Minggu, 10 Juni 2012


CFD

COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Introduction
CFD adalah metode penghitungan, memprediksi, dan pendekatan aliran fluida secara numerik dengan bantuan komputer. Aliran fluida dalam kehidupan nyata memiliki banyak sekali jenis dan karakteristik tertentu yang begitu kompleks, CFD melakukan pendekatan dengan metode numerasi serta menggunakan persamaan-persamaan fluida. Berikut ini beberapa contoh aliran fluida yang sring kita temui sehari-hari:
•    Bernafas, minum, pencernaan, mencuci, berenang merokok.
•    Laundry pakaian dan mengeringkannya.
•    Pemanas ruangan, ventilasi ruangan, memadamkan api dengan air.
•    Pembakaran bensin pada engine dan tentunya juga polusi.
•    Membuat sup, campuran minyak pada pembuatan plastik
•    Pesawat, parasut, berselancar, berlayar
•    Menyolder, pembuatan besi atau baja, eleltrolisis air dll.
CFD merupakan metode penghitungan dengan sebuah kontrol dimensi, luas dan volume dengan memanfaatkan bantuan komputasi komputer untuk melakukan perhitungan pada tiap-tiap elemen pembaginya. Prinsipnya adalah suatu ruang yang berisi fluida yang akan dilakukan penghitungan dibagi-bagi menjadi beberapa bagian, hal ini sering disebut dengan sel dan prosesnya dinamakan meshing. Bagian-bagian yang terbagi tersebut merupakan sebuah kontrol penghitungan yang akan dilakukan oleh aplikasi atau software. Kontrol-kontrol penghitungan ini beserta kontrol-kontrol penghitungan lainnya merupakan pembagian ruang yang disebutkan tadi atau meshing. Nantinya, pada setiap titik kontrol penghitungan akan dilakukan penghitungan oleh aplikasi dengan batasan domain dan boundary condition yang telah ditentukan. Prinsip inilah yang banyak dipakai pada proses penghitungan dengan menggunakan bantuan komputasi komputer. Contoh lain penerapan prinsip ini adalah Finite Element Analysis (FEA) yang digunakan untuk menghitung tegangan yang terjadi pada benda solid.
Sejarah CFD berawal pada tahun 60-an dan mulai terkenal pada tahun 70-an, awalnya pemakaian konsep CFD hanya digunakan untuk aliran fluida dan reaksi kimia, namun seiring dengan berkembangnya industri di tahun 90-an membuat CFD makin dibutuhkan pada berbagai aplikasi lain. Contohnya sekarang ini banyak sekali paket-paket software CAD menyertakan konsep CFD yang dipakai untuk menganalisa stress yang terjadi pada design yang dibuat. Pemakain CFD secara umum dipakai untuk memprediksi:
•    Aliran dan panas.
•    Transfer massa.
•    Perubahan fasa  seperti pada proses melting, pengembunan dan pendidihan.
•    Reaksi kimia seperti pembakaran.
•    Gerakan mekanis seperti piston dan fan.
•    Tegangan dan tumpuan pada benda solid.
•    Gelombang elektromagnet
CFD adalah penghitungan yang mengkhususkan pada fluida, mulai dari aliran fluida, heat transfer dan reaksi kimia yang terjadi pada fluida. Atas prinsip-prinsip dasar mekanika fluida, konservasi energi, momentum, massa, serta species, penghitungan dengan CFD dapat dilakukan. Secara sederhana proses penghitungan yang dilakukan oleh aplikasi CFD adalah dengan kontrol-kontrol penghitungan yang telah dilakukan maka kontrol penghitungan tersebut akan dilibatkan dengan memanfaatkan persamaan-persamaan yang terlibat. Persamaan-persamaan ini adalah persamaan yang dibangkitkan dengan memasukkan parameter apa saja yang terlibat dalam domain. Misalnya ketika suatu model yang akan dianalisa melibatkan temperatur berarti model tersebut melibatkan persamaan energi atau konservasi dari energi tersebut. Inisialisasi awal dari persamaan adalah boundary condition. Boundary condition adalah kondisi dimana kontrol-kontrol perhitungan didefinisikan sebagi definisi awal yang akan dilibatkan ke kontrol-kontrol penghitungan yang berdekatan dengannya melalui persamaan-persamaan yang terlibat. Berikut ini skema sederhana dari proses penghitungan konsep CFD:
Skema proses CFD
Gambaran Umum Proses CFD
Hasil yang didapat pada kontrol point terdekat dari penghitungan persamaan yang terlibat akan diteruskan ke kontrol point terdekat lainnya secara terus menerus hingga seluruh domain terpenuhi. Akhirnya, hasil yang didapat akan disajikan dalam bentuk warna, vektor dan nilai yang mudah untuk dilihat dengan konfigurasi jangkauan diambil dari nilai terbesar dan terkecil.
Secara umum proses penghitungan CFD terdiri atas 3 bagian utama:
1.      Preposessor
2.      Processor
3.      Post processor
Prepocessor adalah tahap dimana data diinput mulai dari pendefinisian domain serta pendefinisan kondisi batas atau boundary condition. Ditahap itu juga sebuah benda atau ruangan yang akan analisa dibagi-bagi dengan jumlah grid tertentu atau sering disebut juga dengan meshing. Tahap selanjutnya adalah processor, pada tahap ini dilakukan proses penghitungan data-data input dengan persamaan yang terlibat secara iteratif. Artinya penghitungan dilakukan hingga hasil menuju error terkecil atau hingga mencapai nilai yang konvergen. Penghitungan dilakukan secara menyeluruh terhadap volume kontrol dengan proses integrasi persamaan diskrit. Tahap akhir merupakan tahap postprocessor dimana hasil perhitungan diinterpretasikan ke dalam gambar, grafik bahkan animasi dengan pola-pola warna tertentu.
Hal yang paling mendasar mengapa konsep CFD (software CFD) banyak sekali digunakan dalam dunia industri adalah dengan CFD dapat dilakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut. Atau dalam proses design engineering tahap yang harus dilakukan menjadi lebih pendek. Hal lain yang mendasari pemakaian konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam akan suatu masalah yang akan diselesaikan atau dalam hal ini pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, kontur dan bahkan animasi.
Persamaan-persamaan Konservasi
Dalam membuat model CFD diperlukan definisi dari model itu sendiri, apakah model tersebut memepertimbangkan faktor reaksi kimia, mass transfer, heat transfer atau hanya berupa aliran fluida non kompressible dan laminar. Definisi dari model sebenarnya adalah memilih persamaan mana yang akan diaktifkan dalam suatu proses CFD. Banyak sekali persamaan yang digunakan dalam konsep CFD secara umum karena semua persamaan tersebut merupakan pendekatan dari karakteristik fluida yang akan mendekatkannya pada kondisi real. Subhanallah, jika kita mengetahui hal ini akan menunjukkan betapa hebatnya Allah SWT membuat aturan-aturan tesebut, bisa dibayangkan berapa persamaan konservasi yang dibutuhkan dan berapa kekuatan komputasi komputer untuk membuat model seperti bumi dalam kehidupan nyata, karena untuk suatu karakter aliran fluida tertentu saja bisa melibatkan berbagai macam persamaan-persamaan konservasi dan membutuhkan hardware komputer yang canggih untuk bisa menghitungnya. Sebagai gambaran komputer tercepat saat ini yang sistem keseluruhan komputernya sebesar kurang lebih satu ruangan kelas berisi 40 orang siswa hanya mampu memodelkan keadaan cuaca bumi, lantas bagaimana Allah bisa mengatur semua alam semesta ini dalam waktu yang bersamaan, tanpa terjadi kesalahan, dengan tingkat akurasi yang begitu tinggi. SUBHANALLAH, mungkin hanya itu yang bisa saya katakan.
Kita kembali ke CFD, berikut ini salah satu contoh persamaan-persamaan dasar yang terlibat dalam suatu aliran laminar tanpa melibatkan perpindahan kalor maupun spesies.
Persamaan Konservasi Massa
Persamaan konservasi massa atau persamaan kontinuiti yang digunakan dalam CFD adalah:
Persamaan konservasi massa
Persamaan konservasi massa
Persamaan diatas merupakan persamaan umum dari konservasi massa dan valid untuk setiap aliran compressible dan incompressible.
Persamaan Konservasi Momentum
Persamaan konservasi momentum adalah persamaan yang mendefinisikan gerakan fluida ketika terjadi gaya-gaya pada partikel-partikelnya pada setiap elemen fluida yang didefiniskan di dalam model CFD. Untuk lebih  jelasnya lihat gambar di bawah ini:
Elemen Fluida
Gaya-gaya yang terjadi dalam arah x pada suatu elemen fluida
Persamaan konservasi momentum
Persamaan konservasi momentum
Persamaan diatas adalah persamaan diferensial umum dari gerakan fluida. Kenyataannya persamaan tersebut dapat diaplikasikan untuk setiap continuum (solid atau fluid) ketika bergerak ataupun diam.
Boundary Conditions
Dalam menganalisa suatu aliran fluida terdapat dua metode yang dapat digunakan, yang pertama adalah mencari pola aliran secara detail (x, y, z) pada setiap titik atau yang kedua, mencari pola aliran pada suatu daerah tertentu dengan keseimbangan antara aliran masuk dan keluar dan menentukan (secara kasar) efek-efek yang mempengaruhi aliran tersebut (seperti: gaya atau perubahan energi). Metode pertama adalah metode analisa diferensial sedangkan yang kedua adalah metode integral atau control volume. Boundary conditions adalah kondisi dari batasan sebuah kontrol volume tersebut. Dalam analisa menggunakan CFD seluruh titik dalam kontrol volume tersebut di cari nilainya secara detail, seperti yang telah di jelaskan di awal bab ini, dengan memanfaatkan nilai-nilai yang telah diketahui pada boundary conditions. Secara umum boundary conditions terdiri dari dua macam, inlet dan oulet. Inlet biasanya didefinisikan sebagai tempat dimana fluida memasuki  domain (control volume) yang ditentukan. Berbagai macam kondisi didefinisikan pada inlet ini mulai dari kecepatan, komposisi, temperatur, tekanan, laju aliran. Sedangkan pada outlet biasanya didefinisikan sebagai kondisi dimana fluida tersebut keluar dari domain atau dalam suatu aplikasi CFD merupakan nilai yang didapat dari semua variabel yang didefinisikan dan diextrapolasi dari titik atau sel sebelumnya. Di bawah ini salah satu contoh penerapan boundary conditions.
Boundary Conditions
Salah satu contoh boundary conditions pada analisa aliran viscous heat conduction fluid
Solusi dari persamaan
Setelah semua terdefinisi maka seluruh variabel yang diketahui dimasukkan kedalam persamaan dan diselesaikan menggunakan operasi numerik. Ketika iterasi dimulai maka seluruh persamaan konservasi yang didefinisikan diselesaikan secara bersamaan secara paralel. Disinilah peran komputer yang sebenarnya. Berikut ini flow charts dari salah satu aplikasi CFD (Fluent) dalam penyelesaian persamaan.
Flowchart CFD
Prosedur penyelesaian dari salah satu software CFD (FLuent)
Mengapa CFD
Mengapa harus menggunakan CFD?, pertanyaan ini selalu muncul dalam setiap bahasan CFD. Banyak engineer-engineer mempertanyakan mengapa harus menggunakan CFD padahal sebelum kelahiran CFD pun banyak produk-produk yang dibuat tanpa harus melakukan modeling terlebih dahulu. Dan hal ini juga yang mungkin bisa menjawab pertanyaan mengapa produk-produk buatan zaman sekarang lebih ringan, lebih efisien, lebih canggih, lebih murah, dan lebih lainnya. Kita akan mencoba melihatnya dari hal yang didapat ketika kita memodelkan CFD.
1. Pengetahuan mendalam
Disaat produk yang ingin kita buat sulit untuk di buat prototipe ataupun diadakan riset yang mendalam, misalnya dikarenakan mahalnya membuat prototipe ataupun riset, maka menggunakan analisa CFD merupakan hal yang tepat. Artinya, dalam dunia industri hal ini sangat berguna ketika kita akan membuat sebuah produk. Dengan analisa CFD kita akan mudah mengetahui dan melihat data-data yang dibutuhkan untuk membuat produk yang efisien, parameter-parameter yang berpengaruh dan fenomena-fenomena fisika yang terjadi bahkan bisa dibilang jauh lebih mendalam dibandingkan dengan prototipe.
Insight
Dengan analisa CFD melihat fenomena2 yang terjadi
2. Pengambilan keputusan
Karena analiasa CFD merupakan tools untuk memprediksi parameter-parameter yang ada dengan kondisi tertentu, maka analisa CFD bisa menjawab pertanyaan “WHAT IF” dengan sangat cepat. Dengan simulasi CFD kita dapat mengubah parameter yang ada melihat hasilnya, mengubahnya lagi hingga didapat kondisi yang diinginkan sebelum dibuatnya protipe fisik. Jadi, dalam waktu yang sama kita dapat melalukan test dari model CFD yang kita buat, melihat hasilnya, dan mengubah variabel-variabel yang ada hingga didapatkan hasil yang optimal, dalam waktu yang singkat, dengan biaya yang murah dan bahkan membuat produk kita sesuai dengan code dan standard yang ada terutama safety.
Foresight
Merubah parameter dan melihat hasilnya dengan cepat
3. Efisiensi
Design dan analisis yang baik dalam aplikasi industri adalah design yang memberikan design cycle yang singkat, biaya yang murah, waktu yang singkat sampai ke tangan client atau market, pengembangan produk dilakukan dengan instalasi dalam waktu singkat dan minimum downtime. CFD adalah tools untuk mempersingkat siklus design dan pengembangan dari suatu produk.
Efisiensi
Design cylcle sebuah produk menjadi lebih singkat
Penerapan Aplikasi CFD di Industri
Berikut ini beberapa contoh penerapan konsep CFD yang dipakai di berbagai bidang industri.
1. Aerospace
Di industri ini penerapan CFD dipakai oleh para produsen/manufaktur pesawat militer, penumpang dan pesawat luar angkasa. Kemampuan CFD saat ini hingga mampu memodelkan hingga tingkat kompleksitas yang tinggi. Pengunaan konsep CFD dipakai untuk menganalisis external aerodynamics, avionics cooling, fire supression, the icing, engine performance, life support, climate control, etc.
aerospace
2. Automotive
Di bidang otomotif, aplikasi CFD dipakai oleh banyak perusahaan otomotif terkemuka di dunia. Aplikasi CFD dipakai guna melihat fenomena external aerodynamics, cooling, heating, engine performance dan pada dunia balap. Aplikasi CFD juga dipakai guna mengetahui performa pada komponen-komponen / sistem penunjang otomotif, seperti pompa, rem, compressor, manifold, ban, headlamp dll.
automotive
aplikasi di industri otomotif - fluent
3. Biomedical
Biomedis merupakan salah satu bidang yang cukup menantang bagi CFD. Di bidang ini aplikasi CFD dipakai pada alat-alat medis dan anatomi tubuh manusia. Tapi, lagi-lagi konsep CFD mampu mengcapture kebutuhan di bidang ini. Aplikasi CFD dipakai untuk untuk mengetahui bagaimana sistem yang ada di tubuh kita bekerja. Bahkan dengan bantuan sebuah aplikasi CFD dapat mempermudah memahami sebuah sistem dan membuat tiruannya guna membantu bagi yang memerlukannya. Aplikasi CFD dalam bidang ini dipakai pada pembedahan mata, aliran darah pada nadi, masuknya udara pada hidung, pengembangan pompa jantung, sistem penyaluran obat internal, spinal needle, dll.
biomedbiomed2biomed3biomed4
==aplikasi di bidang biomedis – fluent==
4. Chemical Processing
Dalam industri proses kimia hampir semua aliran bereaksi satu dengan yang lain. Kemampuan seorang engineer dalam memodelkan proses kimia ke dalam CFD membutuhkan pemahaman yang mendalam mulai dari sifat kimia, kinetis, sifat fisika, dinamik, karakteristik fluida dsb. Kompleksnya pemodelan di industri ini seperti pada mixing tank, dan aliran multifase yang kadang melibatkan beberapa fase berbeda (cair, gas dan padat) saling bereaksi satu sama lain membuat pemodelan di bidang ini harus dilakukan oleh engineer berpengalaman di bidang ini. Proses kimia yang pada umumnya dimodelkan adalah mixing, separation, reaction, combustion, filtration dan drying.
chem4chem1chem2chem3
==aplikasi di industri proses – fluent==
5. Equipment Manufacturing
Kebutuhan pemodelan dalam industri manufaktur produk pada umumnya berupa optimasi design dari produk baru yang akan dibuat atau troubleshooting equipment yang telah dipakai dengan cepat, minimum downtime serta safety. Dengan memodelkan suatu produk, kita bisa mengetahui perubahan yang terjadi ketika design diubah, sehingga dengan mudah mendapatkan hasil yang diinginkan dan tentunya juga kita dapat menyelesaikan masalah yang terjadi pada suatu sistem dengan cepat dan efisien. Pemodelan dalam industri manufaktur peralatan ini biasanya dipakai dalam pembuatan, impeller, turbin, fan, propeller, vanes, ducting, valve, piping, seal bahkan sebuah sistem.
manu3manu2manu1
==aplikasi di industri manufaktur – fluent==
6. Semikonduktor
Pemodelan di industri ini sangat berperan aktif dalam memodelkan clean room ventilation, air handling, wafer processing, optimisasi furnace. Di industri ini efisiensi dan optimisasi sangat diperlukan karena proses dengan teknologi tinggi sangat menelan biaya jika tidak dilakukan dengan efisien. Pemodelan CFD di bidang ini sudah mencapai teknologi plasma.
semi
Aplikasi di industri semikonduktor - fluent
7. Industri makanan dan minuman
Di industri makanan sama seperti industri kimia, hampir semuanya mengalir, terjadi perpindahan panas, dan proses kimia. Di industri ini peranan analisa CFD menjadi cukup penting, karena kebutuhan akan kualitas dan dan keamanan makanan. Analisis CFD yang dilakukan membuat proses yang terjadi menjadi mudah dipahami yang akhirnya akan membuat target yang ingin dicapai dapat dilakukan dalam waktu yang singkat dan dengan cara yang efisien. Di industri ini aplikasi CFD dipakai pada pasturisasi, pemanasan, pendinginan, pencampuran.
food2

MODEL SUDU DAN NOZEL PADA TURBIN PELTON
SEBAGAI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO

Ariyanto, Abdul Muchlis, Ahcmad Fauzan
Abdul Rahman A. R, Eko Aprianto N
Guru pembimbing Dr.Sri Poernomo Sari

Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri
Universitas Gunadarma, Jakarta

Email : abdul.muchlis07@gmail.com


Abstrak
            Sumber energi yang dapat diperbaharukan di Indonesia menurut sumber asean energy salah satunya adalah mikrohidro yang memanfaatkan air sebagai sumber energi dari suatu turbin. Energi potensial air diubah menjadi energi kinetik pada nozel. Air keluar nozel yang mempunyai kecepatan tinggi membentur sudu turbin. Setelah membentur sudu arah kecepatan aliran berubah sehingga terjadi perubahan momentum (impulse) sehingga roda turbin akan berputar. Turbin Pelton merupakan turbin impuls yang terdiri dari satu set sudu jalan yang diputar oleh pancaran air yang disemprotkan dari  satu atau lebih alat yang disebut nozel. Turbin Pelton adalah salah satu dari jenis turbin air yang paling efisien dan sesuai digunakan untuk head tinggi dan debit aliran yang kecil. Turbin Pelton mempunyai beberapa keuntungan antara lain efisisensi turbin yang relatif stabil pada berbagai perubahan debit aliran. Tujuan penulisan artikel ilmiah ini adalah untuk mengetahui dan memberikan wawasan tentang model sudu dan nozel pada Turbin Pelton sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM). Model sudu dan nozel yang bervariasi  akan memberi impuls yang baik untuk menghasilkan putaran turbin. Karakteristik model sudu turbin pada variasi jarak nozel dapat menghasilkan efisiensi yang tinggi.


Kata kunci : Tenaga Mikrohidro, Turbin Pelton, Sudu, Nozel, Putaran, Efisiensi


 1.      Pendahuluan

Pada saat ini dunia sedang mengalami krisis energi dan khususnya Indonesia mengalami krisis energi listrik secara nasional. Listrik merupakan salah satu kebutuhan hidup manusia yang primer, sehingga diperlukan suatu instalasi pembangkit tenaga listrik yang efisien. Berbagai macam jenis pembangkit listrik telah banyak dibuat mulai dari turbin gas, turbin uap, turbin air, kincir air dan solar cell dengan berbagai keuntungan dan kelebihan. Pemanfaatan energi tenaga air (hydropower) di Indonesia juga sangat minim. Turbin pelton merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya memanfaatkan energi potensial air sebagai energi listrik tenaga air. Prinsip kerja turbin pelton adalah memanfaatkan daya fluida dari air untuk menghasilkan daya poros.
Pengembangan sumber energi yang dapat diperbarahukan semakin meningkat sebagai antisipasi makin berkurangnya sumber energi yang berasal dari fosil seperti minyak bumi dan batubara. Turbin air berperan untuk mengubah energi air menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat memanfaatkan head yang lebih tinggi. Putaran poros turbin ini akan diubah oleh generator menjadi tenaga listrik. Turbin impuls adalah turbin tekanan sama karena aliran air yang keluar dari nosel tekanannya adalah sama dengan tekanan atmosfir sekitarnya. Semua energi tinggi tempat dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan.
Turbin Pelton pertama kali ditemukan oleh insinyur dari Amerika yaitu Lester A. Pelton pada tahun1880. Turbin ini dioprasikan pada head sampai 1800 m, turbin ini relative membutuh kan jumlah air yang lebih sedikit dan biasanya porosnya dalam posisi mendatar. Tujuan penulisan artikel ilmiah ini adalah untuk mengetahui dan memberikan wawasan tentang model sudu dan nozel pada Turbin Pelton sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTM).


 Gambar 1. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di dunia



Gambar 2. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di Asia Tenggara


Kebutuhan tenaga potensial air di Indonesia 401,646 GWh/tahun (sekitar 74.976 MW).


Gambar 3. Diagram kebutuhan tenaga potensial air di Indonesia

  
 Tabel 1. Sumber Energi Terbarukan di Indonesia


 



2.      Klasifikasi Turbin Air

1.      Berdasarkan gerak air pada sudu yang bergerak
a.       Turbin Impuls
Energi tekanan seluruhnya diubah menjadi energy kinetik, air menumbuk sudu pada tekanan atmosfer sehingga tidak ada perubahan  tekanan antara inlet dan outlet. Turbin ini juga disebut sebagai “Velocity Turbine”

b.      Turbin Reaksi
Bekerja berdasarkan Tekanan pada inlet dan otlet dari turbin “pressure turbine” energy kinetic dan tekanan memutar sudu turbin.
           
2.      Berdasarkan nama penemu
Pelton wheel, Turgo, Girard, Banki adalah turbin impuls sedangkan Francis, Kaplan dan Thomson adalah turbin reaksi.

3.      Berdasarkan head dan jumlah air yang tersedia
a.       High head ( > 200 m) jumlah air sedikit, contohnya turbin impuls (turbin Pelton)
b.      Medium Head (30-200 m) jumlah air sedang, contohnya turbin reaksi (turbin Francis)
c.       Low Head (< 30 m) jumlah air besar, contohnya turbin reaksi (turbin Kaplan, turbin propeller)



Gambar 4. Klasifikasi Turbin Air




Gambar 5. Head pada Turbin Pelton



Gambar 6. Grafik perbandingan efisiensi turbin air


3.      Komponen utama Turbin Pelton

Pada Turbin Pelton, air mengalir dalam “penstock”(pipa pesat), sampai ujung bawah masuk nosel (energy kinetic naik), keluar mengenaik sudu-sudu ( yang terpasang pada runner). Pengaturan jumlah air dapat dengan regulator / governor (untuk instalasi yang besar) atau denga tangan / manual (instalasi yang kecil).

1.      Nozel, energi tekanan dari air pada reservoir sewaktu melewati penstock sebagian dirubah menjadi energi kinetic dan energy kinetik ini makin lama meningkat oleh karena nozzle pada tekana atmosfer pada casing. Ketika air menabrak buckets maka dihasilkan energy mekanik . untuk turbin degan kapasitas yang kecil menggunakan single jet. Dan untuk turbin yang memproduksi tenaga besar, jumlah jet harus lebih banyak.

2.      Buckets(sudu), buckets dari pelton wheel mempunyai bentuk double hemispherical cup. Pancaran dari air yang datang mengenai buckets bagian tengah yang ada pemisahnya terbagi menjadi dua bagian dan setelah hancur pada permukaan bagian dalam bucket berubah 160 sampai 170 lalu meninggalkan bucket. Bucket ini terbuat dari cast iron (head rendah), cast steel atau dari stainless steel (head tinggi). Permukaan bagian dalam dip les sedemikian rupa untuk menghindari gesekan yang besar.

3.      Casing. Berfungsi untuk menghindari deburan air, serta untuk mengarahkan air ke tail race dan sebagai keamanan.



4.      Rem hidrolik. Untuk menghentikan putaran turbin, walaupun pancaran air telah berhenti, runner tetap akan berputar untuk waktu yang lama. Untuk menghentikannya diperlukan rem nozle yang kecil, dimana arah air dari rem ini berlawanan arah dengan putaran runner.

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. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nozel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan mangkok sudu lebih kecil.

Turbin Pelton merupakan salah satu jenis turbin air yang prinsip kerjanya memanfaatkan energi potensial air menjadi energi listrik tenaga air (hydropower). Prinsip kerja turbin pelton adalah mengkonversi daya fluida dari air menjadi daya poros untuk digunakan memutar generator listrik. Air yang berada pada bak penampung dihisap oleh pompa dimana pompa berfungsi untuk menghisap dan memompa air untuk dialirkan ke sudu turbin. Namun aliran air tidak langsung mengarah ke sudu turbin melainkan harus melewati pipa-pipa saluran yang telah diberi katup buka tutup sehingga laju aliran air dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan. Kemudian katup-katup tersebut terhubung dengan saluran nozel dimana nozel berfungsi sebagai pemancar air yang dipancarkan langsung ke arah sudu turbin sehingga sudu turbin berputar. Pada sudu-sudu turbin, energi aliran air diubah menjadi energi mekanik yaitu putaran roda turbin. Apabila roda turbin dihubungkan dengan poros generator listik, maka energi mekanik putaran roda turbin diubah menjadi energi listrik pada generator. Kemudian air yang telah digunakan untuk memutar sudu turbin jatuh kedalam bak penampung untuk kembali ke tahap awal maka terjadilah sirkulasi.
Energi potensial air disemprotkan oleh nozel ke sudu untuk dirubah menjadi energi mekanik yang digunakan untuk memutar poros generator. Nozel merupakan mekanisme pancaran yang berbentuk melengkung yang mengarahkan air sesuai dengan arah aliran yang direncanakan dan mengatur aliran air. Fungsi utama nozel adalah untuk mengubah tekanan air menjadi suatu kecepatan aliran yang digunakan untuk memutar runner. Bentuk nozel sangat mempengaruhi performa turbin. Perancangan sebuah nozel turbin pelton dimulai dari menentukan ukuran runner dan sudu dengan menggunakan data yang telah ada setelah itu melakukan perhitungan diameter ujung nozel, kecepatan aliran air pada ujung nozel, panjang ujung nozel. Bahan yang digunakan untuk nozel turbin pelton ini adalah menggunakan paduan Aluminium. Dari tahap-tahap yang telah direncanakan tersebut, maka didapatkan ukuran nozel untuk turbin air pelton yang sesuai dengan yang diharapkan.


Gambar 7. Nozel Turbin

Ukuran nozel yang sesuai dapat memutar sudu lebih baik sehingga dapat meningkatkan efesiensi turbin. Dengan meningkatkan efesiensi turbin maka dapat meningkatkan energi yang dihasilkan sehingga turbin air mampu menghasilkan kerja yang optimal dengan menggunakan energi yang minimal.




Gambar 8. Runner Turbin Pelton
Nozel mempunyai beberapa fungsi yaitu mengarahkan pancaran air ke sudu turbin, mengubah tekanan menjadi energi kinetik dan mengatur kapasitas air yang masuk turbin. Sudu turbin merupakan sarana untuk merubah energi air menjadi energi mekanik berupa torsi pada poros sudu dimana aliran air yang disemprotkan oleh nozel ke arah sudu mengakibatkan daun-daun sudu terdorong dan berputar. Aliran air  yang diarahkan langsung menuju sudu-sudu melalui pengarah atau nozel ini juga menghasilkan daya pada sirip. Selama sudu berputar, gaya bekerja melalui suatu jarak, sehingga menghasilkan kerja. Dalam proses ini energi ditransfer dari aliran air ke turbin.
            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. Untuk turbin dengan daya yang besar, sistem penyemprotan airnya dibagi lewat beberapa nozel. Dengan demikian diameter pancaran air bisa diperkecil dan mangkok sudu lebih kecil seperti pada gambar 4 di atas. Desain ini dibuat untuk mempermudah dalam proses perakitan sehingga dapat diketahui langkah-langkah yang harus dilakukan.


4.         Teori

Ada beberapa faktor yang mempengaruhi aliran fluida, yaitu :
a.      Laju Aliran Volume
Laju aliran volume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan pada persamaan sebagai berikut :

                                                Q = A.V                                                                   (1)
Dimana :
v = Kecepatan aliran (m/s)
A = Luas penampang pipa (m)
Q = Debit aliran  (m³/s)
Selain persamaan di atas dapat juga menggunakan persamaaan sebagai berikut:

                                                Q = V/t                                                                     (2)
Dimana :
V  = Volume aliran (m3)
Q = Debit aliran  (m³/s)
 t = waktu aliran (s)

                                      u = Q/A                                                         (3)

Dimana :
  = Kecepatan atau laju aliran (m/s)
Q = Debit aliran (m3/s)
A = Luas penampang ( m2)



b.      Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds didapat dengan menggunakan persamaan (4) dimana nilai dari Bilangan Reynolds (Re) dapat dihitung bila mempunyai nilai-nilai dari : kecepatan aliran (v), massa jenis (ρ), diameter dalam pipa (d), viskositas dinamik (m) atau viskositas kinematik (u).
                                    (4)
                                                                                 
c.       Daya

Tenaga yang didapat dari aliran air adalah,

  P = η ´ ρ ´ g ´ h ´ i                                                                                             (5)

Dimana
 ·          P          =  Daya (J/s or watts)
·           η          =  Efisiensi turbin
·           ρ          =  Massa jenis air (kg/m3)
·           g          =  Percepatan gravitasi (9.81 m/s2)
·           h          =  Head (m).
 Untuk air tenang, ada perbedaan berat antara permukaan masuk   dan  keluar. Perpindahan air memerlukan komponen tambahan untuk ditambahkan untuk mendapatkan aliran energi kinetik. Total head dikalikan tekanan head ditambah kecepatan head.
·           i           =  Aliran rata-rata (m3/s)

d. Kecepatan Spesifik

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 performa yang sudah diketahui. Kecepatan spesifik merupakan kriteria utama yang menunjukkan pemilihan jenis turbin yang tepat berdasarkan karakteristik sumber air. 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 dan selalu dapat diartikan sebagai titik efisiensi maksimum. Perhitungan tepat ini menghasilkan performa turbin dalam jangkauan head dan debit tertentu.

 

                                                          , n = rpm





 

                                                          , Ω = kecepatan sudut (radian/detik)






Gambar 9. Perbandingan Turbine Shape vs Spesific Speed
Kecepatan spesifik juga merupakan titik awal dari analisis desain dari sebuah turbin baru. Sekali kecepatan spesifik yang diinginkan diketahui, dimensi dasar dari bagian-bagian turbin dapat dihitung dengan mudah. Hukum Affinity mengijinkan keluaran turbin dapat diperkirakan berdasarkan dari test permodelan. Hukum Affinity didapatkan dari penurunan yang membutuhkan persamaan antara test permodelan dan penggunaanya. Debit yang melalui turbin dikendalikan dengan katub yang besar atau pintu gerbang yang disusun diluar sekeliling pengarah turbin. Perubahan head dan debit dapat dilakukan dengan variasi bukaan pintu, akan menghasilkan diagram yang menunjukkan efisiensi turbin dengan kondisi yang berubah-ubah.

5.         Analisa

Besarnya tenaga air yang tersedia dari suatu sumber air bergantung pada besarnya head dan debit air. Dalam hubungan dengan reservoir air maka head adalah beda ketinggian antara muka air pada reservoir dengan muka air keluar dari kincir air/turbin air. Laju aliran volume disebut juga debit aliran (Q) yaitu jumlah volume aliran per satuan waktu. Debit aliran dapat dituliskan dari persamaan (2) dimana dapat didefinisikan besarnya volume (V) persatuan waktu (t) sedangkan untuk kecepatan laju aliran dapat didefinisikan besarnya debit (Q) aliran yang mengalir persatuan luas penampang (A) seperti pada persamaan (3).
Debit aliran fluida didapatkan dari volume fluida yang diambil selama waktu tertentu. Waktu diukur dengan menggunakan stopwatch dalam satuan sekon (s) dan volume didapat menggunakan gelas ukur dari percobaan dalam satuan ml.
            Semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar, atau semakin besar bukaan katup maka volume fluida akan semakin tinggi per satuan waktu. Sementara untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat disimpulkan bahwa semakin besar bukaan katup, maka kecepatan aliran fluida akan cenderung meningkat. Kecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi Bilangan Reynolds kerena kecepatan aliran merupakan fungsi pembilang dalam Bilangan Reynolds, sehingga semakin cepat aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat) maka nilai bilangan Reynolds akan cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan turbulen.

Penghitungan Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds (Re) dapat dihitung bila mempunyai nilai-nilai dari : kecepatan aliran (v), massa jenis (ρ), diameter dalam pipa (d), viskositas dinamik (m) atau viskositas kinematik (u).
Nilai viskositas kinematis (u) dan dinamis (m) untuk air murni didapat dari fungsi temperatur fluida pada tabel sifat fisika air murni. Dari tabel 2 diatas untuk diameter pipa yang sama dapat dilihat Bilangan Reynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi peningkatan kecepatan aliran fluida. Hal ini menunjukan semakin terjadi peningkatan kecepatan aliran fluida, maka aliran dalam pipa akan cenderung turbulen. Sedangkan semakin terjadi penurunan kecepatan aliran fluida, aliran tersebut akan cenderung laminer. Dalam pengujian ini kecepatan aliran (v) yang berfungsi sebagai pembilang di dalam Bilangan Reynolds sangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian. Selain itu transisi dari aliran laminer ke aliran turbulen tentunya juga merupakan fungsi dari bilangan Reynolds .
            Jarak tembak antara nozel terhadap daun sudu juga dapat mempengaruhi kecepatan putar sudu turbin. Penempatan titik jarak yang tepat antara nozel dengan daun sudu maka dapat meningkatkan efisiensi turbin sehingga didapatkan putaran yang maksimal. Dengan mengetahui titik optimum dari jarak nozel terhadap daun sudu dapat meningkatkan putaran runner menjadi lebih cepat karena titik jatuhnya pancaran nozel tepat mengenai daun sudu dan tidak terpecah karena salah satu fungsi utama nozel adalah dapat mengarahkan pancaran aliran air tepat mengenai daun sudu.

Pengaruh jarak nozel terhadap sudu turbin (l)

   Gambar 10. Skema Jarak Antara Nozel Terhadap Runner


Perbedaan jarak antara nozel dengan daun sudu dapat mempengaruhi kecepatan putar sudu turbin. Jarak antara runner dengan nozel yang terlalu dekat dapat memecah aliran sehingga pancaran air tidak tepat atau tidak fokus. Selain itu jarak antara nozel terhadap runner menentukan titik jatuhnya aliran air, karena itu nozel harus memiliki jarak yang tepat agar sudu turbin dapat menerima impuls dengan baik.

6.         Kesimpulan
Dari hasil pengujian dan pengamatan yang telah dilakukan pada penelitian ini maka dapat disimpulkan sebagai berikut :
·         Diameter nozel yang lebih besar menghasilkan volume air yang lebih banyak dibandingkan nozel dengan diameter yang lebih kecil. Sehingga dapat disimpulkan nozel yang berdiameter lebih besar dapat menghasilkan volume air yang besar.
·         Perbedaan putaran sudu dimana nozel yang memiliki diameter lebih besar dapat memutarkan sudu lebih cepat dibandingkan dengan nozel yang memiliki ukuran diameter lebih kecil yang dapat memutarkan sudu pada bukaan katup yang sama.
·         Dari data pengujian yang telah diolah untuk mencari debit aliran dan kecepatan aliran dapat dilihat bahwa semakin besar bukaan katup maka debit yang dihasilkan lebih besar, atau dengan kata lain semakin besar bukaan katup maka volume fluida akan semakin tinggi per satuan waktu. Dalam pengujian ini ada beberapa faktor yang mempengaruhi hasil pengambilan data untuk menentukan debit aliran seperti, ketepatan pengambilan volume dengan gelas ukur agar dalam proses penampungan tidak ada air yang tumpah dan ketepatan pengambilan waktu penampungan.
·         Sementara untuk kecepatan aliran yang telah didapatkan dari pengolahan data dapat disimpulkan bahwa semakin besar bukaan katup, maka kecepatan aliran fluida akan cenderung meningkat. Kecepatan yang telah didapatkan akan mempengaruhi Bilangan Reynolds kerena kecepatan aliran merupakan fungsi pembilang dalam Bilangan Reynolds, sehingga semakin cepat aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian (pipa bulat) maka nilai bilangan Reynolds akan cenderung meningkat atau menunjukan kecenderungan turbulen pada saat Bilangan Re mencapai 4000 keatas.
·         Bilangan Reynolds cenderung meningkat karena dipengaruhi peningkatan kecepatan aliran fluida. Hal ini menunjukan semakin terjadi peningkatan kecepatan aliran fluida, maka aliran dalam pipa akan cenderung turbulen. Dalam pengujian ini kecepatan aliran (v) di dalam Bilangan Reynolds sangat mempengaruhi karakteristik dari aliran fluida yang mengalir di dalam pipa pengujian.


DAFTAR PUSTAKA

[1].       Reuben M. Olso, Steven j. Wraight. Essentials of Engineering Fluid Mechanics. Harper & Row Publisher , inc, 1990
[2].       Victor I, Streeter, Fluid Mechanics. McGraw-Hill, Inc. 1985.
[3].       Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin Pompa dan Kompresor, Penerbit
Erlangga, Jakarta, 2006
[4]        EBARA Hatakeyama Memorial Fund, Ebara Corporation,Tokyo, Japan
[5]        David G. Ullman, The Mechanical design Process, Mc Graw hill international Editions, 1992
[6]        Robert D. Blevins, Applied Fluid Dynamics Handbook, 1984