SIMULASI NUMERIK PENGGUNAAN POMPA SEBAGAI TURBIN PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKRO HIDRO (PLTMH) DENGAN HEAD 9,29 M DAN 5,18 M MENGGUNAKAN PERANGKAT LUNAK CFD PADA PIPA BERDIAMETER 10,16 CM Deni Rafli 1, Mulfi Hazwi 2 1,2 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA Email : denirafli2@gmail.com Abstrak Pompa sentrifugal adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan fluida hingga pada head tertentu. Pada aplikasi pompa sebagai turbin (PAT), prinsip kerja pompa dibalik - yaitu diberi jatuhan air dari ketinggian tertentu untuk memutar impeller pompa. Putaran impeller ini akan diteruskan untuk memutar generator sehingga dihasilkan tenaga listrik. Untuk mengetahui kondisi operasi turbin dan fenomena termodinamikanya maka dilakukan simulasi menggunakan perangkat lunak (software). Pelaksanaan simulasi penggunaan pompa sebagai turbin dengan head (H) 9,29 m dan 5,18 m dan pada pipa berdiameter 10,16 cm. Kata kunci : PAT, CFD, Head 1. Pendahuluan Latar Belakang Mikrohidro atau Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH), adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti, saluran irigasi, sungai atau air terjunalam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan (head) dan jumlah debitair. Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Secara teknis, mikrohidro memiliki tiga komponen utama yaitu air (sebagai sumber energi), turbin dan generator. Pompa adalah salah satu mesin fluida yang termasuk dalam golongan mesin kerja. Pompaberfungsi untuk merubah energi mekanis (kerja putar poros) menjadi energi fluida dan tekanan. Pompa sentrifugal biasanya terdiri dari satu impeler atau lebih yang dilengkapi dengan sudu-sudu, yang dipasangkan pada poros yang berputar dan diselubungi oleh sebuah rumah (casing). Pada mikrohidro prinsip kerja pompa dibalik menjadi mesin tenaga yang mengkonversikan energi potensial fluida menjadi energi kinetis, karena pompa digunakan sebagai pengganti turbin air. Pada instalasinya, penggunaan pompa sebagai turbin lebih praktis, murah, mudah didapatkan dipasaran dan mudah dalam perawatan. Pada saat beroperasi terdapat fenomena fenomena termodinamika yang terjadi di dalam rumah pompa, perubahan tekanan dan temperatur dapat terjadi dikarenakan dengan adanya gaya yang bekerja untuk mengkonversikan energi potensial yang dimiliki air sebagai fluida menjadi energi kinetik oleh pompa. Agar dapat melihat fenomena termodinamika tersebut, maka digunakanlah perangkat lunak 214
Computational Fluid Dymanics ( CFD ) untuk menyimulasikannya, sehingga keadaan fluida beserta variabel variabel kerjanya dapat di analisis secara numerik. Perangkat lunak CFD dapat mensimulasikan tekanan dan temperatur operasi pada pompa, baik tekanan inlet, outlet dan sudu pompa, serta temperatur kerja pada pompa sebagai turbin ini.sehingga didapat gambaran jelas mengenai kondisi kerja serta besaran tekanan yang diterima sudu pompa, rumah pompa dan temperatur pada pompa. Perumusan Masalah Dalam melakukan simulasi ini, menitikberatkan kepada kasus aliranfluida dalam hal ini adalah air pada pompa yang digunakan sebagai turbin dengan batasan masalah : 1. Pompa sentrifugal yang digunakan berukuran 4 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. Tujuan Penelitian Tujuan dari dilakukannya penulisan ini antara lain : 1. Menguji pompa sentrifugal 4 inch yang dioperasikan sebagai turbin. 2. Mensimulasikan aliran fluida yang masuk ke dalam pompa sebagai turbin. 3. Menganalisa tekanan dan temperatur pompa sebagai turbin pada saat beroperasi dengan dua head yang berbeda. Pompa adalah salah satu mesin fluida yang termasuk dalam golongan mesin kerja. Pompa berfungsi untuk merubah energi mekanis (kerja putar poros) menjadi energi fluida dan tekanan. Pompa sentrifugal mempunyai sebuah impeller (baling-baling) untuk mengangkat fluida dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Daya dari luar diberikan padaporos 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. 2 Tinjauan Pustaka Pompa Sentrifugal Gambar 1. Pompa sentrifugal 2.2 Pompa Sebagai Turbin 215
Pada umumnya, pompa merupakan sebagai mesin kerja yang berfungsi untuk merubah energi mekanis (kerja putar poros) menjadi energi fluida dan tekanan. Pada mikrohidro prinsip kerja pompa dibalik menjadi mesin tenaga yang mengkonversikan energi potensial fluida menjadi energi kinetis. Pada instalasinya, penggunaan pompa sebagai turbin lebih praktis, murah, mudah didapatkan dipasaran dan mudah dalam perawatan. 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. Gambar 2. Instalasi PLTMH 4. Aplikasi pompa dapat dikoneksi secara langsung dengan generator (direct drive) 3. Metode Penelitian atau menggunakan transmisi mekanik 3.1 Identifikasi Umum pulley-belt (indirect drive) apabila putaran Identifikasi yang dilakukan disini adalah pompa sebagai turbin tidak sama dengan putaran generator (umumnya 1500 rpm). Nilai 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. Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti kecil dan hidro yang berarti air. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan dan jumlah debit air. Air dialirkan (dijatuhkan) melalui sebuah pipa ke dalam pompa untuk menggerakkan impeller yang ada di dalamnya. Energi N o Kondisi Batas Jenis H = 9,29 H = 5,18 m m 1 Inlet Inlet Velocity 13,5 m/s 9,81 m/s Environment 101325 2 Outlet 101325 Pa Pressure Pa 3.2 Simulasi Setelah kondisi dan data awal didapatkan, dilakukanlah proses simulasi. Proses simulasi ini mekanik yang berasal dari putaran impeller pompa akan diteruskan dan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator. [4] 3 Sisi Dalam Bagian Depan Wall - - Sisi Dalam 4 Bagian Wall - - Belakang 5 Impeller Angular Velocity 272 rpm 293 rpm mengamati instalasi PLTMH yang digunakan dan siklus aliran fluida yang terjadi dan kondisi kerja pompa sebagai turbin yang digunakan seperti ukuran pipa yang digunakan dan kondisi lingkungan operasi. dilakukan dengan beberapa tahap yaitu pembuatan model PAT, penentuan dan pengaturan kondisi batas dan terakhir proses perhitungan (iterasi). Semua proses simulasi dilakukan dengan menggunakan software Solid Works Premium 2010. 216
4 Gambar 3. Model dari PAT yang Digunakan 2 5 1 3 Gambar 4. Letak Kondisi Batas Tabel 1. Kondisi Batas (Boundary Condition) 4. Hasil dan Pembahasan Simulasi 4.1 Simulasi pada H = 9,29 m 1. Tekanan Pada saat fluida memasuki pompa atau pada inlet side, terjadi peningkatan tekanan akibat tumbukan yang terjadi antara fluida dan impeller. Pada saat fluida keluar dari pompa tekanan turun. Tampak dari kontur hasil simulasi Tabel 2. Distribusi tekanan Goal Name Unit Averaged Minimum Maximum GG Av Static Pressure 1 [Pa] 185192.1508 183484.1469 181397.5116 187290.9615 Gambar 5. Kontur tekanan 2. Temperatur Pada saat beroperasi sebagai turbin, tidak terjadi perubahan suhu yang signfikan pada rumah pompa. 217
Tabel 3. Distribusi temperatur Goal Name Unit Averaged Minimum Maximum GG Av Temperature of Fluid 1 [K] 293.2124882 293.2134074 293.2124525 293.2143629 Gambar 6. Kontur temperatur 3. Kecepatan Pada pompa sebagai turbin, besaran kecepatan pada saat fluida beroperasi tidak seragam, pada bagian sisi rumah pompa, kecepatan fluida sangat rendah, sedangkan di sekitar impeller kecepatannya cukup tinggi. Tabel 4. Distribusi kecepatan Goal Name Unit Averaged Minimum Maximum GG Av Velocity 1 [m/s] 7.188481556 7.173549633 7.085139592 7.40172538 Gambar 7. Kontur kecepatan 4.2 Simulasi pada H = 5,18m 1. Tekanan Pada saat fluida memasuki pompa atau pada inlet side, terjadi peningkatan tekanan akibat tumbukan yang terjadi antara fluida dan impeller. Pada saat fluida keluar dari pompa tekanan turun. Tampak dari kontur hasil simulasi Tabel 5. Distribusi tekanan 218
Minimum Goal Name Unit Averaged Maximum GG Av Static Pressure 1 [Pa] 144970.3659 145586.6241 144970.3659 146120.0127 Gambar 8. Kontur tekanan 2. Temperatur Temperatur fluida selama beroperasi meningkat tetapi tidak terlalu signifikan suhu meningkat akibat adanya gesekan dengan impeller. Dan peningkatan suhu terkonsentrasi di daerah sekitar impeller. Tabel 6. Distribusi temperatur Goal Name Unit Averaged Minimum Maximum GG Av Temperature of Fluid 1 [K] 293.207058 293.207072 293.2068522 293.2072028 3. Kecepatan Berdasarkan gambar kontur di bawah ini, besaran kecepatan pada saat fluida beroperasi Gambar 9. Kontur temperatur 219
tidak seragam, dimana pada saat fluida memasuki rumah pompa bertumbukan dengan impeller Tabel 7. Distribusi Kecepatan Goal Name Unit Averaged Minimum Maximum GG Av Velocity 1 [m/s] 5.2354185 5.290507826 5.23541853 5.32016396 Gambar 10. Kontur temperatur 4.3 Validasi hasil simulasi Validasi dilakukan dengan melakiukan percobaan pada instalasi PLTMH di laboratorium Departemen Teknik Mesin. Dengan membandingkan antara debit air keluar pada simulasi dengan percobaan. Data hasil simulasi : - Pada head 9,29 m Kecepatan air rata rata pada kondisi ini adalah 5,85 m/s, dengan luas penampang sebesar 0,00081 m 2, maka Q = v x A = 5,85 m/s x 0,00081 m 2 = 0,0047 m 3 /s = 4,7 dm 3 /s 220
Gambar 11. Lintasan air keluar Gambar 12. Distribusi kecepatan - Pada head 5,18 m Kecepatan air rata rata pada kondisi ini adalah 4,7 m/s, dengan luas penampang sebesar 0,00081 m 2, maka Q = v x A = 4,7 m/s x 0,00081 m 2 = 0,0038 m 3 /s = 3,8 dm 3 /s 221
Gambar 13. Lintasan air keluar Data hasil percobaan : Percobaan dilakukan dengan mengukur volume air yang dikeluarkan pompa sebagai turbin. - Pada head 9,26 m t = 4 detik Q1 = 15L Q2 = 15L Q3 = 15,3L Gambar 14. Distribusi kecepatan Maka Q = 15,4 L/ 4 detik = 3,85 L/s = 3,85 dm 3 /s - Pada head 5,18 m T = 4 detik Q1 = 13,2 L Q2 = 14L Q3 = 12,5L Q = 13,2L/2 detik = 3,325 dm 3 /s Tabel 8. Perbandingan debit Head Q Hasil Simulasi Q Hasil Uji Lab Galat 5,18 m 3,8 dm 3 /s 3,325 dm 3 /s 12,06 % 9,29 m 4,7 dm 3 /s 3,85 dm 3 /s 18,8 % 5. Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi yang tekah dilaksanakan, dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu : 1. terjadi penurunan kecepatan aliran fluida ketika beroperasi, ini disebabkan oleh tumbukan antara fluida dengan impeller 222
pompa, sehingga menghasilkan perlambatan dan meningkatkan tekanan. 2. Perubahan tekanan terbesar sistem adalah di daerah sekitar impeller pompa, ini disebabkan oleh adanya gaya yang terjadi akibat fluida yang bekerja untuk menggerakkan pompa. 3. tidak terjadi perubahan temperatur yang signifikan pada sistem 4. pada sistem ini berlaku ketentuan Bernoulli, yang berbunyi Ketika kecepatan suatu fulida meningkat maka tekanannya akan menurun, begitu juga sebaliknya 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 p [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 223