40 BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 HASIL PERHITUNGAN PARAMETER PENSTOCK Diameter pipa penstock yang digunakan dalam penelitian ini adalah 130 mm, sehingga luas penampang pipa (Ap) dapat dihitung sebagaimana perhitungan berikut: A p = π r 2 = 3,14 (0,065 m) 2 A p = 0,013 m 2 Nilai gross head berdasarkan gambar 3.3 dapat dihitung dari muka air atas (permukaan air didalam tangki) sampai kemuka air bawah (permukaan air di inlet turbin). Besar gross head yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Hg = 2 m L = 1 m H = 1,89 m b. Hg = 3 m L = 2 m H = 2,89 m
41 c. Hg = 4 m L = 3 m H = 3,89 m 4.1.1 Hasil Perhitungan Laju Aliran Masa Pada Penstock Berdasarkan subbab 3.5, maka hasil perhitungan untuk mendapatkan laju aliran masa adalah sebagai berikut. Bilangan Reynold (Re) dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.7. Pada persamaan tersebut, terdapat nilai kecepatan rata-rata air yang belum diketahui karena nilai tersebut berhubungan dengan debit optimum (Qopt) yang melalui pipa. Nilai viskositas kinematik (vk) pada persamaan tersebut adalah 10-6 m 2 /s. Dengan demikian, nilai Re adalah: a. Pada Hg 2 m Re = 1080000 b. Pada Hg 3 m Re = 920000 c. Pada Hg 4 m Re = 870000 Berdasarkan nilai kekasaran pipa (ԑ), diameter Penstock (Dp), dan bilangan Reynold (Re), nilai korfisien gesek (f) menggunakan Persamaan 2.6. dengan demikian nilai f adalah: a. Pada Hg 2 m f = 0,0115 b. Pada Hg 3 m f = 0,0118
42 c. Pada Hg 4 m f = 0,0119 Nilai Kl pada Persamaan 2.5 adalah minor losses yang di sebabkan karna adanya belokan pada pipa (elbow). Karna pada penelitian ini tidak ada elbow, maka nilai Kl di asumsikan 0. Dengan menggunakan parameter parameter yang telah dihitung, maka hasil koefisien CL berdasarkan Persamaan 2.5 adalah sebagai berikut: a. Pada Hg 2 m CL = 0,088 b. Pada Hg 3 m CL = 0,182 c. Pada Hg 4 m CL = 0,275 Dengan menggunakan parameter-parameter yang telah dihitung, maka perhitungan debit optimum (Qopt) yang berdasarkan jurnal dari Leon and Zhu (2014) bisa dihitung dan penyelesaiannya membutuhkan proses iterasi, maka hasilnya sebagai berikut: a. Pada Hg 2 m Qopt = 0,108 m 3 /s b. Pada Hg 3 m Qopt = 0,092 m 3 /s c. Pada Hg 4 m Qopt = 0,087 m 3 /s Dengan menggunakan nilai Qopt yang telah dihitung, maka nilai laju alir massa air (ṁ) yang melalui pipa berdasarkan Persamaan 2.10 dapat dihitung. Hasil ṁ adalah sebagai berikut: a. Pada Hg 2 m ṁ = 108 kg/s
43 b. Pada Hg 3 m ṁ = 108 kg/s c. Pada Hg 4 m ṁ = 108 kg/s 4.1.2 Hasil Perhitungan Tekanan Total Pada Penstock Berdasarkan subbab 3.6, maka hasil perhitungan tekanan total pada penstock adalah sebagai berikut. Setelah nilai Qopt sudah dihitung, maka nilai kecepatan rata rata aliran (v) pada penstock menggunakan Persamaan 2.11 adalah sebagai berikut: a. Pada Hg 2 m v = 8,31 m/s b. Pada Hg 3 m v = 8,31 m/s c. Pada Hg 4 m v = 8,31 m/s Tekanan total (Ptot) disisi masukan pipa dapat dihitung menggunakan Persamaan 2.8 dengan tekanan statis (Pstat) dapat dihitung dengan Persamaan 2.9, maka hasilnya sebagai berikut: a. Pada Hg 2 m Ptot = 53050,05 Pa Pstat = 18522 Pa b. Pada Hg 3 m Ptot = 53385,2 Pa Pstat = 28322 Pa
44 c. Pada Hg 4 m Ptot = 60567 Pa Pstat = 38122 Pa 4.2 HASIL PERHITUNGAN DAYA OPTIMUM TURBIN Setelah nilai Qopt didapat, maka nilai daya optimum (Popt) juga dapat dihitung. Daya optimum (Popt) dihitung berdasarkan Persamaan 2.12. Pada Persamaan 2.12 berat spesifik fluida (γ) adalah massa jenis fluida (ρ) dikali dengan percepatan gravitasi (g) sehingga (γ) bernilai 9800 kg/m 2 s 2 (massa jenis fluida bernilai 1000 kg/m 3 dan percepatan gravitasi bernilai 9,8 m/s 2 ). Perhitungan Popt adalah sebagai berikut: a. Pada Hg 2 m Popt = 1787,52 watt b. Pada Hg 3 m Popt = 2284,05 watt c. Pada Hg 4 m Popt = 2879,9 watt 4.3 HASIL SIMULASI Sebagaimana disebutkan sebelumnya pada Bab III, simulasi CFD untuk menganalisis performasi turbin sentrifugal menggunakan ANSYS CFX 15.0 yang terdiri atas lima tahap, yaitu tahap geometry, mesh, setup, solution, dan result. Langkah-langkah yang dilakukan pada kelima tahap tersebut sesuai dengan penjelasan pada subbab 3.7. Kelima tahap tersebut berkaitan satu sama lain dan dilakukan sesuai urutan. Pada tahap geometry, gambar desain casing turbin, rotation region, dan impeller pada subbab 3.4.2 yang telah digambar menggunakan perangkat lunak SolidWorks 2013, dimasukkan ke dalam Design Modeler milik ANSYS. Setelah itu, langkah selanjutnya adalah mendefinisikan daerah yang terisi penuh oleh air dengan
45 melakukan proses boolean subtract untuk mengurangi atau menghilangkan daerahdaerah yang tidak terisi oleh air seperti impeller. Proses boolean subtract yang dilakukan adalah mengurangi daerah casing turbin sebagai target body dengan daerah rotation region dan impeller sebagai tool body. Kemudian mengurangi daerah rotation region sebagai target body dengan impeller sebagai tool body. Dengan demikian, akan didapatkan sebuah geometri yang hanya terdiri atas daerah-daerah yang terisi oleh air sebagaimana pada gambar 4.1. Gambar 4.1 Hasil tahap geometri pada turbin sentrifugal Tahap mesh, adalah tahap dimana geometri objek yang telah didefinisikan pada tahap sebelumnya dicacah menjadi menjadi elemen-elemen kecil yang dihubungkan oleh titik-titik (nodes). Gambar 4.2 menunjukkan hasil Tahap Mesh. Tampak pada Gambar 4.2 bahwa mesh pada daerah belakang casing lebih rapat dibandingkan pada daerah yang lainnya, hal ini karena pada daerah belakang casing terdapat lebih banyak bagian yang berbentuk kurva dibandingkan daerah pipa. Kerapatan ini diperlukan agar ketelitan perhitungan simulasi lebih tinggi sehingga hasil yang didapatkan lebih akurat. Gambar 4.2 Hasil Tahap Mesh Pada Turbin Sentrifugal Beberapa hal yang dilakukan pada tahap setup adalah mengatur analysis type berupa steady state, membuat domain, mengatur boundary condition, dan membuat
46 interface. Pada saat membuat domain, perlu didefinisikan domain yang berputar (rotating) dan yang diam (stationary). Domain yang diam adalah domain casing turbin, sementara domain yang berputar adalah domain rotation region (daerah yang melingkupi rotor turbin). Pada saat pendefinisian domain yang berputar, perlu didefinisikan kecepatan putar dari domain tersebut. Pada penelitian ini, kecepatan putar domain tersebut divariasikan sebesar 100 rpm, 200 rpm, 300 rpm, 400 rpm dan 500 rpm untuk mengetahui performasi turbin pada kecepatan-kecepatan tersebut. Arah putar menentukan hasil simulasi. Arah putar domain ditentukan berdasarkan kaidah tangan kanan, ibu jari menunjukkan arah sumbu putar positif sementara keempat jari yang menekuk menunjukkan arah putar positif. Pada penelitian ini, arah putarnya mengikuti dengan kaidah tangan kanan sehingga bernilai positif (Luthfie, 2016). Sebagaimana telah disebutkan pada subbab 3.2.2, model turbulensi yang digunakan pada penelitian ini adalah Shear Stress Transport (SST). Boundary condition yang diatur pada sisi masukan turbin berupa inlet dengan total pressure. Nilai total pressure setiap gross head berbeda-beda sebagaimana hasil dari subbab 4.1.2 dan pada sisi keluaran turbin berupa outlet dangan mass flow rate atau laju alir masa sebagaimana hasil dari subbab 4.1.1. Gambar 4.3 Hasil tahap setup pada turbin sentrifugal Interface diperlukan untuk mendefinisikan hubungan antara domain yang berputar dan domain yang diam. Interface hanya dibuat pada daerah-daerah yang saling besentuhan antara kedua domain. Dengan melakukan proses boolean subtract pada tahap geometry sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya, maka akan didapatkan
47 daerah-daerah yang saling bersentuhan antara kedua domain yang sesuai dengan luasan permukaan rotation region. Sehingga interface dibuat pada daerah-daerah tersebut. Interface dibuat dengan general connection berupa frozen rotor (Luthfie, 2016). Hasil perhitungan pada tahap solution dapat dilihat pada tahap result. Gambar 4.4 sampai 4.8 menunjukkan contour kecepatan hasil simulasi turbin sentrifugal pada gross head 2 m. Pada Gambar 4.4 sampai 4.8, tampak bahwa kecepatan fluida mengalami peningkatan selama melewati runner turbin. Peningkatan kecepatan fluida terjadi karena fluida berputar selama melewati runner. Gambar 4.4 Contour velocity pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 100 rpm Gambar 4.5 Contour velocity pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 200 rpm
48 Gambar 4.6 Contour velocity pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 300 rpm Gambar 4.7 Contour velocity pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 400 rpm Gambar 4.8 Contour velocity pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 500 rpm Gambar 4.9 sampai 4.13 menunjukkan contour kecepatan hasil simulasi turbin sentrifugal pada gross head 3 m. Tidak ada perbedaan yang signifikan antara contour kecepatan pada gross head 3 m dan 2 m. Keduanya menunjukkan pola yang sama. Tidak ada perbedaan yang signifikan karena ketinggian gross head 2 m lebih rendah
49 dari gross head 3 m sehingga kecepatan pada gross head 3 m lebih cepat dari gross head 2 m. Gambar 4.9 Contour velocity pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 100 rpm Gambar 4.10 Contour velocity pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 200 rpm Gambar 4.11 Contour velocity pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 300 rpm
50 Gambar 4.12 Contour velocity pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 400 rpm Gambar 4.13 Contour velocity pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 500 rpm Gambar 4.14 sampai 4.18 menunjukkan contour kecepatan hasil simulasi turbin sentrifugal pada gross head 4 m. Kecepatan fluida pada gross head 4 m juga mengalami peningkatan saat melewati runner turbin. Gambar 4.14 Contour velocity pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 100 rpm
51 Gambar 4.15 Contour velocity pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 200 rpm Gambar 4.16 Contour velocity pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 300 rpm Gambar 4.17 Contour velocity pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 400 rpm
52 Gambar 4.18 Contour velocity pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 500 rpm Gambar 4.19 sampai 4.23 menunjukkan contour tekanan fluida hasil simulasi Turbin sentrifugal pada gross head 2 m. Pada Gambar 4.19 sampai 4.23, tampak bahwa tekanan mengalami penurunan saat fluida melewati runner turbin. Penurunan ini terjadi karena fluida mengalami kenaikan kecepatan selama melewati runner. Tekanan turun dan kecepatan naik itu sesuai dengan persamaan bernoulli (Luthfie, 2016). Gambar 4.19 Contour tekanan pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 100 rpm Gambar 4.20 Contour tekanan pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 200 rpm
53 Gambar 4.21 Contour tekanan pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 300 rpm Gambar 4.22 Contour tekanan pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 400 rpm Gambar 4.23 Contour tekanan pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 500 rpm Gambar 4.24 sampai 4.28 menunjukkan contour tekanan hasil simulasi turbin sentrifugal di gross head 3 m. Pada gross head 3 m juga menunjukkan pola penurunan tekanan saat fluida melewati runner turbin.
54 Gambar 4.24 Contour tekanan pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 100 rpm Gambar 4.25 Contour tekanan pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 200 rpm Gambar 4.26 Contour tekanan pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 300 rpm
55 Gambar 4.27 Contour tekanan pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 400 rpm Gambar 4.28 Contour tekanan pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 500 rpm Gambar 4.29 sampai 4.33 menunjukkan contour tekanan hasil simulasi turbin sentrifugal di gross head 4 m. Pada gross head 4 m juga menunjukkan pola penurunan tekanan saat fluida melewati runner turbin. Gambar 4.29 Contour tekanan pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 100 rpm
56 Gambar 4.30 Contour tekanan pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 200 rpm Gambar 4.31 Contour tekanan pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 300 rpm Gambar 4.32 Contour tekanan pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 400 rpm
57 Gambar 4.33 Contour tekanan pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 500 rpm Pada gross head 2 m, 3 m, dan 4 m yang mengalami penurunan tekanan fluida paling besar terjadi pada gross head 2 m. Yang mengalami penurun tekanan fluida paling kecil terjadi pada gross head 4 m. Dengan memanfaatkan menu calculator pada tahap result didapatkan nilai torsi untuk berbagai variasi kecepatan putar. Daya turbin dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2.14. Efisiensi turbin yang didapatkan dari hasil bagi antara daya turbin yang telah dihitung dengan daya optimum kemudian dikalikan 100. Daya optimum yang dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.12 dengan mengabaikan nilai efisiensi turbin. Hasil perhitungan daya optimal (Popt) adalah sebagai berikut: a. Pada Hg 2 m Popt = 1787,52 watt b. Pada Hg 3 m Popt = 2284,05 watt c. Pada Hg 4 m Popt = 2879,90 watt Tabel 4.1 menunjukkan nilai daya turbin, dan efisiensi turbin pada gross head 2 m, 3 m, dan 4 m. Pada Tabel 4.1 tampak bahwa pada gross head 2 m dan 3 m daya turbin dan efisiensi turbin naik di antara kecepatan putar 100 rpm sampai 400 rpm dan turun di 400 rpm ke 500 rpm. Sedangkan untuk gross head 4 m daya dan efisiensi turbin naik dari kecepatan putar 100 rpm sampai 500 rpm. Pada penelitian ini menggunakan
58 kecepatan putar 100 rpm, 200 rpm, 300 rpm, 400 rpm, dan 500 rpm dikarenakan dari hasil kecepatan putar 600 rpm nilai torsinya minus atas di bawah 0 itu menyatakan bahwa fungsi dari turbin berubah menjadi pompa (Luthfie, 2016). Tabel 4.1 Nilai Daya Turbin, dan Efisiensi pada Setiap Hg dan Kecepatan Putar No Gross Head (m) Kecepatan Putaran (rpm) Torsi (Nm) Daya Turbin (watt) Efisiensi (%) 100 30,872 323,122 18,077 200 26,643 557,716 31,201 1 2 300 23,099 725,293 40,575 400 18,365 768,881 43,014 500 12,465 652,335 36,494 100 18,320 191,752 8,395 200 17,041 356,719 15,618 2 3 300 22,267 699,174 30,611 400 19,191 803,463 35,177 500 14,176 741,877 32,481 100 17,029 178,238 6,189 200 13,725 287,314 9,977 3 4 300 18,412 578,140 20,075 400 19,729 825,967 28,680 500 21,358 1117,741 38,812 4.4 EFEK PERUBAHAN GROSS HEAD DAN PERUBAHAN KECEPATAN PUTAR TERHADAP KAVITASI Untuk mengetahui terjadinya kavitasi pada turbin sentrifugal menggunakan rumus Thoma number (σi) dan plant thoma number (σp) berdasarkan Persamaan 2.15 dan Persamaan 2.16. Hasil perhitungan Thoma number (σi) dan plant thoma number (σp) adalah sebagai berikut:
59 a. Pada Hg 2 m σi = 4,151 σp = 5,143 b. Pada Hg 3 m σi = 1,88 σp = 2,94 c. Pada Hg 4 m σi = 0,79 σp = 1,88 Dari hasil perhitungan, ketiga gross head tidak mengalami kavitasi karena Thoma number (σi) lebih kecil dari pada plant thoma number (σp) itu sesuai pada jurnal Celebioglu kutay, dkk (2017) yang menyatakan bahwa Thoma number (σi) lebih kecil dari pada plant thoma number (σp) maka kavitasi tidak akan terjadi. Untuk mengetahui terjadinya kavitasi secara pasti, maka hasil dari simulasi bisa di lihat sebagai berikut. Gambar 4.34 sampai 4.38 menunjukan hasil simulasi kavitasi pada gross head 2 m. Pada gambar 4.34 sampai 4.38 terlihat bahwa kavitasi juga terjadi akibat dari variasi kecepatan putaran. Pada gross head 2 m tekanan statik pada sekitar impeller mencapai tekanan vapor, sehingga kavitasi akan terjadi (Celebioglu kutay, dkk, 2017). Penurunan tekanan tersebut terjadi akibat tekanan pada aliran fluida bertabrakan dengan putaran impeller. Gambar 4.34 kavitasi pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 100 rpm
60 Gambar 4.35 kavitasi pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 200 rpm Gambar 4.36 kavitasi pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 300 rpm Gambar 4.37 kavitasi pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 400 rpm
61 Gambar 4.38 kavitasi pada Hg 2 m dengan kecepatan putar 500 rpm Gambar 4.39 sampai 4.43 menunjukan hasil simulasi kavitasi pada gross head 3 m. Pada gambar 4.39 sampai 4.43 terlihat bahwa kavitasi yang terjadi tidak sebesar yang terjadi pada gross head 2 m. Ini menunjukkan bahwa tinggi gross head juga berpengaruh dalam terjadinya kavitasi. Gambar 4.39 kavitasi pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 100 rpm Gambar 4.40 kavitasi pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 200 rpm
62 Gambar 4.41 kavitasi pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 300 rpm Gambar 4.42 kavitasi pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 400 rpm Gambar 4.43 kavitasi pada Hg 3 m dengan kecepatan putar 500 rpm Gambar 4.44 sampai 4.48 menunjukan hasil simulasi kavitasi pada gross head 4 m. Pada gambar 4.44 sampai 4.46 terlihat bahwa kavitasi tidak terjadi tetapi pada gambar 4.47 dan 4.48 kavitasi sudah terjadi. Pada gross head 4 m, tekanan statik yang turun mencapai tekanan vapor terjadi pada kecepatan putar 400 rpm. Sedangkan pada kecepatan putar 100 rpm sampai 300 rpm tekanan statik masih di atas tekanan vapor (Celebioglu kutay, dkk, 2017). Ini menunjukkan bahwa gross head 4 m lebih baik dari pada gross head 3 m dan 2 m.
63 Gambar 4.44 kavitasi pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 100 rpm Gambar 4.45 kavitasi pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 200 rpm Gambar 4.46 kavitasi pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 300 rpm
64 Gambar 4.47 kavitasi pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 400 rpm Gambar 4.48 kavitasi pada Hg 4 m dengan kecepatan putar 500 rpm