UNJUK KERJA TURBIN UAP IMPULS SATU TINGKAT …repository.usd.ac.id/36095/2/155214125_full.pdf · Pada penelitian ini akan membuat model turbin uap impuls dengan diameter turbin 27

i

UNJUK KERJA TURBIN UAP IMPULS SATU TINGKAT

MENGGUNAKAN SATU NOSEL

SKRIPSI

Diajukan sebagai salah satu syarat

guna memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T)

Disusun oleh :

Dewanda Bondan Pamungkas

155214125

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2019

PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI

ii

PERFORMANCE OF ONE STAGE IMPULS

STEAM TURBINE USES ONE NOZZLE

THESIS

Presented as partial fulfillment of the requirment

to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

Presented by :

Dewanda Bondan Pamungkas

155214125

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2019






vii

ABSTRAK

Turbin impuls adalah turbin yang paling populer penggunaanya untuk daya -

daya yang rendah. Salah satu bentuk sudu pada turbin impuls yang

memungkinkan dan mudah dibentuk adalah menggunakan setengah pipa, yaitu

bentuk mirip pipa yang dipotong pada garis tengahnya.

Pada penelitian ini akan membuat model turbin uap impuls dengan diameter

turbin 27 cm, lebar sudu 2 cm dengan jumlah 65 buah. Untuk mengetahui efek

tekanan uap masuk turbin terhadap unjuk kerja diberikan variasi tekanan uap

masuk turbin sebesar 250.000 Pa (variasi 1), 300.000 Pa (variasi 2), dan 400.000

Pa (variasi 3). Ketiga variasi tersebut diberikan laju alir massa uap masuk turbin

sebesar 0,0026 kg/detik dengan bukaan kran 270°, sudut nosel uap masuk turbin

20° dan pembebanan dengan dinamometer rem tali sebesar 0,3 kg, 0,4 kg ,0,5 kg.

Untuk mengetahui efek laju alir massa uap masuk turbin diberikan variasi laju alir

massa sebesar 0,0020 kg/detik dengan bukaan kran yaitu sebesar 180° (variasi 4),

0,0030 kg/detik dengan bukaan kran 360° (variasi 5). Kedua variasi laju alir

massa uap tersebut diberikan tekanan uap sebesar 300.000 Pa, sudut nosel uap

masuk turbin 20°, dan pembebanan dengan dinamometer rem tali sebesar 0,3 kg,

0,4 kg ,0,5 kg. Untuk mengetahui efek sudut nosel uap masuk turbin diberikan

variasi sudut nosel sebesar 30° (variasi 6), 40° (variasi 7). Kedua variasi tersebut

diberikan tekanan uap masuk turbin sebesar 300.000 Pa, laju alir massa uap

sebesar 0,0026 kg/detik dengan bukaan kran 270°, dan pembebanan dengan

dinamometer rem tali sebesar 0,3 kg, 0,4 kg ,0,5 kg. Untuk dapat mengetahui daya

dan efisiensi yang dihasilkan oleh putaran poros yang disambung dengan

dinamometer rem tali sebagai alat untuk mengetahui nilai torsi dan daya output

suatu mesin. Variabel yang diukur diantaranya tekanan pada upstream orifice

( ), tekanan pada downstream ( ), tekanan uap masuk tubin ( ), suhu uap

masuk turbin ( ), suhu uap keluar turbin ( ), putaran poros turbin ( ), dan

beban pengimbang pada dinamometer rem tali ( ). Secara kesuluruhan, berdasarkan efek tekanan uap masuk turbin, unjuk kerja

terbaik pada variasi tekanan 400.000 Pa, laju alir massa uap sebesar 0,0026

kg/detik dengan bukaan kran 270° dan sudut nosel uap masuk nosel 20° pada

pembebanan 0.5 kg dengan daya output sebesar 16 watt dan efisiensi sebesar 20,4

%. Berdasarkan efek laju alir massa uap masuk turbin dengan bukaan kran, unjuk

kerja terbaik ada pada variasi yang diberikan laju alir massa sebesar 0,0030

kg/detik dengan bukaan kran 360° dengan tekanan uap masuk turbin 300.000 Pa,

sudut nosel uap 20° pada pembebanan 0,4 kg dan 0,5 kg dengan daya output

sebesar 14,5 watt dan efisiensi 15 %. Dan berdasarkan efek sudut nosel uap masuk

turbin, unjuk kerja terbaik ada pada variasi sudut nosel uap masuk 20°, dengan

tekanan uap masuk turbin 300.000 Pa, laju aliran massa uap sebesar 0,0026

kg/detik dengan bukaan kran 270°, pada pembebanan 0,5 kg dengan daya output

sebesar 11,4 watt dan efisiensi 14,4 %.

Kata kunci : Turbin uap, Turbin impuls, Daya, Efisiensi


viii

ABSTRACT

Impulse turbine is a commonly used turbine for low power consumption

tools. High efficiency turbines are expensive and complex, therefore several

alternatives can be made to simplify production. Half pipe shaped blades are easy

to make, formed by cutting a pipe exactly in half.

This research uses an impulse turbine model with a turbine diameter of 27

cm, blade width of 2 cm and a total of 65 blades. To determine the effects of the

steam pressure in the turbine, the turbine inlet steam pressure is set to 250,000 Pa

(variation 1), 300,000 Pa (variation 2), and 400,000 Pa (variation 3). with a steam

mass flow rate of 0.0026 kg/second and an angle of 20° for the steam nozzle in

the same turbine, loads on the rope brake dynamometer were given with variations

of 0.3 kg, 0.4 kg and 0.5 kg. To determine the effects of the steam mass flow rate

in the turbine, the turbine inlet steam mass flow rate is set to 0,0020 kg/second

(variation 4), 0,0030 kg/second (variation 5). with a pressure value of 300,000 Pa

and an angle of 20° for the steam nozzle in the same turbine, loads on the rope

brake dynamometer were given with variations of 0.3 kg, 0.4 kg and 0.5 kg. To

determine the effects of the steam nozzle angle on the turbine, the angle of the

steam nozzle is set to 30° (variation 6), 40° (variation 7). with a pressure value of

300,000 Pa and a steam mass flow rate of 0.0026 kg/second in the same turbine,

loads on the rope brake dynamometer were given with variations of 0.3 kg, 0.4 kg

and 0.5 kg. Power and efficiency can be calculated by the resulted shaft rotation

with a rope brake dynamometer. Variable measured is on the pressure upstream

orifice ( ), pressure downstream ( ), incoming turbine pressure ( ), incoming

turbine temperature ( ), temperature steam out turbine ( ), turbine shaft

rotation ( ), and digital scales balance reading ( ). Overall, based on the effect of the pressure, high performance is shown in the

pressure variation of 400,000 Pa, mass flow rate of 0.0026 kg/second, and 20°

nozzle angle with 0.5kg load resulting in an output power 16 watt and efficiency

of 20.4%. Based on the effect of the mass flow rate, high performance is shown in

the mass flow rate of 0.0030 kg/second, pressure variation of 300,000 Pa, and 20°

nozzle angle with 0.4kg load resulting in an output power 14,5 watt and efficiency

of 15.0%. Based on the effect of the nozzle angle, high performance is shown in

the 20° nozzle angle, pressure variation of 300,000 Pa, and mass flow rate of

0.0026 kg/second with 0,4 kg and 0.5kg load resulting in an output power 11,4

watt and efficiency of 14.4%.

Keywords: Steam turbine, Impulse turbine, Power, Efficiency


ix

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas

limpahan rahmatNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan

baik dan tepat pada waktunya.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat wajib bagi setiap mahasiswa Program

Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma,

untuk mendapatkan gelar S1 Teknik Mesin.

Berkat bimbingan, nasehat, dan doa yang diberikan oleh berbagai pihak,

akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik. Oleh karena itu,

dengan segala kerendahan hati dan ketulusan, penulis mengucapkan terima kasih

sebesar - besarnya kepada :

1. Sudi Mungkasi, S.Si., M.Math.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

2. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin,

Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma, Yogyakarta.

3. Stefan Mardikus, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing akademik.

4. Ir. F.A. Rusdi Sambada, M.T., selaku dosen pembimbing yang telah

meluangkan waktu, tenaga, pemikiran kepada penulis dengan sangat sabar

sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan lancar.

5. Doddy Purwadianto, S.T., M.T., selaku Kepala Laboratorium Energi Teknik

Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

6. Kelurga tercinta Parnah Riyatno (bapak), Iriyanti (ibu), Devi Widiastuti

(kakak), Ovi Ermawati (kakak), yang selalu memberi semangat dan dorongan



xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .............................................................................................. i

TITLE PAGE ......................................................................................................... ii

LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................... iii

LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................. iv

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI .............................................................. v

LEMBAR PERYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ............................... vi

ABSTRAK ........................................................................................................... vii

ABSTRACT ......................................................................................................... viii

KATA PENGANTAR .......................................................................................... ix

DAFTAR ISI ......................................................................................................... xi

DAFTAR TABEL .............................................................................................. xiii

DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xiv

BAB 1 PENDAHULUAN ..................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ......................................................................................... 1

1.2 Identifikasi Masalah ................................................................................. 2

1.3 Rumusan Masalah .................................................................................... 3

1.4 Batasan Masalah ....................................................................................... 3

1.5 Tujuan Penelitian ...................................................................................... 4

1.6 Manfaat Penelitian .................................................................................... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 6

2.1 Landasan Teori ......................................................................................... 6

2.2 Penelitian Terdahulu yang Pernah Dilakukan ........................................ 28


xii

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 30

3.1 Metode Penelitian ................................................................................... 30

3.2 Deskripsi Alat Penelitian ........................................................................ 31

3.3 Variasi Penelitian ................................................................................... 33

3.4 Prosedur Penelitian ................................................................................. 34

3.5 Variabel yang Diukur ............................................................................. 35

3.6 Komponen Alat Pendukung Penelitian .................................................. 35

3.7 Prosedur Pengolahan Data ...................................................................... 38

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................ 39

4.1 Hasil Penelitian ....................................................................................... 39

4.2 Data , , , ................................................ 40

4.3 Hasil unjuk kerja .................................................................................... 42

4.4 Efek tekanan uap masuk turbin .............................................................. 44

4.5 Efek laju alir massa uap masuk turbin .................................................... 52

4.6 Efek sudut nosel uap masuk turbin ......................................................... 60

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 68

5.1 Kesimpulan ............................................................................................. 68

5.2 Saran ....................................................................................................... 68

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 70

LAMPIRAN ......................................................................................................... 71


xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Kombinasi variasi pada model alat turbin uap impuls ......................... 34

Tabel 4.1 Data penelitian efek tekanan uap masuk turbin terhadap unjuk kerja

pada variasi 1, 2, dan 3 ......................................................................... 39

Tabel 4.2 Data penelitian efek laju alir massa uap masuk turbin terhadap unjuk

kerja pada variasi 4, 2, dan 5 ................................................................ 39

Tabel 4.3 Data penelitian efek sudut uap nosel uap masuk turbin terhadap unjuk

kerja pada variasi 2, 6, dan 7 ................................................................ 40

Tabel 4.4 Data model alat turbin uap impuls efek tekanan uap masuk turbin

terhadap unjuk kerja pada variasi 1, 2, dan 3 ....................................... 40

Tabel 4.5 Data model alat turbin uap impuls efek laju alir massa uap masuk

turbin terhadap unjuk kerja pada variasi 4, 2, dan 5 ............................. 41

Tabel 4.6 Data model alat turbin uap impuls efek sudut uap nosel uap masuk

turbin terhadap unjuk kerja pada variasi 2, 6, dan 7 ............................. 41

Tabel 4.7 Data segitiga kecepatan model alat turbin uap impuls efek sudut uap

nosel uap masuk turbin terhadap unjuk kerja pada variasi 2, 6, dan 7 . 42

Tabel 4.8 Data efek tekanan uap masuk turbin terhadap unjuk kerja pada variasi

1, 2, dan 3 ............................................................................................. 42

Tabel 4.9 Data efek laju alir massa uap masuk turbin terhadap unjuk kerja pada

variasi 4, 2, dan 5 .................................................................................. 43

Tabel 4.10 Data efek sudut nosel uap masuk turbin terhadap unjuk kerja pada

variasi 2, 6, dan 7 ................................................................................ 43


xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram alir siklus rankine sederhana ............................................... 6

Gambar 2.2 Diagram T-S siklus rankine................................................................ 7

Gambar 2.3 Ketel pipa api ..................................................................................... 9

Gambar 2.4 Ketel pipa air .................................................................................... 10

Gambar 2.5 Air pada fase cair tekan .................................................................... 11

Gambar 2.6 Air pada fase cair jenuh .................................................................... 12

Gambar 2.7 Campuran air dan uap ...................................................................... 13

Gambar 2.8 Uap jenuh ......................................................................................... 13

Gambar 2.9 Uap panas lanjut ............................................................................... 14

Gambar 2.10 Diagram T - v pemanasan air pada tekanan konstan ...................... 14

Gambar 2.11 Orifice corner tap ........................................................................... 16

Gambar 2.12 Segitiga kecepatan turbin tekanan sama......................................... 19

Gambar 2.13 Kurva Ƞ dengan turbin tekanan sama, tanpa memperhatikan

kerugian uap .................................................................................. 20

Gambar 2.14 Kurva Ƞ dengan turbin tekanan lebih, tanpa memperhatikan

kerugian uap .................................................................................. 21

Gambar 2.15 Dinamometer rem tali..................................................................... 22

Gambar 2.16 Dinamometer rem jepit dengan bahan kayu ................................... 23

Gambar 2.17 Dinamometer arus pusaran ............................................................. 24

Gambar 2.18 Dinamometer air tipe gesekan fluida ............................................. 25

Gambar 2.19 Dinamometer air tipe semburan ..................................................... 26

Gambar 2.20 Dinamometer rem kipas ................................................................. 27


xv

Gambar 3.1 Bagian - bagian model alat turbin uap impuls.................................. 32

Gambar 3.2 Timbangan gantung digital .............................................................. 36

Gambar 3.3 Tachometer optik ............................................................................. 36

Gambar 3.4 Pengukur suhu (thermometer) digital dan termokopel ..................... 37

Gambar 3.5 Pressure gauge ................................................................................. 37

Gambar 4.1 Perbandingan efisiensi efek tekanan uap masuk turbin pada variasi

1, 2, dan 3 ........................................................................................ 44

Gambar 4.2 Perbandingan daya output efek tekanan uap masuk turbin pada

variasi 1, 2, dan 3 ............................................................................ 45

Gambar 4.3 Perbandingan daya input efek tekanan uap masuk turbin pada

variasi 1, 2, dan 3 ............................................................................ 46

Gambar 4.4 Perbandingan dengan efek tekanan uap masuk turbin pada

variasi 1, 2, dan 3 ............................................................................ 48

Gambar 4.5 Perbandingan dan dengan efek tekanan uap masuk

turbin pada variasi 1, 2, dan 3 ......................................................... 49

Gambar 4.6 Perbandingan dan dengan efek tekanan uap masuk turbin

pada variasi 1, 2, dan 3 .................................................................... 51

Gambar 4.7 Perbandingan efisiensi efek laju alir massa uap masuk turbin pada

variasi 4, 2, dan 5 ............................................................................ 52

Gambar 4.8 Perbandingan daya output efek laju alir massa uap masuk turbin

pada variasi 4, 2, dan 5 .................................................................... 53

Gambar 4.9 Perbandingan daya input efek laju alir massa uap masuk turbin pada

variasi 4, 2, dan 5 ............................................................................ 55


xvi

Gambar 4.10 Perbandingan dengan efek laju alir massa uap masuk turbin

pada variasi 4, 2, dan 5 .................................................................. 56

Gambar 4.11 Perbandingan Δp dan dengan ṁ efek laju alir massa uap masuk

turbin pada variasi 4, 2, dan 5 ....................................................... 57

Gambar 4.12 Perbandingan dan dengan efek laju alir massa uap

masuk turbin pada variasi 4, 2, dan 5 ............................................ 59

Gambar 4.13 Perbandingan efisiensi efek sudut nosel uap masuk turbin pada

variasi 2, 6, dan 7 .......................................................................... 61

Gambar 4.14 Perbandingan daya output efek sudut nosel uap masuk turbin pada

variasi 2, 6, dan 7 .......................................................................... 62

Gambar 4.15 Perbandingan daya input efek sudut nosel uap masuk turbin pada

variasi 2, 6, dan 7 .......................................................................... 63

Gambar 4.16 Bagan segitiga kecepatan efek sudut nosel uap masuk turbin pada

variasi 2 ......................................................................................... 64


variasi 6 ......................................................................................... 65


variasi 7 ......................................................................................... 65

Gambar 4.19 Perbandingan , dan beban 0,3 kg efek sudut nosel uap

masuk turbin pada variasi 2, 6, dan 7 ............................................ 66


1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Manusia adalah mahkluk yang mempunyai akal budi yang berpikir terus

menerus untuk mencari sesuatu yang baru oleh sebab itu perkembangan jaman

dan kemajuan teknologi yang semakin meningkat menyebabkan kebutuhan

manusia akan energi juga akan semakin meningkat dibandingkan sebelumnya.

Salah satu energi yang sangat dibutuhkan oleh manusia adalah energi listrik.

Kebutuhan konsumen akan daya listrik ini bervariasi dari waktu ke waktu. Pada

paruh pertama tahun 2018 kenaikan kebutuhan listrik di Indoneisa naik 4,7 % dari

tahun sebelumnya (http://cnnindonesia.com/ekonomi/semester-i-2018-konsumsi-

listrik-tumbuh-47-persen). Salah satu cara dalam menanggulangi masalah ini

adalah meningkatkan ketersediaan energi listrik di Indonesia.

Pada pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) energi listrik dihasilkan dari

generator, untuk menggerakan poros generator salah satu alat konversi energinya

adalah turbin uap yang merubah energi potensial yang dimiliki oleh uap dari hasil

pemanasan air menjadi energi mekanik pada poros turbin. Sebelum dirubah

menjadi energi mekanik terlebih dahulu energi potensial uap tersebut dirubah

menjadi energi kinetik dalam nosel maupun sudu – sudu yang ada. Sehingga

energi kinetik yang telah dirubah menjadi energi mekanik tersebut mampu untuk

menggerakan poros turbin.

Kebutuhan konsumen akan daya listrik ini bervariasi dari waktu ke waktu

yang menyebabkan beban mekanis ini menyebabkan perubahan langsung pada


http://cnnindonesia.com/ekonomi/semester-i-2018-konsumsi-listrik-tumbuh-47-persen

http://cnnindonesia.com/ekonomi/semester-i-2018-konsumsi-listrik-tumbuh-47-persen

2

kerja yang dilakukan oleh poros turbin. Salah satu jenis turbin yakni turbin impuls

dituntut harus mempunyai kemampuan untuk beroperasi dengan kestabilan yang

cukup dalam jangka waktu yang panjang dari keadaan tanpa beban hingga ke

beban penuh. Padahal dalam pembuatan turbin seperti ini pada kenyataannya sulit

dilakukan, pembuatan turbin dengan efisiensi tinggi lebih cenderung mahal dan

perancangannya rumit, sedangkan perancangan dan pembuatan turbin yang

sederhana serta murah dari segi ekonomis terbukti tidak efisien, hal ini disebabkan

karena adanya hubungan langsung antara unjuk kerja yang dihasilkan dengan

beberapa faktor.

Salah satu faktor yang mempengaruhi unjuk kerja adalah tekanan, laju alir

massa dan sudut nosel uap masuk turbin. Tujuan dari penelitian ini adalah

mengetahui unjuk kerja (efisiensi dan daya). Hasil pengujian diharapkan dapat

menjadi pedoman bagi perbaikan dan penyederhanaan model alat turbin uap

impuls sehingga dapat dipakai secara lebih luas.

1.2 Identifikasi Masalah

Unjuk kerja pada turbin uap salah satunya dapat dilihat dari daya yang

dihasilkan (output), hal yang mempengaruhi daya output adalah torsi dan rpm,

semakin besar torsi dan rpm yang dihasilkan akan menghasilkan daya output yang

semakin baik. Daya yang diberikan (input) juga mempengaruhi daya output yang

dihasilkan turbin uap, semakin besar laju alir massa dan selisih entalpi masuk

turbin dengan entalpi keluar dari turbin yang diberikan, maka akan menghasilkan

daya input yang semakin baik. Sementara itu sudut nosel uap masuk turbin yang


3

semakin kecil juga akan menghasilkan gaya tangensial yang dihasilkan semakin

besar, dari hasil perkalian gaya tangensial dengan kecepatan keliling turbin juga

akan didapatkan nilai daya output pada turbin. Secara keseluruhan akan diteliti

efek tekanan uap, laju alir massa dan sudut nosel uap masuk turbin terhadap unjuk

kerja model alat turbin uap impuls.

1.3 Rumusan Masalah

Berdasarkan subbab 1.2 (Identifikasi Masalah), maka dapat diketahui

rumusan masalah sebagai berikut :

1. Bagaimana pengaruh tekanan uap masuk turbin terhadap unjuk kerja

model alat turbin uap impuls satu tingkat dengan satu nosel ?

2. Bagaimana pengaruh laju aliran massa uap masuk turbin terhadap unjuk

kerja model alat turbin uap impuls satu tingkat dengan satu nosel ?

3. Bagaimana pengaruh sudut nosel uap masuk turbin terhadap unjuk kerja

model alat turbin uap impuls satu tingkat dengan satu nosel ?

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah pada penilitian ini meliputi :

1. Setiap pengambilan data diberikan asutan awal putaran turbin yakni

dimulai dari 400.000 Pa sampai tekanan variasi yang ditentukan.

2. Setiap pengisian air ke dalam ketel uap yakni, 1,5 liter digunakan untuk 3

kali pengambilan data (satu variasi).

3. Setiap pengambilan data dilakukan maksimal selama 5 detik.


4

4. Analisis data dilakuakan dengan beberapa asumsi diantaranya tidak ada

kebocoran pipa, suhu pada setiap titik variabel pengukuran dianggap

seragam dalam satu bidang, nilai rpm pada saat pengambilan data

konstan, tekanan uap dan laju alir massa masuk turbin pada setiap variasi

konstan.

5. Uap di setiap masing - masing variasi dalam kondisi panas lanjut.

6. Tekanan uap keluar turbin diasumsikan sama dengan tekanan sekitar

yakni 1 atm.

7. Suhu uap keluar turbin mengalami penurunan sebesar 20°C dari suhu uap

masuk turbin, sesuai dengan perhitungan nilai rata - rata penurunan yang

telah dilakuakan.

1.5 Tujuan Penelitian

Tujuan umum penelitian ini adalah mengetahui unjuk kerja model alat turbin

uap impuls, sedangkan tujuan khusus penelitian ini adalah :

1. Menganalisis efek tekanan uap masuk turbin terhadap unjuk kerja model

alat turbin uap impuls satu tingkat dengan satu nosel.

2. Menganalisis efek laju aliran massa uap masuk turbin terhadap unjuk

kerja model alat turbin uap impuls satu tingkat dengan satu nosel.

3. Menganalisis efek sudut nosel uap masuk turbin terhadap unjuk kerja

model alat turbin uap impuls satu tingkat dengan satu nosel.


5

1.6 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Menambah referensi bagi peniliti maupun pihak lain yang akan

melakukan penelitian tentang model alat turbin uap impuls satu tingkat.

2. Memberikan gagasan bagi pengembangan ilmu pengetahuan tentang

model alat turbin uap impuls satu tingkat.

3. Menambah pengetahuan masyarakat tentang model alat turbin uap impuls

satu tingkat.


6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Landasan Teori

Turbin uap bersama - sama dengan ketel uap, pompa dan kondensor,

dipadukan untuk membentuk suatu siklus daya uap atau siklus rankine. Siklus ini

menggunakan fluida dalam dua fasa yaitu cairan dan uap. Siklus turbin uap adalah

siklus rankine, yang terdiri dari dua jenis siklus yaitu :

1) Siklus terbuka, dimana sisa uap dari turbin tidak dimanfaatkan lagi, atau

dibuang.

2) Siklus tertutup, dimana uap bekas dari turbin dimanfaatkan lagi dengan

cara mendinginkannya pada kondensor, kemudian dialirkan kembali

kepompa dan seterusnya sehingga merupakan suatu siklus tertutup.

Diagram alir siklus rankine sederhana dapat dilihat sebagai berikut :

Gambar 2.1 Diagram alir siklus rankine sederhana


7

Gambar 2.2 Diagram T-S siklus rankine

Proses termodinamika dalam siklus ini dapat dijelaskan sebagai berikut:

1) Proses 1 - 2 adalah proses adiabatik dimana pompa bekerja, air

dipompakan masuk ke ketel uap hingga mencapai tekanan kerja ketel uap.

Pada pompa terjadi perubahan energi mekanik menjadi energi panas dan

menyebabkan adanya kenaikan suhu. Dalam keadaan perubahan suhu

pada entropi yang tetap (isentropik).

2) Proses 2 - 3 adalah proses pertambahan panas pada tekanan yang sama

(isobarik) di dalam ketel uap air dipanaskan hingga menjadi uap pada

tekanan konstan terhadap fluida.

3) Proses 3 - 4 adalah keadaan adiabatik pada turbin. Uap yang telah

dihasilkan ini akan memutar turbin uap, di dalam turbin uap terjadi

perubahan energi panas yang dibawa uap menjadi energi mekanik berupa

putaran turbin uap. Pada tahap ini uap tersebut diekspansikan pada turbin,

sehingga uap akan mengalami penurunan suhu.


8

4) Proses 4 - 1 Setelah uap menggerakkan turbin uap akan masuk ke

kondensor untuk didinginkan dan berubah fasa kembali menjadi air dan

kemudian kembali dimasukkan ke dalam ketel uap.

Dari proses yang terjadi pada siklus turbin uap tersebut maka besar kerja dan kalor

dapat ditentukan pada masing - masing proses untuk tiap satuan massa sebagai

berikut:

1) Kerja pompa

2) Penambahan kalor pada ketel uap

3) Kerja turbin

4) Kalor yang dibuang pada kondensor

Untuk memaksimumkan efisiensi siklus, suhu yang diberikan harus mencapai

setinggi mungkin sedangkan panas yang dibuang harus pada suhu yang serendah -

rendahnya. Tekanan ketel uap yang tinggi akan menaikkan suhu penguapan,

sehingga menaikkan efisiensi siklus.

Ketel uap atau yang biasanya disebut boiler merupakan alat penukar kalor,

dimana energi panas yang dihasilkan dari pembakaran diubah menjadi energi

potensial yang berupa uap. Uap yang dihasilkan dari ketel uap merupakan gas

yang timbul akibat perubahan fase cairan menjadi uap atau gas melalui cara

pendidihan. Zat cair yang dipanaskan akan mengakibatkan pergerakan molekul -

molekul menjadi cepat, sehingga melepas diri dari lingkungannya dan berubah

menjadi uap. Air yang berdekatan dengan bidang pemanas akan memiliki suhu

yang lebih tinggi (berat jenis yang lebih rendah) dibandingkan dengan air yang

bersuhu rendah, sehingga air yang bersuhu tinggi akan naik ke permukaan dan air


9

yang bersuhu rendah akan turun. Peristiwa ini akan terjadi secara terus menerus

(sirkulasi) hingga berbentuk uap. Uap yang dihasikan oleh ketel uap dapat

dimanfaatkan sebagai media penggerak utama turbin uap. Berbagai bentuk ketel

uap telah berkembang mengikuti kemajuan teknologi dan evaluasi dari produk -

produk ketel uap sebelumnya yang dipengaruhi oleh gas buang ketel uap yang

mempengaruhi lingkungan dan produk uap seperti apa yang akan dihasilkan.

Ketel pipa api (fire tube boiler) (Gambar 2.3) dan ketel pipa air (water tube

boiler) (Gambar 2.4) merupakan dua jenis ketel uap penggerak turbin uap.

Gambar 2.3 Ketel pipa api

Ketel uap pipa api konstruksinya terdiri dari sebuah tangki silinder yang berisi air,

di dalamnya terdapat lorong api dan susunan pipa - pipa yang dinamakan pipa api,

dimana pipa - pipa api tersebut dialiri gas panas hasil pembakaran dan panas yang

dihasilkan akan diberikan kepada air di sekelilingnya. Ketel uap lorong api

maupun pipa - pipa api semua berada atau terendam di dalam air yang akan

diuapkan. Fungsi dari pipa - pipa tersebut adalah untuk menambah luas


10

permukaan bidang pemanas, dengan demikian akan mempercepat dan

mempertinggi produksi uap di dalam ketel.

Gambar 2.4 Ketel pipa air

Ketel uap pipa air terdiri dari susunan pipa - pipa yang di dalamnya berisi air yang

akan dipanaskan, sedangkan gas panasnya mengitari dari luar pipa - pipa tersebut.

Dengan demikian luas bidang pemanasnya terdapat pada bidang luar pipa, karena

air isian ketel sangat kecil maka dapat membentuk uap dengan lebih cepat. Ketel

ini dipilih jika kebutuhan uap dan tekanan uap yang sangat tinggi seperti pada

kasus ketel untuk pembangkit tenaga listrik.

Uap air adalah jenis fluida yang merupakan fase gas dari air,yang mengalami

pemanasan sampai suhu didih di bawah tekanan tertentu. Uap air tidak berwarna,

bahkan tidak terlihat bila dalam keadaan murni kering. Uap air tidak mengikuti

hukum - hukum gas sempurna, sampai benar - benar kering (kadar uap 100%).

Jika uap air kering dipanaskan lebih lanjut maka menjadi uap air panas (panas

lanjut) dan selanjutnya dianggap sebagai gas sempurna. Titik didih suatu cairan

adalah suhu dimana tekanan uap cairan sama dengan tekanan lingkunagn sekitar


11

cairan tersebut. Pada titik ini cairan akan berubah fase menjadi uap. Suhu jenuh

dari air pada tekanan atmosfer adalah 100℃. Pada titik inilah air akan berubah

fase manjadi uap dengan membentuk gelembung - gelembung uap air. Semakin

tinggi tekanan di sekitar air maka semakin tinggi pula titik didihnya, dan apabila

semakin rendah tekanan di sekitar air tersebut maka semakin rendah pula titik

didih air tersebut. Hal tersebut disebabkan karena tekanan air akan mempengaruhi

karakteristik seperti entalpi air, panas laten, dan entalpi uap dari uap air yang

terbentuk pada tekanan tersebut. Air dapat berada pada keadaan campuran antara

cair dan uap. Pada penelitian ini semua kondisi uap saat pengambilan data ada

pada fase uap panas lanjut (Gambar 2.9). Adapun jenis perubahan fase pada zat

murni air yang lain yakni, cair tekan (compressed liquid) (Gambar 2.5), cair jenuh

(saturated liquid) (Gambar 2.6), campuran air uap (liquid uap mixture) (Gambar

2.7), uap jenuh (saturated uap) (Gambar 2.8) dan uap panas lanjut (superheated

uap) (Gambar 2.9). Untuk memudahkan dalam menjelaskan proses ini maka lihat

pada Gambar 2.5 sampai dengan Gambar 2.9, yang pertama merupakan kondisi

cair tekan.

Gambar 2.5 Air pada fase cair tekan

KONDISI 1


12

Dimana sebuah alat berupa torak dan silinder yang berisi air pada 200°C dan

tekanan 1 atm. Pada kondisi ini, air berada pada fase cair tekan karena suhu dari

air tersebut masih dibawah suhu jenuh pada saat tekanan 1 atm, kemudian kalor

mulai ditambahkan ke dalam air sehingga terjadi kenaikkan suhu tersebut maka

air secara perlahan berekspansi dan volume spesifiknya meningkat, karena

ekspansi ini maka piston juga secara perlahan mulai bergerak naik, tekanan di

dalam silinder konstan selama proses karena didasarkan pada tekanan atmosfer

dari luar dan berat dari torak. Kemudain cair jenuh, dengan semakin

Gambar 2.6 Air pada fase cair jenuh

bertambahnya jumlah kalor yang dimasukkan ke dalam silinder maka suhu akan

naik hingga mencapai 1.000°C, ada titik ini air masih dalam fase cair, tetapi

sedikit saja ada penambahan kalor maka sebagian air tersebut akan berubah

menjadi uap. Kondisi ini disebut dengan cair jenuh seperti yang ditunjukan pada

Gambar 2.6. Kemudian campuran air uap, saat pendidihan berlangsung tidak

terjadi kenaikan suhu sampai cairan seluruhnya berubah menjadi uap. Suhu akan

tetap konstan selama proses perubahan fase jika suhu juga dijaga konstan, pada

KONDISI 2


13

Gambar 2.7 Campuran air dan uap

proses ini volume fluida di dalam silinder meningkat karena perubahan fase yang

terjadi, volume spesifik uap lebih besar dari pada cairan sehingga menyebabkan

torak terdorong ke atas (Gambar 2.7). Kondisi uap jenuh, jika kalor terus

ditambahkan maka proses penguapan akan terus berlangsung sampai seluruh

cairan berubah menjadi uap (Gambar 2.8), sedangkan jika sedikit saja terjadi

Gambar 2.8 Uap jenuh

pengurangan kalor maka akan menyebabkan uap terkondensasi. Kemudian

yang terakhir adalah kondisi uap panas lanjut, setelah fluida di dalam silinder

KONDISI 3

KONDISI 4


14

Gambar 2.9 Uap panas lanjut

dalam kondisi uap jenuh maka jika kalor kembali ditambahkan dan tekanan dijaga

konstan pada 1 atm, suhu uap akan meningkat (Gambar 2.9), kondisi tersebut

dinamakan uap panas lanjut karena suhu uap di dalam silinder di atas suhu

saturasi dari uap jenuh pada tekanan 1 atm yakni 1.000°C. Beberapa proses di atas

digambarkan pada suatu diagram T - v seperti pada Gambar 2.10 berikut.

Gambar 2.10 Diagram T - v pemanasan air pada tekanan konstan

KONDISI 5


15

Entalpi ( ) adalah penjumlahan dari energi dalam (internal energy) dengan

hasil kali tekanan dan volume sistem. Hukum kekekalan energi menjelaskan

bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya

dapat diubah dari bentuk energi yang satu menjadi bentuk energi yang lain. Nilai

suatu energi tidak dapat diukur, yang dapat diukur hanyalah perubahan energi

( ). Demikian juga halnya dengan entalpi, entalpi tidak dapat diukur, kita hanya

dapat mengukur perubahan entalpi ( ).

(1)

dengan adalah entalpi, adalah entalpi reaktan (kJ/kg), adalah entalpi

produk (kJ/kg).

Bila produk > h reaktan, maka bertanda negatif, berarti terjadi

pelepasan kalor ke lingkungan.

Bila produk < h reaktan, maka bertanda positif, berarti ada

penyerapan kalor dari lingkungan ke sistem.

Dengan prinsip kesamaan energi, diperoleh rumusan yang menunjukkan

hubungan daya turbin uap dengan perubahan entalpi yakni sebagai berikut :

( ) (2)

dengan adalah daya (kW), ṁ adalah laju alir massa uap (kg/detik), adalah

entalpi uap pada tekanan dan suhu uap masuk turbin uap (kJ/kg), adalah

entalpi uap pada tekanan dan suhu uap keluar turbin uap (kJ/kg).


16

Orifice adalah salah satu alat yang digunakan untuk mengukur laju alir volum

atau massa fluida di dalam saluran yang tertutup (pipa) berdasarkan prinsip beda

tekanan. Sedangkan orifice plate (sebuah pelat lubang) adalah pelat tipis dengan

lubang di tengah. Hal ini biasanya di tempatkan dalam pipa aliran fluida, dimana

ketika cairan mencapai pelat orifice, dengan lubang di tengah, cairan dipaksa

untuk berkumpul untuk pergi melalui lubang kecil. Jenis orifice yang digunakan

dalam penelitian ini adalah jenis corner tap (Gambar 2.11), jenis orifice yang lain

yakni flange tap, full flow pipe tap, radius tap, dan vena contracta tap.

Gambar 2.11 Orifice corner tap

Corner tap, digunakan pada pipa yang lebih kecil dari 2 inci, lubang pengambilan

tekanan pada flange dekat dengan permukaan pelat orifice. Flange tap, lokasi

pengambilan tekanan berada pada flange 1 inci upstream dan 1 inci downstream,

diukur dari permukaan upstream orifice. Full flow pipe tap lubang pengambilan

tekanan pada upstream berjarak 2,5 D dari permukaan upstream orifice dan

downstream berjarak 8 D dari orifice. Radius tap pengambilan tekanan pada

upstream berjarak 1 D dan downstream 0,5 D dari permukaan upstream orifice.

Vena contracta tap upstream berjarak 0,5 sampai dengan 2 D dan downstream


17

tergantung dari d/D. Sementara itu dalam penilitan yang dilakukuan jenis pelat

orifice yang digunakan berjenis concentric, yakni pelat orifice yang digunakan

untuk fluida yang ideal, tidak mengandung fasa lain dan untuk fluida seperti gas.

Adapaun jenis orifice yang lain adalah eccentric orifice dan segmental. Eccentric

orifice mempunyai profil lubang yang sama dengan concentric orifice, akan tetapi

pada eccentric orifice lubang tidak terletak tepat di tengah. Titik pusat lubang

penghalang tidak satu garis pusat dengan pusat penampang pipa. Pemasangan

lubang yang tidak konsentris ini dimaksud untuk mengurangi masalah jika fluida

yang diukur membawa berbagai benda padat (solid). Sedangkan segmental orifice

didesain untuk fluida dengan kandungan sedimen yang tinggi. Profil dari lubang

segmental orifice. Diameter “D” bagian bawah hampir lurus dengan diameter

dalam dari pipa. Segmental orifice merupakan jenis orifice yang paling sulit dalam

proses manufaktur, diperlukan proses finishing secara manual. Segmental orifice

digunakan terutama pada servis yang sama dengan eccentric orifice, sehingga

kelebihan dan kekurangan adalah kurang lebih sama. Apabila suatu orifice yang

dilewati oleh fluida dengan kecepatan tertentu maka laju alir massa fluida tersebut

dapat dihitung dengan mengukur perbedaan tekanan antara aliran sebelum

melewati orifice yang disebut dengan upstream dan setelah melewati orifice yang

disebut dengan downstream, tingkat laju alir massa dapat dihitung dengan rumus

sebagai berikut :

√

√ (

)

(3)


18

dengan ṁ adalah laju alir massa uap (kg/detik), adalah koefisien orifice,

adalah luas area pelat orifice (m²), adalah massa jenis (kg/m³), adalah

perubahan tekanan uap (Pa), adalah diameter pelat orifice (m), adalah

diameter pipa orifice (m).

Turbin uap dapat diartikan sebagai penggerak mula dimana energi potensial

dari suatu fluida diubah menjadi energi kinetik, kemudian dikonversikan menjadi

energi mekanik berupa putaran poros. Energi potensial adalah energi yang

dikandung oleh uap itu sendiri, sedangkan energi kinetik adalah energi yang

dimiliki uap itu sendiri yang bergerak dan dengan bantuan nosel tekanan

kecepatan dapat dinaikan guna memutar roda turbin. Turbin uap impuls dibuat

dalam dua macam kontruksi yakni turbin tekanan sama dan turbin tekanan lebih,

sebelum membahas tentang perbedaan dan bentuk kontruksi turbin sebaiknya

perlu mengenal dan memahami segitiga kecepatan (Gambar 2.12) yang nantinya

untuk proses analisis. Pertama kali uap diekspansikan di dalam sudu pengarah

(nosel) sehingga didapatkan kecepatan uap keluar , nosel tidak bergerak karena

dipasang dan diikat dengan kerangka model alat turbin uap impuls. Akhirnya uap

yang baru keluar dari nosel itu, sampai dan masuk ke dalam saluran sudu turbin

dan menggerakkan serta ikut berputar dengan sudu turbin dengan kecepatan .

adalah kecepatan mutlak masuk sudu turbin, adalah kecepatan keliling sudu

turbin, adalah kecepatan relatif sudut masuk, kecepatan uap ini bekerja di

dalam saluran sudu turbin yang sedang berputar, harganya didapat dari susunan

vektor dan ke . Sudut bebas bisa dipilih, sesudah uap dengan bebas

dari tumbukan masuk ke saluran sudu turbin dengan kecepatan , uap tersebut


19

meninggalkan sudu turbin dengan kecepatan . Untuk mendapatkan segitiga

kecepatan keluar, Sudut harus dipilih dan ditentukan dan pada

digambarkan harganya , dengan demikian baru dapat diperoleh kecepatan

, untuk masuk ke tingkat berikutnya atau dibuang disaluran uap bekas.

Gambar 2.12 Segitiga kecepatan turbin tekanan sama

Arti tanda - tanda yang digunakan dalam segitiga kecepatan keluar, adalah

kecepatan relatif sudut keluar, adalah kecepatan keliling sudu turbin, adalah

kecepatan mutlak keluar sudu turbin. Komponen kecepatan uap digambar ke

dalam arah keliling dan , besarnya komponen ini untuk mendapatkan

harga gaya tangensial yang dihasilkan aliran uap untuk menggerakkan roda turbin,

secara umum ditulis sebagai berikut :

( ) (4)


20

dengan adalah gaya tangesnial (N), ṁ adalah laju alir massa uap (kg/detik),

adalah kecepatan uap mutlak masuk turbin dalam arah kecepatan keliling sudu

turbin (m/detik). Untuk mementukan kontruksi turbin bisa dilaksanakan dengan

cepat karena hanya ada dua macam turbin yakni turbin tekanan sama dan turbin

tekanan lebih. Turbin tekanan sama, dalam turbin jenis ini selisih entalpi yang

disediakan harus semuannya diekspansikan di dalam nosel atau harga adalah 0,

di dalam muka dan di bagian belakang terjadi penurunan tekanan. Uap di dalam

sudu turbin tekanannya tetap, sama hanya aliran belok, untuk aliran tanpa gesekan

sama dengan , sudut sudu turbin dibuat sama. Pada turbin tekanan sama ini

tidak terdapat gaya geser aksial yang besar, tetapi yang bekerja pada turbin hanya

sisa gaya geser yang asalnya dari selisih tekanan yang kecil. Untuk kontruksi

turbin tekanan sama efisiensi maksimum jika nilai adalah 0,5 (Gambar

2.13). Turbin tekanan lebih, dalam hal ini tekanan uap sebelum masuk sudu

Gambar 2.13 Kurva Ƞ dengan turbin tekanan sama, tanpa memperhatikan

kerugian uap


21

turbin adalah lebih besar daripada tekanan uap sesudah keluar dari sudu turbin,

harga pada tekanan lebih adalah 0,5 yang berarti setangah dari jumlah panas

jatuh bekerja di dalam nosel dan setengahnya lagi bekerja pada sudu turbin.

Besarnya panas jatuh bisa dibagi menjadi yakni panas jatuh di dalam nosel

dan yakni panas jatuh di dalam sudu turbin. Tekanan uap pada saat masuk ke

dalam sudu turbin adalah lebih besar daripada waktu keluar dari sudu turbin,

dengan demikian dalam sudu turbin terdapat tekanan lebih yang mengakibatkan

timbulnya gaya geser aksial yang arahnya searah dengan poros turbin. Untuk

kontruksi turbin tekanan sama efisiensi maksimum jika nilai adalah 1

(Gambar 2.14).

Gambar 2.14 Kurva Ƞ dengan turbin tekanan lebih, tanpa memperhatikan

kerugian uap

Dinamometer merupakan alat pengukur besarnya nilai torsi yang

berhubungan dengan tenaga mekanik. Torsi adalah gaya putar yang dihasilkan

oleh poros engkol atau kemampuan motor untuk melakukan kerja, tetapi disini

torsi merupakan jumlah gaya putar yang diberikan ke suatu mesin terhadap

panjang lengannya. Dalam penelitian ini dinamometer yang digunakan adalah

jenis dinamometer rem tali (dynamometer rope brake) (Gambar 2.15) yang


22

tergolong dalam jenis dinamometer mekanis, selain rem tali yang tergolong dalam

dinamometer mekanis adalah dinamometer rem jepit (dynamomter prony brake)

(Gambar 2.16). Jenis - jenis dinamometer yang lain yakni dinamometer listrik,

yang terdiri dari dinamometer arus pusaran (Gambar 2.17) dan dinamometer

ayunan listrik atau generator, dinamometer hidraulik atau dinamometer air, yang

terdiri dari dinamometer air tipe gesekan fluida (Gambar 2.18) dan dinamometer

air tipe semburan (Gambar 2.19), dan yang terakhir dinamometer udara (Gambar

2.20). Pada dinamometer mekanis penyerapan daya dilakukan dengan

memberikan gesekan mekanis sehingga timbul panas. Panas ini dipindahkan ke

sekeliling (atmosfer) dan kadang - kadang juga didinginkan oleh fluida pendingin

yang lain, misalkan air. Dinamometer rem tali, cara kerja dari rem tali terdiri dari

Gambar 2.15 Dinamometer rem tali

tali di sekeliling roda. Ujung tali yang satu dikaitkan pada suatu timbangan digital

dan ujung yang satunya lagi diberi beban (Gambar 2.15) penyerapan daya

dilakukan oleh tali karena gesekan dengan roda. Dari gambar 2.15, hubungan torsi


23

dan daya yang dihasilkan turbin impuls dapat dihitung dengan rumus sebagai

berikut:

(5)

dengan adalah daya (kW), adalah torsi (N.m), adalah putaran (rpm),

adalah konstanta (yang tidak bisa diubah - ubah ). Persamaan tersebut berasal dari

rumus torsi :

( ) (6)

dengan adalah torsi (N.m), adalah berat beban (kg), adalah bacaan

keseimbangan berat beban timbangan (kg), adalah gravitasi (m/s²), dan adalah

jari - jari pulley dinamometer (m). Rem tali sangat sederhana dan mudah dibuat,

tetapi hanya bisa bekerja pada putaran rendah dengan kapasitas penyerapan daya

kecil. Dinamometer jenis mekanis yang lain adalah dinamometer rem jepit.

Gambar 2.16 Dinamometer rem jepit dengan bahan kayu

Dinamometer rem jepit dibuat dalam berbagai model, salah satu diantaranya

terlihat dalam Gambar 2.16. Penyerapan daya dilakukan dengan jalan mengatur


24

gesekan yang terjadi antara balok - balok kayu dengan rotor, dimana

pengaturannya dilaksanakan dengan memutar baut pengatur (c). Rem ini terdiri

dari balok - balok kayu (e) yang dipasang antara rotor dan sabuk baja (b),

sedangkan rotor (a) bekerja pada poros pada dari suatu motor yang tenaganya

akan diuji. Tipe rem jepit biasanya digunakan untuk pengukuran daya yang tidak

terlalu besar dengan putaran poros maksimum 1.000 rpm. Bila putaran tersebut

tinggi, tipe ini harus dikonstruksi dengan sangat hati - hati. Kemudian

dinamometer listrik, Pada dasarnya pengereman yang terjadi pada dinamometer

listrik akibat pemotongan medan magnet oleh pergerakan bahan konduktor.

Gambar 2.17 Dinamometer arus pusaran

Dinamometer arus pusaran terdiri dari suatu rotor yang digerakkan oleh suatu

motor yang tenaganya akan diukur, dan berputar dalam medan magnet. Kekuatan

medan magnetnya dikontrol dengan merubah arus sepanjang susunan kumparan

yang ditempatkan pada kedua sisi dari rotor. Rotor ini bertindak sebagai

konduktor yang memotong medan magnet. Karena pemotongan medan magnet itu

maka terjadi arus dan arus ini diinduksikan dalam rotor sehingga rotor menjadi

panas. Sedangkan dinamometer ayunan listrik atau generator, pada prinsipnya


25

bidang gerak dinamometer ini diputarkan secara terpisah baik dengan

mengutamakan pipa - pipa saluran utama atau baterai yang mempertahankan suatu

tegangan yang konstan. Seluruh mesin ditumpu dengan laher, casing menahan

sebuah lengan torsi untuk menjadikan seimbang torsi mesin. Torsi mesin

disebarkan pada casing oleh daya tarik medan magnet, yang dihasilkan ketika

jangkar sedang berputar dan mengeluarkan tenaga listriknya pada aliran sebelah

luar dinamometer. Tenaga mesin yang diserap akan membangkitkan tenaga listrik

di dalam rangkaian jangkar dan pada saatnya tenaga listrik ini bisa terserap

sepanjang tahanan yang terbuat dari kawat baja atau semacamnya (misal air).

Dinamometer dipasang pada bantalan ayun dan mengukur momen yang

ditimbulkan karena kecenderungan casing berputar. Perhitungan selanjutnya dapat

dihitung memakai rumus seperti dinamometer sebelumnya. Selanjutnya adalah

dinamometer hidraulik atau dinamometer air, dinamometer hidraulik

menggunakan fluida cair untuk mengubah daya mekanis menjadi energi panas.

Fluida yang digunakan biasanya air sehingga dinamometer ini sering disebut

dinamometer air. Dinamometer air tipe gesekan fluida pada dasarnya dnamometer

Gambar 2.18 Dinamometer air tipe gesekan fluida


26

Ini terdiri dari sebuah rotor atau elemen putar dengan kedua belah permukaannya

rata, berputar dalam sebuah casing, kemudian casing tersebut diisi dengan air

selanjutnya air fluidanya disirkulasi secara kontinu. Akibat sirkulasi air tersebut

terjadi pergesekan pada bagian fluidanya. Dinamometer ini bisa bekerja pada

kecepatan beberapa ribu rpm dengan penyerapan daya yang lebih besar bila

dibandingkan dengan tipe dinamometer sebelumnya. Kapasitas dinamometer jenis

ini tergantung pada 2 faktor yaitu kecepatan putaran poros dan tinggi permukaan

air. Penyerapan pada kecepatan tertentu bisa dilakukan dengan pengaturan tinggi

permukaan air pada atau dalam casing. Jumlah air yang bersikulasi harus cukup

banyak agar tidak sampai terjadi uap dibagian manapun dari alat, karena dengan

timbulnya uap tersebut akan mengakibatkan hilangnya beban sesaat ataupun tidak.

Dinamometer jenis air yang lain adalah dinamometer air tipe semburan (agitasi).

Gambar 2.19 Dinamometer air tipe semburan

Bentuk dari dinamometer tipe semburan hampir sama dengan bentuk

dinamometer tipe gesekan fluida, tetapi ada perbedaan diantara kedua bentuk

tersebut yaitu terletak pada cara penyerapan daya. Selain dengan gesekan juga

karena semburan, sehingga dinamometer tipe semburan relatif lebih besar,


27

penampang melintang (Gambar 2.19). Dinamometer tipe semburan terdiri dari

sebuah poros yang memegang sebuah rotor dan berputar di dalam casing yang

tidak bisa dimasuki air. Bila rotor digerakan, air disemburkan keluar oleh tenaga

sentrifugal, air yang disemburkan itu ditahan oleh poket - poket casing dan poket -

poket casing ini berfungsi untuk mengembalikan air ke rotor, sehingga air terus

bolak - balik antara poket rotor dan poket casing. Hal ini merupakan proses

turbulensi yang tinggi yang terus terjadi berulang - ulang. Akibat proses turbulensi

maka akan terjadi panas, tetapi panas ini dapat dihilangkan dengan jalan mengatur

luapan air yang terus menerus mengisi bagian belakang poket - poket casing

dengan sebuah pipa karet yang fleksibel, selanjutnya air tidak boleh melebihi

600C rata - rata pengukuran adalah 50 - 100.000 Hp dan bekerja pada kecepatan

50 - 20.000 rpm. Kemudian yang terakhir adalah dinamometer jenis udara. Untuk

menyerap daya yang diukur, dinamometer rem kipas menggunakan udara

atmosfer. Penyerapan daya yang terjadi karena gesekan yang timbul antara udara

dengan sebuah rotor berupa kipas yang berputar. Dinamometer rem kipas dibuat

dalam banyak model (Gambar 2.20). Pengaturan bebannya dilakukan dengan

Gambar 2.20 Dinamometer rem kipas


28

merubah radius kipas, ukuran atau sudut kipas. Dengan memasang mesin pada

bantalan ayun, maka reaksi mesin yang timbul karena gesekan yang terjadi antara

rotor dengan udara akan terbaca pada skala.

Secara umum, efisiensi didefinisikan sebagai perbadingan antara output

terhadap input dalam suatu proses. Efisiensi merupakan salah satu persamaan

yang penting dalam termodinamika untuk mengetahui seberapa baik konversi

energi atau proses transfer terjadi. Idealnya, kita mengharapkan agar energi input

dapat diubah seluruhnya menjadi energi output. Pada kenyataannya, hal ini tidak

mungkin dapat dilaksanakan karena adanya berbagai kerugian yang terjadi.

Akibat kerugian - kerugian tersebut, maka energi output yang dihasilkan selalu

lebih kecil dari energi input yang masuk ke sistem. Dalam konteks efisiensi maka

output maupun input harus dinyatakan dalam besaran yang sama seperti rumus

sebagai berikut :

(7)

2.2 Penelitian Terdahulu yang Pernah Dilakukan

Berdasarkan penelitian yang pernah dilakukan, faktor - faktor yang

mempengaruhi efisiensi model alat turbin uap impuls diantaranya pengaruh beban

yang bervariasi, pada kondisi normal turbin memiliki unjuk kerja yang baik pada

beban operasi puncak 400 MW atau lebih, dimana pada beban tersebut konsumsi

kalor turbin atau heat rate turbin cukup rendah berkisar antara 1833,278 –

1871,901 Kcal/kWh. Heat rate tertinggi terjadi bila turbin dioperasikan pada


29

beban rendah 260 MW dengan nilai heat rate mencapai 1958,554 Kcal/kWh

(Soelaima, Sofyan, Novy Priyatnto, 2012). Ukuran diameter nosel berpengaruh

terhadap besarnya debit aliran fluida, kecepatan fluida, laju aliran fluida dan

putaran sudu turbin sehingga semakin besar pula input daya listrik yang akan

dihasilkan dari turbin pelton (Dr. Sri Purnomo Sari, ST., M.T., Rendi Yusuf,

2012). Pengaruh tekanan uap masuk turbin dan variasi pembebanan terhadap

unjuk kerja turbin menunjukan semakin tinggi tekanan masuk turbin dengan

beban tetap maka efisiensi turbin akan semakin baik dan semakin tinggi

pembebanan pada generator pada tekanan yang sama maka efisiensi turbin akan

semakin baik (Dwi Dharma Risqiawan, Ary Bachtiar Khrisna Putra, 2013).

Pengaruh ukuran diameter nosel terhadap daya dan efisiensi kincir air

menunjukan semakin besar ukuran nosel maka daya yang dihasilkan oleh kincir

semakin kecil, daya menurun disebabkan energi kinetik yang dihasilkan air

semakin menurun, hal itu disebabkan energi yang diterima kincir pun tidak

semuanya dapat digunakan dengan maksimal (Hangga Putra Prabawa, Mugisidi,

Moh. Yusuf, dan Oktarina Heriyani, 2016). Pengujian turbin pelton dengan sudu

setengah pipa menunjukan bahwa penggunaan diameter turbin yang semakin

besar dan daya hidrolik yang makin besar memberikan efisiensi lebih tinggi

(Tabah Priangkoso, Ali Mustaqim, Heriyanto, dan Asyadudin Malik, 2017).

Pengaruh variasi ukuran nosel terhadap putaran turbin pelton menunjukan

semakin besar diameter nosel maka laju aliran fluida yang dihasilkan akan

semakin besar tetapi kecepatan aliran fluida semakin kecil (M. Syamsul Arif,

Margianto, Ena Marlina, 2016).


30

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian

Tahapan untuk mencapai tujuan tersebut dapat dilihat berikut :

Variasi belum

selesai

Studi literatur dan perancangan alat

Pengujian dan perbaikan model alat

Pembuatan alat

Melakukan variasi :

a. Tekanan uap masuk turbin

b. Laju alir massa uap masuk turbin

c. Sudut nosel uap masuk turbin

Penyusunan data penelitian

Pengolahan data penelitian

Analisis, pembahasan,

Kesimpulan dan saran

Penelitian selesai

Pengambilan dan analisis data eksperimen

Penelitian dimulai


31

Penelitian ini dilakukan dengan metode eksperimen yang didahului dengan

studi literatur dari jurnal mengenai penelitian turbin uap atau pun air jenis impuls

yang pernah dilakukan. Studi literatur tentang teori - teori dasar dilakukan untuk

mendukung hipotesis dan analisis data yang akan dilakukan. Penelitian ini diawali

dengan membuat model alat turbin uap impuls beserta komponen pendukung

lainya. Langkah selanjutnya adalah melakukan pengujian dari alat tersebut untuk

mengetahui kesalahan yang terjadi dan melakukan perbaikan. Setelah langkah

pengujian selesai selanjutnya adalah pengambilan data. Setelah pengambilan data

selesai selanjutnya adalah melakukan pengolahan dan analisis data yang kemudian

disusun untuk menjadi artikel ilmiah dan naskah skripsi.

3.2 Deskripsi Alat Penelitian

Pembuatan model alat turbin uap impuls berdasarkan dasar teori, alat ini

dirancang sebagai alat uji skala laboraturium, yang berarti penggunaan alat hanya

bertujuan untuk penelitian dan pengambilan data. Adapun deskripsi mengenai

model alat turbin uap impuls adalah sebagai berikut :

1. Besar model alat turbin uap impuls keseluruhan 150 cm x 50 cm x 150 cm

2. Bahan bakar yang digunakan adalah gas LPG 12 kg.

3. Tabung ketel uap yang digunakan adalah tabung refrigerant R22, dengan

kapasitas air maksimal 12 liter. Pipa tembaga pada ketel uap yang

digunakan berdiamter 0,5 inci, dengan panjang 1000 cm.

4. Orifice yang digunakan berbahan pipa tembaga dengan diameter 0,5 inci,

panjang keseluruhan 10 cm.


32

5. Nosel yang digunakan berdiameter 0,25 inci.

6. Turbin yang digunakan berbahan plat besi dengan tebal 2 cm, diameter 27

cm. Sudu yang digunakan sebanyak 65 buah dengan lebar 2 cm, jarak

antar sudu adalah 1,3 cm.

7. Dinamometer rem tali menggunakan pulley berbahan besi cor dengan

diameter luar 4 cm. Tali yang digunakan berbahan polyester dengan

panjang 150 cm.

Gambar 3.1 Bagian - bagian model alat turbin uap impuls


33

3.3 Variasi Penelitian

Dalam dasar teori telah disebutkan bahwa daya merupakan salah satu unjuk

kerja yang dihasilkan alat. Daya diantaranya dipengaruhi oleh tekanan uap masuk

turbin, laju alir massa uap masuk turbin, sudut nosel uap masuk turbin, torsi dan

rpm. Untuk mengetahui unjuk kerja (efisiensi dan daya) pada penelitian ini akan

divariasikan tekanan uap masuk turbin, laju alir massa uap masuk turbin dengan

bukaan kran, dan sudut nosel uap masuk turbin guna mengetahui efeknya terhadap

unjuk kerja yang didapatkan. Kenyataan di lapangan tekanan uap dan laju alir

massa uapnya tidak stabil, sehingga nilai tersebut pada pengambilan data

merupakan nilai rata - rata.

Berikut adalah variasi yang akan dilakukan untuk mengetahui efek tekanan

uap masuk turbin terhadap unjuk kerja, tekanan uap masuk turbin yang diberikan

sebesar 250.000 Pa (variasi 1), 300.000 Pa (variasi 2), dan 400.000 Pa (variasi 3).

Variasi efek laju alir massa uap masuk turbin, diberikan laju alir massa uap masuk

turbin sebesar 0,0020 kg/detik dengan bukaan kran 180° (variasi 4) dan 0,0030

kg/detik dengan bukaan kran 360° (variasi 5). Variasi efek sudut nosel uap masuk

turbin, diatur besar sudut nosel uap masuk turbin sebesar 30° (variasi 6) dan 40°

(variasi 7). Kemudian pada setiap variasi yang dilakukan diberikan variasi

pembebanan pada dinamometer rem tali dengan variasi beban yakni 0,3 kg, 0,4

kg, 0,5 kg. Dalam pelaksanaan pengambilan data, kombinasi variasi dapat dilihat

pada tabel sebagai berikut :


34

Tabel 3.1 Kombinasi variasi pada model alat turbin uap impuls

3.4 Prosedur Penelitian

Tahapan pada penelitian ini meliputi :

1. Menyiapkan turbin uap impuls dan ketel uap beserta alat bantu lainya.

2. Mengisi dan memanaskan air sebanyak 2,5 liter pada tabung ketel uap.

3. Mempersiapkan beban yakni 0,3 kg, 0,4 kg, 0,5 kg.

4. Melakukan variasi 1, 2, dan 3 alat.

5. Mencatat variabel - variabel pengukuran.

6. Melakukan pengisian air ke dalam ketel uap sebanyak 1,5 liter.

7. Mempersiapkan beban yakni 0,3 kg, 0,4 kg, 0,5 kg.

8. Melakukan variasi 4 dan 5 alat.


10. Melakukan pengulangan langkah (6 dan 7).

11. Melakukan variasi 6 dan 7 alat.


Tekanan uap (Pa) 250.000 250.000 250.000 300.000 300.000 300.000 400.000 400.000 400.000

Variasi beban (kg) 0,3 0,4 0,5 0,3 0,4 0,5 0,3 0,4 0,5

Laju alir massa uap (kg/detik) 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026 0,0026

Sudut nosel (°) 20 20 20 20 20 20 20 20 20


Variasi beban (kg) 0,3 0,4 0,5 0,3 0,4 0,5 0,3 0,4 0,5

Tekanan uap (Pa) 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000

Sudut nosel (°) 20 20 20 20 20 20 20 20 20

Sudut nosel (°) 20 20 20 30 30 30 40 40 40

Variasi beban (kg) 0,3 0,4 0,5 0,3 0,4 0,5 0,3 0,4 0,5

Tekanan uap (Pa) 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000 300.000


Kombinasi variasiVariasi tekanan uap masuk turbin

1 2 3

Kombinasi variasi6 7

Kombinasi variasi4 52

2

Variasi laju alir massa uap masuk turbin

Variasi sudut nosel uap masuk turbin


35

13. Melakukan analisis data menggunakan persamaan dan tabel uap A-6.

14. Pengambilan data setiap variasi dilakukan selama 5 detik.

3.5 Variabel yang Diukur

Dalam pengambilan data secara eksperimen, beberapa variabel yang

digunakan akan diukur dan dianalisis. Variabel yang diukur adalah tekanan pada

upstream orifice ( ), tekanan pada downstream ( ), tekanan uap masuk turbin

( ), tekanan uap keluar turbin ( ), suhu uap masuk turbin ( ), suhu uap

keluar turbin ( ), putaran poros turbin ( ), dan beban pada dinamometer rem

tali ( ).

3.6 Komponen Alat Pendukung Penelitian

Alat-alat yang digunakan merupakan alat yang telah dipilih dan disesuiakan

dengan kebutuhan dan kondisi pengujian. Berikut adalah alat - alat pendukung

yang digunakan :

1. Timbangan gantung digital (Gambar 3.2) memiliki akurasi yang tinggi

yakni sampai dengan 10 gram sehingga sangat baik untuk mengukur berat

bersih suatu benda. Meskipun kecil timbangan ini dapat menghitung

beban sampai 40 kg, timbangan ini juga memiliki fitur weight lock

function sehingga dapat menyimpan berat benda yang sudah ditimbang

dan tidak akan lupa.


36

Gambar 3.2 Timbangan gantung digital

https://www.google.com/search?=timbangan+digital+gantung

2. Tachometer (Gambar 3.3) sebuah alat yang digunakan untuk mengukur

kecepatan putaran dari poros atau piringan, alat ini biasanya menampilkan

rotasi per menit (rpm) pada pengukur skala digital.

Gambar 3.3 Tachometer optik

https://www.google.com/search?safe=tachometergs_limg.1

3. Termokopel (Gambar 3.4) berfungsi untuk mengukur perubahan suhu

pada saat penelitian. Cara kerjanya adalah pada ujung termokopel


https://www.google.com/search?=timbangan+digital+gantung

https://www.google.com/search?safe=tachometergs_limg.1

37

diletakan (ditempelkan) pada bagian yang akan diukur suhunya, sehingga

suhunya akan tampil pada layar digital.

Gambar 3.4 Pengukur suhu (thermometer) digital dan termokopel https://www.google.com/search?q=termometer+digital+dan+termokopel

4. Pressure gauge (Gambar 3.5) adalah suatu alat pengukur yang digunakan

untuk mengukur tekanan fluida (gas atau cair) dengan pengamatan

langsung. Pressure gauge dipasang dalam tabung tertutup maupun untuk

udara atau gas dalam pipa.

Gambar 3.5 Pressure gauge

https://www.google.com/search?q=manometer&safe


https://www.google.com/search?q=termometer+digital+dan+termokopel&safe=strict&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjtyPrD7LXhAhWTeisKHfqZCUUQ_AUIDigB&biw=1366&bih=608#imgrc=PV-LIZZePT8cHM:

https://www.google.com/search?q=manometer&safe=strict&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjMrubj7LXhAhWJV30KHSWsAFMQ_AUIDygC&biw=1366&bih=608#imgdii=bp2aS7l6mETU6M:&imgrc=W42DWqs_fBAO-M:

38

3.7 Prosedur Pengolahan Data

Dalam prosedur pengolahan data pada penelitian ini dilakukan 3 analisis

sebagai berikut :

1. Efek tekanan uap masuk turbin terhadap unjuk kerja, maka dilakukan

perbandingan unjuk kerja model alat turbin uap impuls pada variasi 1, 2,

dan 3

2. Efek laju alir massa uap masuk turbin terhadap unjuk kerja, maka

dilakukan perbandingan unjuk kerja model alat turbin uap impuls pada

variasi 4, 2, dan 5.

3. Efek sudut nosel uap masuk turbin terhadap unjuk kerja, maka dilakukan

perbandingan unjuk kerja model alat turbin uap impuls pada variasi 2, 6,

dan 7.


39

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Penelitian

Pada penelitian ini akan dipaparkan hasil dari pengambilan data yang telah

dilakukan. Pengambilan data dilakukan selama 5 detik sekali dan mengisi air

sebanyak 1,5 liter ke dalam ketel uap setiap 3 kali pengambilan data. Berikut data

penelitian yang diperoleh (Tabel 4.1 – 4.3).

Tabel 4.1 Data penelitian efek tekanan uap masuk turbin terhadap unjuk kerja

pada variasi 1, 2, dan 3

variasi

(kg)

(Pa)

(Pa) (Pa)

(Pa)

(°C)

(°C)

(rpm)

(kg)

1

0,3 189.632 168.948 168.948 100.000 140 120 1.005 0,61

0,4 189.632 168.948 168.948 100.000 128 108 989 0,75

0,5 182.737 162.053 162.053 100.000 121 101 704 1,11

2

0,3 231.000 210.316 210.316 100.000 142 122 1.531 0,64

0,4 224.106 203.421 203.421 100.000 132 112 1.200 0,85

0,5 224.106 203.421 203.421 100.000 125 105 808 1,19

3

0,3 244.790 224.106 224.106 100.000 145 125 1.643 0,75

0,4 237.895 217.211 217.211 100.000 138 118 1.495 0,91

0,5 244.790 224.106 224.106 100.000 131 111 1.010 1,27

Tabel 4.2 Data penelitian efek laju alir massa uap masuk turbin terhadap unjuk

kerja pada variasi 4, 2, dan 5

variasi

(kg)

(Pa)

(Pa) (Pa)

(Pa)

(°C)

(°C)

(rpm)

(kg)

4

0,3 210.316 196.527 196.527 100.000 179 159 1.105 0,60

0,4 203.421 189.632 189.632 100.000 170 150 820 0,84

0,5 210.316 196.527 196.527 100.000 158 138 627 1,14

2

0,3 231.000 210.316 210.316 100.000 142 122 1.531 0,64

0,4 224.106 203.421 203.421 100.000 132 112 1.200 0,85

0,5 224.106 203.421 203.421 100.000 125 105 808 1,19


40

variasi

(kg)

(Pa)

(Pa) (Pa)

(Pa)

(°C)

(°C)

(rpm)

(kg)

5

0,3 258.579 231.000 231.000 100.000 192 172 1.988 0,65

0,4 258.579 231.000 231.000 100.000 182 162 1.358 0,92

0,5 251.685 224.106 224.106 100.000 165 145 1.000 1,20

Tabel 4.3 Data penelitian efek sudut uap nosel uap masuk turbin terhadap unjuk


variasi

(kg)

(Pa)

(Pa) (Pa)

(Pa)

(°C)

(°C)

(rpm)

(kg)

2

0,3 231.000 210.316 210.316 100.000 142 122 1.531 0,64

0,4 224.106 203.421 203.421 100.000 132 112 1.200 0,85

0,5 224.106 203.421 203.421 100.000 125 105 808 1,19

6

0,3 231.000 210.316 210.316 100.000 142 122 925 0,59

0,4 231.000 210.316 210.316 100.000 137 117 655 0,84

0,5 224.106 203.421 203.421 100.000 131 111 511 1,12

7

0,3 231.000 210.316 210.316 100.000 141 121 805 0,58

0,4 224.106 203.421 203.421 100.000 135 115 630 0,81

0,5 224.106 203.421 203.421 100.000 131 111 405 1,08

4.2 Data , , ,

Tabel 4.1 hingga 4.3 merupakan nilai yang didapat dari data penelitian. Pada

variasi 2, 6, dan 7, terdapat nilai segitiga kecepatan (Tabel 4.7) yang hubunganya

dengan efek sudut nosel uap masuk turbin.

Tabel 4.4 Data model alat turbin uap impuls efek tekanan uap masuk turbin

terhadap unjuk kerja pada variasi 1, 2, dan 3

variasi

(kg) (Pa)

(kg/m³)

(kg/detik)

(kj/kg)

(kj/kg)

(watt)

1

0,3 20.684 0,9170 0,0024 2.750,7 2.716,6 80,4

0,4 20.684 0,9469 0,0024 2.725,8 2.692,2 80,5

0,5 20.684 0,9195 0,0024 2.711,9 2.677,9 80,3


41

variasi

(kg) (Pa)

(kg/m³)

(kg/detik)

(kj/kg)

(kj/kg)

(watt)

2

0,3 20.684 1,1071 0,0026 2.751,8 2.720,6 80,8

0,4 20.684 1,1373 0,0026 2.730,7 2.700,4 79,5

0,5 20.684 1,1138 0,0026 2.716,6 2.686,1 79,2

3

0,3 20.684 1,1631 0,0027 2.757,1 2.726,7 80,7

0,4 20.684 1,1409 0,0026 2.743,1 2.712,6 80,2

0,5 20.684 1,2304 0,0027 2.727,0 2.698,3 78,4

Tabel 4.5 Data model alat turbin uap impuls efek laju alir massa uap masuk turbin

terhadap unjuk kerja pada variasi 4, 2, dan 5

variasi

(kg) (Pa)

(kg/m³)

(kg/detik)

(kj/kg)

(kj/kg)

(watt)

4

0,3 13.790 0,9511 0,0020 2.826,6 2.794,4 63,1

0,4 13.790 0,8911 0,0019 2.811,3 2.776,6 65,8

0,5 13.790 0,9796 0,0020 2.786,1 2.752,7 66,4

2

0,3 20.684 1,1071 0,0026 2.751,8 2.720,6 80,8

0,4 20.684 1,1373 0,0026 2.730,7 2.700,4 79,5

0,5 20.684 1,1138 0,0026 2.716,6 2.686,1 79,2

5

0,3 27.579 1,0759 0,0029 2.853,2 2.820,2 97,3

0,4 27.579 1,1009 0,0030 2.832,8 2.800,4 96,6

0,5 27.579 1,1175 0,0030 2.798,6 2.766,7 95,8

Tabel 4.6 Data model alat turbin uap impuls efek sudut uap nosel uap masuk

turbin terhadap unjuk kerja pada variasi 2, 6, dan 7

variasi

(kg) (Pa)

(kg/m³)

(kg/detik)

(kj/kg)

(kj/kg)

(watt)

2

0,3 20.684 1,1071 0,0026 2.751,8 2.720,6 80,8

0,4 20.684 1,1373 0,0026 2.730,7 2.700,4 79,5

0,5 20.684 1,1138 0,0026 2.716,6 2.686,1 79,2

6

0,3 20.684 1,1071 0,0026 2.751,8 2.720,6 80,8

0,4 20.684 1,1292 0,0026 2.741,3 2.710,5 80,6

0,5 20.684 1,1180 0,0026 2.729,0 2.698,3 79,9

7

0,3 20.684 1,0882 0,0026 2.750,0 2.718,1 81,8

0,4 20.684 1,1946 0,0027 2.736,0 2.706,5 79,4

0,5 20.684 1,1180 0,0026 2.729,0 2.698,3 79,8


42

Tabel 4.7 Data segitiga kecepatan model alat turbin uap impuls efek sudut uap

nosel uap masuk turbin terhadap unjuk kerja pada variasi 2, 6, dan 7

4.3 Hasil unjuk kerja

Perhitungan unjuk kerja variasi 2, 6, 7 (sudut nosel uap masuk turbin)

dianalisis menggunakan segitiga kecepatan. Berikut tabel hasil perhitungan unjuk

kerja pada model alat turbin uap impuls.

Tabel 4.8 Data efek tekanan uap masuk turbin terhadap unjuk kerja pada

variasi 1, 2, dan 3

variasi

(kg)

(Nm)

(watt)

(%)

1

0,3 0,061 6,4 8,0

0,4 0,069 7,1 8,8

0,5 0,119 8,8 10,9

2

0,3 0,067 10,7 13,2

0,4 0,087 11,0 13,8

0,5 0,134 11,4 14,4

3

0,3 0,088 15,2 18,8

0,4 0,100 15,7 19,5

0,5 0,151 16,0 20,4

0.3 20 24.35 30.89 24.35 1.1071 0.004121 117.6 21.6 97.6 97.6 78.4 110.5 67.2

0.4 20 23.42 28.14 23.42 1.1373 0.004066 113.0 16.9 97.2 97.2 81.9 106.1 72.2

0.5 20 22.11 24.70 22.11 1.1138 0.004109 116.5 11.4 105.9 105.9 95.4 109.5 86.7

0.3 30 33.52 37.84 33.52 1.1071 0.004121 117.6 13.1 106.5 106.5 95.9 101.8 75.7

0.4 30 32.50 35.39 32.50 1.1292 0.004081 114.2 9.3 106.3 106.3 98.6 98.9 80.4

0.5 30 31.89 34.00 31.89 1.1180 0.004101 115.9 7.2 109.7 109.7 103.6 100.4 85.9

0.3 40 43.74 48.06 43.74 1.0882 0.004157 120.7 11.4 112.2 112.2 104.3 92.4 69.7

0.4 40 43.34 47.15 43.34 1.1946 0.003967 104.9 8.9 98.3 98.3 92.0 80.4 62.6

0.5 40 41.89 43.93 41.89 1.1180 0.004101 115.9 5.7 111.6 111.6 107.4 88.8 77.3

2

(°)

Q

(m³/detik)

2

6

7

W1

(m/detik)

W2

(m/detik)

C2

(m/detik)

C1u

(m/detik)

C2u

(m/detik)

U1

(m/detik)

C1

(m/detik)

ρ

(kg/m³)variasi

w

(kg)

α1

(°)

1

(°)

α2

(°)


43

Tabel 4.9 Data efek laju alir massa uap masuk turbin terhadap unjuk


variasi

(kg)

(Nm)

(watt)

(%)

4

0,3 0,058 6,7 10,6

0,4 0,085 7,3 11,1

0,5 0,125 8,2 12,3

2

0,3 0,067 10,7 13,2

0,4 0,087 11,0 13,8

0,5 0,134 11,4 14,4

5

0,3 0,069 14,3 14,7

0,4 0,102 14,5 15,0

0,5 0,137 14,4 15,0

Tabel 4.10 Data efek sudut nosel uap masuk turbin terhadap unjuk kerja

pada variasi 2, 6, dan 7

variasi

(kg) (N)

(Nm)

(watt)

(%)

2

0,3 0,460 0,067 10,7 13,2

0,4 0,468 0,087 11,0 13,8

0,5 0,509 0,134 11,4 14,4

6

0,3 0,459 0,057 5,5 6,8

0,4 0,468 0,085 5,9 7,3

0,5 0,484 0,121 6,5 8,1

7

0,3 0,416 0,055 4,6 5,7

0,4 0,384 0,080 5,2 6,6

0,5 0,432 0,114 4,8 6,0

Dari tabel (Tabel 4.8, 4.9, dan 4.10) maka dapat dilihat hasil unjuk kerja tiap

variasi. Pembahasan dibuat berdasarkan tiga parameter yang telah disebutkan

pada subbab 3 (Variasi Penelitian). Berikut analisis tiap variasi yang telah

dilakukan.


44

4.4 Efek tekanan uap masuk turbin

Perbandingan dilakukan pada variasi 1, 2, dan 3 untuk mengetahui unjuk

kerja turbin yang terbaik. Gambar 4.1 menunjukan efisiensi ( ) tertinggi ada pada

variasi 3 (pada semua variasi beban) sebesar 18,8 % pada variasi beban 0,3kg,

19,5 % pada variasi beban 0,4kg, 20,4 % pada variasi beban 0,5kg. Efisiensi

terendah pada variasi 1 (pada semua variasi beban) sebesar 8 % pada variasi

beban 0,3kg, 8,8 % pada variasi beban 0,4kg, 10,9 % pada variasi beban 0,5kg.

Variasi 2 memiliki efisiensi sebesar 13,2 % pada variasi beban 0,3kg, 13,8 % pada

variasi beban 0,4kg, 14,4 % pada variasi beban 0,5kg. Nilai efisiensi yang

tertinggi akan menunjukan variasi yang paling baik.

Gambar 4.1 Perbandingan efisiensi efek tekanan uap masuk turbin pada variasi 1,

2 , dan 3

Gambar 4.2 Menunjukan hasil daya output ( ) tertinggi ada pada variasi 3

(pada semua variasi beban) sebesar 15,2 watt pada variasi beban 0,3kg, 15,7 watt

8.0 8.8

10.9

13.2 13.8 14.4

18.8 19.5 20.4

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

Ƞ (

%)

1 2 3

Variasi


45

pada variasi beban 0,4kg, 16 watt pada variasi beban 0,5kg. Daya output

terendah pada variasi 1 (pada semua variasi beban) sebesar 6,4 watt pada variasi

beban 0,3kg, 7,1 watt pada variasi beban 0,4kg, 8,8 watt pada variasi beban

0,5kg. Variasi 2 memiliki daya sebesar 10,7 watt pada variasi beban 0,3kg,11 watt

pada variasi beban 0,4kg, 11,4 watt pada variasi beban 0,5kg. Nilai daya yang


Gambar 4.2 Perbandingan daya output efek tekanan uap masuk turbin pada variasi

1, 2 , dan 3

Gambar 4.1 dan 4.2 menunjukan unjuk kerja masing - masing variasi. Unjuk

kerja terbaik ada pada variasi 3 dan unjuk kerja terendah ada pada variasi 1.

Tinggi atau rendahnya nilai unjuk kerja model alat turbin uap impuls dipengaruhi

oleh beberapa faktor diantaranya adalah (kJ/kg), (rpm), (Nm). Berikut

dijelaskan lebih lanjut mengenai faktor - faktor yang mempengaruhi unjuk kerja

tiap variasi.

6.4 7.1

8.8

10.7 11.0 11.4

15.2 15.7 16.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

18.0

P o

ut

(watt

)

1 2 3

Variasi


46

Efisiensi merupakan perbadingan antara output terhadap input dalam suatu

proses. Dalam konteks efisiensi maka output maupun input harus dinyatakan

dalam besaran yang sama, dalam penelitian ini yakni daya. Gambar 4.1

menunjukan efisiensi tertinggi adalah pada variasi 3 yakni dengan variasi tekanan

masuk turbin 400.000 Pa pada semua beban, dan turun secara berutan dengan

variasi terendah pada variasi 1 yakni dengan variasi tekanan uap masuk turbin

250.000 Pa, hal ini disebabkan oleh nilai daya output dan daya input yang berbeda

- beda, berikut akan dijelaskan faktor apa saja yang mempengaruhi unjuk kerja.

Pertama adalah pengaruh dari daya input ( ), daya input yang diberikan

turbin diperoleh dari selisih entalpi dan laju alir massa uap persatuan waktu,

karena dalam variasi 1, 2, dan 3 adalah menganalisis efek tekanan uap masuk

turbin maka dalam penelitian ini laju alir massa uap diasumsikan sama dalam

setiap variasi.

Gambar 4.3 Perbandingan daya input efek tekanan uap masuk turbin pada variasi

1, 2, dan 3

80.4 80.5 80.3

80.8

79.5 79.2

80.7

80.2

78.4

77.0

77.5

78.0

78.5

79.0

79.5

80.0

80.5

81.0

P i

n (

watt

)

1 2 3

Variasi


47

Gambar 4.3 Menunjukan hasil daya input disetiap masing - masing variasi

yang dihasilkan alat tidak merata, nilai tertinggi ada pada variasi 2 sebesar 80,8

watt pada variasi beban 0,3 kg. Daya input terendah ada pada variasi 3 sebesar

78,4 watt pada variasi beban 0,5 kg. Sedangkan yang lain yakni pada variasi 1

sebesar 80,4 watt pada variasi beban 0,3 kg, 80,5 watt pada variasi beban 0,4kg,

80,3 watt pada variasi beban 0,5 kg. Variasi 2 sebesar 79,5 watt pada variasi

beban 0,4 kg, 79,2 watt pada variasi beban 0,5 kg. Variasi 3 sebesar 80,7 watt

pada variasi beban 0,3 kg, 80,2 watt pada variasi beban 0,4 kg. Nilai daya input

yang tertinggi akan menunjukan variasi yang paling baik, daya input pada alat

menunjukan hasil yang tidak teratur hal ini disebabkan oleh nilai selisih entalpi

masuk turbin dengan entalpi keluar dari turbin ( ), Telah diketahui bahwa

tekanan uap keluar dari turbin ( ) tidak mungkin sama dengan tekanan uap

masuk ke turbin ( ) akan tetapi juga tidak akan sama dengan tekanan di sekitar,

atau bisa dikatakan berada diantara keduanya, begitupun dengan nilai suhu.

Karena keterbatasan alat pada penelitian ini nilai entalpi keluar dari turbin ( )

berdasarkan nilai yang diasumsikan sama dengan tekanan sekitar yakni

100.000 Pa, dan semua suhu uap keluar dari turbin ( ) diasumsikan turun 20

°C dari suhu uap masuk turbin ( ), penurunan nilai suhu didapatkan dari nilai

rata - rata yang dilakukakan. Maka dalam hal ini yang akan dianalisis adalah nilai

entalpi masuk turbin ( ) yang mempengaruhi nilai daya input tidak teratur,

berikut akan dijelaskan hubungan antara dengan .

Gambar 4.4 menunjukan nilai entalpi masuk turbin terhadap daya input. Pada

variasi 1 nilai sebesar 2.750,7 kJ/kg pada variasi beban 0,3 kg, 2.725,8 kJ/kg


48

pada variasi beban 0,4 kg, 2.711,9 kJ/kg pada variasi beban 0,5 kg. Variasi 2 nilai

sebesar 2.751,8 kJ/kg pada variasi beban 0,3 kg, 2.730,7 kJ/kg pada variasi

beban 0,4 kg, 2.716,6 kJ/kg pada variasi beban 0,5 kg. Variasi 3 nilai sebesar

2.757,1 kJ/kg pada variasi beban 0,3 kg, 2.743,1 kJ/kg pada variasi beban 0,4

kg, 2.727,0 kJ/kg pada variasi beban 0,5 kg.

Gambar 4.4 Perbandingan dengan efek tekanan uap masuk turbin pada

variasi 1, 2 , dan 3

mengindikasikan entalpi , dalam hal ini menyatakan jumlah energi yang

masuk ke turbin. Entalpi merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi nilai

unjuk kerja pada model alat turbin uap impuls, nilai dipengaruhi oleh dua

faktor yakni tekanan uap dan suhu, tekanan uap dan suhu yang tinggi akan

menghasilkan nilai entalpi yang besar, tetapi yang mempengaruhi unjuk kerja

bukan nilai entalpi yang besar melainkan nilai , nilai yang besar akan

menunjukan hasil unjuk kerja yang baik, nilai juga menunjukan energi yang

80.4 80.5 80.3

80.8

79.5 79.2

80.7

80.2

78.4

77.0

77.5

78.0

78.5

79.0

79.5

80.0

80.5

81.0

P i

n (

watt

)

1 2 3

h in (kJ/kg)


49

terpakai oleh turbin. Kemudian hubungan antara dengan dan akan

ditunjukan pada gambar di bawah ini.


pada variasi 1, 2 , dan 3

Gambar 4.5 menunjukan nilai entalpi mengikuti nilai tekanan uap dan suhu

atau berbanding lurus, semakin tinggi nilai tekanan uap dan suhu maka nilai

entalpi juga semakin besar, dalam hal ini berarti nilai dan sangat

mempengaruhi nilai . Gambar 4.5 menampilkan perbandingan disetiap

masing - masing variasi. Nilai tertinggi sebesar 2.757,1 kJ/kg ada pada variasi

3 pada variasi beban 0,3 kg sedangkan nilai terendah sebesar 2.711,9 kJ/kg

ada pada variasi 1 pada variasi beban 0,5 kg, hal ini dikarenakan yang berbeda

- beda sesuai variasi yang diberikan, dalam penelitian ini yang diberikan sama

di setiap variasi tetapi nilai yang dihasilkan mengalami kondisi nilai tertinggi

16

8,9

48

16

8,9

48

16

2,0

53

21

0,3

16

20

3,4

21

20

3,4

21

22

4,1

06

21

7,2

11

22

4,1

06

14

0

12

8

12

1

14

2

13

2

12

5

14

5

13

8

13

1

105

110

115

120

125

130

135

140

145

150

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

T i

n (

°C)

p i

n (

Pa)

1 2 3

h in (kJ/kg)


50

dan terendah atau tidak merata hal ini dipengaruhi oleh , nilai juga

mempunyai pengaruh yang sangat besar, karena faktor keterbatasan model alat

turbin uap impuls, tidak bisa dijaga dengan merata, yang tidak merata

dipengaruhi oleh jumlah air di dalam ketel uap, seperti yang dijelaskan dalam

subbab 3.4 (Prosedur Penelitian) bahwa dalam satu kali pengisian air ke dalam

ketel uap, digunakan untuk melakukan tiga kali pengambilan data, yang dimulai

pada variasi beban 0,5 kg, 0,4 kg dan yang terakhir 0,3kg, sehingga pada waktu

pengambilan data yang pertama dengan yang terakhir akan berbeda karena

jumlah air pada pengambilan data yang pertama lebih banyak daripada jumlah air

pada waktu pengambilan data yang kedua dan ketiga, dalam tekanan yang sama

dengan jumlah air yang berbeda dalam sebuah ketel uap maka suhu yang

dihasilkan juga akan berbeda, semakin sedikit air yang dipanaskan dalam ruangan

tertutup maka semakin tinggi nilai suhu yang dihasilkan.

Faktor yang mempengaruhi efisiensi yang kedua adalah daya output, seperti

yang sudah dijelaskan diatas bahwa daya ouput juga merupakan unjuk kerja yang

dihasilkan oleh model alat turbin uap impuls, perbandingan daya output dan input

yang semakin besar akan mengahasilkan nilai efisiensi yang semakin baik, daya

output dalam penggunaanya yang dapat diukur adalah torsi ( ) dan kecepatan ( )

yang dihasilkan alat. Berikut akan dijelaskan mengenai hubungan dan dengan

model alat turbin uap impuls.

Gambar 4.6 menunjukan nilai rpm dan torsi terhadap daya output. Pada

variasi 1 nilai sebesar 1.005 rpm pada variasi beban 0,3 kg, 989 rpm pada

variasi variasi beban 0,4 kg, 704,4 rpm pada variasi beban 0,5 kg. sebesar 0,061


51

Nm pada variasi beban 0,3 kg, 0,069 Nm pada variasi beban 0,4 kg, 0,119 Nm

pada variasi beban 0,5 kg. Pada variasi 2 nilai sebesar 1.531,3 rpm pada variasi

beban 0,3 kg, 1.200 rpm pada variasi variasi beban 0,4 kg, 808 rpm pada variasi

beban 0,5 kg. sebesar 0,067 Nm pada variasi beban 0,3 kg, 0,087 Nm pada

variasi beban 0,4 kg, 0,134 Nm pada variasi beban 0,5 kg. Pada variasi 3 nilai

sebesar 1.643 rpm pada variasi beban 0,3 kg, 1.495 rpm pada variasi variasi beban

0,4 kg, 1.010 rpm pada variasi beban 0,5 kg. sebesar 0,088 Nm pada variasi

beban 0,3 kg, 0,100 Nm pada variasi beban 0,4 kg, 0,151 Nm pada variasi beban

0,5kg.



dalam penelitian ini mengindikasikan torsi atau suatu ukuran kemampuan turbin

uap menghasilkan kerja. Besarnya akan berubah - ubah, timbul akibat adanya

gaya tangensial pada jarak dari sumbu putarnya. dalam hal ini dipengaruhi oleh

1,0

05

98

9

70

4

1,5

31

1,2

00

80

8

1,6

43

1,4

95

1,0

10

0.0

61

0.0

69

0.1

19

0.0

67

0.0

87

0.1

34

0.0

88

0.1

00

0.1

51

0.000

0.020

0.040

0.060

0.080

0.100

0.120

0.140

0.160

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

6.4 7.1 8.8 10.7 11.0 11.4 15.2 15.7 16.0

τ (

Nm

)

n (

rpm

)

1 2 3 P out (watt)


52

nilai selisih berat beban ( ) dan bacaan keseimbangan berat beban timbangan ( )

pada dinamometer rem tali, Gambar 4.6 menunjukan bahwa nilai tertinggi di

masing - masing variasi ada pada beban 0,5 kg, hal ini dikarenakan nilai selisih

dan yang semakin besar akan mengahasilkan nilai yang besar, nilai selisih

dan menunjukan besar beban putar yang dialami oleh turbin. Sementara itu

juga mempengaruhi nilai yang dihasilkan model alat turbin uap impuls,

karena antara dan ada hubunganya untuk mendapatkan hasil model alat

turbin uap impuls, semakin besar yang diberikan maka semakin tinggi nilai

yang dihasilkan, akan tetapi yang dihasilkan akan semakin rendah.

4.5 Efek laju alir massa uap masuk turbin


kerja terbaik. Gambar 4.7 menunjukan efisiensi ( ) tertinggi ada pada variasi 5

Gambar 4.7 Perbandingan efisiensi efek laju alir massa uap masuk turbin pada


10.6 11.1 12.3

13.2 13.8

14.4 14.7 15.0 15.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

Ƞ (

%)

4 2 5

Variasi


53

sebesar 14,7 % pada variasi beban 0,3kg, 15,0 % pada variasi beban 0,4kg, 15,0 %

pada variasi beban 0,5kg, pada variasi 5 menunjukan nilai efisiensi terhadap

beban tidak naik secara beurutan karena nilai efisiensi pada beban 0,4 kg dan

0,5kg adalah sama. Efisiensi terendah pada variasi 4 sebesar 10,6 % pada variasi

beban 0,3kg, 11,1 % pada variasi beban 0,4kg, 12,3 % pada variasi beban 0,5kg.

Variasi 2 memiliki efisiensi sebesar 13,2 % pada variasi beban 0,3kg, 13,8 %

pada variasi beban 0,4kg, 14,4 % pada variasi beban 0,5kg. Nilai efisiensi yang


Gambar 4.8 Menunjukan hasil daya output ( ) tertinggi ada pada variasi 5

sebesar 14,3 watt pada variasi beban 0,3 kg, 14,5 watt pada variasi beban 0,4 kg,

14,4 watt pada variasi beban 0,5 kg, Pada variasi 5 menunjukan nilai daya

terhadap beban tidak naik secara beurutan.

Gambar 4.8 Perbandingan daya output efek laju alir massa uap masuk turbin pada


6.7 7.3

8.2

10.7 11.0 11.4

14.3 14.5 14.4

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

P o

ut

(watt

)

4 2 5

Variasi


54

Nilai daya tertinggi ada pada beban 0,4 kg. Daya terendah pada

variasi 4 sebesar 6,7 watt pada variasi beban 0,3 kg, 7,3 watt pada variasi beban

0,4 kg, 8,2 watt pada variasi beban 0,5 kg. Variasi 2 memiliki daya sebesar 10,7

watt pada variasi beban 0,3kg, 11 watt pada variasi beban 0,4 kg, 11,4 watt pada

variasi beban 0,5 kg. Nilai daya yang tertinggi akan menunjukan variasi yang

paling baik.

Gambar 4.7 dan 4.8 menunjukan unjuk kerja masing - masing variasi. Unjuk

kerja terbaik ada pada variasi 5 dan unjuk kerja terendah ada pada variasi 4.

Tinggi atau rendahnya nilai unjuk kerja alat dipengaruhi oleh beberapa faktor

diantaranya adalah (kg/detik), (rpm), (Nm). Berikut dijelaskan lebih lanjut

mengenai faktor - faktor yang mempengaruhi unjuk kerja tiap variasi.

Efisiensi merupakan perbadingan antara terhadap dalam suatu

proses. Dalam konteks efisiensi maka maupun harus dinyatakan

dalam besaran yang sama, dalam penelitian ini yakni daya. Gambar 4.7

menunjukan efisiensi tertinggi adalah pada variasi 5 yakni dengan variasi laju alir

massa uap masuk turbin 0,0030 kg/detik pada semua beban, dan turun secara

berurutan dengan variasi terendah pada variasi 4 yakni dengan dengan variasi laju

alir massa uap masuk turbin 0,0020 kg/detik. hal ini disebabkan oleh nilai daya

output dan daya input yang berbeda - beda, berikut akan dijelaskan faktor apa saja

yang mempengaruhi unjuk kerja.


turbin diperoleh dari selisih entalpi dan laju alir massa uap persatuan waktu,

karena dalam variasi 4, 2, dan 5 adalah menganalisis efek laju alir massa uap


55

masuk turbin maka dalam penelitian ini tekanan uap diasumsikan sama dalam

setiap variasi.

Gambar 4.9 Perbandingan daya input efek laju alir massa uap masuk turbin pada


Gambar 4.9 Menunjukan hasil daya input tertinggi ada pada variasi 5 (pada

semua variasi beban) sebesar 97,3 watt pada variasi beban 0,3kg, 96,6 watt pada

variasi beban 0,4kg, 95,8 watt pada variasi beban 0,5kg. Daya input terendah

pada variasi 4 (pada semua variasi beban) sebesar 63,1 watt pada variasi beban

0,3kg, 65,8 watt pada variasi beban 0,4kg, 66,4 watt pada variasi beban 0,5kg.

Variasi 2 memiliki daya sebesar 80,8 watt pada variasi beban 0,3kg, 79,5 watt


tertinggi akan menunjukan variasi yang paling baik, daya input pada alat

menunjukan hasil yang teratur, artinya dalam setiap variasi mengalami penurunan

daya, hal ini dipengaruhi oleh jumlah air di dalam ketel uap pada pengambilan

63.1 65.8 66.4

80.8 79.5 79.2

97.3 96.6 95.8

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

P i

n (

watt

)

4 2 5

Variasi


56

data 0,5 kg dengan 0,4 kg dan 0,3 kg berbeda yang kemudian akan mempengaruhi

suhu dan entalpi, sementara itu pada masing - masing variasi yakni variasi 4, 2,

dan 5 alat mengalami kenaikan daya secara berurutan yang dipengaruhi oleh nilai

laju alir massa ( ), berikut akan dijelaskan hubungan antara dengan .

Gambar 4.10 Perbandingan dengan efek laju alir massa uap masuk turbin


Gambar 4.10 menunjukan nilai laju alir massa uap terhadap daya input. Pada

variasi 4 nilai ṁ sebesar 0,0020 kg/detik pada variasi beban 0,3 kg, 0,0019

kg/detik pada variasi beban 0,4 kg, 0,0020 kg/detik pada variasi beban 0,5 kg.

Variasi 2 nilai sebesar 0,0026 kg/detik pada variasi beban 0,3 kg, 0,0026

kg/detik pada variasi beban 0,4 kg, 0,0026 kg/detik pada variasi beban 0,5 kg.

Variasi 5 nilai sebesar 0,0029 kg/detik pada variasi beban 0,3 kg, 0,0030

kg/detik pada variasi beban 0,4 kg, 0,0030 kg/detik pada variasi beban 0,5 kg. ṁ

mengindikasikan laju alir massa , dalam hal ini menyatakan jumlah uap yang

63.1 65.8 66.4

80.8 79.5 79.2

97.3 96.6 95.8

0

20

40

60

80

100

120

P i

n (

watt

)

4 2 5

ṁ (kg/detik)


57

mengalir melewati nosel persatuan waktu. Laju alir massa uap merupakan salah

satu faktor yang mempengaruhi nilai unjuk kerja pada model alat turbin uap

impuls, nilai dalam penelitian ini dipengaruhi oleh bukaan kran, semakin besar

pembukaan kran maka laju alir massa uap juga akan semakin besar, kemudian

secara rumus yang telah ditunjukan pada dasar teori ṁ dipengaruhi oleh dua

faktor yaitu perbedaan tekanan uap dititik upstream ( ) dengan tekanan uap

dititik downstream ( ) pada orifice ( ) dan massa jenis ( ), nilai dan yang

semakin besar maka akan menunjukan yang juga semakin besar. Kemudian

hubungan antara dengan dan akan ditunjukan pada gambar dibawah ini.

Gambar 4.11 menunjukan nilai laju alir massa mengikuti nilai Δp dan massa

jenis atau berbanding lurus, semakin tinggi nilai Δp dan massa jenis maka nilai

laju alir massa juga semakin besar, dalam hal ini berarti nilai dan sangat

mempengaruhi nilai .

Gambar 4.11 Perbandingan Δp dan dengan ṁ efek laju alir massa uap masuk

turbin pada variasi 4, 2 , dan 5

13

,79

0

13

,79

0

13

,79

0 20

,68

4

20

,68

4

20

,68

4 27

,57

9

27

,57

9

27

,57

9

0.9

51

1

0.8

91

1

0.9

79

6

1.1

07

1

1.1

37

3

1.1

13

8

1.0

75

9

1.1

00

9

1.1

17

5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

ρ (

kg/m

³)

Δp

(P

a)

4 2 5

ṁ (kg/detik)


58

Gambar 4.11 menampilkan perbandingan disetiap masing - masing variasi.

Nilai tertinggi sebessar 0,0030 kg/detik ada pada variasi 5 pada variasi beban

0,4 kg dan 0,5 kg. sedangkan nilai terendah ada pada variasi 4 pada variasi

beban 0,4 kg. Hal ini dikarenakan bukaan kran berbeda - beda sesuai varisi yang

dibuat, pada penelitian ini bukaan kran dibuat sama di setiap variasi tetapi nilai

yang dihasilkan mengalami kondisi nilai tertinggi dan terendah atau tidak merata

hal ini dipengaruhi oleh nilai yang berbeda - beda, nilai didapatkan

berdasarkan nilai dan , seperti yang telah di jelaskan pada subab 4.4 bahwa

karena faktor keterbatasan model alat turbin uap impuls, tidak bisa dijaga

dengan merata, dalam tekanan yang sama dengan nilai suhu yang berbeda maka

akan menunjukan nilai massa jenis air yang berbeda, semakin tinggi suhu yang

dihasilkan maka kondisi massa jenis akan semakin ringan atau pada kondisi uap

panas lanjut sedangkan suhu yang hasilkan rendah maka kondisi massa jenis akan

semakin berat atau pada kondisi uap jenuh bahkan air panas.

Faktor yang mempengaruhi efisiensi yang kedua adalah daya , seperti

yang sudah dijelaskan diatas bahwa daya juga merupakan unjuk kerja yang

dihasilkan oleh model alat tubin uap impuls, perbandingan daya output dan input

yang semakin besar akan mengahasilkan nilai efisiensi yang semakin baik, daya

output dalam penggunaanya yang dapat diukur adalah torsi ( ) dan kecepatan ( )

yang dihasilkan alat. Berikut akan dijelaskan mengenai hubungan dan

terhadap model alat tubin uap impuls.

Gambar 4.12 menunjukan nilai rpm dan torsi terhadap daya output. Pada

variasi 4 sebesar 1,105 rpm pada variasi beban 0,3 kg, 820 rpm pada variasi


59

beban 0,4 kg , 627 rpm pada variasi beban 0,5 kg. sebesar 0,058 Nm pada

variasi beban 0,3 kg, 0,085 Nm pada variasi beban 0,4 kg, 0,125 Nm pada variasi

beban 0,5 kg. Pada variasi 2 sebesar 1.531 rpm pada variasi beban 0,3 kg, 1.200

rpm pada variasi variasi beban 0,4 kg, 808 rpm pada variasi beban 0,5 kg.

sebesar 0,067 Nm pada variasi beban 0,3 kg, 0,087 Nm pada variasi beban 0,4

kg, 0,134 Nm pada variasi beban 0,5 kg. Pada variasi 5 sebesar 1.988 rpm pada

variasi beban 0,3 kg, 1.358 rpm pada variasi variasi beban 0,4 kg, 1.000 rpm pada

variasi beban 0,5 kg. sebesar 0,069 Nm pada variasi beban 0,3 kg, 0,102 Nm

pada variasi beban 0,4 kg, 0,137 Nm pada variasi beban 0,5 kg.

Gambar 4.12 Perbandingan dan dengan efek laju alir massa uap masuk

turbin pada variasi 4, 2 , dan 5

Pengertian telah dijelaskan pada subbab 4.4 (variasi tekanan uap masuk turbin).

Gambar 4.12 menunjukan bahwa nilai tertinggi di masing - masing variasi ada

1,1

05

82

0

62

7

1,5

31

1,2

00

80

8

1,9

88

1,3

58

1,0

00

0.0

58

0.0

85

0.1

25

0.0

67

0.0

87

0.1

34

0.0

69

0.1

02

0.1

37

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

6.7 7.3 8.2 10.7 11.0 11.4 14.3 14.5 14.4

τ (

Nm

)

n (

rpm

)

4 2 5

P out (wattt)


60

pada beban 0,5 kg, hal ini dikarenakan nilai selisih dan yang semakin besar

akan mengahasilkan nilai yang besar, nilai selisih dan menunjukan besar

beban putar yang dialami oleh turbin. Sementara itu juga mempengaruhi nilai

yang dihasilkan model alat turbin uap impuls , karena antara dan ada

hubunganya untuk mendapatkan hasil model alat turbin uap impuls, semakin

yang diberikan maka semakin tinggi nilai yang dihasilkan, akan tetapi yang

dihasilkan akan semakin rendah, berbanding terbalik. Dari data hasil unjuk kerja

variasi laju alir massa uap masuk turbin (Gambar 4.8) nilai tidak naik secara

merata melainkan nilai tertinggi ada pada variasi 5 pada variasi beban 0,4 kg,

sedangkan variasi yang diberikan di setiap variasi adalah sama, hal ini

dikarenakan hubungan tinggi rendahnya dan yang dihasilkan, setiap mesin

atau alat akan menghasilkan nilai puncak maksimum sendiri.

4.6 Efek sudut nosel uap masuk turbin


kerja turbin yang terbaik. Gambar 4.13 menunjukan efisiensi ( ) tertinggi ada

pada variasi 2 sebesar 13,2 % pada variasi beban 0,3kg, 13,8 % pada variasi beban

0,4kg, 14,4 % pada variasi beban 0,5kg. Efisiensi terendah pada variasi 7 sebesar

5,7 % pada variasi beban 0,3kg, 6,6 % pada variasi beban 0,4kg, 6,0 % pada

variasi beban 0,5kg, pada variasi 7 menunjukan nilai efisiensi terhadap beban

tidak naik secara beurutan melainkan nilai efisiensi tertinggi ada pada beban

0,4kg. Variasi 6 memiliki efisiensi sebesar 6,8 % pada variasi beban 0,3kg, 7,3 %


61

pada variasi beban 0,4kg, 8,1 % pada variasi beban 0,5kg. Nilai efisiensi yang


Gambar 4.13 Perbandingan efisiensi efek sudut nosel uap masuk turbin pada


Gambar 4.14 Menunjukan hasil daya output ( ) tertinggi ada pada variasi

2 sebesar 10,7 watt pada variasi beban 0,3kg, 11 watt pada variasi beban 0,4kg,

11,4 watt pada variasi beban 0,5kg. Daya output terendah pada variasi 7 sebesar

4,6 watt pada variasi beban 0,3kg, 5,2 watt pada variasi beban 0,4kg, 4,8 watt

pada variasi beban 0,5kg, pada variasi 7 menunjukan nilai daya output terhadap

beban tidak naik secara beurutan melainkan nilai daya tertinggi ada pada beban

0,4kg. Variasi 6 memiliki daya sebesar 5,5 watt pada variasi beban 0,3kg, 5,9 watt



13.2 13.8

14.4

6.8 7.3

8.1

5.7 6.6

6.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

Ƞ (

%)

2 6 7

Variasi


62

Gambar 4.14 Perbandingan daya output efek sudut nosel uap masuk turbin pada


Dari Gambar 4.13 dan 4.14 menunjukan unjuk kerja masing - masing variasi.

Unjuk kerja terbaik ada pada variasi 2 dan unjuk kerja terendah ada pada variasi 7


diantaranya adalah (°C), (m/detik), (m/detik). Berikut dijelaskan lebih

lanjut mengenai faktor - faktor yang mempengaruhi unjuk kerja tiap variasi.

Efisiensi merupakan perbadingan antara output terhadap input dalam suatu

proses. Gambar 4.13 menunjukan efisiensi tertinggi adalah pada variasi 2 yakni

dengan variasi sudut uap nosel masuk turbin 20° pada semua beban, dan turun

secara berutan dengan variasi terendah pada variasi 7 yakni dengan variasi sudut

uap nosel masuk turbin 40°. hal ini disebabkan oleh nilai daya output dan daya

input yang berbeda - beda, berikut akan dijelaskan faktor apa saja yang

mempengaruhi unjuk kerja.

10.7 11.0 11.4

5.5 5.9

6.5

4.6 5.2

4.8

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0P

ou

t (w

att

)

2 6 7

Variasi


63


turbin diperoleh dari selisih entalpi dan laju alir massa uap persatuan waktu.

karena dalam variasi 2, 6, dan 7 adalah menganalisis sudut nosel uap masuk turbin

maka dalam penelitian ini tekanan uap masuk turbin dan laju alir massa uap

diasumsikan sama dalam setiap variasi.

Gambar 4.15 Perbandingan daya input efek sudut nosel uap masuk turbin pada


Gambar 4.15 menunjukan hasil daya input di setiap masing - masing variasi

yang dihasilkan alat, nilai tertinggi ada pada variasi 7 sebesar 81,8 watt pada

variasi beban 0,3 kg. Daya input terendah ada pada variasi 2 sebesar 79,2 watt

pada variasi beban 0,5 kg. Sedangkan yang lain yaitu pada variasi 2 sebesar 80,8

watt pada variasi beban 0,3 kg, 79,5 watt pada variasi beban 0,4kg. Variasi 6

sebesar 80,8 watt pada variasi beban 0,3 kg, 80,6 pada variasi beban 0,4 kg, 79,9

watt pada variasi beban 0,5 kg. Variasi 7 sebesar 79,4 watt pada variasi beban 0,4

80.8 79.5 79.2 80.8 80.6 79.9 81.8 79.4 79.8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

P i

n (

watt

)

2 6 7

Variasi


64

kg, 79,8 watt pada variasi beban 0,5 kg. Nilai daya yang tertinggi akan

menunjukan variasi yang paling baik. Nilai daya input relatif sama, hal ini

dipengaruhi oleh variasi yang diberikan semua sama yakni variasi tekanan uap

masuk turbin ( ) 300.000 Pa dan laju alir massa uap masuk turbin ( ) 0,0026

kg/detik dengan bukaan kran 270°, akan tetapi di dalam masing - masing variasi

maupun di setiap variasi (Gambar 4.15) menunjukan daya input yang naik dan

turun walaupun nilainya sedikit, hal ini dipengaruhi oleh jumlah air pada ketel uap

yang kemudian akan mempengaruhi nilai suhu uap masuk turbin ( ).

Faktor yang mempengaruhi efisiensi yang kedua adalah daya output, seperti

yang sudah dijelaskan diatas bahwa daya ouput juga merupakan unjuk kerja yang

dihasilkan oleh model alat tubin uap impuls, perbandingan daya output dan input

yang semakin besar akan mengahasilkan nilai efisiensi yang semakin baik, pada

variasi sudut nosel uap masuk turbin daya output akan dianalisis menggunakan

segitiga kecepatan, analisis yang dibuat hanya pada variasi beban 0,3 kg saja

(Gambar 4.16 - 4.18).


variasi 2


65


variasi 6


variasi 7

Gambar 4.16, 4.17, dan 4.18 menunjukan segitiga kecepatan masing - masing

variasi, agar dalam penelitian ini lebih mudah melakukan analisis maka dari

segitiga kecepatan pada gambar akan dibuat grafik (Gambar 4.19). Gambar 4.19

menunjukan nilai , dan tertinggi ada pada variasi 2, dengan

sebesar 110,5 m/detik, sebesar 67,2 m/detik dan sebesar 0,18. Variasi

terendah ada pada variasi 7 dengan sebesar 92,4 m/detik, sebesar 69,7


66

m/detik dan sebesar 0,09. Variasi 6 sebesar 101,8 m/detik, sebesar

75,7 m/detik dan sebesar 0,11.

Gambar 4.19 Perbandingan , dan beban 0,3 kg efek sudut nosel uap

masuk turbin pada variasi 2, 6 , dan 7

Unjuk kerja terbaik ada pada variasi 2 dan unjuk kerja terendah ada pada variasi 7.


diantaranya adalah (m/detik) dan (m/detik). Berikut dijelaskan lebih

lanjut mengenai faktor - faktor yang mempengaruhi unjuk kerja tiap variasi.

Dalam dasar teori telah dijelaskan untuk turbin tekanan sama nilai maksimum

efisiensi akan dicapai bila nilai adalah 0,5, jika nilai lebih besar atau

lebih kecil dari 0,5 maka nilai efisiensi akan turun. Komponen kecepatan uap

digambar ke dalam arah , besarnya komponen ini adalah untuk mendapatkan

nilai gaya tangensial ( ) yang dihasilkan uap untuk menggerakan turbin, dari

hasil perkalian dengan kecepatan keliling sudu turbin ( ) yang kemudian

110.5

101.8

92.4

67.2

75.7 69.7

0.18

0.11

0.09

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0

20

40

60

80

100

120

U/C

1 (

m/d

etik

)

C1u

& C

2u

(m

/det

ik)

2 6 7

Variasi c1u c2u u/c1


67

akan didapatkan nilai daya output ( ) pada turbin. pada jenis turbin tekanan

sama uap di sudu turbin tekanannya tetap sama hanya alirannya saja yang belok,

jika aliran tanpa gesekan maka kecepatan relatif sudut keluar ( ) sama dengan

kecepatan relatif sudut masuk ( ). Makin tajam belokan sudu turbin, makin

besar nilai yang dihasilkan. Tetapi dalam penelitian ini sudut masuk sudu

( ) dan sudut keluar sudu (

) tidak dapat variasikan, yang dapat divariasikan

adalah sudut nosel uap masuk turbin ( ), sudut yang semakin kecil akan

membuat nilai semakin besar yang berarti dalam hal ini semakin kecil sudut

maka yang dihasilkan akan semakin besar, faktor lain adalah nilai dari

kecepatan mutlak keluar sudu turbin ( ), semakin kecil nilai maka energi sisa

yang terbuang tidak banyak.


68

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan terhadap variasi tekanan uap,

laju alir massa uap dan sudut nosel uap masuk turbin terhadap unjuk kerja, maka

dapat diambil beberapa kesimpulan diantaranya adalah :

1. Berdasarkan efek tekanan uap masuk turbin, unjuk kerja terbaik terdapat

pada variasi 3 pada beban 0,5 kg yakni daya output sebesar 16 watt dan

efisiensi sebesar 20,4 %.

2. Berdasarkan efek laju alir massa uap masuk turbin dengan bukaan kran,

unjuk kerja terbaik terdapat pada variasi 5 pada beban 0,4 kg dan 0,5 kg

yakni daya output sebesar 14,5 watt dan efisiensi sebesar 15 %.

3. Berdasarkan efek sudut nosel uap masuk turbin, unjuk kerja terbaik

terdapat pada variasi 2 pada beban 0,5 kg yakni daya output sebesar 11,4

watt dan efisiensi sebesar 14,4 %.

5.2 Saran

Berdasarkan serangkaian penelitian yang telah dilakukan, ditemukan

beberapa hambatan. Untuk penelitian selanjutnya penulis menganjurkan beberapa

perbaikan diantaranya adalah :

1. Perlu dilakukan kontrol jumlah air yang ada pada tabung ketel uap.

2. Perlu pembuatan komponen alat agar nilai tekanan uap keluar dari turbin

dapat diketahui.


69

3. Perlu memperhitungankan kapasitas ketel uap dengan turbin yang

digunakan.


70

DAFTAR PUSTAKA

Arif. M.S, Margianto, Marlina. E. 2017. Pengaruh Putaran Runner Terhadap Daya

Listrik yang Dihasilkan Dengan Memvariasikan Ukuran Nozzle Pada Prototype

Turbin Pelton. Universitas Islam Malang.

Dietzel, Fritz, Dipl. Ing,. 1980. Turbin Pompa dan Kompresor, Jakarta, Penerbit

Erlangga.

Prabawa. H.P, Mugisidi, Yusuf M.D, Heriyani.O. 2016. Pengaruh Variasi Ukuran

Diameter Nozzle Terhadap Daya dan Efisiensi Kincir Air Sudu Datar. Program

Studi Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Prof. Dr. HAMKA, Jakarta

Timur.

Priangkoso. T, Mustaqim. A, Heriyanto, Malik. A. 2017. Uji Efisiensi Turbin

Pelton dengan Sudu Setengah Pipa Elbow. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas

Teknik, Universitas Wahid Hasyim. Momentum, Vol. 13, ISSN 0216-7395.

Risqiawan. D.D, Putra.A.B.K. 2013. Studi Eksperimen Perbandingan Pengaruh

Variasi Tekanan Inlet Turbin dan Variasi Pembebanan Terhadap Karakteristik

Turbin Pada Organic Rankine Cycle.. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi

Industri, Institut Teknologi Sepuluh November (ITS). JURNAL TEKNIK

POMITS Vol. 2, No. 3, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

Sari.S.P, Yusuf.R. 2015. Pengaruh Jarak dan Ukuran Nozzle Pada Putaran Sudu

Terhadap Daya Listrik Turbin Pelton. Teknik Mesin Universitas Gunadarma.

Soelaiman, Sofyan, Priyanto. N. 2009. Analisa Prestasi Kerja Turbin Uap Pada

Beban yang Bervariasi. Universitas Muhammadiyah Jakarta.


71

LAMPIRAN

Lampiran 1. Tabel uap A-6


72


73


74


75

Lampiran 2. Foto model alat turbin uap impuls


Documents

UNJUK KERJA TURBIN UAP IMPULS SATU TINGKAT …repository.usd.ac.id/36095/2/155214125_full.pdf · Pada penelitian ini akan membuat model turbin uap impuls dengan diameter turbin 27