂1 = 0˚
F = ṁ{(c1.cos ∂1 - c2 . cos ∂1)}
F = ṁ{(c1.1- c2.0)}
F = ṁ{(c1 )}
F = ṁ . c1
Gambar 2.7 Profil Sudu Datar [6].
Gambar 2.7 merupakan profil sudu datar, torsi yang dihasilkan relatif kecil tetapi
tipe sudu ini mempunyai putaran dan power yang tinggi.
Profil Sudu “U” Searah Aliran
Profil sudu U memiliki torsi yang paling besar seperti yang terlihat pada
gambar dibawah. Adanya momentum pada sisi – sisi sudu akibat aliran air yang
bergerak mengikuti kelengkungan sudu menyebabkan besarnya torsi pada profil
sudu tipe ini. Air cenderung lebih lambat meninggalkan sudu akibat
kelengkungan sudu menyebabkan tipe sudu ini mempunyai putaran dan power
yang lebih kecil dari pada tipe datar. Tipe sudu U tidak menimbulkan reaksi
berisik saat air menumbuk sudunya, air menumbuk sudu dengan lebih lembut
jadi umur sudu dapat bertahan lebih lama.
Gambar 2.8 Profil sudu “U” Searah Aliran [6]
16
Gambar 2.7 merupakan profil sudu lengkung searah aliran air, berikut adalah
persamaan gaya yang terjadi pada sudu kincir saat kontak dengan air.
c1=c2 (kondisi steady state dan persamaan kontinyuitas).
∂2 = 180˚ dan ∂1 = 0˚
F = ṁ{(c1.cos ∂1 - c2 . cos ∂2)}
F = ṁ{(c1.+1 - c2 . -1)}
F = ṁ{(c1+ c2)}
F = 2 .ṁ.c1
Gaya Dorong (Fa) Pada Kincir
Adapun gaya dorong yang dimiliki oleh sudu kincir dapat dihitung
menggunakan rumus berikut [13] :
Fa = ṁ.c = Q.ρ.c = A.c.ρ.c = A. ρ. ………………………………………(2.12)
Keterangan :
Fa
= gaya dorong sudu (N)
ṁ
= laju aliran massa (
Q
= kapasitas fluida (
ρ
= kerapatan fluida (
c
= kecepatan fluida saat terjadi tumbukan dengan sudu ( ⁄ )
A
⁄ )
⁄ )
⁄
= luas penampang sudu (
)
)
Kecepatan fluida saat menumbuk sudu dapat diperoleh menggunakan rumus
[12] :
c = 2. . ………………………………………………………………...(2.13)
Keterangan :
c
= kecepatan fluida saat terjadi tumbukan dengan sudu ( ⁄ )
⁄
)
g
= Grafitasi (
H
= Energi terjunan air ( m )
17
Impuls dan Momentum
Impuls dan momentum merupakan satu kesatuan karena merupakan dua besaran
yang setara, dikatakan setara karena memiliki satu satuan sistem internasional (SI).
Pengertian impuls dan momentum
Impuls merupakan gaya yang bekerja pada benda dalam waktu yang singkat
atau sesaat, sebagai contohnya adalah peristiwa gaya yang terjadi pada bola saat
ditendang.
I = F . ∆t…………………..………………………………………………..(2.14)
Keterangan :
I
= Impuls (N.dt)
F
= Gaya ( N )
∆t
= selang waktu ( dt)
Momentum merupakan hasil kali antara massa dan kecepatan jadi momentum
merupakan besaran yang dimiliki oleh benda yang bergerak.
P = m . v…………………..………………………………………………..(2.15)
Keterangan :
P
= Momentum (Kg m/dt)
m
= Massa ( Kg )
v
= Kecepatan (m/dt)
Apabila sebuah partikel bermassa (m) bekerja pada gaya (F) yang konstan,
maka setelah waktu (∆t) partikel tersebut bergerak dengan kecepatan Vt = V0 + a.∆t,
Seperti yang dibahas pada hukun Newton ke-2 dimana F = m . a, dengan mensubstitusi
kedua persamaan tersebut maka diperoleh :
I = F . ∆t = m . v . t – m .v .0
18
Keterangan :
m . v . t = Momentum benda pada saat kecepatan vt.
m .v .0
= Momentum benda pada saat kecepatan v0.
2.6.4 Penstok atau Pipa Pesat
Pipa pesat atau penstok merupakan komponen penyalur air dari bak penenang
menuju sudu turbin, air dengan energi potensial pada bak penenang akan menjadi
energi kinetis pada penstok selanjutnya air dengan energi kinetis akan menumbuk sudu
turbin dan menciptakan energi mekanis pada poros turbin tersebut. Pada pipa pesat
terdapat adanya Head loses karena pada pipa pesat penampang pipanya diperkecil
secara bertahap hingga pada ujung penembaknya, Seperti yang dijelaskan pada
persamaan kontinyuitas bahwa memperkecil penampang pipa akan meningkatkan
kecepatan aliran airnya sehingga ini merupakan fungsi Head loses kecepatan, sebuah
loses yang sengaja dibentuk dengan tujuan menciptakan tumbukan air dengan sudu
turbin dengan kecepatan setinggi-tingginya. Berikut adalah kecepatan persamaan untuk
menghitung kecepatan air yang menumbuk sudu turbin [12]:
C1=φ 2
………………………………………………………………...(2.15)
Keterangan :
C1
φ
: Kecepatan absolute fluida menabrak sudu turbin( ⁄ )
: Koefisien gesek pipa penstok
: Percepatan grafitasi( ⁄
: Head(m)
)
19
Gambar 2.9 Nossel dan gate valve pada pipa penstock ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 )
Gambar 2.9 merupakan bagian gate valve dan nossel pada pipa penstok pada
sistim pompa kincir ini seperti terlihat pada gambar bahwa gate valve terpasang pada
bagian akhir pipa penstok juga memungkinkan gate valve berfungsi bukan hanya
sebagai pengatur debit, tetapi juga memungkinkan gate valve ini berfungsi sebagai
pengatur kecepatan air keluar melalui nossel penstok. Sebuah gate valve sebagai
pengatur debit umumnya dipasang pada bagian awal penstok.
Gambar 2.10 Pipa penstok ( Dokumentasi pompa kincir pucak sari, 2014 )
Gambar 2.10 merupakan gambar pipa penstok pada sistim pompa kincir ini,
pipa penstok ini dirancang dengan panjang total 24 meter yang direducer bertahap
mulai dengan menggunakan pipa berdiameter 6 inch, 4 inch, 3 inch dan 2 inch.
20
2.7 Persamaan Dasar Aliran Fluida
Dalam perancangan turbin air ada 3 persamaan dasar aliran fluida yang dipakai
yaitu :
2.7.1 Persamaan Bernoulli
Persamaan Bernoulli menjelaskan bahwa untuk suatu aliran air di dalam pipa
dengan selisih ketinggian “ᵶ” antara tinggi air bagian pipa atas dan bagian pipa bawah
memiliki energi yang dapat dihitung dengan:
Pair = ṁ.g.∆ ᵶ +
ṁ.∆
+
ṁ.∆
(Nm)………...……………..………(2.16)
Keterangan :
Pair
= Energi yang terdapat pada air (Nm).
ṁ
= laju aliran massa air ( kg/dt ).
g
= gaya gravitasi (
∆ᵶ
= selisih ketinggian ( m ).
ṁ.∆
= energi tekan (watt).
ṁ.∆
= energi kinetis (watt).
⁄
).
Gambar 2.11 Aliran energi pada air [13]
21
Untuk “spesifik energi”, ditentukan apabila pada aliran diatas diambil air
sejumlah 1 kg untuk diperhitungkan, jadi persamaan diatas dibagi massa (m) menjadi
[16] :
w = g.∆z+
∆
+
∆
(Nm/Kg)……………………………………………(2.17)
Adapun persamaan untuk energi Head air dapat ditarik dari persamaan diatas
yaitu dengan membaginya dengan percepatan gravitasi [13] :
H = ∆ᵶ+
Keterangan :
∆
.
+
∆
(m)………………………..………………….(2.18)
∆ᵶ
= Beda ketinggian (m)
∆
= Head tekanan (m)
∆
= Head kecepatan (m)
.
2.7.2 Persamaan Kontinyuitas
Melalui prinsip kekekalan massa dimana untuk aliran mantap (steady) massa
fluida yang melalui semua bagian dalam arus fluida persatuan waktu adalah sama, dari
sinilah persamaan kontinyuitas dihasilkan. Jika dijabarkan akan menjadi :
ρ.A1.V1= ρ.A2.V2………………………….………………………………(2.19)
Sedangkan untuk aliran incompressible (tak termampatkan) dimana perubahan densiti
selama aliran adalah nol, dan karena ρ1= ρ2, persamaan ini menjadi :
A1.V1= A2.V2= Q……………………………………….…………………(2.20)
Keterangan :
Q
= Kapasitas aliran (liter/detik)
A
= Luas penampang (
V
= Kecepatan aliran Fluida (m/dt)
)
22
Gambar 2.12 Aliran fluida pada pipa berventuri [14].
Gambar 2.12 merupakan aliran fluida pada pipa berventuri, seperti dijelaskan
pada persamaan kontinyuitas bahwa debit pada sisi A1 dan A2 adalah sama maka
kecepatan air pada sisi A2 akan lebih tinggi daripada sisi A1.
2.7.3 Persamaan Euler
Terdapat hubungan antara tinggi air jatuh yang tersedia untuk memutar runner
turbin dengan kelengkungan sudu runner itu sendiri untuk pemanfaatan energi air
secara maksimal.
Gambar 2.13 Hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir air [13] .
Gambar 2.13 merupakan hubungan tinggi air jatuh dengan bentuk sudu kincir,
semakin kecil ketinggian jatuh air maka kelengkungan sudunya harus dibuat semakin
lurus juga.
H=
Keterangan :
₁. ₁ᵤ
.
₂. ₂ᵤ
(m)…………………………………..………..(2.21)
= Kecepatan tangensial pada runner (m/dt)
g
= Percepatan grafitasi (m/
)
23
= Kecepatan relatif (m/dt)
= Efisiensi kincir (%)
2.8 Perancangan Kincir Air
2.8.1 Tinggi Air Jatuh
Air yang mengalir memiliki energi yang dapat dipergunakan untuk memutar
runner kincir air. Tinggi air jatuh atau Head merupakan hal penting dalam merancang
sebuah kincir air. Nilai Head akan menentukan bentuk kincir air, dengan menggunakan
rumus mekanika fluida, daya kincir air, luas penampang lintang saluran dan dimensi
bagian – bagian kincir air lainnya serta bentuk energi dari aliran airnya dapat
ditentukan.
2.8.2 Daya Potensial Air
Dari kapasitas perancangan air (Qd) dan tinggi air jatuh (h) maka dapat
diperoleh daya potensial air dengan rumus :
Pair =
ρ . g . Qd . h ……………………………………………………..(2.22)
Keterangan :
Pair
= daya air (Kw)
Qd
= kapasitas air dalam rancangan (
ρ
= massa jenis air (
g
= percepatan gravitasi ( ⁄
h
= tinggi air jatuh (m)
⁄
)
⁄ .)
)
2.8.3 Dynamometer
Dynamometer atau “dyno” merupakan alat yang digunakan untuk mengukur
torsi yang dihasilkan oleh sebuah mesin yang diukur melalui porosnya [6].
Dynamometer mengabsorsi tenaga yang dikeluarkan oleh kincir
dengan cara
pengereman bertahap sejak kincir tersebut dalam keadaan idle sampai pada Rpm
maksimumnya.
24
Pada penelitian ini menggunakan alat torsi meter untuk mengukur torsinya dan
alat Tachometer untuk mengetahui Rpm kincir. Berikut adalah persamaan untuk
menghitung torsi yang dibangkitkan oleh kincir air :
T = ( F1- F2 ) . RP = ( ∆m ) . g . RP………………………….…………….(2.23)
∆m = m1 – m2………………………….………………………………….(2.24)
Keterangan :
T
= torsi terbangkitkan (Nm).
F1, F2 = gaya-gaya pada belt alat torsi (N).
RP
= jari-jari puli torsi meter (m).
∆m
= perbedaan beban massa pada timbangan-timbangan alat torsi (kg).
m1, m2 = massa beban pada timbangan-timbangan alat torsi (kg).
g
= percepatan gravitasi (m/dt2.).
Gambar 2.14 dynamometer
25
Gambar 2.14 merupakan gambar dynamometer yang dipakai dalam pengujian
putaran berbeban dan tanpa beban. Unit dynamometer menggunakan 2 buah neraca
pegas gantung dan v belt yang telah dipotong sebagai penghubung antara puli kincir
dengan neraca pegas.
2.9 Pemilihan Unit Pompa
Dengan data perencanaan unit kincir air tersebut diatas digunakan sebagai acuan
dalam pemilihan unit pompa yang dipakai .Pompa yang dipakai adalah pompa torak
dengan spesifikasi sebagai berikut :
. ⁄
Pressure max.
= 35
Operation
= 300 - 1000 RPM
Capacity max.
= 20
Required power
= 135 – 265 watt.
⁄
Pompa ini adalah sebuah pompa torak dengan 3 silinder yang memiliki
karakteristik Head yang besar. Pemilihan Head besar dikarenakan pompa akan
mendorong air melalui elevansi yang tinggi dari titik pompa hingga bak pengumpul.