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 SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik DENI RAFLI NIM : 070401090 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Allah SWT yang telah berkenan menganugerahkan nikmat kesehatan dan kesempatan serta ilmu pengetahuan kepada penulis dalam menulis skripsi ini sebagai usaha dalam mencapai gelar sarjana teknik. Penulis tertarik membahas tentang penggunaan pompa sebagai turbin karena penggunaannya yang lebih praktis dibanding memakai turbin air, ini dikarenakan pompa dapat dengan mudah ditemukan di pasaran dan perawatannya lebih mudah serta dengan harga yang lebih terjangkau. Skripsi ini disarikan dalam beberapa buku, artikel, atau pengujian yang berkaitan dengan penggunaan pompa sebagai turbin yang ada di laboratorium mesin konversi energi Departemen Teknik Mesin. Penulis menyadari keterbatasan ilmu pengetahuan tentang penggunaan pompa sebagai turbin ini, baik dalam segi isi dan penyajiannya. Untuk itu penulis mengharapkan sumbangsih kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan skripsi ini. Dengan rampungnya skripsi ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar besarnya kepada : 1. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dalam penyelesaiaan skripsi ini. 2. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Orang tua tercinta, yakni ayahanda Rafli dan ibunda Hamidah dan seluruh anggota keluarga yang selalu memberi motivasi kepada penulis dalam pengerjaan skripsi ini. 4. Bapak Suprihatin, selaku assisten laboratorium mesin konversi eneergi Departemen Teknik Mesin. 5. Seluruh rekan-rekan mahasiswa Teknik Mesin, terkhusus stambuk 2007 yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu, Solidarity Forever 6. Teman teman dan adik adik pengurus IPMR Medan, yang telah memberi dukungan dan dorongan untuk terus berbuat walau dalam keadaan tersulit sekalipun. Akhir kata, penulis mengucapkan permohonan maaf yang sebsesar besarnya atas segala kekurangan penulis ketika melakukan penelitian dan penyusunan skripsi ini. Smeoga bermanfaat bagi para pembaca. Medan, Februari 2013 Penulis DENI RAFLI 07 0401 090
ABSTRAK Penggunaan turbin air didalam sistem pembangkit tenaga listrik saat ini masih sangat dominan karena hanya memanfaatkan aliran air yang tersedia di alam. Biasanya pompa digerakkan oleh motor listrik untuk menaikkan sejumlah air sampai pada ketinggian 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. Dalam pemakaiannya harus memilih dan menentukan karakteristik turbin sesuai dengan kondisi dan tempat di mana turbin air dipasang agar dihasilkan energi yang optimal. 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. Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Solidwork Flow Simulation. Pertama dibuat model pompa sentrifugal menggunakan perangkat lunak Solidworks premium 2010. Setelah itu dinput besaran nilai kecepatan jatuhan air dan kecepatan rotasi impeller, kemudian dilakukan simulasi kondisi rumah pompa saat beroperasi, didapat beberapa data tentang kondisi operasi pompa sebagai turbin, yaitu pada head (H) 9,29 didapat tekanan rata rata pada pompa sebesar 185192 Pa atau 185,192 kpa dan pada kondisi maksimal tekanan rata rata sebesar 5103295,9255 Pa. Pada head 5,18 didapat tekanan rata - rata sebesar 144970 Pa atau 144,97 kpa pada kondisi maksimal tekanan rata rata sebesar 322091.4109 Pa. Perubahan suhu sangat kecil pada head 9,29 sebesar 0,048 K dan pada head 5,18 sebesar 0,016 K, sehingga dapat diabaikan. Dari hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa pada saat beroperasi sebagai turbin, pompa mengalami pemberian tekanan yang cukup tinggi, sedangkan untuk temperatur, suhunya tidak terlalu signifikan, dikarenakan tidak adanya panas yang masuk ke sistem selama pompa bekerja. Kata kunci : Pompa Sebagai Turbin, CFD, Head
ABSTRACT The use of water in turbine power generation systems is still very dominant because only utilize the available water flow in nature. Usually the pump is driven by an electric motor to raise the amount of water to a certain height. On the application of the pump as turbine (PAT), the working principle of the pump is reversed, such as given water falling from a certain height to rotate the pump impeller. Round impeller will be forwarded to turn a generator to produce electricity. In its use to choose and determine the characteristics of the turbine in accordance with the conditions and places where water turbine installed in order to produce optimal energy. To determine the turbine operating conditions and phenomena termodinamikanya then performed simulations using the software Implementation of the simulation using the pump as a turbine with a head (H) 9.29 m and 5.18 m. Simulations performed using Flow Simulation software Solidwork. Centrifugal pump modeling software Solidworks Premium 2010. After the simulation, obtained some data on the pump as turbine operating conditions, such the head (H) gained 9.29 on the pump pressure of 185 192 Pa or 185.192 kpa. And temperature changes of 0.048 K. At 5.18 head pressure of 144 970 Pa obtained or 144.97 kpa. From the simulation results it can be concluded that when operating as turbines, pumps experienced delivery pressure is high enough, while for the temperature, the temperature is not too significant, because there is no heat coming into the system during the pumping work. Keywords: Pumps As Turbines, CFD, Head
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR...i ABSTRAK... iii DAFTAR ISI...iv DAFTAR TABEL...vi DAFTAR GAMBAR....vii DAFTAR NOTASI....vii BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Simulasi... 2 1.4 Batasan Masalah... 2 1.5 Sistematika Penulisan... 2 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Pompa... 3 2.1.1 Pengertian Pompa... 3 2.1.2 Klasifikasi Pompa... 4 2.2 Generator... 14 2.3 Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro... 18 2.3.1 Prinsip Kerja PLTMH... 18 2.4 Computational Fluid Dynamics (CFD)... 20 2.4.1 Pengertian umum CFD... 21 2.4.2 Penggunaan CFD... 21 2.4.3 Manfaat CFD... 22 2.4.4 Proses Simulasi CFD... 23 2.4.5 Metode Diskritisasi CFD... 23 2.4.6 Pengenalan Solidwork Flow Simulation... 24 2.5 Persamaan Pembentuk Aliran...25 2.5.1 Hukum Konservasi Massa..25 2.5.2 Hukum Konservasi Momentum. 26 2.5.3 Hukum Konservasi Energi 27 BAB III. METODE PENELITIAN 3.1 Umum... 30 3.2 Pelaksanaan Simulasi... 31 3.2.1 Proses Pre-Processor... 31 3.2.1.1 Pembuatan Model... 31 3.2.1.2 Menentukan domain... 33 3.2.1.3 Diskritisasi... 33 3.2.2 Proses Solution Solver... 34 3.2.3 Menjalankan Simulasi... 37 BAB IV. SIMULASI DAN ANALISA 4.1 Analisa Numerik Pompa Sebagai Turbin... 39 4.1.1 Simulasi Kerja Pompa Sebagai Turbin... 39
4.1.1.1 Simulasi Pada H=9,29 m... 39 4.1.1.2 Simulasi Pada H=5,18 m... 46 4.2. Analisa Hasil Simulasi... 52 4.3 Validasi Hasil Simulasi... 53 BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 58 5.2 Saran...58 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Kondisi Batas. 33 Tabel 3.2 Pengaturan Simulasi.. 34 Tabel 4.1 Hasil simulasi tekanan 1 39 Table 4.2 Hasil simulasi temperatur 1... 42 Tabel 4.3 Hasil simulasi kecepatan 1. 44 Tabel 4.4 Hasil simulasi tekanan 2... 47 Tabel 4.5 Hasil simulasi temperatur 2... 49 Tabel 4.6 Hasil simulasi kecepatan 2... 51 Tabel 4.7 Distribusi besaran 1.. 53 Tabel 4.8 Distribusi besaran 2... 53 Tabel 4.9 Perbandingan hasil simulasi.. 55
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Pompa Roda Gigi dan Pompa Ulir... 4 Gambar 2.2. Pompa Diafragma. 5 Gambar 2.3. Bagian bagian utama pompa tekanan dinamis... 6 Gambar 2.4. Pompa sentrifugal... 7 Gambar 2.5 Pompa aliran campur... 7 Gambar 2.6. pompa aliran aksi... 8 Gambar 2.7. Pompa diffuser... 9 Gambar 2.8. Pompa vortex... 9 Gambar 2.9. Pompa bertingkat banyak... 10 Gambar 2.10. Pompa aliran campur poros tegak... 11 Gambar 2.11. Pompa jenis belahan mendatar... 12 Gambar 2.12. Pompa isapan ganda..... 13 Gambar 2.13 Generator AC..... 17 Gambar. 2.14 Pompa sentrifugal 4 inch. 18 Gambar 2.15 Instalasi PLTMH..... 19 Gambar 2.16 Aliran Fluida Dalam Pompa Sentrifugal.. 19 Gambar 2.17 Elemen fluida pada konservasi massa dua dimensi 25 Gambar 2.18 Elemen fluida pada konservasi momentum dua dimensi 26 Gambar 2.19 Kerja elemen pada sumbu x. 27 Gambar 2.20 Fluks panas pada permukaan elemen fluida... 28 Gambar 2.21 Diagram Alir Penelitian... 29 Gambar 3.1 Pompa bidang hisap... 31 Gambar 3.2 Rumah Pompa 32 Gambar 3.3 Impeller Pompa.. 32 Gambar 3.4 Pompa Assembly.. 32 Gambar 3.5 Computational Domain.. 33 Gambar. 3.6 Bentuk Mesh Pada Pompa... 33 Gambar 3.7 Letak Kondisi Batas.... 36 Gambar 3.8 Tampilan Proses Iterasi..... 37 Gambar 3.9 Diagram Alir Simulasi Numerik.. 38 Gambar 4.1 Kontur Tekanan 1.. 40 Gambar 4.2 Lintasan Tekanan 1....... 40 Gambar 4.3 Distribusi Tekanan 1..... 41 Gambar 4.4 Kontur Temperatur 1. 42 Gambar 4.5 Lintasan Temperatur 1 43 Gambar 4.6 Distribusi Temperatur 1. 43 Gambar 4.7 Kontur Kecepatan 1.... 45 Gambar 4.8 Lintasan Kecepatan 1.... 45 Gambar 4.9 Distribusi Kecepatan 1.. 46 Gambar 4.10 Kontur Tekanan 2... 47 Gambar 4.11 Lintasan Tekanan 2. 48 Gambar 4.12 Distribusi Tekanan 2... 48 Gambar 4.13 Kontur Temperatur 2 49 Gambar 4.14 Lintasan Temperatur 2. 50 Gambar 4.15 Distribusi Temperatur 2... 50 Gambar 4.16 Kontur Kecepatan 2. 51
Gambar 4.17 Lintasan Kecepatan 2.. 52 Gambar 4.18 Distribusi Kecepatan 2. 52 Gambar 4.19 Lintasan air keluar. 54 Gambar 4.20 Distribusi kecepatan..54 Gambar 4.21 Lintasan air keluar.55 Gambar 4.22 Distribusi kecepatan. 55 Gambar 4.23 Percobaaan... 56 Gambar 4.24 Gelas ukur 56 Gambar 4.25 Stopwatch. 57
DAFTAR NOTASI Notasi Arti Satuan A Luas Penampang Pipa mm f Frekuensi Hertz g Gaya Gravitasi m/s2 h Ketinggian m P Jumlah Kutub Generator Q Debit Aliran m3/s m Massa kg Ns Kecepatan Sinkron putaran/detik v Kecepatan Air Masuk Turbin m/s 2