Simulasi Perancangan Pompa Sentrifugal pada Instalasi Rumah Sakit G.L.Tobing Tj.Morawa dengan Menggunakan Program Komputer CFD FLUENT versi 6.1.22

SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL

PADA INSTALASI RUMAH SAKIT G.L.TOBING

PTPN.II TANJUNG MORAWA DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD

FLUENT 6.1.22

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

AYKEL MEMORY GINTING NIM : 050401036

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa yang atas berkat dan kasih serta penyertaan-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

Adapun yang menjadi pembahasan dalam tugas sarjana ini adalah mengenai “ Simulasi Perancangan Pompa Sentrifugal pada Instalasi Rumah Sakit G.L.Tobing Tj.Morawa dengan Menggunakan Program Komputer CFD FLUENT versi 6.1.22 “. Berbagai ilmu yang berkaitan dengan sub program studi konversi energy seperti mesin fluida, mekanika fluida dan pompa kompresor diaplikasikan dalam merencanakan Pompa Sentrifugal jenis aliran radial yang digunakan pada hotel bertingkat.

Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak menerima bimbingan dan dorongan berupa pemikiran, tenaga, semangat serta waktu dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Ayahanda ( P.Ginting ) dan ibunda ( S.Bangun ) serta adinda ( Frankeska Ginting ) yang telah banyak memberikan berbagai macam bantuan moril maupun materi hingga akhirnya tulisan ini dapat diselesaikan.

2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan bimbingan serta masukan kepada penulis.

3. Bapak Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanudin, ST,MT., selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini.

4. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU

5. Semua teman – teman seperjuangan stambuk 2005 di Departemen Teknik Mesin serta teman - teman seperjuangan penulis ( Berry,Abel,Erik,Eben,ZP,Dolin,Marshall, dan Lucky ) di rumah kontrakan pribadi 14E.

Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari kesempurnaan, karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Untuk itu penulis sangat mengharapkan masukan yang konstruktif dari pembaca agar tulisan ini lebih sempurna lagi.

Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis ucapkan terima kasih. Penulis,

Aykel Memory Ginting 050401036

ABSTRAK

Industri rumah sakit khususnya di Indonesia yang semakin meningkat, sejalan dengan perkembangan teknologi sehingga hampir semua rumah sakit telah menggunakan pompa sebagai sarana pendukung untuk penyediaan sumber air.. Dalam hal ini akan dirancang sebuah pompa yang akan digunakan untuk melayani sebuah rumah sakit. Sumber air yang digunakan pada rumah sakit G.L.Tobing PTPN.II Tanjung Morawa ini adalah air bawah tanah ( dari pompa sumur dalam ). Air ini terlebih dahulu ditampung pada reservoir bawah dan kemudian dikirim ke reservoir atas. Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun yang biasa digunakan pada rumah sakit ini ialah jenis pompa sentrifugal. Pompa yang dirancang ini akan dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan CFD FLUENT v 6.1.22 yang kemudian akan dibandingkan dengan performansi yang dihasilkan secara perhitungan manual. Dalam hal ini CFD FLUENT sangat mempermudah untuk menyesuaikan sesuai dengan kondisi nyata. Lalu kesimpulannya Berdasarkan dari hasil karakteristik pompa yang telah dibuat dengan bentuk impeler dan putaran pompa yang sama, dapat disimpulkan bahwa besar Kapasitas ( Q ) berbanding terbalik dengan besar Tinggi tekan ( H ). Semakin besar kapasitas maka semakin kecil tinggi tekannya, atau sebaliknya semakin kecil kapasitas maka semakin besar tinggi tekannya dan kemampuan head yang mampu dilayani pompa berdasarkan simulasi lebih besar dari hasil perhitungan.

ABSTRACT

Medical industry, as in hospitals, especially in Indonesia, has been greatly improving in accordance with technology development. Almost every hospitals already used pumps to provide a decent water supply system as one of the supporting facility. A pump that surely can provide service for the entire hospital. G. L. Tobing’s hospital had been using underground water from inside well’s pump as the main source for water supply. Firstly, the water’s been collected to the down reservoir to be transported later to the upper reservoir. Pump is a machine that converts mechanical energy into pressure energy. Based on some literatures, there are some classification of pumps. The one that usually used at hotels are the kind of centrifugal pumps. The designed pumps will be modeled simulated by using CFD Fluent version 6.1.22 and will be compared later with performance that resulted with manual calculation. In this case, CFD Fluent simply make the adaptation with the actual condition easier. Based on the result of the made pump’s characteristic, it can be concluded that the amount of capacity (Q) is inversely proportioned with the amount of head (H). The higher the capacity, the smaller the head is. On the contrary, the smaller the capacity, the higher the head is, so head’s ability that able to be provided by pumps according to simulation will be higher than the result of manual calculation.

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL i

LEMBARAN PENGESAHAN ii

LEMBARAN PERSETUJUAN iii

SPESIFIKASI TUGAS iv

LEMBARAN EVALUASI vi

KATA PENGANTAR viii

ABSTRAK ix

DAFTAR ISI xi

DAFTAR TABEL xiv

DAFTAR GAMBAR xv

DAFTAR NOTASI xvii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Batasan Masalah 2

1.3 Maksud dan Tujuan 3

1.4 Manfaat Perancangan 3

1.5 Sistematika Penulisan 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin – Mesin Fluida 5

2.2 Pengertian Pompa 5

2.3 Klasifikasi Pompa 6

2.3.1 Pompa Tekanan Statis 6

2.3.2 Pompa Tekanan Dinamis 7

2.4 Unit Penggerak Pompa 14

2.5 Dasar – Dasar Pemilihan Pompa 15

2.6 Head Pompa 15

2.7 Putaran Spesifik 17

2.8 Daya Pompa 18

2.9 Aliran Fluida 18

2.10 Kavitasi 19

2.11.Computational Fluid Dynamic CFD FLUENT 25

2.11.1 Metode Diskritisasi CFD 26

2.11.3 Penggunaan CFD FLUENT pada pompa sentrifugal 31 BAB III PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA

3.1 Kapasitas Aliran 34

3.1.1 Perhitungan Kebutuhan Air untuk Pegawai 35

3.2.Kapasitas Pompa 37

3.3.Head Pompa 37

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆Hp) 40 3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆Hv) 40 3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆Hs) 42

3.3.4 Kerugian head (HL) 42

3.3.4.1 Kerugian Head sepanjang pipa isap 42 3.3.4.1 a Kerugian Head akibat gesekan pada pipa isap 42 3.3.4.1.b Kerugian Head peralatan instalasi pada pipa isap 45 3.3.4.2 Kerugian head sepanjang pipa tekan (HLd) 46 3.3.4.2.a Kerugian head akibat gesekan pipa ( hfd ) 46

3.3.4.2.b Kerugian head akibat peralatan instalasi pada

pipa tekan ( hmd ) 46

3.4 Pemilihan Jenis Pompa 48

3.5 Perhitungan motor penggerak 49

3.6 Putaran Spesifik dan tipe impeler 50

3.7 Efisiensi Pompa 51

3.8.Kavitasi 54

3.9 Net Positive Suction Head ( NPSH) 54

3.9.1 NPSH yang Tersedia 55

3.9.2 NPSH yang diperlukan 56

3.10 Daya Pompa dan daya motor penggerak 57

3.11 Spesifikasi Hasil Perencanaan 58

BAB IV UKURAN – UKURAN UTAMA POMPA

4.1 Perencanaan poros pompa 59

4.2 Perencanaan pasak 62

4.2.1 Pemeriksaan terhadap tegangan geser 63 4.2.2 Pemeriksaan terhadap tegangan tumbuk 65

4.3 Perencanaan impeller 65

4.3.1 Perencanaan ukuran impeller 66

4.3.1.1 Diameter hub impeller 66

4.3.1.2 Diameter mata impeller 67

4.3.1.3 Diameter Sisi masuk impeller 67

4.3.1.4 Diameter sisi keluar impeller 68

4.3.1.5 Lebar impeller pada sisi masuk 68 4.3.1.6 Lebar impeller pada sisi keluar 69 4.3.2 Kecepatan dan sudut aliran fluida masuk impeller 70

4.3.2.1 Kecepatan aliran absolute 70

4.3.2.2 Kecepatan Tangensial 70

4.3.2.3 Sudut Tangensial 71

4.3.3.1 Kecepatan radial aliran 72

4.3.3.2 Kecepatan Tangensial 72

4.3.3.3 Sudut Tangensial keluar impeller 72 4.3.3.4 Kecepatan sudut absolute tangensial 74 4.3.3.5 Sudut absolute keluar impeller 74 4.3.3.6 Kecepatan Sudut absolute keluar impeller 74 4.3.3.7 Kecepatan absolute aliran keluar 74

4.3.4 Perencanaan Sudu impeller 76

4.3.4.1 Jumlah Sudu 76

4.3.4.2 Jarak Antara sudu impeller 77

4.3.4.3 Tebal sudu 77

4.3.5 Melukis Bentuk sudu 78

4.3.6 Ukuran – Ukuran Utama impeller 82

4.4 Rumah Pompa 82

4.4.1 Perencanaan Bentuk rumah pompa 83

4.4.1.1 Lebar Saluran Keluar volute 84

4.4.1.2 Jari – jari lingka ran rumah volute 85 4.4.1.3 Penampang dan jari – jari volute 86

4.4.2 Tebal dinding rumah pompa 89

4.4.3 Ukuran – ukuran utama pompa 90

BAB V PERMODELAN GEOMETRI DAN ANALISA NUMERIK

5.1 Pendahuluan 91

5.2 Proses Permodelan pompa sentrifugal yang telah Direncanakan 93 5.2.1 Proses permodelan impeller pompa sentrifugal 93 5.2.2 Proses Solving dan postprocessing geometri

Rumah pompa sentrifugal 114

5.3 Analisa kavitasi dan performansi dari pompa sentrifugal 124 5.3.1 Analisa kemungkinan kavitasi yang terjadi 124 5.3.2 Analisa Performansi dari pompa sentrifugal 128 5.3.2.1 Head berdasarkan hasil simulasi 135

5.3.2.2 Karakteristik Pompa 148

5.3.2.2.1 Karakteristik pompa berdasarkan hasil perhitungan 148 5.3.2.2.2 Karakteristik Pompa berdasarkan hasil simulasi 155 BAB VI KESIMPULAN

6.1 Kesimpulan dari Perencanaan 166

DAFTAR PUSTAKA

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Pemakaian air Rata-rata per orang setiap hari 25 Tabel 3.2 Data jumlah dan Jam kerja pegawai /pekerja 25 Tabel 3.3 Data Jumlah pasien berdasarkan jumlah tempat tidur 32 Tabel 3.4 Data Jumlah pasien berdasarkan jumlah tempat tidur 35 Tabel 3.5 Kebutuhan Air Rumah sakit berdasarkan jumlah pemakai 38 Tabel 3.6 Kekasaran relative dalam berbagai bahan pipa 44 Tabel 3.7 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap 45 Tabel 3.8 Koefisien Kerugian kelengkapan pipa tekan 47

Tabel 3.9 Harga Putaran dan Kutubnya 50

Tabel 3.10 Klasifikasi Impeler menurut putaran spesifiknya 51 Tabel 3.11 Hubungan antara Kecepatan spesifik dengan

Efisiensi Hidrolis 52

Tabel 3.12 Hubungan antara Kecepatan spesifik dengan

Efisiensi volumetris 53

Tabel 4.1 Faktor Koreksi Daya 56

Tabel 4.2 Jari – Jari besar sudu impeller 75

Tabel 4.3 Jari – jari dan luas volut untuk setiap penampang 83 Tabel 5.1 Hasil perhitungan head euler, head teoritis, head system

dan head actual pada berbagai kapasitas pompa 132 Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan efisiensi dan daya pompa 134 Tabel 5.3 Hasil perhitungan head euler, head teoritis, Head system

dan Head actual pada berbagai kapasitas pompa hasil simulasi 139 Tabel 5.4 Hubungan Kapasitas dengan efisiensi dan daya pompa

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pompa Roda Gigi dan Ulir 6

Gambar 2.2 Pompa Diafragma 7

Gambar 2.3 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal 8

Gambar 2.4 Pompa Sentrifugal 8

Gambar 2.5 Pompa Aliran campur 9

Gambar 2.6 Pompa Aliran Aksial 10

Gambar 2.7 Pompa Diffuser 10

Gambar 2.8 Pompa Vortex 11

Gambar 2.9 Pompa Bertingkat banyak 12

Gambar 2.10 Pompa Aliran Campur Poros Tegak 12 Gambar 2.11 Pompa Jenis Belahan Mendatar 13

Gambar 2.12 Pompa Isapan Ganda 14

Gambar 2.13 Prinsip Hukum Bernoulli 16

Gambar 2.14 Hasil Simulasi Untuk Kecepatan Vektor Yang Terjadi 21 Gambar 2.15 Hasil Simulasi Unuk Distribusi Tekanan Yang Terjadi 22

Gambar 3.1 Instalasi Pompa 42

Gambar 3.2 Daerah Kerja Beberapa Jenis Konstruksi Pompa Sentrifugal 51

Gambar 4.1 Pasak 65

Gambar 4.2 Ukuran-Ukuran Utama Impeler 68 Gambar 4.3 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk 73 Gambar 4.4 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar 76

Gambar 4.5 Sudu Impeler 82

Gambar 4.6 Perbandingan Kecepatan Pada Kerongkongan Rumah Keong 85

Gambar 4.7 Rumah Pompa 89

Gambar 5.1 Tampilan Awal Gambit 93

Gambar 5.2 Tampilan Awal Fluent 94

Gambar 5.3 Kotak dialog Create Real Vertex 94 Gambar 5.4 Tampilan Hasil Setelah Memasukkan Tititknya 97 Gambar 5.5 Kotak dialog Untuk Membuat Dh 97

Gambar 5.6 Kotak dialog Untuk Membuat D2 97 Gambar 5.7 Tampilan Hasil Pembuatan Lingkaran Dh dan D2 98 Gambar 5.8 Tampilan Dari Hasil Substratc Face 98 Gambar 5.9 Kotak Dialog Pada Mesh Face 99

Gambar 5.10 Tampilan Hasil Mesh 99

Gambar 5.11 Kotak Dialog Spesial Display Attributes 100 Gambar 5.12 Kotak Dialog Pada Specify Boundari Types 100 Gambar 5.13 Tampilan Hasil Boundary Condition 101 Gambar 5.14 Kotak Dialog Untuk Eksport Mesh File 101 Gambar 5.15 Tampilan Hasil File Meshnya 102 Gambar 5.16 Tampilan Hasil Grid check 103

Gambar 5.17 Tampilan Hasil Grid Scale 104

Gambar 5.18 Tampilan Hasil Smooth / Swap Grid 104

Gambar 5.19 Kotak Dialog Server 105

Gambar 5.20 Kotak Dialog Energi 106

Gambar 5.22 Kotak Dialog Material 107

Gambar 5.23 Kotak Dialog Unit 108

Gambar 5.24 Kotak Dialog Boundary Condition 108

Gambar 5.25 Kotak Dialog Fluid 109

Gambar 5.26 Kotak Dialog Zona Inet 110

Gambar 5.27 Kotak Dialog Zona Outlet 110

Gambar 5.28 Kotak Dialog Zona Wall 111

Gambar 5.29 Kotak Dialog Solution Control 112 Gambar 5.30 Kotak Dialog Solution Initialization 112 Gambar 5.31 Kotak Dialog Residual Monitors 113

Gambar 5.32 Kotak Panel Iterasi 113

Gambar 5.33 Kotak Residual Iterasi 114 Gambar 5.34 Tampilan Hasil File Mesh Rumah Pompa 115 Gambar 5.35 Tampilan Hasil Gridcheck Rumah Pompa 116 Gambar 5.36 Tampilan Hasil Gridscale Rumah Pompa 116 Gambar 5.37 Tampilan Hasil Smoot / Swap Grid Rumah Pompa 117 Gambar 5.38 Kotak Dialog Solver Rumah Pompa 117 Gambar 5.39 Kotak Dialog Viscous Model Rumah Pompa 118 Gambar 5.40 Kotak Dialog Energy Rumah Pompa 118 Gambar 5.41 Kotak Dialog Material Rumah Pompa 119 Gambar 5.42 Kotak Dialog Unit Rumah Pompa 119 Gambar 5.43 Kotak Dialog Boundary Condition Rumah Pompa 120 Gambar 5.44 Kotak Dialog Fluid Rumah Pompa 120

Gambar 5.45 Kotak Dialog Zona Inlet 122

Gambar 5.46 Kotak Dialog Zona Outlet 122

Gambar 5.47 Kotak Dialog Zona Impeller 123

Gambar 5.48 Kotak Dialog Zona Wall 123

Gambar 5.49 Kotak Dialog Solution Control 124 Gambar 5.50 Kotak Dialog Solution Initialzation 124 Gambar 5.51 Kotak Dialog Residual Monitors 125

Gambar 5.52 Kotak Panel Iterasi 125

Gambar 5.53 Kotak Hasil Residual Iterasi 125 Gambar 5.54 Kerusakan Pada Permukaan Sudu Impeler Akibat Kavitasi 126 Gambar 5.55 Distribusi Tekanan Fluida Pada pompa Sentrifugal 127 Gambar 5.56 Distribusi Energi Turbulensi Yang Terjadi Pada pompa 128 Gambar 5.57 Distribusi Kecepatan Fluida Pada Impeller 129 Gambar 5.58 Grafik Tekanan Fluida vs Jarak Posisi Tekanan Fluida 129 Gambar 5.59 Distribusi Vektor Kecepatan Yang Terjadi Pada pompa 130 Gambar 5.60 Kerugian -Kerugian Hidrolis 138 Gambar 5.61 Grafik Kharakteristik Pompa Hasil perhitungan 151 Gambar 5.62 Grafik Kharakteristik Pompa Hasil Simulasi 151 Gambar 5.63 Grafik Perbandingan Head Actual Pompa 152 Gambar 5.64 Grafik Perbandingan Efisiensi Pompa 152 Gambar 5.65 Grafik Perbandingan Daya Pompa 153

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

A Luas Penampang Pipa m2

b Lebar Pasak mm

b1 Lebar impeller pada sisi masuk mm

b2 Lebar impeler pada sisi keluar mm

b3 Lebar Penampang masuk saluran throat mm

Dis Diameter dalam pipa mm

Ds Diameter poros mm

Dh Diameter hub mm

D1 Diameter sisi masuk impeller mm

D2 Diameter sisi keluar impeller mm

fc Faktor koreksi -

g Gravitasi m/s2

HL Head Losses sepanjang pipa m

Hp Head pompa m

Hs Head statis m

Hthz Head Teoritis m

hf Kerugian Head mayor m

hm Kerugian head minor m

h Tinggi pasak mm

K Kerugian akibat kelengkapan pipa -

Kt Faktor Koreksi pembebanan -

k Konstanta Hidrolik -

L Panjang pipa m

Mt Momen torsi kgmm

M Massa Kg

Nm Daya Motor Listrik kW

Np Daya Pompa kW

n Putaran Pompa rpm

ns Putaran Spesifik rpm

P Tekanan Pada pompa Pa

Q Kapasitas Pompa m3/s

R Jari – Jari sudu lingkaran impeller mm

Re Bilangan Reynold -

S Jarak antara sudu mm

Sf1 Faktor keamanan kelelahan puntir -

Sf2 Faktor Keamanan alur bahan -

t Tebal sudu impeller mm

U1 Kecepatan tangensial sisi masuk impeller m/s U2 Kecepatan tangensial sisi keluar impeller m/s

V Kecepatan aliran pada pipa m/s

Vo Kecepatan aliran masuk impeller m/s

Vr1 Kecepatan radial masuk impeller m/s

Vthr Kecepatan pada kerongkongan rumah keong m/s

Z Jumlah sudu -

α Sudut Aliran masuk o

β Sudut tangensial o

γ Berat jenis fluida N/m3

ηp Efisiensi pompa %

υ Viskositas Kinematik m2/s

π konstanta (phi) -

ρ Kerapatan fluida kg/m3

τg Tegangan Geser kg/m2

σb Kekuatan Tarik Bahan kg/m2

ABSTRAK

Industri rumah sakit khususnya di Indonesia yang semakin meningkat, sejalan dengan perkembangan teknologi sehingga hampir semua rumah sakit telah menggunakan pompa sebagai sarana pendukung untuk penyediaan sumber air.. Dalam hal ini akan dirancang sebuah pompa yang akan digunakan untuk melayani sebuah rumah sakit. Sumber air yang digunakan pada rumah sakit G.L.Tobing PTPN.II Tanjung Morawa ini adalah air bawah tanah ( dari pompa sumur dalam ). Air ini terlebih dahulu ditampung pada reservoir bawah dan kemudian dikirim ke reservoir atas. Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun yang biasa digunakan pada rumah sakit ini ialah jenis pompa sentrifugal. Pompa yang dirancang ini akan dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan CFD FLUENT v 6.1.22 yang kemudian akan dibandingkan dengan performansi yang dihasilkan secara perhitungan manual. Dalam hal ini CFD FLUENT sangat mempermudah untuk menyesuaikan sesuai dengan kondisi nyata. Lalu kesimpulannya Berdasarkan dari hasil karakteristik pompa yang telah dibuat dengan bentuk impeler dan putaran pompa yang sama, dapat disimpulkan bahwa besar Kapasitas ( Q ) berbanding terbalik dengan besar Tinggi tekan ( H ). Semakin besar kapasitas maka semakin kecil tinggi tekannya, atau sebaliknya semakin kecil kapasitas maka semakin besar tinggi tekannya dan kemampuan head yang mampu dilayani pompa berdasarkan simulasi lebih besar dari hasil perhitungan.

ABSTRACT

Medical industry, as in hospitals, especially in Indonesia, has been greatly improving in accordance with technology development. Almost every hospitals already used pumps to provide a decent water supply system as one of the supporting facility. A pump that surely can provide service for the entire hospital. G. L. Tobing’s hospital had been using underground water from inside well’s pump as the main source for water supply. Firstly, the water’s been collected to the down reservoir to be transported later to the upper reservoir. Pump is a machine that converts mechanical energy into pressure energy. Based on some literatures, there are some classification of pumps. The one that usually used at hotels are the kind of centrifugal pumps. The designed pumps will be modeled simulated by using CFD Fluent version 6.1.22 and will be compared later with performance that resulted with manual calculation. In this case, CFD Fluent simply make the adaptation with the actual condition easier. Based on the result of the made pump’s characteristic, it can be concluded that the amount of capacity (Q) is inversely proportioned with the amount of head (H). The higher the capacity, the smaller the head is. On the contrary, the smaller the capacity, the higher the head is, so head’s ability that able to be provided by pumps according to simulation will be higher than the result of manual calculation.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang

Manusia pada dasarnya selalu ingin memenuhi kebutuhan hidupnya dan juga selalu ingin berusaha untuk lebih mempemudah pekerjaan yang dilakukannya, maka pada akhirnya manusia berusaha untuk membuat mesin-mesin yang pada prinsipnya untuk mempermudah segala pekerjaan yang dilakukan oleh manusia.

Dalam kehidupan manusia kini sangat banyak sekali dijumpai mesin-mesin yang digunakan seperti kompressor, pompa, turbin, boiler, mesin-mesin AC dan sebagainya. Pompa adalah salah satu mesin-mesin diatas yang tidak dapat terpisahkan dari kehidupan rumah tangga industri,contohnya pada bidang Industri rumah sakit,

Industri rumah sakit di Indonesia yang semakin meningkat, sejalan dengan perkembangan teknologi sehingga hampir semua rumah sakit telah menggunakan pompa.oleh karena itu pendistribusian air bersih untuk keperluan setiap hari tidak lagi menjadi kendala.

Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun yang biasa digunakan pada rumah sakit ialah jenis pompa sentrifugal. Pompa sentrifugal memiliki bagian terpenting yang berguna untuk mendorong air tersebut, yaitu Impeler. Bagian itulah yang akan dibahas pada bab-bab selanjutnya. Impeler Pompa sentrifugal ini memiliki dimensi sudu-sudu yang dirancang sesuai kebutuhan pendistribusian air bersih tersebut.

Beberapa pabrikan pompa menggunakan analisa serta simulasi menggunakan perangkat lunak ( software ) guna mendesain impeler pompa tersebut. Dan biasanya beberapa pabrikan pompa tersebut menggunakan program simulasi Computational Fluid Dynamic atau sering disebut dengan CFD. CFD dapat memberikan kekuatan untuk mengsimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia,

interaksi fluida dengan struktur, dan system akustik hanya dengan permodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini pabrikan pompa terebut dapat membuat virtual prototype dari sebuah system atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. CFD akan memberikan data - data, gambar - gambar, atau kurva - kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang di. Hasil analisis CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif.

CFD yang akan digunakan ialah CFD Fluent versi 6.1.22. Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode elemen hingga. Fluent menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh ( grid ) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relative mudah. Setelah menggunakan program ini,maka akan didapat hasil-hasil yang mendekati dengan kasus yang akan dijumpai di lapangan dan dapat mempermudah dalam perancangan impeler pompa tersebut.

1.2Batasan Masalah

Impeler Pompa Sentrifugal yang direncanakan akan digunakan utuk pendistribusian air bersih pada sebuah rumah sakit. Sehubungan dengan hal tersebut, maka direncanakanlah sebuah Impeler Pompa Sentrifugal yang sesuai dengan kebutuhan air bersih pada rumah sakit tersebut. Pembahasan perencanaan ini, antara lain :

a. Penentuan kebutuhan air untuk semua penggunaan air di rumah sakit

b. Penentuan spesifikasi teknik pompa, c. Perhitungan ukuran - ukuran utama pompa,

d. Simulasi aliran yang terjadi pada pompa sentrifugal tersebut

e. Penentuan daerah –daerah kavitasi serta analisa performansi dari pompa sentrifugal tersebut

1.3Maksud dan Tujuan Perancangan

Perancangan ini dimaksudkan adalah agar mahasiswa dapat mengamati serta dapat merancang impeler sesuai kebutuhan masyarakat sesuai dengan teori yang telah didapat dari perkuliahan dan juga mampu mensimulasikannya dengan menggunakan program komputer.

Tujuan dari perancangan ini adalah:

1. Mahasiswa dapat menentukan spesifikasi pompa yang sesuai dengan kebutuhan Hotel Aryaduta.

2. Mahasiswa dapat menentukan ukuran – ukuran dari komponen – komponen utama pompa sentrifugal tersebut.

3. Mahasiswa dapat membandingkan karakteristik pompa hasil perhitungan dengan karakteristik pompa hasil simulasi CFD FLUENT.

1.4Manfaat Perancangan

Manfaat dari perancangan ini bagi pengembangan IPTEK adalah dengan analisa menggunakan program komputer CFD Fluent ini bisa menampilkan virtual prototype dari pompa sentrifugal yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Sehingga dapat mempermudah dalam perancangan sebuah pompa sentrifugal yang sesuai kebutuhan.

1.5Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan tugas sarjana adalah sebagai berikut:

1. BAB I : Pendahuluan, berisikan latar belakang, batasan masalah, maksud dan tujuan perancangan, manfaat perancangan dan sistematika penulisan.

2. BAB II : Tinjauan Pustaka, berisikan tentang teori - teori yang mendasari perancangan impeler pompa sentrifugal.

3. BAB III : Metode Penelitian, berisikan urutan dan cara yang dilakukan secara jelas dan sistematis untuk melaksanakan survey dalam perancangan pompa sentrifugal tersebut.

4. BAB IV : Hasil penelitian dan pembahasan, berisikan hasil dari survey yang telah dilaksanakan dan data dianalisis serta disimulasikan supaya mendapatkan kapasitas serta dapat merancang impeler pompa tersebut.

5. BAB V : Permodelan geometri pompa yang telah dirancang pada bab – bab sebelumnya, dan analisa numerik

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin - mesin fluida

Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis poros menjadi energi potensial atau sebaliknya mengubah energi fluida ( energi kinetik dan energi potensial ) menjadi energi mekanik poros. Dalam hal ini fluida yang simaksud berupa cair, gas dan uap.

Secara umum mesin - mesin fluida dapat dibagi menjadi dua bagian besar, yaitu :

1. Mesin Tenaga

yaitu mesin fluida yang berfungsi mengubah energi fluida ( energi potensial dan energi kinetik ) menjadi energi mekanis poros.

Contoh : turbin, kincir air, dan kincir angin. 2. Mesin kerja

yaitu mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis poros menjadi energi fluida ( energi potensial dan energi kinetik ).

Contoh : pompa, kompresor, kipas ( fan ).

2.2Pengertian Pompa

Pompa adalah salah satu mesin fluida yang termasuk dalam golongan mesin kerja. Pompa berfungsi untuk memindahkan zat cair dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi karena adanya perbedaan tekanan.

2.3 Klasifikasi Pompa

Secara umum pompa ada dikasifikasikan dalam dua jenis kelompok besar yaitu :

1. Pompa Tekanan Statis

2. Pompa Tekanan Dinamis ( Rotodynamic Pump ) 2.3.1 Pompa Tekanan Statis

Pompa jenis ini bekerja dengan menggunakan prinsip memberi tekanan secara periodik pada fluida yang terkurung dalam rumah pompa. Pompa ini dibagi menjadi dua jenis.

a. Pompa Putar ( rotary pump )

Pada pompa putar, fluida masuk melalui sisi isap, kemudian dikurung di antara ruangan rotor, sehingga tekanan statisnya naik dan fluida akan dikeluarkan melalui sisi tekan. Contoh tipe pompa ini adalah : screw pump, gear pump dan vane pump

Gambar 2.1. Pompa Roda gigi dan Pompa ulir b. Pompa Torak ( Reciprocating Pump )

Pompa torak ini mempunyai bagian utama berupa torak yang bergerak bolak-balik dala silinder. Fluida masuk melalui katup isap (Suction valve) ke dalam silinder dan kemudian ditekan oleh torak sehingga tekanan statis fluida naik dan sanggup mengalirkan fluida keluar melalui katup tekan (discharge valve). Contoh tipe ini adalah : pompa diafragma dan pompa plunyer.

Gambar 2.2. Pompa Diafragma 2.3.2 Pompa Tekanan Dinamis

Pompa tekanann dinamis disebut juga rotodynamic pump, turbo pump atau impeller pump. Pompa yang termasuk dala kategori ini adalah : pompa jet dan pompa sentrifugal

Ciri - ciri utama dari pompa ini adalah :

- Mempunyai bagian utama yang berotasi berupa roda dengan sudu-sudu sekelilingnya yang sering disebut dengan impeler.

- Melalui sudu - sudu, fluida mengalir terus-menerus, dimana fluida berasal diantara sudu-sudu tersebut.

Prinsip kerja pompa sentrifugal adalah energi mekanis dari luar diberikan pada poros untuk memutar impeler. Akibatnya fluida yang berada dalam impeler, oleh dorongan sudu-sudu akan terlempar menuju saluran keluar. Pada proses ini fluida akan mendapat percepatan sehingga fluida tersebut mempunyai energi kinetik. Kecepatan keluar fluida ini selanjutnya akan berkurang dan energi kinetik akan berubah menjadi energi tekanan di sudu-sudu pengarah atau dalam rumah pompa.

Adapun bagian-bagian utama pompa sentrifugal adalah poros, impeler dan rumah pompa (gambar 2.3).

Gambar 2.3. Bagian-bagian utama pompa sentrifugal

Pompa tekanan dinamis dapat dibagi berdasarkan beberapa kriteria berikut, antara lain :

a. Klasifikasi menurut jenis impeler 1. Pompa Sentrifugal

Pompa ini menggunakan impeler jenis radial atau francis. Konstruksinya sedemikian rupa (gambar 2.4) sehingga aliran fluida yang keluar dari impeler akan melalui bidang tegak lurus pompa.

Impeler jenis radial digunakan untuk tinggi tekan (head) yang sedang dan tinggi, sedangkan impeler jenis francis digunakan untuk head yang lebih rendah dengan kapasitas besar.

2. Pompa Aliran Campur

Pompa ini menggunakan impeler jenis aliran capur (mixed flow), seperti pada gambar 2.5. Aliran keluar dari impeler sesuai dengan arah bentuk permukaan kerucut rumah pompa.

Gambar 2.5. Pompa aliran campur 3. Pompa Aliran Aksial

Pompa ini menggunakan impeler jenis aksial dan zat cair yang meninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan silinder rumah pompa kearah luar. Konstruksinya mirip dengan pompa aliran campur kecuali bentuk impeler dan bentuk difusernya.

Gambar 2.6. Pompa aliran aksial b. Klasifikasi menurut bentuk rumah pompa

1. Pompa Volut

Pompa ini khusus untuk pompa sentrifugal. Aliran Fluida yang meninggalkan impeler secara langsung memasuki rumah pompa yang berbentuk volut (rumah siput) sebab diameternya bertambah besar. Bentuk dan konstruksinya terlihat pada gambar 2.4.

2. Pompa Difuser

Konstruksi ini dilengkapi dengan sudu pengarah (diffuser) di sekeliling saluran impeler (gambar 2.7). Pemakain diffuser ini akan memperbaiki efisiensi pompa. Difuser ini sering digunakan pada pompa bertingkat banyak dengan head yang tinggi.

3. Pompa Vortex

Pompa ini mempunyai aliran campur dan sebuah rumah volut seperti pada gambar 2.8. Pompa ini tidak menggunakan difuser, namun memakai saluran yang lebar. Dengan demikian pompa ini tidak mudah tersumbat dan cocok untuk pemakaian pada pengolahan cairan limbah.

Gambar 2.8. Pompa Vortex c. Klasifikasi menurut jumlah tingkat

1. Pompa satu tingkat

Pompa ini hanya mempunyai sebuah impeler (gambar 2.4 s/d 2.8). Pada umumnya head yang dihasilkan pompa ini relative rendah, namun konstruksinya sederhana.

2. Pompa bertingkat banyak

Pompa ini menggunakan lebih dari satu impeler yang dipasang berderet pada satu poros (gambar 2.9). Zat cair yang keluar dari impeler tingkat pertama akan diteruskan ke impeler tingkat kedua dan seterusnya hingga tingkat terakhir. Head total pompa merupakan penjumlahan head yang dihasilkan oleh masing - masing impeler. Dengan demikian head total pompa ini relatif tinggi dibanding dengan pompa satu tingkat, namun konstruksinya lebih rumit dan besar.

Gambar 2.9. Pompa bertingkat banyak d. Klasifikasi menurut letak poros

1. Pompa poros mendatar

Pompa ini mempunyai poros dengan posisi horizontal (gambar 2.4 s/d 2.9), pompa jenis ini memerlukan tempat yang relatif lebih luas.

2. Pompa jenis poros tegak

Poros pompa ini berada pada posisi vertikal, seperti terlihat pada gambar 2.10. Poros ini dipegang di beberapa tempat sepanjang pipa kolom utama bantalan. Pompa ini memerlukan tempat yang relatif kecil dibandingkan dengan pompa poros mendatar. Penggerak pompa umumnya diletakkan di atas pompa.

e. Klasifikasi menurut belahan rumah 1. Pompa belahan mendatar

Pompa ini mempuyai belahan rumah yang dapat yang dibelah dua menjadi bagian atas dan bagian bawah oleh bidang mendatar yang melalui sumbu poros. Jenis pompa ini sering digunakan untuk pompa berukuran menengah dan besar dengan poros mendatar.

Gambar 2.11. Pompa jenis belahan mendatar 2. Pompa belahan radial

Rumah pompa ini terbelah oleh sebuah bidang tegak lurus poros. Konstruksi seperti ini sering digunakan pada pompa kecil dengan poros mendatar. Jenis ini juga sesuai dengan pompa-pompa dengan poros tegak dimana bagian-bagian yang berputar dapat dibongkar ke atas sepanjang poros.

3. Pompa jenis berderet

Jenis ini terdapat pada pompa bertingkat banyak, dimana rumah pompa terbagi oleh bidang-bidang tegak lurus poros sesuai dengan jumlah tingkat yang ada.

f. Klasifikasi menurut sisi masuk impeler 1. Pompa isapan tunggal

Pada pompa ini fluida masuk dari sisi impeler. Konstruksinya sangat sederhana, sehingga sangat sering digunakan untuk kapasitas yang relatif kecil. Adapun bentuk konstruksinya terlihat pada gambar 2.4 s/d 2.10.

2. Pompa isapan ganda

Pompa ini memasukkan fluida melalui dua sisi isap impeler (gambar 2.12). Pada dasarnya pompa ini sama dengan dua buah impeler pompa isapan

tunggal yang dipasang bertolak belakang dan dipasang beroperasi secara paralel. Dengan demikian gaya aksial yang terjadi pada kedua impeler akan saling mengimbangi dan laju aliran total adalah dua kali laju aliran tiap impeler. Oleh sebab itu pompa ini banyak dipakai untuk kebutuhan dengan kapasitas besar.

Gambar 2.12. Pompa isapan ganda 2.4Unit Penggerak Pompa

Umumnya unit penggerak pompa terdiri dari tiga jenis yaitu: a. Motor bakar

b. Motor listrik, dan c. Turbin

Penggerak tipe motor bakar dan turbin sangat tidak ekonomis untuk perencanaan pompa karena konstruksinya berat, besar dan memerlukan sistem penunjang misalnya sistem pelumasan, pendinginan dan pembuangan gas hasil pembakaran.

Sistem penggerak motor listrik lebih sesuai dimana konstruksinya kecil dan sederhana, sehingga dapat digabungkan menjadi satu unit kesatuan dalam rumah pompa. Faktor lain yang membuat motor ini sering digunakan adalah karena murah dalam perawatan dan mampu bekerja untuk jangka waktu yang relatif lama dibanding penggerak motor bakar dan turbin.

2.5 Dasar-dasar Pemilihan Pompa

Dasar pertimbangan pemilihan pompa, didasarkan pada sistem ekonomisnya, yakni keuntungan dan kerugian jika pompa tersebut digunakan dan dapat memenuhi kebutuhan pemindahan fluida sesuai dengan kondisi yang direncanakan.

Yang perlu diperhatikan dalam pemilihan jenis pompa adalah fungsi terhadap instalasi pemipaan, kapasitas, head, viskositas, temperature kerja dan jenis motor penggerak.

Kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini adalah: a. Kapasitas dan head pompa harus mampu dipenuhi. b. Fluida yang mengalir secara kontinu.

c. Pompa yang dipasang pada kedudukan tetap. d. Konstruksi sederhana.

e. Mempunyai efisiensi yang tinggi.

f. Harga awal relatif murah juga perawatannya.

Melihat dan mempertimbangkan kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini, maka dengan mempertimbangkan sifat pompa dan cara kerjanya, dipilih pompa sentrifugal dalam perencanaan ini, karena sesuai dengan sifat pompa sentrifugal, yakni :

a. Aliran fluida lebih merata. b. Putaran poros dapat lebih tinggi.

c. Rugi-rugi transmisinya lebih kecil karena dapat dikopel langsung dengan otor penggerak.

d. Konstruksinya lebih aman dan kecil. e. Perawatannya murah.

2.6 Head Pompa

Head pompa adalah energi yang diberikan ke dalam fluida dalam bentuk tinggi tekan. Dimana tinggi tekan merupakan ketinggian fluida harus naik untuk memperoleh jumlah energi yang sama dengan yang dikandung satu satuan bobot fluida pada kondisi yang sama. Untuk lebih jelasnya perhitungan dari head pompa dapat dilihat pada gambar 2.13 berikut ini.

Gambar 2.13. Prinsip hukum Bernoulli

Pada gambar ini terdapat dua buah titik dengan perbedaan kondisi letak, luas penampang, tekanan serta kecepatan aliran fluida. Fluida kerja mengalir dari kondisi pertama (titik 1) ke kondisi yang kedua (titik 2), aliran ini disebabkan oleh adanya suatu energi luar . Energi luar ini terjadi merupakan perbedaan tekanan yang terjadi pada kedua kondisi operasi (titik 1 dan 2), atau = ( - ).Q

Sedangkan pada setiap kondisi tersebut terdapat juga suatu bentuk energi, yaitu energi kinetik (Ek) dan energi potensial (Ep) atau dapat dituliskan sebagai berikut :

- Untuk titik 1 :

Energi yang terkandung E1 = Ek1 + Ep1

= m1. + m1.g.h1 - Untuk titik 2 :

Energi yang terkandung E2 = Ek2 + Ep2

= m2. + m2.g.h2

Dan hubungan dari kondisi kerja ini adalah Eo = E2 - E1, atau dapat dituliskan:

(P2-P1).Q = [ m2. + m2.g.h2] - [ m1. + m1.g.h1]

(P2-P1).Q = {( m2. ) - (m1. ) + (m2.g.h2) - (m1.g.h1) }……(1) Dimana : Q = A . V = Konstan

M = ρ . A . V , dimana ρ1= ρ2

Sehingga persamaan (1) di atas dapat dituliskan sebagai berikut : (P2-P1)A.V = [(ρ.A.V3)2 - (ρ.A.V3)1] + ρ.A.V.g(h2 - h1)

Jika ρ (kg/m3) . g (m/s2) = γ (N/m3), maka persamaan (2) dapat disederhanakan menjadi :

= + ( h2-h1 )

Atau persamaan untuk mencari head pompa digunakan hukum Bernoulli yaitu : + + Z1 + Hp = + + Z2 + HL

Maka :

HP = + + Z2 - Z1 + HL Dimana : adalah perbedaan head tekanan.

adalah perbedaan head kecepatan Z2 - Z1 adalah perbedaan head potensial HL adalah kerugian head ( head losses )

Dari rumus di atas dapat dilihat bahwa head total pompa diperoleh dengan menjumlahkan head tekanan, head kecepatan, head potensial, dan head losses yang timbul dalam instalasi pompa. Sementara head losses sendiri merupakan jumlah kerugian head mayor (hf) dan kerugian head minor (hm).

HL = hf + hm 2.7 Putaran spesifik

Jenis impeler yang digunakan pada suatu pompa tergantung pada putaran spesifiknya. Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan pompa untuk menghasilkan 1 m degan kapasitas 1 m3/s, dan dihitung berdasarkan (Khetagurov, hal 205)

ns = 3,65 Dimana : ns = putaran spesifik [rpm]

n = putaran pompa [rpm] Q = kapasitas pompa [m3/s] Hp= head pompa [mH2O]

2.8 Daya pompa

Daya pompa ialah daya yang dibutuhkan poros pompa untuk memutar impeler didalam memindahkan sejumlah fluida denga kondisi yang diinginkan. Besarnya daya poros yang dibutuhkan dapat dihitung berdasarkan ( Fritz dietzel. Hal 243 )

NP = Dimana : Np = daya pompa [watt] Q = kapasitas pompa [m3/s] Hp = head pompa [m]

ρ = rapat jenis fluida [kg/m3] ηp = effisiensi pompa

2.9 Aliran fluida

Aliran dalam pemipaan akan terjadi dari titik yang mempunyai head hidrolik yang lebih tinggi (energi internal per satu-satuan berat air) ke head yang lebih rendah, dimana terjadi kehilangan energi hidrolik di sepanjang pipa.

Kehilangan energi hidrolik sepanjang pipa secara umum disebabkan oleh : A. Kerugian head mayor

Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat digunakan untuk mencari headlosses akibat gesekan dalam pipa dapat dilakukan dengan menggunakan :

a. Persamaan Darcy - Weisbach b. Persamaan Hazen - Williams

Kedua persamaan diatas memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing yaitu :

a. Persamaan Darcy - Weisbach

1. Memberikan hasil yang lebih baik untuk pipa yang relatif pendek. 2. Untuk sistem terdiri dari bermacam-macam pipa akan lebih rumit

3. Populer atau sering dipakai untuk perhitungan dengan beda energi besar.

4. Persamaan ini secara teori paling bagus dan dapat digunakan ke semua jenis fluida.

b. Persamaan Hazen-Williams :

1. Umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum.

2. Untuk sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa, perhitungannya akan lebih mudah disbanding Darcy - Weisbach.

3. Persamaan Hazen - Williams paling banyak digunakan untuk menghitung headlosses, tetapi biasa digunakan untuk semua fluida selai dari air dan digunakan hanya untuk aliran turbulen.

B. Kerugian Minor

Kerugian ini diakibatkan adanya perubahan dalam geometri aliran seperti katup, belokan, perubahan diameter pipa, sambungan saluran masuk dan keluar pipa. Dan kerugian minor dapat dihitung berdasarkan

hm = K

Dimana : V = Kecepatan rata-rata aliran fluida dala suatu pipa [m/s] g = gravitasi bumi [m/s2]

K = Koefisien minor loses 2.10 Kavitasi

Kavitasi adalah fenomena perubahan phase uap dari zat cair yang sedang mengalir, karena tekanannya berkurang hingga di bawah tekanan uap jenuhnya. Pada pompa bagian yang sering mengalami kavitasi adalah sisi isap pompa. Hal ini terjadi jika tekanan isap pompa terlalu rendah hingga dibawah tekanan uap jenuhnya, hal ini dapat menyebabkan :

- Suara berisik, getaran atau kerusakan komponen pompa tatkala gelembung-gelembung fluida tersebut pecah ketika melalui daerah yang lebih tinggi tekanannya

- Kapasitas pompa menjadi berkurang

- Pompa tidak mampu membangkitkan head (tekanan) - Berkurangnya efisiensi pompa.

Secara umum, terjadinya kavitasi diklasifikasikan atas 5 alasan dasar : 1. Vaporization - Penguapan

Fluida menguap bila tekanannya menjadi sangat rendah atau temperaturnya menjadi sangat tinggi. Setiap pompa sentrifugal memerlukan head (tekanan) pada sisi isap untuk mencegah penguapan. Tekanan yang diperlukan ini, disiapkan oleh pabrik pembuat pompa dan dihitung berdasarkan asumsi bahwa air yang dipompakan adalah 'fresh water' pada suhu 68oF. Dan ini disebut Net Positive Suction Head Available (NPSHA). Karena ada pengurangan tekanan (head losses) pada sisi suction( karena adanya valve, elbow, reduser, dll), maka perhitungan head total pada sisi suction dan biasa disebut Net Positive Suction Head is Required (NPSHR). Nilai keduanya mempengaruhi terjadinya penguapan, maka untuk mencegah penguapan, syaratnya adalah :

NPSHA - Vp ≥ NPSHR Dimana :

Vp = Vapor pressure fluida yang dipompa.

Dengan kata lain untuk memelihara supaya vaporization tidak terjadi maka harus dilakukan hal berikut :

a. Menambah Suction head, dengan : - Menambah level liquid di tangki. - Meninggikan tangki.

- Memberi tekanan tangki.

- Mengurangi head losses pada suction piping system. Misalnya dengan mengurangi jumlah fitting, membersihkan striner, cek mungkin venting tangki tertutup) atau bertambahnya speed pompa.

b. Mengurangi Tempertur fluida, dengan :

- Mendinginkan suction dengan fluida pendingin - Mengisolasi suction pompa

- Mencegah naiknya temperature dari bypass system dari pipa discharge. c. Mengurangi NPSHR, dengan :

- Gunakan double suction. Ini bias mengurangi NPSHR sekitar 25 % dan dalam beberapa kasus memungkinkan penambahan speed pompa sebesar 40 %.

- Gunakan pompa dengan speed yang lebih rendah.

- Gunakan impeller pompa yang memiliki bukaan 'lobang' (eye) yang lebih besar.

- Install Induser, dapat mereduksi NPSHR sampai 50 %.

- Gunakan pompa yang lebih kecil. Menggunakan 3 buah pompa kecil dengan ukuran kapasitas separuhnya, hitungannya lebih murah dari pada menggunakan pompa besar dan spare-nya. Lagi pula dapat menghemat energy.

2. Air Ingestion - Masuknya Udara Luar ke Dalam System

Pompa sentrifugal hanya mampu mengendalikan 0.5% udara dari total volume. Lebih dari 6% udara, akibatnya bisa sangat berbahaya, dapat merusak komponen pompa.

Udara dapat masuk ke dalam system melalui beberapa sebab, antara lain : - Dari packing stuffing box. Ini terjadi, jika pompa dari kondensor,

evaporator atau peralatan lainnya bekerja pada kondisi vakum. - Letak valve di atas garis permukaan air (water line).

- Flens (sambungan pipa) yang bocor.

- Tarikan udara melalui pusaran cairan (vortexing fluid).

- Jika 'bypass line' letaknya terlalu dekat dengan sisi isap, hal ini akan menambah suhu udara pada sisi isap.

- Berkurangnya fluida pada sisi isap, hal ini dapat terjadi jika level cairan terlalu rendah.

Gambar 2.14 Vortexing Fluida

Keduanya, baik penguapan maupun masuknya udara ke dalam system berpengaruh besar terhadap kinerja pompa yaitu pada saat gelembung-gelembung udara itu pecah ketika melewati 'eye impeller' sampai pada sisi keluar (Sisi dengan tekanan yang lebih tinggi). Terkadang, dalam beberapa kasus dapat merusak impeller atau casing. Pengaruh terbesar dari adanya jebakan udara ini adalah berkurangnya kapasitas pompa.

3. Internal Recirculation - Sirkulasi Balik di dalam System

Kondisi ini dapat terlihat pada sudut terluar (leading edge) impeller, dekat dengan diameter luar, berputar balik ke bagian tengah kipas. Ia dapat juga terjadi pada sisi awal isap pompa. Efek putaran balik ini dapat menambah kecepatannya sampai ia menguap dan kemudian 'pecah' ketika melalui tempat yang tekanannya lebih tinggi. Ini selalu terjadi pada pompa dengan NPSHA yang rendah. Untuk mengatasi hal tersebut, kita harus tahu nilai

Suction Spesific Speed , yang dapat digunakan untuk mengontrol pompa saat beroperasi, berapa nilai terdekat yang teraman terhadap nilai BEP (Best Efficiency Point) pompa yang harus diambil untuk mencegah terjadinya masalah.

4. Turbulence - Pergolakan Aliran

Aliran fluida diinginkan pada kecepatan yang konstan. Korosi dan hambatan yang ada pada system perpipaan dapat merubah kecepatan fluida dan setiap ada perubahan kecepatan, tekanannya juga berubah. Untuk menghambat hal tersebut, perlu dilakukan perancangan system perpipaan yang baik. Antara lain memenuhi kondisi jarak minimum antara suction pompa dengan elbow yang pertama minimal 10 X diameter pipa. Pada pengaturan banyak pompa, pasang suction bells pada bays yang terpisah, sehingga satu sisi isap pompa tidak akan mengganggu yang lainnya. Jika ini tidak memungkinkan, beberapa buah pompa bisa dipasang pada satu bak isap (sump) yang besar, dengan syarat :

- Posisi pompa tegak lurus dengan arah aliran.

- Jarak antara dua 'center line' pompa minimum dua kali suction diameter. - Semua pompa dalam keadaan 'runing'.

- Bagian piping upstream paling tidak memiliki pipa yang lurus dengan panjang minimal 10 x diameter pipa.

- Setiap pompa harus memiliki kapasitas kurang dari 15.000 gpm. - Batas toleransi dasar pompa seharusnya sekitar 30% diameter pipa isap 5. Vane Passing Syndrome

Kerusakan akibat kavitasi jenis ini terjadi ketika diameter luar impeller lewat terlalu dekat dengan 'cutwater' pompa. Kecepatan aliran fluida ini bertambah tatkala alirannya melalui lintasan kecil tersebut, tekanan berkurang dan menyebabkan penguapan lokal. Gelembung udara yang terbentuk kemudian pecah pada tempat yang memiliki tekanan yang lebih tinggi, sedikit diluar alur cutwater. Hal inilah yang menyebabkan kerusakan pada volute(rumah keong) pompa. Untuk mencegah pergerakan poros yang berlebihan, beberapa pabrik pembuat memasang bulkhead rings pada suction eye. Pada sisi keluar

(discharge), ring dapat dibuat untuk memperpanjang sisi keluar dari dinding discharge sampai selubung impeller.

Kavitasi dinyatakan dengan cavities atau lubang di dalam fluida yang kita pompa. Lubang ini juga dapat dijelaskan sebagai gelembung-gelembung, maka kavitasi sebenarnya adalah pembentukan gelembung-gelembung dan pecahnya gelembung tersebut. Gelembung terbentuk tatkala cairan mendidih. Hati-hati untuk menyatakan mendidih itu sama dengan air yang panas untuk disentuh, karena oksigen cair juga akan mendidih dan tak seorang pun menyatakan itu panas. Dan pengaruh Kavitasi denhgan kinerja pompa sentrifugal adalah sebagai berikut:

1. Kapasitas Pompa Berkurang

- Ini terjadi karena gelembung-gelembung udara banyak mengambil tempat(space), dan kita tidak bisa memompa cairan dan udara pada tempat dan waktu yang sama. Otomatis cairan yang diperlukan menjadi berkurang.

- Jika gelembung itu besar pada eye impeller, pompa akan kehilangan pemasukan dan akhirnya perlu priming (tambahan cairan pada sisi isap untuk menghilangkan udara).

2. Tekanan (Head) kadang berkurang

Gelembung-gelembung tidak seperti cairan, ia bisa dikompresi (compressible). Hasil kompresi ini yang menggantikan head, sehingga head pompa sebenarnya menjadi berkurang.

3. Pembentukan gelembung pada tekanan rendah karena mereka tidak bisa terbentuk pada tekanan tinggi.

Jika kecepatan fluida bertambah, maka tekanan fluida akan berkurang. Ini artinya kecepatan fluida yang tinggi pasti di daerah bertekanan rendah. Ini akan menjadi masalah setiap saat jika ada aliran fluida melalui pipa terbatas, volute atau perubahan arah yang mendadak. Keadaan ini sama dengan aliran fluida pada penampang kecil antara ujung impeller dengan volute cut water.

4. Bagian-bagian Pompa Rusak

- Gelembung-gelembung itu pecah di dalam dirinya sendiri, ini dinamakan imploding kebalikan dari exploding. Gelembung-gelembung itu pecah dari segala sisi, tetapi bila ia jatuh menghantam bagian dari metal seperti impeller atau voluteia tidak bisa pecah dari sisi tersebut, maka cairan masuk dari sisi kebalikannya pada kecepatan yang tinggi dilanjutkan dengan gelobang kejutan yang mampu merusak part pompa. Ada bentuk yang unik yaitu bentuk lingkaran akibat pukulan ini, dimana metal seperti dipukul dengan 'ball peen hammer'.

- Kerusakan ini kebanyakan terjadi membentuk sudut ke kanan pada metal, tetapi pengalaman menunjukan bahwa kecepatan tinggi cairan kelihatannya datang dari segala sudut.

Semakin tinggi kapasitas pompa, kelihatannya semakin mungkin kavitasi terjadi. Nilai Specific speed pump yang tinggi mempunyai bentuk impeller yang memungkinkan untuk beroperasi pada kapasitas yang tinggi dengan power yang rendah dan kecil kemungkinan terjadi kavitasi. Hal ini biasanya dijumpai pada casing yang berbentuk pipa, dari pada casing yang berbentuk volute.

2.11 Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent

Computational Fluid Dynamic (CFD) dapat dibagi menjadi dua kata, yaitu:

a. Computational : Segala sesuatu yang berhubungan dengan

matematika dan metode numerik atau komputasi.

b. Fluid Dynamic : Dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir.

Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi n fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya denga menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Dan

Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode elemen hingga dan Fluent juga menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Penggunaan CFD umumya berhubungan dengan keempat hal berikut:

1. Studi konsep dari desain baru 2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshooting 4. Desain ulang

2.11.1 Metode Diskritisasi CFD

CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar. CFD merupakan pendekatn dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).

Perhitungan / komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah:

a. Metode beda hingga b. Metode elemen hingga c. Metode volume hingga d. Metode elemen batas

e. Metode skema resolusi tinggi

Dan CFD FLUENT versi 6.1.22 sendiri menggunakan metode volume hingga ( Finite Volume Method ) sebagai metode diskritisasinya ( Firman Tuakia, hal 8 ).

2.11.2 Proses simulasi CFD

Pada uumnya terdapat tiga thapan yang harus dilakukan ketika kita melakukan simulasi CFD, yaitu:

a. Preprocessing

Komponen pre-processor merupakan komponen input dari permasalahan aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator, berfungsi sebagai transformer input berikutnya ke dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh solver. Pada tahapan pre-processor, dapat dilakukan hal-hal sebagai berikut: 1) mendefinisikan geometri daerah yang dikehendaki (perhitungan domain); 2) pembentukan grid (mesh) pada setiap domain; 3) pemilihan fenomena kimia dan fisik yang dibutuhkan; 4) menetukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, panas jenis, massa jenis dan sebagainya); 5) menentukan kondisi batas yang sesuai dengan keperluan. Ketepatan aliran dalam geometri yang dibentuk dalam CFD ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid yang dibangun. Semakin besar jumlah sel, ketepatan atau ketelitian dari hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak harus selalu seragam, dapat dilakukan dengan memperhalus mesh pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak mengalami perubahan.

b. Solving

Proses pada solver merupakan proses pemecahan secara matematika dalam CFD dengan software FLUENT 6.1.22. Metode yang digunakan adalah metode volume hingga (finite volume) yang dikembangkan dari metode beda hingga (finite difference) khusus. Proses pemecahan matematika pada solver digambarkan sebagai diagram alir metode SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) (Gambar 2)

Gambar 2.15 Diagram Alir Algoritma Numerik volume hingga dengan metode SIMPLE

Proses pemecahan matematika pada solver memiliki 3 tahapan yaitu: 1) aproksimasi aliran yang tidak diketahui dilakukan dengan menggunakan fungsi sederhana; 2) diskretisasi dengan mensubstitusi hasil aproksimasi ke dalam persamaan aliran disertai dengan manipulasi

matematis; 3) penyelesaian persamaan aljabar. Pada proses solver, terdapat 3 persamaan atur aliran fluida yang menyatakan hukum kekekalan fisika, yaitu : 1) massa fluida kekal; 2) laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton); 3) laju perubahan energi sama dengan resultansi laju panas yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel fluida (Hukum I Termodinamika).

a. Kekekalan Massa 3 Dimensi steady state

Keseimbangan massa untuk fluida dinyatakan sebagai berikut:

Laju kenaikan massa dalam elemen fluida = Laju net aliran fluida massa ke dalam elemen batas

Atau dapat ditulis dalam bentuk matematika sebagai berikut:

Persamaan diatas merupakan persamaan kontinuitas untuk fluida. Ruas kiri menggambarkan laju net massa keluar dari elemen melewati batas dan dinyatakan sebagai faktor konveksi.

b. Persamaan Momentum 3 Dimensi Steady State

Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Stokes dalam bentuk yang sesuai dengan metode finite volume sebagai berikut:

Momentum x :

Momentum y :

\ Momentum z :

c. Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa : laju perubahan energi partikel fluida = laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematika dapat ditulis sebagai berikut :

Untuk Gas ideal :

c. Postprocessing

Postprocessing adalah langkah akhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. Hasil yang diperoleh dari proses yang berada dalam pre-processor dan solver akan ditampilkan dalam post-processor. Tampilan tersebut dapat berupa : 1) tampilan geometri domain dan grid; 2) plot vektor; 3) plot permukaan 2 dan 3 dimensi; 4) pergerakan partikel; 5) manipulasi pandangan; 6) output warna. 2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

Pada pompa sentrifugal, yang dapat dianalisa oleh CFD Fluent ini adalah airan fluidanya, dimana dengan CFD Fluent ini kita dapat mensimulasikan vektor - vektor kecepatan yang terjadi pada impeler dan rumah keong pompa tersebut. CFD Fluent juga dapat mensimulasikan distribusi tekanan yang terjadi dalam pompa tersebut. Hasil simulasi aliran fluida ini adaah gambaran aliran fluida nantinya yang terjadi di lapangan. Pada gambar 2.14 dan gambar 2.15 merupakan contoh hasil dari simulasi pompa sentrifugal dengan massa alir 0,5 kg/s dan tekanan pompa 0,5 atm.

Gambar 2.16. Hasil simulasi untuk vektor-vektor kecepatan yang terjadi

BAB III

PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA

Dalam pemilihan pompa untuk maksud tertentu, agar dalam pengoperasinya pompa tersebut dapat beroperasi dengan baik dan seperti yang diinginkan,terlebih dahulu harus diketahui kapasitas aliran aliran dan head yang diperlukan untuk mengalirkan fluida yang akan dipompakan.

Selain itu agar pompa dapat bekerja tanpa kavitasi perlu diperhitungkan berapa tekananan minimum yang harus tersedia pada sisi masuk pompa.

Selanjutnya untuk menentukan penggerak mula yang akan digunakan,terlebih dahulu harus dilakukan penyelidikan tentang sumber tenaga penggerak pada tempat pompa tersebut dioperasikan.

3.1 Kapasitas Aliran

Untuk menentukan tepat dan akuratnya kapasitas air yang diperlukan sangatlah sulit, maka dalam hal ini metode yang digunakan adalah metode penaksiran .Adapun beberapa metode yang digunakan untuk menaksir besar laju aliran [Soufyan M. Noerbambang, hal 64], antara lain:

a. Berdasarkan jumlah pemakai

b. Berdasarkan jenis dan jumlah alat plambing c. Berdasarkan unit beban alat plambing a. Penaksiran berdasarkan jumlah pemakai

Metode ini didasarkan pada pemakaian air rata-rata sehari dari setiap penghuni, dan perkiraan jumlah penghuni.Dengan demikian jumlah pemakaian sehari dapat diperkirakan, walaupun alat plambing belum ditentukan.Metode ini praktis untuk tahap “perencanaan atau juga perancangan”.Apabila jumlah penghuni diketahui ataupun ditetapkan untuk

suatu gedung maka angka tersebut dipakai untuk menghitung pemakaian air rata-rata sehari berdasarkan “standar” mengenai pemakaian air perorang perhari untuk sifat penggunaan dalam gedung tersebut.

b. Penaksiran berdasarkan jenis dan jumlah alat plambing

Metode ini digunakan apabila kondisi pemakaian alat plambing dapat diketahui misalnya untuk perumahan atau gedung kecil lainnya.Juga harus diketahui jumlah dari setiap jenis alat plambing dalam gedung tersebut.

c. Penaksiran berdasarkan unit beban alat plambing

Dalam metode ini setiap alat plambing ditetapkan suatu unit beban.Untuk setiap bagian pipa dijumlahkan besarnya unit beban dari semua alat plambing yang dilayaninya, dan kemudian dan dicari besarnya laju aliran air.Penaksiran ini dipergunakan untuk gedung-gedung kategori menengah seperti halnya perkantoran maupun gedung-gedung yang dapat dikategorikan gedung menengah misalnya gedung bertingkat.

Maka dari uraian diatas metode yang digunakan untuk penaksiran laju aliran air adalah berdasarkan jumlah pemakai/penghuni yang dianggap lebih efektif karena beberapa alas an yaitu:

- Metode ini paling cocok untuk perencanaan dan perancangan - Jumlah alat dan beban plambing disetiap ruangan hunian

berbeda tergantung dari kategori ruangan (kelas ruangan). - Perencanaan ini adalah gedung dengan lantai lebih dari empat Penentuan kapasitas aliran untuk sebuah rumah sakit adalah berdasarkan jumlah kamar dan jumlah pasien / tamu setiap kamar.Dalam hal ini selain untuk tamu yang menginap dan pegawai rumah sakit, juga untuk fasilitas yang tersedia di rumah sakit seperti kantin ditentukan berdasarkan literature yang ada dapat dilihat pada table 3.1 berikut ini[Soufyan M. Noerbambang, hal 68].

Tabel 3.1 Pemakaian air rata-rata per orang setiap hari

NO Jenis Fasilitas

Pemakaian air rata-rata perhari

( liter )

Waktu Pemakaian air

rata-rata (jam)

1 Pegawai Rumah sakit 120 10

2 Pasien Rawat Inap 400 10

3 Keluarga pasien 160 10

4 Pasien Rawat jalan 8 10

5 Kantin 30 5

Sumber : Perancangan dan pemeliharaan sistem plambing, Soufyan M. Noerbambang

3.1.1. Perhitungan Kebutuhan Air untuk Pegawai

Untuk lebih memudahkan dalam menentukan kapasitas dalam perencanaan atau perancangan dengan menggunakan metode penaksiran berdasarkan jumlah pemakai maka telah dilakukan suatu survey, adapun dari hasil survey yang dilakukan di Rumah Sakit Umum G.L.tobing diperoleh data-data sebagai berikut:

Tabel 3.2.Data jumlah dan jam kerja pegawai/pekerja

No Jenis Ruangan

Jumlah Pegawai/pekerja

(orang)

Jumlah Jam Kerja ( jam )

1 Anggrek 11 12

2 Mawar 9 12

3 Aster 9 12

4 Dahlia 11 12

5 Melati 6 12

6 Operasi / ICU 6 12

7 Anyelir ( Anak ) 9 12

8 Poliklinik 18 8

9 UGD 2 12

11 Dapur 4 8

12 Radiologi 2 8

13 Kantor 20 8

14 Doby 1 8

Dari hasil survey yang telah dilakukan sesuai dengan tabel 3.2 maka dapat di hitung kapasitas kebutuhan air pegawai di setiap ruangan.

3.1.1.A. Kebutuhan air untuk pegawai Rumah sakit a. Ruangan Anggrek

Qanggrek = Jumlah pegawai anggrek x pemakaian air rata-rata orang perhari untuk pegawai rumh sakit x jumlah jam kerja

= 11 orang x x 12 jam/hari = 1584 liter/hari.

b. Dengan cara yang sama dapat di hitung jumlah kapasitas untuk semua jenis kebutuhan di rumah sakit dapat dilihat pada table 3.5 Tabel 3.3 Kebutuhan Air Rumah Sakit berdasarkan jumlah pemakai

No Jenis Kebutuhan Air Jumlah Air yng dibutuh

(liter/hari) 1

2 3 4 5

Kebutuhan Air untuk Pegawai Rumah Sakit Kebutuhan Air untuk Pasien Rawat Inap Kebutuhan Air untuk Keluarga Pasien Kebutuhan Air untuk Pasien Rawat Jalan Kebutuhan Air untuk Kantin

13680 117720 48000 76,8 768 Kebutuhan Air untuk pemakaian rata-rata (Q) 180244,8

Dengan menggunakan Tabel 3.5 maka diperoleh Kebutuhan Air Rumah Sakit berdsarkan jumlah pemakai sebesar 180244,8 Liter/hari = 7,5102m3/jam.

3.2 Kapasitas Pompa

Dari hasil perhitungan yang diatas, maka didapat jumlah kebutuhan air pada Rumah Sakit G.L.Tobing PTP.II Tj.Morawa ini adalah 7,5102 m3/jam. Dalam perencanaan ini perlu diperhitungkan kebocoran-kebocoran pipa atau pemakaian air di pusat penjernihan, cadangan pemadam kebakaran dan kapasitas pompa yang direncanakan adalah ( 1,1 sampai 1,15 ) kapasitas total [ Sularso, Haruo Tahara hal 15] sehingga kapasitas pompa adalah :

Qp = 1,15 x 7,5102 m3/jam = 9,136 m3/jam

Qp = 10 m3/jam

Dari perhitungan di atas, kapasitas pompa yang direncanakan adalah 10 m3/jam.

3.3 Head Pompa

Head pompa adalah besarnya energi yang diperlukan pompa untuk memindahkan ataupun mengalirkan fluida dari keadaan awal menuju keadaan akhir. Head total Pompa yang harus disediakan pompa untuk mengalirkan jumlah fluida seperti yang direncanakan dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani oleh pompa tersebut.

Gambar sistem peipaan pada pipa isap dan pipa tekan dilihat sebagai berikut ( gambar 3.1 ), dimana keterangan dari unit-unit pada instalasi tersebut adalah sebagai berikut:

- Ground Tank : Ground tank atau tangki bawah tanah yang berfungsi sebagai tempat pengumpulan air yang bersumber dari air bersih sumur bor. - Pompa : Sebagai alat untuk memindahkan atau mentransfer air

bersih dari ground tank ke tangki atas / roof tank.

- Roof tank : berfungsi sebagai tempat tangki penampungan air bersih yang telah dipompakan dari ground tank, yang emudian akan didistribusikan untuk kebutuhan Rumah Sakit tersebut. Roof tank memiliki kapasitas 14 m3.

Dengan menentukan titik 1 pada permukaan fluida dan titik 2 pada ujung pipa keluar (gambar 3.1) maka head pompa secara umum dinyatakan dengan :

Tinggi tiang 12 m 3 m

Hs = 14,7 m

1,5 m

0,5 m

14 m3

2 Permukaan air

atas

Permukaan air bawah 1

4 m 1 m

Sumur bor

Gambar 3.1 Instalasi pemipaan pompa pada rumah sakit G.L Tobing PTPN.II Tj.Morawa.

Hstatis = 14,7 m Hisap = 1,5 m

Ls = 6 m Ld = 15,5 m

a. Pertimbangan ekonomis

Pertimbangan ini menyangkut biaya, baik untuk biaya pembangunan instalasi maupun biaya operasi pemeliharaannya. Komponen biaya yang terpenting adalah biaya untuk energi atau daya. Agar biaya pemeliharaan dapat ditekan, jumlah pompa harus tepat. Sedapat mungkin pompa-pompa yangdipakai sama spesifikasinya antara satu dengan yang lain agar penyediaan suku cadangnya mudah dilakukan.

b. Kapasitas aliran

Kapasitas suatu aliran pompa akan menentukan ukuran pompa dan daya yang dibutuhkan oleh pompa tersebut. Semakin besar kapasitas yang dialirkan oleh pompa maka semakin besar pula ukuran dan daya pompa yang diperlukan.

Menggunakan hanya satu pompa untuk melayani laju aliran keseluruhan daam instalasi yang penting adalah besar resikonya. Instalasinya tidak akan berfungsi sama sekali jika pompa satu-satunya itu rusak. Jadi untuk memperkecil resiko, perlu dipakai pompa cadangan.

Kapasitas dalam perencanaan ini adalah 9 m3/jam. Sehingga direncanakan jumlah pompa sebanyak dua buah dengan spesifikasi yang sama. Dalam operasinya, pompa beroperasi secara bergantian.

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆Hp)

Head tekanan merupakan energi yang dibutuhkan untuk mengatasi perbedaan tekanan pada sisi isap dengan sisi tekan. Dalam sistem kerja ini tekanan air memasuki pompa adalah sama dengan tekanan keluar yaitu 1 atmosfir, maka beda head tekanan pada sistem ini adalah nol.

Dalam menentukan perbedaan head kecepatan aliran maka terlebih dahulu dicari besarnya kecepatan aliran dalam pipa. Diameter pipa hisapnya biasanya ditentukan sedemikian sehingga kecepatan aliran 2 sampai 3 m/s [ Soufyan M. Noerbambang, hal 98 ]. Untuk memperoleh kecepatan aliran dan diameter pipa isap yang sesuai, perhitungan awal sementara diambil batas kecepatan rata - rata 2 m/s.

Dari persamaan kontinuitas diperoleh : Qp = Vs . As

Dimana : Qp = Kapasitas pompa = 10 m3/jam = 0,0027 m3/s Vs = Kecepatan aliran dalam pipa hisap ( m/s ) As = π/4.(dis)2 = luas bidang aliran (m2)

dis = diameter dalam pipa isap (m) Sehingga diameter pipa isap adalah :

dis =

=

=0,041 m = 4,1 cm = 41 mm = 1,61 in

Berdasarkan ukuran pipa standart ANSI B.36.10 Schedule 40, maka pipa nominal 2 inch dengan dimensi pipa :

- Diameter dalam ( dis ) = 2,067 in = 5,25 cm = 0,0525 m - Diameter luar (dos) = 2,375 in = 6,032 = 0,060 m

Dengan ukuran standar pipa tersebut di atas maka kecepatan aliran yang sebenarnya sesuai dengan persamaan kontinuitas adalah :

Vs =

Vs = 1,25 m/s

diperoleh kecepatan aliran fluida masih memenuhi.

Untuk mempermudah perhitungan dalam perencanaan ini maka nilai kecepatan pada sisi masuk (Vs) = kecepatan pada sisi keluar (Vd) sehingga nilai perbedaan head kecepatannya sama dengan nol, ∆Hv = 0.

3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆Hs)

Head statis adalah perbedaan ketinggian permukaan air pada reservoir bawah dengan ketinggian air maksimal pada reservoir atas seperti pada gambar 3.1. Dalam perencanaan ini head statis dapat dilihat pada gambar 3.1 yaitu :

Hs = 14,7 m

3.3.4 Kerugian head (HL)

Kerugian head sepanjang pipa terbagi atas 2 yaitu kerugian akibat gesekan sepanjang pipa/kerugian mayor (hf) dan kerugian akibat adanya kelengkapanpada instalasi pipa / kerugian minor (hm). Kerugian akibat gesekan tergantung pada kekasaran dalam pipa dan sepanjang pipa. Kerugian akibat kelengkapan adalah kerugian akibat adanya perubahan arah aliran dan kecepatan aliran.

3.3.4.1 Kerugian Head sepanjang Pipa Hisap

a. Kerugian Head akibat gesekan pada pipa hisap

Besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa hisap menurut Darcy-Weisbach dapat diperoleh dengan persamaan [ Sularso, Haruo Tahara, hal 28 ]:

hf = f x

Dimana :

hf = kerugian karena gesekan (m)

f = factor gesekan (diperoleh dari diagram moody) Ls = panjang pipa isap (m)

di = diameter dalam pipa = 0,0525 m Vs = kecepatan aliran fluida = 1,25 m/s

Bahan pipa isap yang direncanakan adalah Galvanized Iron dimana behan pipa yang digunakan tersebut mempunyai kekasaran sebesar 0,00015 m [ tabel 3.6]. Dan faktor pengotoran yang terjadi pada pipa terhadap fluida air dengan siste Tabel 3.7 Tipe Faktor pengotoran ( Fouling Factor ) pada pipa

Facility piping system handbook , Michael Frankelm terbuka terlihat pada tabel 3.7 berikut.

Tabel 3.4 Kekasaran relatif ( e ) dalam berbagai bahan pipa

Pipeline Material

Absolute roughness, e

Ft mm

Glass and various plastics ( e.g.,PVC and PE pipes

Drawn turbings (e.g., copper or aluminum pipes or turbings

Commercial steel or wrought iron Cast iron with asphalt lining Galvanized iron Cast Iron Wood stave Concrete Riveted steel 0

(hydraulically smooth ) 5 x 10-6

1.5 x 10-4 4 x 10-4 5 x 10-4 8.5 x10-4 6 x 10-4 -3 x 10-3 1 x 10-3 -1 x 10-2 3 x 10-3-3 x 10-2

0

(hydraulically smooth 1.5 x 10-3

4.6 x 10-2 0.12 0.15 0.25 0.18-0.9 0.3-3.0 0.9-9.0

Pump Handbook, Igor J. Karasik, William C.Krutzsc, Waren H. Frase, Joseph Messina

Maka kekasaran relative ( /di) adalah : /di = = 0,0028 m

Faktor gesekan (f) dapat diperoleh dari diagram moody dengan terlebih dahulu mengetahui bilangan Reynold ( Re ) [ Pump Handbook, hal 131 ] :

Re =

Dimana : Vs = kecepatan aliran fluida (m/s) di = diameter dalam (m)

υ = viskositas kinematik air pada suhu 20oC = 1,02.10-6 m2/s Sehingga bilangan Reynold (Re) adalah :

Dari diagram moody untuk Re = 64338,23 dan ( /di) = 0,0028 dengan cara interpolasi, diperoleh faktor gesekan (f) = 0,024 Besarnya kerugian gesek sepanjang pipa isap menurut Darcy Weisbach adalah :

hfs = 0,024

x

= 0,22 m

b. Kerugian head akibat peralatan instalasi pada pipa isap ( hms)

Besarnya kerugian akibat adanya kelengkapan pipa dapat diperoleh dengan persamaan [ pump handbook, hal 152]:

hms = Σn.k

dimana : n = jumlah kelengkapan pipa

k = koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa

Untuk mengetahui berapa besarnya kerugian head yang terjadi akibat adanya kelengkapan pipa, maka perlu diketahui terlebih dahulu jenis kelengkapan pipa yang digunakan sepanjang jalur pipa isap. Adapun jenis dan jumlah kelengkapan tersebut adalah sebagai berikut :

Tabel 3.7 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap

Jenis Jumlah K n.k

Mulut isap ( projecting) 1 1 1

Elbow long 90o (standard) 1 0,57 0,57

Swing check valve (katup searah) _{1 0,95} 0,95

Gate valve _{1 0,15} 0,15

Total koefisien kerugian 2,67

Pump Handbook, Igor J. Karasik, William C.Krutzsc, Waren H. Frase, Joseph Messina

Sehingga besarnya kerugian head akibat kelengkapan pipa pada pipa isap adalah sebesar :

hms = 2,67 x = 0,20 m

Dengan demikian, diperoleh besar kerugian kerugian head sepanjang jalur pipa isap pompa, yaitu sebesar :

hLs = hfs + hms

= 0,22 m + 0,20 m hLs = 0,42 m

3.3.4.2 Kerugian head sepanjang pipa tekan (HLd)

a. Kerugian head akibat gesekan pipa tekan ( Hfd )

Pipa tekan dari pompa menuju roof tank direncanakan menggunakan ukuran pipa standar ANSI B.36.10 Schedule 40 dengan ukuran pipa nominal 2 inci dan bahan pipa adalah galvanized iron yang sama dengan pipa isap.

Ukuran pipa tersebut adalah :

- Diameter dalam ( dis ) = 2,067 in = 5,25 cm = 0.0525 m - Diameter luar (dos) = 2,375 in = 6,032 = 0,060 m

Karena bahan dan diameter pipa tekan ini sama dengan pipa isap, maka bilangan Reynold (Re) adalah 59705,88 dan faktor gesekan (f) sebesar 0,025

Pada gambar 3.1, pada instalasi terlihat satu tangki penyimpanan yang berkapasitas 14m3.Analisa perhitungan panjang pipa menuju tangki penyimpanan dan katup pengatur. Besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa tekan :

hfd = f x

dimana : Ld = Panjang pipa tekan = 15,5 m maka diperoleh :

hfd = 0,024

x

hfd = 0,56 m

b. Kerugian head akibat peralatan instalasi pada pipa tekan ( hmd) Besarnya kerugian head akibat peralatan instalasi pipa adalah :

hmd = Σn.k

dimana untuk memperoleh harga koefisien peralatan, dari gambar perencanaan instalasi sepanjang pipa tekan terdapat yang dipasang dan disajikan pada tabel berikut:

Tabel 3.8 Koefisien kerugian gesek pada pipa tekan

Jenis peralatan Jumlah

( n ) K n.K

Swing check valve (katup searah) 1 0,95 0,95

Gate valve (katup gerbang) 1 0,15 0,15

Elbow long 90o (standard) 2 0,57 1,14 Ujung keluar pipa ( inward projecting ) 1 0,78 0,78 Sambungan (flanged tee line flow) 1 0,9 0,9

Total koefisien kerugian 3,77

Pump Handbook, Igor J. Karasik, William C.Krutzsc, Waren H. Frase, Joseph Messina

Maka harga kerugian head akibat peralatan instalasi pipa adalah : hmd = 3,77 x

= 0,30 m

Dengan demikian kerugian head pada pipa tekan ini adalah : HLd = hfd + hmd

= 0,56 m + 0,30 m = 0,86 m

Maka kerugian head total ( HL) HL = hLs + hLd

= 0,42 m + 0,86 m HL = 1,28 m

Dari perhitungan sebelumnya maka dapat ditentukan head total yang dibutuhkan untuk melayani instalasi pemipaan :

Hpompa = Δ Hp+ Δ Hv + Hs + HL = (0 + 0+ 14,7+ 1,28) m = 15,98 m

Namun untuk pemakaiannya dalam jangka waktu yang laa perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut :

- Kondisi permukaan pipa dalam jangka waktu yang panjang akan semakin kasar, sehingga nantinya akan memperbesar kerugian yang terjadi.

- Penurunan kinerja pompa yang dipakai dalam rentang waktu yang sangat lama.

- Kondisi - kondisi lain yang dapat mempengaruhi operasional pompa. Maka dalam perencanaannya head pompa perlu ditambah (10 ÷ 25)% [ pump handbook, hal 248]. Dalam perancangan ini dipilih 15% maka besarnya head pompa yang akan dirancang :

H pompa = 15,98 m . (1+0,15)

= 18,37 m = 18 m

3.4 Pemilihan jenis pompa

Pemlihan jenis pompa dilakukan berdasarkan kapasitas dan head pompa yang akan direncanakan sebelumnya. Dengan harga kapasitas, Q = 10 m3/jam dan head, Hp = 18 m maka dari gambar 3.2 dapat dilihat jenis pompa yang cocok digunakan dalam perancangan adalah pompa radial.

Gambar 3.2 Daerah kerja beberapa jenis konstruksi pompa

Sumber: Turbin, Pompa dan Compresor. Fritz dietzel

3.5 Perhitungan motor penggerak

Ada beberapa jenis alat penggerak motor yang digunakan untuk menggerakkan pompa, antara lain turbin uap, motor bakar dan motor listrik. Dalam perencanaan ini dipilih motor listrik sebagai penggerak mula pompa dengan pertimbangan :

1. Energi listrik untuk menggerakkan motor listrik dapat dengan mudah diperoleh dari pembangkit yang ada.

2. Keuntungan memakai motor listrik dengan mudah dapat dikopel secara langsung ke pompa, pengoperasiannya mudah, putaran yang dihasilkan konstan, getaran yang ditimbulkan kecil, biaya perawatan murah serta tidak menimbulkan polusi udara.

Besarnya putaran motor listrik dapat ditentukan dengan mengetahui frekuensi dan jumlah kutub pada motor listrik. Pada umumnya frekuensi listrik di Indonesia adalah 50 Hz dapat dilihat pada tabel 3.9 berikut ini.

Tabel 3.9 Harga putaran dan kutubnya

Jumlah kutub Putaran ( rpm )

2 3000

4 1500

6 1000

8 750

10 600

12 500

Pompa dan kompresor, Sularso, Haruo Tahara

Pada pemilihan kali ini dipilih motor listrik dengan 2 buah kutub dan putaran 3000 rpm. Akibat adanya terjadi slip pada motor maka akan terjadi penurunan, besarnya ( 1 ÷ 2)%, sehingga putaran menjadi 2950 rpm.

Motor listrik dikopel langsung dengan pompa sehingga putaran pompa sama dengan putaran motor.

3.6 Putaran spesifik dan tipe impeler

Impeler adalah roda atau rotor yang dilengkapi dengan sudu-sudu, dimana sudu - sudu ini berguna untuk memindahkan energi mekanis poros menjadi energi fluida, tipe impeler suatu pompa ditentukan berdasarkan putaran spesifik pompa tersebut. Putaran spesifik untuk pompa yang memiliki impeler satu tingkat dapat dihitung menggunakan persamaan [Khetagurov, hal 205]:

ns =

Dimana : ns = putaran spesifik [rpm]

n = putaran pompa [rpm] = 2950 rpm Q = kapasitas pompa [gpm] = 42,795 gpm

Sehingga :

ns = = 906,02 rpm

Dari tabel 3.10 diketahui bahwa untuk putaran spesifik, ns = 863,1 rpm maka jenis impeler yang sesuai adalah jenis radial flow.

Tabel 3.10 Klasifikasi impeler menurut putaran spesifik

Jenis impeler ns

Radial flow 500 - 3000 Francis 1500 - 4500 Aliran campur 4500 - 8000 Aliran aksial 8000 ke atas pump selection book, C.P Beaton, G.T Meiklejohn

3.7 Efisiensi Pompa

Efisiensi merupakan parameter yang sangat penting dalam merencanakan pompa. Dengan kondisi sistem yang ada pompa harus dirancang sedemikian hingga menghasilkan efisiensi yang optimal. Efisiensi pompa merupakan perbandingan daya yang diberikan pompa kepada fluida dengan daya yang diberikan motor listrik kepada pompa. Efisiensi total pompa dipengaruhi oleh efisiensi hidrolis, efisiensi mekanis dan efisiensi volumetric.

1. Efisiensi Hidrolis

Efisiensi hidrolis merupakan perbandingan antara head pompa sebenarnya dengan head pompa teoritis dengan jumlah sudu tak berhingga. Besarnya efisiensi hidrolis dapat ditentukan dengan cara interpolasi dari data dibawah ini:

Tabel 3.12 Hubungan antara kecepatan spesifik dengan efisiensi hidrolis

q

n ( 1 menit ) 10 15 20 30 50 100

h

η 0.86 0.91 0.94 0.96 0.97 0.98

Sumber: Turbin, Pompa dan Compresor. Fritz dietzel

Besarnya kecepatan spesifik dapat dicari dengan menggunakan persamaan [Turbin, Pompa dan Compresor. Fritz diesel hal: 258 ]:

1 4 3 − = menit H Q n n_q

Dimana: n_q = kecepatan spesifik ( 1 menit ) Q = kapasitas pompa ( m3 s ) n = kecepatan kerja / putar pompa sehingga didapat:

( )

1

4 ₁₈ 3 0027 . 0 2950 − = menit n_q

= 16,88 1menit

Maka akan didapat nilai efisiensi hidrolis sebesar:

q

n ( 1 menit ) 15 16,88 20

h

η 0.91 η_h 0.94

(

) (

)

91 . 0 94 . 0 94 . 0 15 20 88 . 16 20 −− = −

− ηh

h

2. Efisiensi Volumetris.

Kerugian volumetris disebabkan adanya kebocoran aliran setelah melalui impeler, yaitu adanya aliran balik menuju sisi isap. Efisiensi volumetris dapat ditentukan berdasarkan interpolasi antara kecepatan spesifik impeller:

Table 3.6 hubungan antara kecepatan spesifik impeller dengan efisiensi volimetris

s

n 60 to 100 100 to 150 150 to 220

v

η 0.94 to 0.97 0.97 to 0.99 0.98 to 995

( sumber: Marine Auxiliary Machinery and System,. M. Khetagurov. Hal: 253 )

Kecepatan spesifik impeller dapat dicari dengan menggunkan persamaan (Marine AuxiliaryMachinery and System,. M. Khetagurov. Hal: 205 ): 4 3 65 . 3 H Q n s = η

Dimana: n = kecepatan impeller pompa ( rpm )

s

n = kecepatan spesifik impeler

Maka: 4 3 18 0027 . 0 2950 65 . 3 = s η = 61.61 Sehingga didapat η_v = 0,941.

3. Efisiensi Mekanis.

Besarnya efisiensi mekanis sangat dipengaruhi oleh kerugian mekanis yang terjadi yang disebabkan oleh gesekan pada bantalan, gesekan pada cakra dan gesekan pada paking. Besarnya efisiensi mekanis menurut M. Khetagurov berkisar antara 0.9 – 0.97. Dalam perancangan ini diambil harga efisiensi mekanis 0,95.

Dari perhitungan diatas didapat nilai efisiensi total pompa:

total

η = η_h η_v η_m

= 0.92×0.941×0.95 = 0.82

= 82 %

3.8 Kavitasi

Kavitasi adalah suatu fenomena dimana fluida kerja yang mengalir di dalam pipa atau pompa mengalami perubahan formasi menjadi gelombang uap dan diikuti pecahnya gelembung uap tersebut. Akibat yang ditimbulkan kavitasi adalah :

- Menimbulkan erosi pada sudu-sudu impeler dan rumah pompa - Getaran dan suara berisik karena pecahnya gelembung uap.

Kavitasi pada dasarnya dapata dicegah dengan membuat NPSH yang tersedia lebih besar dari NPSH yang diperlukan. Dalam Perencanaan instalasi popa, hal-hal yang perlu untuk menghindari kavitasi ialah :

- Pipa isap dibuat sependek mungkin

- Jarak antara permukaan air yang dihisap denga letak pompa dibuat serendah mungkin.

3.9 Net Positive Suction Head (NPSH)

Kavitasi akan terjadi jika tekanan statis suatu aliran zat cair turun sampai di bawah tekanan uap jenuhnya. Jadi untuk menghindari kavitasi, ahrus diusahakan agar tidak ada satu bagian pun dari aliran di dalam pompa yang mempunyai teanan statis lebih rendah dari tekanan uap jenuh cairan pada temperatur yang

bersangkutan. Dalam hal ini perlu diperhatikan 2 macam tekanan yang memegang peranan penting, yaitu:

- Tekanan yang ditentukan oleh kondisi lingkungan dimana pompa dipasang

- Tekanan yang ditentukan oleh keadan aliran dalam pompa

Maka dari penjelasan di atas dapat didefinisikan suatu head hisap positif netto (NPSH) adalah dipakai sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi. Dibawah ini akan diuraikan 2 macam NPSH, yaitu:

1.NPSH yang tersedia pada instalasi 2.NPSH yang dibutuhkan pompa

3.9.1 NPSH yang tersedia

NPSH yang tersedia adalah head yang dimili oleh zat cair pada sisi isap pompa yang dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair di tempat tersebut dikurangi dengan head isap statis dan kerugian gesek di dalam pipa. Besar NPSH yang tersedia dapat dihitung dengan persamaan berikut ini [Sularso, Haruo Tahara, hal 44] :

NPSHA =

- -

Za - Hs Dimana :

P1 = tekanan pada pipa isap = 1 atm = 1,0133.105 N/m2

P2 = Tekanan uap jenuh air pada temperature 20oC = 2340 N/m2 γ = Berat zat cair per satuan volume = 9790 N/m2

ZA = Head isap statis = 1,5 m

Hs = kerugian head di dalam pipa isap = 0,34 m Maka:

NPSHA = ( )m - ( )m - 1,5 m- 0,34 m = 8,271 m

3.9.2 NPSH yang diperlukan

Besarnya NPSH yang diperlukan untuk setiap pompa berbeda harganya, tergantung dari pebrik pembuatannya. Namun, untuk perhitungan NPSH yang diperlukan dapat dihitung dari konstanta kavitasi σ seperti di bawah ini [Sularso, Haruo Tahara, hal 45]:

σ =

Dimana :

σ = Koefisien kavitasi = 0,03 HsuN = NPSH yang diperlukan Hn = head total pompa

Lampiran 2 : Kekasaran relative

Sumber : Lobanoff, Val S., Robert R. Ross. Centrifugal Pumps : Design

and Application, 2nd edition, Butterworth – Heinemann, Amerika Serikat, 1985.

Lampiran 3 : Koefisien kerugian gesek pada kelengkapan pipa

Sumber : Lobanoff, Val S., Robert R. Ross. Centrifugal Pumps : Design

and Application, 2nd edition, Butterworth – Heinemann, Amerika Serikat, 1985.

Lampiran 4 : Koefisen kerugian gesek pada kelengkapan sambungan pipa Sumber : Lobanoff, Val S., Robert R. Ross. Centrifugal Pumps : Design

and Application, 2nd edition, Butterworth – Heinemann, Amerika Serikat, 1985.

Lampiran 5 : Kerugian gesek pada katup pompa

Sumber : Karasik, Igor J., William C. Krutzsc, Warren H. Frase, Joseph

Messina. Pump Handbook, 3rd edition, Mc Graw Hill, Amerika Serikat, 2001.

Lampiran 6 : Koefisien gesek pada pipa

Sumber : Karasik, Igor J., William C. Krutzsc, Warren H. Frase, Joseph

Messina. Pump Handbook, 3rd edition, Mc Graw Hill, Amerika Serikat, 2001.

Lampiran 7 :Ukuran – ukuran nominal pipa

Sumber : Nayyar, Mohinder L. Piping Handbook, 7th edition, Mc Graw Hill, Amerika Serikat, 2000.