SIMULASI NUMERIK ALIRAN FLUIDA DI DALAM RUMAH POMPA SENTRIFUGAL YANG DIOPERASIKAN SEBAGAI TURBIN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH)MENGGUNAKAN CFD DENGAN HEAD (H) 9,29 M DAN 5,18 M RIDHO A. SIMANUNGKALIT 1, MULFI HAZWI 2 1,2 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA Email : ridho.affandi@yahoo.com Abstrak Pompa sentrifugal adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Pada simulasi ini pompa sentrifugal akan digunakan sebagai turbin atau biasa disebut dengan pump as turbine (PAT). Simulasi ini dilakukan dengan tujuan untuk memperdalam pengetahuan tentang aliran fluida dengan memperoleh gambaran dalam bentuk kontur dan vektor aliran fluida yang terjadi di dalam rumah PAT serta membandingkannya dengan analisa perhitungan teoritik. Untuk mendapatkan tujuan tersebut dilakukan pengambilan data dengan cara identifikasi umum instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) dimana PAT digunakan, studi literatur, diskusi interaktif dan selanjutnya dilakukan analisa numerik. Metode analisa yang digunakan pada simulasi ini adalah dengan cara numerik dengan menggunakan studi komputasional untuk pembuatan model dan mensimulasikan aliran fluida di dalam rumah pompa. Dari hasil simulasi numerik didapatkan hasil distribusi tekanan dan kecepatan aliran fluida yang lebih akurat. Kata kunci : Pompa Sentrifugal, PAT, PLTMH, Simulasi Numerik, Tekanan, Kecepatan Aliran 1. Pendahuluan 1.1. Latar belakang Kebutuhan listrik dewasa ini kian meningkat, berbagai upaya terus dilakukan baik mencari potensi baru atau pun dengan mengembangkan teknologinya. Satu hal yang di usahakan untuk melakukan hal tersebut adalah dengan melakukan konversi atau perubahan energi dari satu energi yang kurang bermanfaat menjadi energi yang lebih bermanfaat. Proses perubahan energi ini dapat dilakukan dengan berbagai macam mesin konversi energi. Seiring dengan berkembangnya teknologi industri, maka berdampak semakin pesatnya pemakaian mesin mesin konversi sepanjang pengaliran. Pada simulasi ini pompa yang digunakan akan energi tersebut. Salah satu mesin konversi energi yang sering digunakan adalah pompa. Pompa merupakan suatu mesin konversi energi yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada di dioperasikan sebagai turbin (Pump As Turbine) 172
1.2. Perumusan masalah Dalam melakukan simulasi ini, menitikberatkan kepada kasus aliran fluida dalam hal ini adalah air pada pompa yang digunakan sebagai turbin dengan batasan masalah : 1. Pompa sentrifugal yang digunakan berukuran 3 inchi. 2. Menganalisis tekanan dan kecepatan aliran di dalam rumah pompa (housing pump) 3. Menggunakan 2 (dua) head (H) yang berbeda yaitu 9,29 m dan 5,18 m 4. Menggunakan perangkat lunak (software) Solid Works Premium 2010 5. Data putaran pompa diambil dari hasil pengujian. 1.3. Tujuan Penelitian 1. Untuk mengetahui distribusi tekanan dan kecepatan aliran fluida di dalam rumah pompa yang dioperasikan sebagai turbin 2. Dapat mengetahui bentuk bentuk (tampilan kontur) yang terjadi di dalam rumah pompa. 3. Mendapatkan hasil analisa numerik untuk dibandingkan dengan analisa perhitungan teoritis. 2. Tinjauan Pustaka 2.1. Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal mempunyai sebuah impeller (baling-baling) untuk mengangkat zat cairan dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Daya dari luar diberikan pada poros pompa untuk memutarkan impeller di dalam zat cair. Maka zat cair yang ada di dalam impeller oleh dorongan sudu sudu dapat berputar.[1] Karena timbul gaya sentrifugal, maka zat cair mengalir dari tengah impeller ke luar melalui saluran di antara sudu sudu. Disini head tekanan zat cair menjadi lebih tinggi. Demikian juga head kecepatannya menjadi lebih tinggi karena mengalami percepatan. Zat cair yang keluar melalui impeller akan ditampung oleh saluran berbentuk volute (spiral) dikelilingi impeller dan disalurkan keluar pompa melalui nozel (outlet/discharge). Di dalam nosel ini sebagian head kecepatan aliran diubah menjadi head tekanan.[3] Jadi impeller pompa berfungsi memberikan kerja pada zat cair sehingga energi yang dikandungnya menjadi lebih besar. Selisih energi per satuan berat atau head total zat cair antara flange (flens) isap dan flange (flens) keluar disebut head total pompa. Dari uraian di atas, jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah energi mekanik dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah yang mengakibatkan perubahan head tekanan, head kecepatan dan head potensial pada zat cair yang mengalir secara kontinu. Gambar 1. Pompa Sentrifugal - 173 -
Debit atau kapasitas fluida pada pompa dapat dihitung dengan persamaan: = ( ) = Keterangan: Q = Kapasitas fluida (m 3 /s) v = Kecepatan air masuk pompa (m/s) A = Luas penampang pipa (m 2 ) 2.2. Penggunaan Pompa Sebagai Turbin Salah satu alternatif yang ekonomis untuk membangun pembangkit listrik tenaga air skala kecil adalah dengan menggunakan pompa sebagai turbin. Bidang ilmu yang khusus mengoperasikan pompa sebagai turbin ini sering disebut dengan istilah PAT, singkatan dari Pump As Turbine. Jarang yang tahu bahwa beberapa tipe pompa air dapat diaplikasikan sebagai turbin air. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai ketinggian tertentu. Pada aplikasi pompa sebagai turbin, prinsip kerja pompa di balik yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeller pompa. Putaran impeller ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik. Beberapa kelebihan aplikasi pompa sebagai turbin air [1] adalah: 1. Sebagai produk industri yang massal, pompa mudah diperoleh dengan berbagai variasi head - flow, tersedia dalam berbagai tipe dan ukuran. 2. Mudah dalam instalasinya. 3. Harga relatif murah daripada turbin, dan suku cadang mudah diperoleh. 4. Aplikasi pompa dapat dikoneksi secara langsung dengan generator (direct drive) atau menggunakan transmisi mekanik pulley-belt (indirect drive) apabila putaran pompa sebagai turbin tidak sama dengan putaran generator (umumnya 1500 rpm). Pompa sentrifugal sebagai turbin bisa diandalkan dengan efisiensi yang tinggi pada unit pembangkit skala kecil. Aplikasi pompa sebagai turbin di lapangan sudah cukup banyak. Aplikasi pompa sebagai turbin dapat dilakukan di saluran irigasi, bendungan, menara air gedung gedung tinggi memanfaatkan jatuhan air kondensasi pendingin. 2.3. Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Secara teknis PLTMH memiliki 3 komponen utama yaitu Air (sumber energi), Turbin Air (pada penelitian ini menggunakan Pompa Sentrifugal sebagai turbin) dan generator. PLTMH mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu. Pada dasarnya, PLTMH memanfaatkan energi potensial jatuhan air. Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Air dialirkan (dijatuhkan) melalui sebuah pipa ke dalam pompa untuk menggerakkan impeller yang ada di dalamnya. Energi mekanik yang berasal dari putaran impeller pompa akan diteruskan dan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator.[4] Gambar 2. Instalasi PLTMH - 174 -
Jurnal e-dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012 ISSN 2338-1035 3. Metode Penelitian 4.3. Identifikasi Umum Identifikasi yang dilakukan disini adalah melihat isntalasi PLTMH yang digunakan dan siklus aliran fluida yang terjadi dan kondisi kerja yang digunakan seperti ukuran pipa yang digunakan dan kondisi lingkungan. 4.4. Pelaksanaan Simulasi Setelah kondisi dan data awal didapatkan, dilakukanlah proses simulasi. Proses simulasi ini dilakukan dengan beberapa tahap yaitu pembuatan model PAT, meshing, penentuan dan pengaturann kondisi batas dan terakhir proses perhitungan (iterasi). Semua proses simulasi dilakukan dengan menggunakan software Solid Works Premiumm 2010. Gambar 3. Model dari PAT yang digunakan Gambar 4. Meshing Tabel 1. Penentuan Kondisi Batas (Boundary Condition) No Kondisi Batas Jenis 1 Inlet Inlet Velocity 2 Outlet 3 4 Sisi Dalam Bagian Depan Sisi Dalam Bagian Belakang 5 Impeller Environment Pressure Wall Wall Angular Velocity Nilai H = 9,29 m H = 5,18 m 4,264 m/s 1,84 m/s 101325 Pa - - - - 101325 Pa 269 rpm 195,1 rpm Gambar 5. Letak Kondisi Batas 4. Hasil dan Pembahasan 4.1. Distribusi Tekanan Di Dalam Rumah Pompa dengan H = 9,29 m Hasil simulasi menunjukkan bahwa tekanan terbesar terjadi pada bagian pressure side dari impeller sedangkan tekanan terkecil terjadi pada bagian yang berlawanan dengan dengan pressure side yaitu pada bagian suction side. Diibaratkan pressure side adalah bagian mukanya sedangkan suction side bagian belakangnya. - 175 -
Jurnal e-dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012 ISSN 2338-1035 Gambar 6. Distribusi Tekanan Di Dalam Rumah Pompa pada H = 9,299 m Tabel 2. Nilai Tekanan Hasil Simulasi Numerik untuk H = 9,29 m Averaged Minimum Maximum Goal Name Unit Value Value Value Value Static [Pa] 102898.7126 102890.9781 102866.0995 102911.7258 Pressure 4.2. Distibusi Kecepatan Aliran Di Dalam Rumah Pompa dengan H = 9,29 m Hasil simulasi menunjukkan bahwa kecepatan aliran terendah terjadi pada bagian pressure side, dimana terjadi tekanan terbesar. Dan sebaliknya kecepatan aliran terbesar terjadi pada bagian dimana nilai tekanan terjadi terkecil yaitu pada bagian suction side. Gambar 7. Distribusi Kecepatan Aliran Di Dalam Rumah Pompa pada H = 9,29 m Tabel 3. Nilai Kecepatan Aliran Hasil Simulasi Numerik untuk H = 9,29 m Goal Name Unit Value Averaged Minimum Maximum Value Value Value Velocity [m/s] 2.22196056 2.228089856 2.185753679 2.334354284-176 -
Jurnal e-dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012 ISSN 2338-1035 4.3. Distribusi Tekanan Di Dalam Rumah Pompa dengan H = 5,18 m Hasil simulasi menunjukkan bahwa tekanan terbesar terjadi pada bagian pressure side, dimana fluida jatuh pertama kali menyentuh impeller dan disaat yang yang sama bagian tersebut merupakan titik nilai terendah dari kecepatan aliran. Gambar 8. Distribusi Tekanan Di Dalam Rumah Pompa pada H = 5,18 m Tabel 4. Nilai Tekanan Hasil Simulasi Numerik untuk H = 5,18 m Averaged Minimum Maximum Goal Name Unit Value Value Value Value Static [Pa] 65903.59658 65922.15341 65872.10875 65958.55278 Pressure 4.4. Distibusi Kecepatan Aliran Di Dalam Rumah Pompa dengan H = 5,18 m Hasil simulasi numerik menujukkan bahwa kecepatan aliran terbesar terjadi pada bagian dimana nilai tekanan terbesar, sesuai dengan prinsip Bernoulli menyatakan bahwa di mana kecepatan aliran fluida tinggi, tekanan fluida tersebutt menjadi rendah. Sebaliknya jika kecepatan aliran fluida rendah, tekanannya menjadi tinggi. Gambar 9. Distribusi Kecepatan Aliran Di Dalam Rumah Pompa pada H = 5,18 m Tabel 5. Nilai Kecepatan Aliran Hasil Simulasi Numerik untuk H = 5,18 m - 177 -
Averaged Minimum Maximum Goal Name Unit Value Value Value Value Velocity [m/s] 1.03531985 1.036206747 1.017283761 1.042797521 4.5. Perhitungan Teoritis Perhitungan teoritis yang terjadi di dalam rumah pompa diawali dengan melakukan pengambilan data data dari hasil penelitian dan survei adapun data yang diambil adalah sebagai berikut : 1. Ketinggian pipa yang diukur dari poros PAT ke tangki penampungan atas (H) 2. Ketinggian air di dalam tangki (h) 3. Kecepatan air masuk turbin (v) Tabel 6. Data Data Teknis Hasil Penelitian dan Survei No Jenis Data Nilai Ketinggian Pipa 1 9,29 m 5,18 m (H) 2 Ketinggian Air (h) 50 cm (0,5 m) Kecepatan air 4,624 3 masuk (v) m/s 1,84 m/s Perhitungan teoritis ini menggunakan Persamaan Bernoulli [2], yaitu + 2 + = + 2 + Keterangan : P 1 = Tekanan di TPA (Pa) ν 1 = Kecepatan air keluar tangki penampungan (m/s) z 1 = Head ketinggian = H + h di titik 1 (m) P 2 = Tekanan pada PAT (Pa) ν 2 = Kecepatan air masuk turbin (m/s) z 2 = Head ketinggian = H + h di titik 2 (m) γ = Berat Jenis (N/m 3 ) g = Gaya gravitasi (10 m/s 2 ) Dari proses perhitungan, maka diperoleh hasil nilai perbandingan antara perhitungan yang dilakukan pada proses simulasi dengan perhitungan secara teoritis. Tabel 7. Perbandingan hasil perhitungan tekanan antara perhitungan teoritis dengan perhitungan simulasi numerik No Head Tekanan Teori Tekanan Simulasi Galat (m) (Pa) (Pa) (%) 1 9,29 m 92209,312 102898.7126 11,5 2 5,18 m 60107,2 65903.59658 9,6 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil perhitungan dan simulasi yang telah dilakukan pada bab sebelumnya, dapat dilihat dengan jelas aliran fluida yang terjadi di dalam rumah pompa yang ditunjukkan dalam bentuk kontur, vektor dan diperihatkan data oleh grafik, maka untuk ini diambil kesimpulan : 1. Untuk kontur tekanan pada dua head (H) yang digunakan nilai tekanan terbesar adalah pada bagian pressure side dan tekanan terendah terjadi pada bagian suction side. 2. Pada masing masing penggunaan head (H), kecepatan aliran yang tertinggi terjadi di bagian suction side dan nilai terendah terjadi pada bagian pressure side. Hal ini sesuai dengan Prinsip Bernoulli Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa dimana kecepatan aliran fluida tinggi, tekanan fluida tersebut menjadi rendah. Sebaliknya jika kecepatan aliran fluida rendah, tekanannya menjadi tinggi 3. Dari hasil simulasi diperoleh hasil, nilai dari tekanan akan terus mengalami penurunan menuju sisi buang dan sebaliknya kecepatan aliran mengalami kenaikan. 4. Dari simulasi di dapatkan bahwa semakin besar head (H) yang - 178 -
digunakan maka, nilai kecepatan air masuk semakin besar, yang menyebabkan menyebabkan nilai dari tekanan dan kecepatan aliran semakin besar. Hal ini dibuktikan dengan penggunaan dua head (H) yang berbeda. Daftar Pustaka [1] Dietzel,F, 1996. Turbin, Pompa dan Kompressor Cetakan kelima. Jakarta : Erlangga [2] L. V. Steeter dan Wylie B. 1993. Mekanika Fluida Edisi Kedelapan. Jakarta : Erlangga [3] Sularso, 1987. Pompa Dan Kompresor Cetakan Ketiga. Jakarta: PT. Pradya Paramita [4] Warnick, C.C. 1984. Hydropower Engineering. New York : Prentice Hall, Inc. [5] White, Frank M. 1997. Mekanika Fluida Jilid 2 Edisi 2. Diterjemahkan Ir. Mahana Hariandja. Jakarta : Erlangga 179