Analisa Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal Pada Putaran 1500 RPM Dengan Menggunakan Software CFD Fluent 6.1.22

(1)

ANALISA PERANCANGAN INSTALASI POMPA SENTRIFUGAL

PADA PUTARAN 1500 RPM DENGAN MENGGUNAKAN

SOFTWARE CFD FLUENT 6.1.22

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana

FRANSDOLIN A.Z.S.HUTABARAT NIM : 050401092

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

ANALISA PERANCANGAN INSTALASI POMPA SENTRIFUGAL PADA PUTARAN 1500 RPM DENGAN MENGGUNAKAN

CFD FLUENT v 6.1.22.

FRANSDOLIN HUTABARAT NIM : 050401092

Diketahui / Disahkan: Disetujui:

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,

Fakultas Teknik USU Ketua,

Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri Ir. Mulfi Hazwi, MSc NIP. 196412241992111001 NIP. 194910121981031002

(3)

ANALISA PERANCANGAN INSTALASI POMPA SENTRIFUGAL PADA PUTARAN 1500 RPM DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE

CFD FLUENT 6.1.22

FRANSDOLIN A.Z.S. HUTABARAT NIM. 050401092

Telah Disetujui Dari Hasil Seminar Tugas Akhir Periode ke-569, pada Tanggal 20 Maret 2010

Pembanding I :

Tulus B. Sitorus, ST,MT. NIP. 197209232000121003

Pembanding II :

Ir. Isril Amir

(4)

ANALISA PERANCANGAN INSTALASI POMPA SENTRIFUGAL PADA PUTARAN 1500 RPM DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE

CFD FLUENT 6.1.22

FRANSDOLIN A.Z.S. HUTABARAT NIM. 050401092

Telah Diketahui Oleh: Pembimbing/Penguji

Ir. Mulfi Hazwi, MSc. NIP. 194910121981031002

Diketahui Oleh:

Ketua Departemen Teknik Mesin

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP.1964 1224 1992 111001 Penguji I

Tulus B. Sitorus, ST,MT. NIP. 197209232000121003

Penguji II

Ir. Isril Amir

(5)

ABSTRAK

Untuk mengalir air dari reservoir bawah ke reservoir atas maka dibutuhkan sebuah pompa untuk memindahkannya.Pompa akan bekerja secara optimal jika pompa tersebut memiliki instalasi yang sesuai dengan kemampuan pompa itu bekerja.Yang menjadi pedoman dalam membuat instalasi pompa adalah kapasitas ( Q ) dan Tinggi Tekan ( H ) yang dibutuhkan dalam memompakan air tersebut.

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 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.

(6)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan dihadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan kasih serta penyertaan-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

Adapun yang menjadi judul dalam tugas sarjana ini adalah “ Analisa Perancangan Instalasi Pompa pada Putaran 1500 rpm dengan Menggunakan software CFD Fluent 6.1.22 “. Berbagai ilmu yang berkaitan dengan sub program studi konversi energy seperti mesin fluida, mekanika fluida dan pompa kompresor diaplikasikan dalam menyelesaikan perencanaan instalasi, percobaaan dan simulasi pompa sentrifugal yang digunakan.

Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan dalam tugas sarjana ini, dan penulis mengharapkan kritik konstruksi dari pembaca demi kesempurnaan dimasa mendatang.

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

1. Ayahanda ( Dr.Gerben F. Hutabarat DTMH,MSc,SpMK ) dan Ibunda ( T.R. br.Saragih ) serta abangda dan keluarga ( Dr.Blessdova Hutabarat, Dr.Naomi L.Tobing dan Clarissa Hutabarat) yang telah banyak memberikan bantuan moril maupun materi hingga akhirnya skripsi 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 Ir. Isril Amir sebagai kepala proyek dan dosen pembanding yang telah

banyak memberi saran dan masukan.

4. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin, ST, MT. selaku Ketua dan Sekretaris serta seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

5. Kepada teman satu tim koalisi Zulfirman yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai.

6. Semua teman – teman seperjuangan stambuk 2005 di Departemen Teknik Mesin serta teman – teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Ion, Luki & Abel, Erik & Marshall, Berry ) dirumah kontrakan pribadi 14E.

7. Elisha Erianti Roma SKep atas doa dan dukungannya

Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis mengucapakan terima kasih.

Penulis,

Fransdolin Hutabarat ( NIM: 050401092 )

(7)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL i

LEMBAR PENGESAHAN ii

LEMBAR PERSETUJUAN iii

SPESIFIKASI TUGAS iv

LEMBARAN EVALUASI v

KATA PENGANTAR vi

ABSTRAK vii

DAFTAR ISI viii

DAFTAR TABEL x

DAFTAR GAMBAR xi

DAFTAR NOTASI xiii

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang 1

1.2Rumusan dan Batasan Masalah 2

1.3Maksud dan Tujuan 3

1.4Sistematika Penulisan 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Prinsip – prinsip Pompa Sentrifugal 4

2.2 Head Pompa 5

2.3 Putaran Spesifik 7

2.4 Daya Pompa 7

2.5 Aliran Fluida 8

2.6 Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent) 9

2.6.1 Proses Simulasi CFD 10

2.6.2 Metode Diskritisasi CFD 10

BAB III PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA

3.1 Skema Instalasi Pompa yang Direncakan 12

3.2 Penentuan Kapasitas 14

3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi 15

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆HP ) 15

3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆HV ) 15

3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆HS ) 17

3.3.4 Kerugian Head 17

(8)

3.5 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan 24

3.6 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller 26

3.7 Efisiensi Pompa pada Instalasi yang Dirancang 27

3.8 Daya Pompa dan Motor Penggerak 29

3.9 Spesifikasi Hasil Perencanaan 31

3.10.1 Ukuran-ukuran Utama Pompa 32

3.10.1 Ukuran Poros dan Impeler Pompa 32

BAB IV PERMODELAN GEOMETRI DAN ANALISA NUMERIK

4.1 Pendahuluan 38

4.2 Proses Permodelan Pompa Sentrifugal yang direncanakan 39 4.2.1 Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal 40 4.2.2 Proses Solving dan Postprocessing Geometri Rumah Pompa 51 4.3 Analisa Kavitasi dan Performansi dari Pompa Sentrifugal 61 4.3.1 Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 61 4.3.2 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 64 4.3.3 Perhitungan ( Head ) Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 64

4.3.3.1 Tinggi Tekan Kecepatan 65

4.3.3.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 66

4.3.3.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 66

4.4 Analisa Kecepatan pada pipa instalasi dengan CFD 69 4.4.1 Hasil Simulasi Fluent untuk Pipa dan Elbow pada instalasi 69

BAB V KARAKTERISTIK POMPA

5.1 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 74 5.1.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 74 5.1.2 Hubungan Efisiensi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 80 5.2 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 82 5.2.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 82 5.2.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 88

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan 95

6.2 Saran 96

DAFTAR PUSTAKA

(9)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Kekasaran relative (ε) dalam berbagai bahan pipa 19

Tabel 3.2 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap 20

Tabel 3.3 Koefisien kerugian kelengkapan pipa

Tabel 3.4 Harga putaran dan kutubnya

Tabel 3.5 Klasifikasi Impeler Menurut Putaran Spesifik 26

Tabel 3.6 Hubungan antara kecepatan spesifik dengan efisiensi hidrolis 27

Table 3.7 Hubungan antara kecepatan spesifik impeller dengan efisiensi volumetris 28

Tabel 3.8 Jari-jari busur sudut impeler

Tabel 5.1 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System Pada Berbagai Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil

Perhitungan 80

Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa

Berdasarkan Hasil Perhitungan 82

Tabel 5.3 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System Pada Berbagai Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil

Simulasi 88

Tabel 5.4 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Prinsip hukum Bernoulli 5

Gambar 3.1 Skema instalasi perancangan pompa 13

Gambar 3.2 Pompa Sentrifugal yang digunakan 13

Gambar 3.3 Daerah kerja beberapa jenis konstruksi pompa 24

Gambar 3.4 Ukuran – ukuran utama pada impeler 32

Gambar 4.1 Tampilan awal GAMBIT 39

Gambar 4.2 Tampilan awal FLUENT 39

Gambar 4.1 Tampilan hasil file 42

Gambar 4.2 Tampilan hasil grid check 42

Gambar 4.3 Tampilan hasil Grid scale 43

Gambar 4.4 Tampilan hasil smooth/swap grid 43

Gambar 4.5 Kotak dialog solver 44

Gambar 4.6 Kotak dialog viscous model 44

Gambar 4.7 Kotak dialog energy 45

Gambar 4.8 Kotak dialog material 45

Gambar 4.9 Kotak dialog unit 46

Gambar 4.10 Kotak dialog boundary condition 46

Gambar 4.11 Kotak dialog fluid 47

Gambar 4.12 Kotak dialog Zona inlet 47

Gambar 4.13 Kotak Dialog Zona Outlet 48

Gambar 4.14 Kotak dialog zona wall 48

Gambar 4.15 Kotak dialog solution control 49

Gambar 4.16 Kotak dialog solution initialization 49

Gambar 4.17 Kotak dialog residual monitors 50

Gambar 4.18 Kotak panel iterasi 50

Gambar 4.19 Kurva residual iterasi 50

Gambar 4.20 Tampilan hasil file mesh rumah pompa 51

Gambar 4.21 Tampilan hasil grid check rumah pompa 52

Gambar 4.22 Tampilan hasil Grid scale rumah pompa 53

Gambar 4.23 Tampilan hasil smooth/swap grid rumah pompa 53

Gambar 4.24 Kotak dialog solver rumah pompa 54

Gambar 4.25 Kotak dialog viscous model rumah pompa 54

Gambar 4.26 Kotak dialog energy rumah pompa 55

Gambar 4.27 Kotak dialog material rumah pompa 55

Gambar 4.28 Kotak dialog unit rumah pompa 56

Gambar 4.29 Kotak dialog boundary condition rumah pompa 56

Gambar 4.30 Kotak dialog fluid rumah pompa 57

Gambar 4.31 Kotak dialog Zona inlet 57

Gambar 4.32 Kotak Dialog Zona Outlet 58

Gambar 4.33 Kotak dialog zona impeller 58

Gambar 4.34 Kotak Dialog zona wall 59

Gambar 4.35 Kotak dialog solution control 59

Gambar 4.36 Kotak dialog solution initialization 60

Gambar 4.37 Kotak dialog residual monitors 60

Gambar 4.38 Kotak panel iterasi 61

Gambar 4.39 Kurva hasil residual iterasi 61

Gambar 4.40 Kerusakan pada permukaan sudu impeller akibat kavitasi 62 Gambar 4.41 Distribusi tekanan fluida pada pompa sentrifugal 63

(11)

Gambar 4.42 Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada pompa sentrifugal 63 Gambar 4.43 Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada pompa sentrifugal 64 Gambar 4.44 Distribusi kecepatan fluda pada pipa tekan I 69

Gambar 4.45 Distribusi kecepatan fluda pada elbow I 70

Gambar 4.46 Distribusi kecepatan fluda pada pipa tekan II 70 Gambar 4.47 Distribusi kecepatan fluda pada elbow II 71 Gambar 4.45 Distribusi kecepatan fluda pada pipa tekan III 71 Gambar 4.46 Distribusi kecepatan fluda pada elbow III 72 Gambar 4.47 Distribusi kecepatan fluda pada pipa tekan IV 72

Gambar 5.1 Kerugian - kerugian hidrolis 76

Gambar 5.2 Kerugian - kerugian hidrolis 85

Gambar 5.3 Grafik Karakteristik Head vs Kapasitas berdasarkan hasil perhitungan 91 Gambar 5.4 Grafik Karakteristik Head vs Kapasitas berdasarkan hasil simulasi 92

Gambar 5.5. Grafik Perbandingan Efisiensi Pompa 93

(12)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

A Luas Penampang Pipa m2

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

K Kerugian akibat kelengkapan pipa -

k Konstanta Hidrolik -

L Panjang pipa m

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

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

Vr2 Kecepatan radial keluar 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

(13)

ρ Kerapatan fluida kg/m3

(14)

ABSTRAK

Air ini terlebih dahulu ditampung pada reservoir bawah dan kemudian dikirim ke reservoir atas.

(15)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Beberapa keunggulan pompa sentrifugal adalah: harga yang lebih murah, kontruksi pompa sederhana, mudah pemasangan maupun perawatan, kapasitas dan tinggi tekan (head) yang tinggi, kehandalan dan ketahanan yang tinggi.

Pompa sentrifugal memiliki bagian terpenting yang berguna untuk mendorong air tersebut, yaitu Impeler. Bagian itu juga akan dibahas pada bab-bab selanjutnya. Pompa sentrifugal ini memiliki dimensi sudu-sudu yang dirancang sesuai kebutuhan pendistribusian air bersih tersebut.

Dunia industri sangat menginginkan suatu jenis pompa sentrifugal yang dapat beroperasi maksimal dan tahan dioperasikan dalam jangka waktu yang lama, hal ini tidak terlepas dari jenis pompa, pemasangan dan pengoperasian yang tepat sehingga akan bekerja sesuai dengan peruntukannya. Dalam hal ini akan dirancang sebuah pompa Sentrifugal yang akan memompakan air bersih dari reservoir bawah ke reservoir atas dimana instalasi ini terdapat pada laboratorium mesin fluida Departemen Teknik Mesin.

Beberapa pabrikan pompa menggunakan analisa serta simulasi menggunakan perangkat lunak ( software ) guna mendesain pompa tersebut. Dan biasanya beberapa pabrikan pompa tersebut menggunakan program simulasi Computational Fluid Dynamic atau sering disebut dengan CFD. CFD dapat memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur, dan system akustik hanya dengan permodelan di computer. Dengan menggunakan software ini pabrikan pompa tersebut 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 dirancang. 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

(16)

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 pompa tersebut

1.2.Rumusan dan Batasan Masalah

Pompa Sentrifugal yang dirancang untuk memompakan air dari reservoir bawah ke reservoir atas dimana instalasi ini akan dibuat di laboratorium Mesin Fluida Departemen Teknik Mesin. Pembahasan perencanaan ini dititikberatkan pada perancangan komponen system mekanis pompa sentrifugal dan perhitungan prestasi pompa tersebut secara teoritis, yang secara umum terdiri dari :

a. Mensimulasikan sebuah pompa untuk memenuhi kebutuhan reservoar atas dari reservoar bawah, dengan daya motor penggerak 5500 Watt pada putaran 1500 rpm.

b. Penentuan spesifikasi pompa pada instalasi yang akan dibuat di Laboratorium Mesin Fluida.

c. Dalam perencanaan ini yang akan dibahas adalah perencanaan pompa dengan instalasi dari reservoar bawah ke reservoar atas dengan tidak menganalisa baliknya aliran fluida dari resorvoar atas ke reservoar bawah.

d. Perencanaan impeler meliputi jenis serta dimensi, pemilihan penggerak, dan bagian-bagian lain yang akan ditentukan pada bab selanjutnya.

e. Perhitungan karakteristik, efisiensi dan sifat-sifat lainnya.

1.3. Maksud dan Tujuan Perancangan

Tujuan dari analisa perancangan ini adalah mahasiswa dapat mengamati serta dapat merancang sebuah pompa sentrifugal dengan ukuran-ukuran utama pompa sesuai kebutuhan turbin air di Laboratorium Mekanika Fluida sesuai dengan teori yang telah didapat dari perkuliahan dan juga mampu mensimulasikannya dengan menggunakan program komputer Computational Fluid Dynamic ( CFD ) Fluent versi 6.1.22

1.3 Manfaat Perancangan

Manfaat dari perancangan ini bagi pengembangan IPTEK adalah dengan analisa menggunakan program komputer CFD Fluent ini bisa menampilkan virtual

(17)

prototype dari pompa sentrifugal atau bagaimana aliran fluida itu di dalam housing pompa sehingga akan diberikan data - data, gambar - gambar, atau kurva - kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang dirancang. Setelah menggunakan program ini,maka akan didapat hasil-hasil yang mendekati dengan kasus yang akan dijumpai di lapangan dan dapat mempermudah dalam perancangan pompa tersebut

1.4. Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan dalam tugas sarjana ini pada bab I yaitu menguraikan tentang latar belakang perencanaan, tujuan perencanaan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan sistematika penulisan perencanaan.

Bab selanjutnya akan menguraikan tentang pandangan umum berisikan tentang teori - teori yang mendasari perancangan pompa sentrifugal

Bab III akan menguraikan urutan cara kerja yang dilakukan secara jelas dan sistematis untuk melaksanakan perancangan pompa sentrifugal, perhitungan daya pompa, penentuan laju aliran pada pipa tekan dan perhitungan loses yang terjadi.

Hasil perancangan dan pembahasan pompa akan dijelaskan pada bab IV, berisikan hasil dari perancangan yang telah dilaksanakan dan data dianalisis serta disimulasikan supaya mendapatkan hasil yang maksimal dengan perbandingan hasil analisa manual dan simulasi. Perangkat lunak CFD Fluent juga akan digunakan untuk penyempurnaan.

Bab V akan membahas rakteristi pompa dan isi ringkasan dan garis besar dari perencanaan karakteristik pompa sentrifugal yang dirancang.

(18)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Klasifikasi pompa secara umum dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump). Salah satu jenis pompa kerja dinamis adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetik (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pada Instalasi Pengolahan Air (IPA),sebagian besar pompa yang digunakan ialah pompa bertipe sentrifugal. Gaya sentrifugal ialah sebuah gaya yang timbul akibat adanya gerakan sebuah benda atau partikel melalui lintasan lengkung (melingkar). Pompa sentrifugal merupakan pompa kerja dinamis yang paling banyak digunakan karena mempunyai bentuk yang sederhana dan harga yang relatif murah. Keuntungan pompa sentrifugal dibandingkan jenis pompa perpindahan positif adalah gerakan impeler yang kontinyu menyebabkan aliran tunak dan tidak berpulsa ,keandalan operasi tinggi disebabkan gerakan elemen yang sederhana dan tidak adanya katup-katup,kemampuan untuk beroperasi pada putaran tinggi, yang dapat dikopel dengan motor listrik, motor bakar atau turbin uap ukuran kecil sehingga hanya membutuhkan ruang yang kecil, lebih ringan dan biaya instalasi ringan,harga murah dan biaya perawatan murah.

2.1 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.

(19)

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.

2.2 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 2.1. 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

(20)

- 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)

(P2-P1) = ρ( - ) +ρ.g(h2h1)………..(2)

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

(21)

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 = 4 3

t H

Q n

Dimana : ns = putaran spesifik [rpm] n = putaran pompa [rpm] Q = kapasitas pompa [gpm] Hp= head pompa [ft]

2.4 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

2.5 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 :

(22)

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

perhitungannya.

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 relatf

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]

(23)

2.6 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

2.6.1 Proses simulasi CFD

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

a. Preprocessing

Preprocessing merupakan langkah pertama dala membangun dan menganalisis

sebuah model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.

b. Solving

Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang

diterapkan pada saat preprocessing. 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.

(24)

2.6.2 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

(25)

BAB III

PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA

Dalam memilih suatu pompa untuk suatu maksud tertentu, terlebih dahulu harus diketahui kapasitas aliran serta head yang diperlukan untuk mengalirkan zat cair yang akan di pompa.

Selain dari pada itu, agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi, perlu ditaksir berapa tekanan minimum yang tersedia pada sisi masuk pompa yang terpasang pada instalasinya. Atas dasar tekanan isap ini maka putaran pompa dapat ditentukan.

Selanjutnya, untuk menentukan penggerak mula yang akan dipakai, harus lebih dahulu dilakukan penyelidikan tentang jenis sumber tenaga yang dapat dipergunakan di tempat yang bersangkutan.

3.1 Skema Instalasi Pompa Yang Direncanakan

Instalasi yang direncanakan terdiri dari :

− Ground Tank

Ground tank atau tangki bawah berfungsi sebagai sumber air yang akan dialirkan oleh pompa dengan kapasitas maximum 2255 liter.

− Pompa

Yaitu sebagai alat untuk memindahkan atau mentransfer air dari tangki bawah ke tangki atas.

− Roof Tank

Roof tank atau tangki atas berfungsi sebagai tangki tempat penampungan air yang telah dipompakan dari ground tank dengan kapasitas maximum 800 liter.

(26)

Gambar 3.1. Skema instalasi perancangan pompa

Gambar 3.2 Pompa Sentrifugal yang digunakan

3.2 Penentuan Kapasitas

Sesuai dengan percobaan yang di lakukan di Laboratorium Mekanika Fluida diperoleh waktu yang diperlukan untuk mengisi penuh air pada roof tank dengan

(27)

volume 800 L adalah 36 detik, maka dengan menggunakan rumus perhitungan debit air (Q=kapasitas) dapat diketahui bahwa :

t V Qp =

Dimana:

= p

Q kapasitas pompa

V = volume reservoir atas t = waktu

sehingga kapasitas pompa adalah :

t V Q_p =

det 36

800L Qp =

jam m s m s L Qp 3 3 28 , 80 0223 , 0 3 ,

22 = =

Dari hasil perhitungan yang diatas, maka didapat jumlah kebutuhan air pada instalasi turbin adalah 80,23 m3/jam. Dalam perencanaan ini perlu diperhitungkan kebocoran-kebocoran pipa dan kapasitas pompa sehingga diperlukan factor koreksi ( 1,1 sampai 1,15 ) kapasitas total [ Sularso, Haruo Tahara hal 15] sehingga kapasitas pompa adalah :

Qp = 1,15 x 80,23 m3/jam

= 92,322 m3/jam

= 92 m3/jam = 0,0256 m3/s

3.3 Penentuan 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 pemipaan pada pipa isap dan pipa tekan dapat dilihat pada gambar 3.1 . Dengan menyatakan bahwa titik 1 pada permukaan fluida tangki bawah dan titik 2 pada permukaan fluida tangki atas, maka head pompa secara umum dinyatakan dengan persamaan

(28)

Hpompa = ∆HP + ∆HV + HS + HL Dimana:

∆HP = perbedaan head tekanan ( m )

∆HV = perbedaan head kecepatan ( m ) HS = head statis ( m )

HL = kerugian head ( m ) 3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆HP )

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

3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆Hv )

Dalam menentukan perbedaan head kecepatan aliran maka terlebih dahulu dicari besarnya kecepatan aliran dalam pipa. Diameter pipa isapnya biasanya ditentukan sedemikian sehingga kecepatan alirannya 2 m/s 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 3 m/s.

Dari persamaan kontinuitas diperoleh:

QP = VS AS

Dimana:

QP = kapasitas pompa = 0,0256m /3 s

VS = kecepatan Aliran dalam pipa isap ( m/s ) AS = π/4 ( dis )2 = luas bidang aliran ( m2 ) dis = diameter dalam pipa ( m )

diameter dalam pipa isap diketahui dari data instalasi turbin pada Laboratorium Mekanika Fluida, sebesar 4 inch.

Berdasarkan ukuran pipa standart ANSI B.36.10 Schedule 40, maka pipa nominal 1 inchi dengan dimensi pipa:

• Diameter dalam ( dis ) = 4,0275 in = 0,1023 m • Diameter luar ( dos ) = 4,5 in = 0,1143 m

(29)

Dengan ukuran pipa standart pipa tersebut, maka kecepatan aliran yang

sebenarnya sesuai dengan persamaan kontinuitas adalah:

VS =

S P A Q

( )

2 4 is P d Q π =

(

)

1023 , 0 0256 , 0 4

π× m / s

= 0328 , 0 1024 , 0

= 3,122 m /s

Diperoleh kecepatan aliran fluida masih sesuai. Maka Head kecepatan aliran adalah:

HV =

g V 2 2 =

(

)

81 . 9 2 122 , 3 2

× m = 0,4968 m

3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆Hs )

Head statis adalah perbedaan ketinggian permukaan air pada reservoir atas dengan reservoir bawah seperti yang tampak pada gambar diatas.

Dalam perencanaan ini, besarnya head statis adalah: Hs = 11 m

Nilai head statis ini diasumsikan bahwa tinggi air pada permukaan ground tank dengan roof tank tetap.

3.3.4 Kerugian Head

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

Kerugian Head sepanjang Pipa Isap ( hls )

a. Kerugian Head Akibat Gesekan Pada Pipa Isap ( hfs )

Besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa isap menurut Darcy-Weishbach dapat diperoleh dengan persamaan berikut:

(30)

hfs = f g V d L _s is s 2 2 × Dimana:

hfs = kerugian karena gesekan ( m )

f = faktor gesekan ( diperoleh dari diagram Moody ) Ls = panjang pipa hisap = 0,35 m

dis = diameter dalam pipa = 0,1023 m Vs = kecepatan aliran fluida = 3,122 m/s

Untuk menentukan factor gesekan ( f ) terlebih dahulu ditentukan alirannya apakah laminar atau turbulen dengan mencari harga bilangan Reynold, dimana:

υ

is sd V = Re Dengan:

Re = Reynold number

υ = viskositas kinematik, dimana harganya 1.02 x 10-6 m2/s untuk tekanan 1 atm pada suhu 200C

Sehingga diperoleh:

Re = ₆

10 02 . 1 1023 , 0 122 , 3 − × ×

= 313118 ≥ 4000

Maka aliran yang terjadi adalah “ Turbulen “

Bahan pipa isap yang direncanakan adalah Glass and varicus plastic (e.g, PVC and PE pipes) dimana bahan pipa yang direncanakan tersebut mempunyai kekasaran sebesar 0 m sesuai dengan table dibawah.

Table 3.1 Kekasaran relative (ε) dalam berbagai bahan pipa

Pipeline Material Absolute Rougness (ε)

ft mm

Glass and varicus plastic ( e.g, PVC and PE pipes )

( hydraulically smooth )

( hydraulically smooth ) Drawn tubings ( e.g. coper

or aluminium pipes or tubings )

5 x 10-6 1.5 x 10-6

Comersial steel or wrought iron

1.5 x 10-4 4.6 x 10-2

Cast iron with asphalt lining

4 x 10-4 0.12

Galvanized iron 5 x 10-6 0.15

(31)

Wood stave 6 x 10-4 ÷ 3 x 10-3 0.18 ÷ 0.9 Concrete 1 x 10-3 ÷ 1 x 10-2 0.3 ÷ 3.0 Riveted steel 3 x 10-3 ÷ 3 x 10-2 0.9 ÷ 9.0 Pump Handbook, Igor J. Karsik, William C. Krutzsc, Waren H. Frase, Joseph

Messina

Selanjutnya dicari harga faktor gesekan dengan menggunakan diagram moody.

Dari diagram moody untuk bilangan Reynold = 313118 dan ε = 0 dengan cara interpolasi maka akan diperoleh factor gesek ( f ) = 0,014748 sehingga besarnya

kerugian gesek sepanjang pipa isap menurut Darcy-Weishbach adalah:

hfs = f

g V d L s is 2 2 ×

= 0,014748

(

)

81 . 9 2 3,122 0,1023 35 , 0 2 × × ×

= 0,0250 m

b. Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi ( hms )

Besarnya kerugian akibat adanya kelengkapan pipa dapat diperoleh dengan persamaan:

hms =

g V nk s 2 2

∑

Dimana:

hms = kerugian head akibat kelengkapan pipa sepanjang jalur pipa isap n = jumlah kelengkapan pipa

k = koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa

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

Tabel 3.2 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap

Jenis Jumlah K nK

(32)

Total koefisien kerugian 2,0

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

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

hms =

(

)

81 . 9 2 122 , 3 2,0 2 × m = 0,4968 m

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

hls = hfs + hms

= 0,0250 m + 0,4968 m = 0,5218 m

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 standart ANSI B.36.10 Shcedule 40 dengan ukuran pipa nominal 4 inci dan bahan pipa adalah Glass and varicus plastic (e.g, PVC and PE pipes) yang sama dengan pipa hisap.

Ukuran pipa tersebut adalah:

• Diameter dalam ( dis ) = 4,0275 in = 0,1023 m • Diameter luar ( dos ) = 4,5 in = 0,1143 m

Karena bahan dan diameter pipa tekan ini sama dengan pipa hisap, maka bilangan Reynold ( Re ) adalah 313118 dan factor gesekan ( f ) = 0,014748 serta panjang pipa tekan adalah 10,94 m, maka besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa tekan adalah:

hfd = f

g V d L s is 2 2 ×

= 0,014748

(

)

81 . 9 2 122 , 3 1023 , 0 94 , 10 2 × ×

= 0,7835 m

(33)

Tabel 3.3 Koefisien kerugian kelengkapan pipa

Jenis Jumlah K nK

Gate valve (katup gerbang) 1 0,136 0,136 Ball valve (katup bola) 1 0,05 0,05 Elbow long 90o (standard) 3 0,51 1,53 Flanged (inward projecting) 1 0,78 0,78

Tee 1 0,34 0,34

Total koefisien kerugian 2,836

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

Maka harga kerugian head akibat perlengkapan instalasi pipa tekan adalah:

hmd =

g V nk s 2 2

∑

(

)

81 . 9 2 122 , 3 836 , 2 2 ×

× m

= 1,4089 m

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

= 0,7835 m + 1,4089 m = 2,1924 m

Maka kerugian head gesekan total adalah: HL = hls + hld

= 0,5218 m + 2,1924 m = 2,7142 m

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

Htotal = ∆HP + ∆HV + ∆HS +∆HL

(34)

= 14,211 m ≈ 14 m

Namun untuk pemakainnya dalam jangka waktu yang lama maka perlu diperhatikan hal – hal sebagai berikut:

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

− Penurunan kinerja pompa yang dipakai dalam rentang waktu yang lama.

− Kondisi – kondisi lain yang dapat mempengaruhi operasional pompa.

Maka dalam perencanaannya head pompa perlu ditambah ( 10 ÷ 25 ) % [ pump handbook, hal 248 ]. Dalam perencanaan ini dipilih 15 %, maka besarnya head pompa yang akan dirancang:

Htotal = 14 m x ( 1 + 0,25 ) = 17,5 m

≈ 18 m 3.4 Pemilihan Jenis Pompa

Pemilihan jenis pompa dilakukan berdasarkan kapasitas dan head pompa yang

akan direncanakan sebelumnya. Dengan harga kapasias Q =

jam m3

92 = 404,84 gpm

dan head Htotal = 18 m, maka dari gambar dapat dilihat jenis pompa yang cocok digunakan adalah jenis pompa radial.

(35)

Pump selection book, C.P Beaton, G.T Meiklejohn Gambar 3.3 Daerah kerja beberapa jenis konstruksi pompa

3.5 Perhitungan Daya Motor Penggerak

Pada dasarnya pompa memerlukan penggerak mula untuk menggerakkan / mengoperasikan pompa tersebut. Ada beberapa jenis alat penggerak motor yang akan digunakan untuk menggerakkan pompa, antara lain: turbin uap, motor bakar, dan motor listrik.

Pada instalasi ini dipilih motor listrik sebagai alat penggerak mula pompa dengan pertimbangan sebagai berikut [ Pompa dan kompresor : Sularso, Haruo Tahara , hal 59 ]:

 Keuntungan

− Jika tenaga listrik dari PLN atau sumber lain tersedia dengan tegangan yang sesuai di sekitar tempat tersebut, maka penggunaan motor listrik dapat memberikan ongkos yang murah,

− Pengoperasiannya lebih mudah,

− Ringan dan hampir tidak menimbulkan suara,

− Pemeliharaan dan pengaturan mudah.

 Kerugian

− Jika listrik padam, maka pompa tidak dapat bekerja sama sekali,

− Jika pompa jarang dipakai, maka biaya operasinya akan tinggi karena biaya beban tetap harus dibayar,

− Jika lokasi pompa jauh dari jaringan distribusi listrik yang ada, maka biaya penyambungan tenaga listrik akan mahal.

Besarnya putaran motor listrik dapat ditentukan dengan mengetahui frekuensi

dan jumlah kutub pada motor listrik. Pada umumnya frekuensi listrik di Indonesia

adalah 50 Hz. Putaran motor listrik dengan frekuensi 50 Hz dapat dilihat pada table

(36)

Tabel 3.4 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, hal 50.

Pada pemilihan kali ini dipilih motor listrik dengan 4 buah kutub dan putaran 1500 rpm. Akibat adanya terjadi slip pada motor maka akan terjadi penurunan, besarnya ( 0 ÷ 1)%, sehingga putaran menjadi 1450 rpm.

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

3.6 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller

Putaran spesifik untuk pompa jenis saluran roda adalah:

ns = 4 3

t H

Q n

Dimana : ns = putaran spesifik [rpm]

n = putaran pompa [rpm] = 1450 rpm Q = kapasitas pompa [gpm] = 404,84 gpm Hp= head pompa [ft] = 59 ft

Sehingga:

ns =

(

)

( )

₅₉ 34 84 , 404 1450

(37)

Dari tabel 3.5 dibawah diketahui bahwa untuk putaran spesifik, ns = 1370,486

rpm maka jenis impeller yang sesuai adalah jenis Radial flow.

Tabel 3.5 Klasifikasi impeler menurut putaran spesifik Jenis impeler ns

Radial flow 500 - 3000

Francis 3000 - 4500

Aliran campur 4500 - 8000 Aliran aksial 8000 ke atas Pump selection book, C.P Beaton, G.T Meiklejohn

3.7 Efisiensi 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 3.6 Hubungan antara kecepatan spesifik dengan efisiensi hidrolis

n ( menit1 ) 10 15 20 30 50 100

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 ]:

4 3

−

= menit

H Q n n_q

(38)

Q = kapasitas pompa ( m3 s )

n = kecepatan kerja / putar pompa

sehingga didapat:

( )

1 4 ₁₈ 3

0256 , 0 1450 − = menit n_q

= 26,548 menit1

Maka akan didapat nilai efisiensi hidrolis sebesar:

n ( menit1 ) 20 26,548 30

η 0.94 η_h 0.96

(

) (

)

94 . 0 96 . 0 96 . 0 20 30 548 , 26 30 − − = −

− ηh

η = 0,953 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 3.8 Hubungan antara kecepatan spesifik impeller dengan efisiensi volimetris

n 60 to 100 100 to 150 150 to 220

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 ):

(39)

4 3 65 . 3 H Q n s = η

Dimana: n = kecepatan impeller pompa ( rpm )

n = kecepatan spesifik impeler Maka: 4 3 18 0256 . 0 1450 65 . 3 = s η = 96,60 Sehingga didapat η_v = 0,96.

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

= 0.953×0.96×0.95 = 0.8691

= 86,9 %

3.8 Daya Pompa dan Daya Motor Penggerak

Besarnya daya pompa untuk mengalirkan air atau daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan impeller yang dicari dengan persamaan:

Np =

Dimana :

H = Head pompa = 18 m

Q = Kapasitas pompa = 0,0256 m3/s

(40)

ηp = efisiensi pompa = 0,8691 sehingga :

0,8691

1000 18

9.81

0.0256× × ×

= p N

= 5,20 kW

Dalam perencanaan ini, motor listrik dikopel secara langsung dengan poros pompa. Daya motor listrik sebagai motor penggerak poros pompa dapat dihitung dengan persamaan:

(

)

t p m N N

η

α

= 1

Dimana:

Nm = daya motor penggerak ( kW ) Np = daya pompa

α = factor cadangan daya = ( 0.1 ÷ 0.2 ) Untuk motor induksi diambil 0.1

η = efisiensi transmisi = 1.0 dikopel langsung Sehingga:

(

)

0 . 1 1 . 0 1 20 , 5 + = m N

= 5,72 kW

Berdasarkan perhitungan diatas, maka dipilih motor listrik dengan daya 5,72 kW Namun pada instalasi di Laboratorium Mekanika Fluida dipakai motor dengan daya 5,5 kW

3.9 Spesifikasi Hasil Perencanaan

Dari hasil perhitungan diatas dapat ditetapkan spesifikasi perencanaan, sebagai berikut:

 Kapasitas Pompa ( Q ) : 92 m3/jam

 Head Pompa ( H ) : 18 m

 Jenis Pompa : Pompa Radial

(41)

 Tipe impeller : Radial Flow

 Efisiensi Pompa (η_P) : 86,9 %

 Daya Pompa ( Np ) : 5,20 kW

 Daya Motor ( Nm ) : 5,5 kW

3.10.1 Ukuran-Ukuran Utama Pompa 3.10.1.1Ukuran Poros dan Impeller pompa

Untuk dapat memperoleh ukuran poros dan impeller pada pompa maka dilakukan pengukuran pada impeller. Adapun bentuk impeller yang akan diukur adalah seperti yang tertera pada gambar dibawah ini :

Gambar 3.4 Ukuran – ukuran utama pada impeler Keterangan:

1. Diameter Poros pompa ( DS ) = 10 mm

2. Bentuk dan ukuran impeller.

(42)

b. Diameter Mata Impeller (dO ) =101,6 mm c. Diameter Sisi Masuk ( d1 ) = 127 mm d. Diameter Sisi Keluar (d2 ) = 312 mm

e. Lebar Impeler Pada Sisi Masuk ( b₁ ) = 8 mm

f. Lebar Impeler Pada Sisi Keluar ( b₂) = 8 mm

g. Tebal Sudu Pada Sisi Masuk ( t₁ ) = 19 mm

h. Tebal Sudu Pada Sisi Keluar ( t₂ ) = 8 mm

i. Jumlah Sudu ( Z ) = 6 Buah

3. Kecepatan dan Sudut Aliran Fluida Impeler

a. Kecepatan dan Sudut Aliran Fluida Masuk Impeler 1. Kecepatan Aliran Absolute (V1)

Pada pompa dengan impeler radial, aliran fluida masuk secara radial tegak lurus dengan garis singgung impeler sehingga besar sudut masuk absulute ( α1 ) = 900 C dan kecepatan aliran absolute ( V1 ) adalah sama dengan kecepatan radial pada sisi masuk ( Vr1 )

Qth = Kapasitas aliran teoritis pada sisi isap, yaitu kapasitas dengan perkiraan adanya kerugian yang disebabkan fluida dari sisi te kan yang mengalir kembali ke sisi

isap melalui celah impeler, besarnya ( 1,02 ÷ 1,05 ) dari kapasitas pompa, diambil 1,05 [ Fritz Dietzel, hal 261 ].

= 1,05 x 0,0256 m3/s = 0.02688 m3/s

d0 ={

(

)

2 048 , 0 . 02688 . 0 4 + × O V

π }1/2

0,1016 =

  

 ₊ −3

10 . 304 , 2 . 10752 , 0 Vo

π 1/2

8,016.10-3 =

O V . 10752 , 0 π

(43)

V = 4,27171 m/s

Jadi dapat diperoleh nilai Vr1 dengan persamaan :

Vr1 = kecepatan fluida radial sisi masuk

= V0 + (10% ÷ 15%) x V0 ( dipilih 13 % ) = 4,27171 + (0,125 x 4,27171) = 4,8270 m/s 2. Kecepatan Tangensial (U1)

Kecepatan tangensial pada sisi masuk impeler ditentukan dengan persamaan [ Magdy Abou Rayan, hal 102 ] :

U1 = 60

. .d₁n_p π = 60 1450 . 10 . 127 . 14 ,

3 −3

= 9,6371 m/s

3. Sudut Tangensial (β1)

Untuk aliran fluida masuk secara radial ( α = 90 ), maka sudut sisi masuk ( β1 ) dapat dihitung dengan persamaan berikut [ Magdy Abou Rayan, hal 102 ]:

1 1 1 arctan V V_r = β

= arc tan 

     6371 , 9 8270 , 4

= 26,60 0

Maka segitiga kecepatan diatas pada sisi masuk impeler dapat digambarkan sebagai berikut

Gambar 3.5 Segitiga Kecepatan

Dari gambar 3.5 dapat diketahui bahwa kecepatan relatif pada sisi masuk impeler (W1) adalah :

(44)

= 60 , 26 sin 8270 , 4

= 10,780 m/s

b. Kecepatan dan Sudut Aliran Keluar Impeler 1. Kecepatan Radial Aliran (Vr2)

Dari perhitungan sebelumnya kecepatan radial pada sisi keluar impeler Vr2 adalah sebesar 4,8270 m/s

2. Kecepatan Tangensial (U2)

U2 = 60

. .d₂ n_p π = 60 1450 10 . 312 14 ,

3 × −3 ×

= 23,67 m/s

3. Sudut tangensial Keluar Impeler (β2) Z = 6,5

Dimana Z ( Jumlah Sudu ) = 6

Z = 6,5

    − + 127 312 127 312 . sin     + 2 2 1 β β sin     + 2 2 1 β

β _{= 0,389}

β + β₂ = 45,780 2

β = 45,780- 26,600 2

β = 19,180

4. Kecepatan Absolut Tangensial ( Vu2 )

Vu2 = U2 - 2 2 tanβ

r V

[Stepanoff, hal 49]

= 23,67 -

18 , 19 8270 , 4 Tan = 9,823 m/s 5. Sudut Absolut Keluar Impeler (α₂₎

(45)

α = arc tan 2 2 u r V V

= arc tan 823 , 9 8270 , 4

= 26,16 0

6. Kecepatan Sudut Absolut keluar impeler ( W2 )

W2 = 2 2 sinβ r V = 18 , 19 sin 8270 , 4

= 13,692 m/s 7. Kecepatan Absolut aliran keluar ( V2)

V2 = 2 2 sinα r V = 16 , 26 sin 8270 , 4

= 10,948 m/s

9,82 23,67 13,69 26, 16 4, 82 19, 18 Vu2 U2 w2

Gambar 3.6 Segitiga Kecepatan 4. Melukis Bentuk Sudu

Ada dua metode yang digunakan dalam melukis bentuk sudu, yaitu : 1. Metode arcus tangent

2. Metode koodinat polar

Dalam melukis bentuk sudu sering digunakan metode arcus tangent, yaitu dengan membagi-bagi impeler beberapa ruang konsentris diantara jari-jari R1 dan R2. Jarak masing-masing lingkaran adalah :

(46)

R1 = jari-jari lingkaran sudu sisi masuk impeler = d1 / 2 = 127/2 = 63,5 mm

R2 = jari-jari lingkaran sudu sisi keluar = d2/2 = 312/2 = 156 mm

i = jumlah bagian yang dibentuk oleh lingkaran konsentris direncanakan 4 bagian.

Maka diperoleh :

R = ₄

5 , 63 156−

= 23,125 mm

Perubahan besar sudut kelengkungan ( ) terhadap perubahan R adalah :

= 4 60 , 26 18 , 19 −

= - 1,8550

Jari-jari kelengkungan busur pada setiap lingkaran dapat dihitung dengan persamaan :

Dimana :

i = menyatakan lingkaran bagian dalam o = menyatakan lingkaran bagian luar

Harga-harga setiap jari-jari busur dan sudut pada setiap bagian lingkaran yang membentuk sudu impeler dihitung dan ditabelkan pada tabel 4.2. berikut :

Tabel 3.8. Jari-jari busur sudu impeler

Link R (mm)

R2 (mm2)

R cos

R0 cos

- Ri cos

R02 – Ri2

(mm)

1 63,5 4032,25 26,60 56,778 - - -

B 86,625 7503,890 24,745 78,671 21,893 3471,64 79,286 C 109,75 12045,0625 22,89 101,107 22,436 4541,172 101,2028 D 132,875 17655,7656 21,035 124,020 22,913 5610,7031 122,434

(47)

BAB IV

PERMODELAN GEOMETRI DAN ANALISA NUMERIK 4.1 Pendahuluan

Dalam bab ini akan dianalisa prototype pompa sentrifugal yang telah dirancang dengan menambah putaran pompa sebesar 1500 rpm untuk pompa pada bab-bab sebelumnya. Analisa prototype pompa sentrifugal ini menggunakan metode perhitungan komputasi dinamika fluida atau Computational Fluid Dynamics ( CFD ) dengan program komputer FLUENT 6.1.22. yang diproduksi oleh Fluent.inc. Program tersebut mampu menganalisa kemungkinan aliran fluida yang terjadi pada sebuah sistem, dengan menggunakan pendekatan metode elemen hingga. Proses simulasi CFD ini terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan , yaitu :

a. Preprocessing

Preprocessing merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat model dalam paket CAD ( Computer Aided Design ), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya.

b. Solving

Solver (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi - kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing.

c. Postprocessing

Postprocessing adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasikan data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi.

CFD FLUENT ini terbagi atas dua program pendukung yaitu :

a. GAMBIT ( Geometry And Mesh Building Intelligent Toolkit )

GAMBIT merupakan salah satu preprocessor yang membantu untuk membuat geometri dan melakukan diskritisasi (meshing) pada model untuk dapat dianalisa pada program FLUENT.

(48)

Gambar 4.1. Tampilan awal GAMBIT b. FLUENT

FLUENT merupakan solver dan postprocessor yang menggunakan metode elemen hingga untuk menyelesaikan berbagai macam kasus aliran fluida dengan mesh yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah.

Gambar 4.2. Tampilan awal FLUENT

4.2 Proses permodelan pompa sentrifugal yang telah direncanakan

4.2.1 Proses permodelan impeler pompa sentrifugal

A. Proses pembuatan geometri impeler pompa sentrifugal

Permodelan geometri dari pompa sentrifugal ini dilakukan di program GAMBIT sebagai tahap preprocessing. Dalam proses pembuatan geometri ini, prototype pompa sentrifugal tersebut digambar dalam 2 - D (2 dimensi), dan juga menggunakan program AutoCAD untuk menentukan titik - titik ( vertices) supaya

(49)

lebih mudah menggambarnya. Adapun tahap -tahap yang harus dilakukan dalam menggambar prototype geometri tersebut adalah:

Flow Chart pada GAMBIT

B. Asumsi Kondisi Fluida

Dalam menganalisa aliran fluida pada CFD Fluent, asumsi yang dipakai pada fluida yaitu :

1. Air sebagai material berada pada kondisi steady state (tunak) 2. Temperatur lingkungan pada suhu kamar 20º C

3. Material properties pada suhu 20º C

• Massa jenis (ρ) 998,2 kg/m3

• Viskositas 0,001003 cP

• V masuk sesuai perhitungan manual 3,122 m/s

C. Proses solving dan postprocessing geometri impeler pompa sentrifugal Proses solving dan postprocessing diselesaikan dengan menggunakan program FLUENT. Geometri yang sudah dibuat di program GAMBIT akan dieksekusi di program ini dan data – data sifat fisik dari geometri tersebut diinput dalam program ini sebelum dimasukkan pada proses iterasi yang kemudian akan menghasilkan data-data yang diinginkan,dalam hal ini akan dihasilkan distribusi tekanan, distribusi turbulensi dan distribusi vektor kecepatan. Proses analisa dalam FLUENT ini

Membuat gambar impeller pada Auto CAD untuk mendapatkan nilai-nilai titik koordinat

Memasukkan nlai titik-titik yang didapat dari Auto CAD ke dalam GAMBIT

Membuat jaring Geometri (Mesh)

Membuat kondisi batas pada impeller yang digambar

Mengeksport file geometri ke file mesh

(50)

dilakukan pada impeler saja dan pada saat impeler dalam housing pompa sentrifugal tersebut.

Hasil analisa dari impeler pompa sentrifugal ini dapat juga memberitahu daerah- daerah yang kemungkinan terjadinya kavitasi akibat dari tekanan rendah yang terjadi dan daerah tersebut akan dapat dilihat pada distribusi tekanan nanti. Adapun tahap-tahap yang harus dilaksanakan dalam proses eksekusi ini adalah sebagai berikut:

a. Membuka file mesh

File mesh yang sudah disimpan pada file directory GAMBIT dibuka pada tahap ini dengan membuka menu File kemudian read case, pilih nama file .msh yang disimpan lalu OK.

Gambar 4.1 Tampilan hasil file meshnya b. Memeriksa grid

Geometri tersebut akan diperiksa nilai minimum dan maskimum dari x dan y dan juga memastikan bahwa luas dan volum yang terjadi adalah positif. Jikalau nilai negatif yang terjadi maka geometri harus di gambar ulang di GAMBIT. Grid akan diperiksa dengan membuka menu grid lalu check

(51)

Gambar 4.2 Tampilan hasil grid check

c. Menskalakan grid

Pada dasarnya geometri tersebut belum memiliki satuan panjang apapun,maka grid akan diskalakan melalui menu grid kemudian scale, pada dropdown list unit pilih mm , kemudian scale.

Gambar 4.3 Tampilan hasil Grid scale d. Memperhalus Grid

Grid akan diperhalus apabila masih kasar dengan membuka menu grid,pilih smooth/swap, maka akan muncul panel smooth/swap grid, klik smooth kemudian klik swap lagi bergantian sampai number swappednya 0. Klik close jika sudah.

(52)

Gambar 4.4 Tampilan hasil smooth/swap grid e. Mendefinisikan model

1. Mengatur solver yang digunakan

Klik menu define lalu models, kemudian solver. Pada checkbox solver pilih segregated. Lalu klik OK.

Gambar 4.5 Kotak dialog solver 2. Mengaktifkan model aliran viscous

Membuka menu define lalu models kemudian viscous model, dan aktifkan model standard k – ε , lalu klik OK.

Gambar 4.6 Kotak dialog viscous model

3. Mengaktifkan persamaan energi untuk menghitung perpindahan panas Membuka menu define lalu models dan kemudian energy, maka akan muncul kotak dialog energy dan mengaktifkan energy equation nya, kemudian klik OK.

(53)

Gambar 4.7 Kotak dialog energy f. Mendefinisikan material

Material yang digunakan adalah air ( water liquid ), maka klik menu define lalu material kemudian klik database FLUENT nya. Pada dropdown list fluid materialnya pilih water liquid, kemudian klik copy, setelah itu kembali ke panel material dan klik change/create.

Gambar 4.8 Kotak dialog material g. Mendefinisikan satuan

Satuan untuk angular velocity masih dalam rad/s maka satuan tersebut akan diubah menjadi rpm dengan membuka menu define lalu klik unit, pilih angular velocity lalu klik rpm.

Gambar 4.9 Kotak dialog unit a. Mendefinisikan kondisi batas

(54)

Kondisi batas yang telah ditentukan di GAMBIT akan diisikan dengan data-data fisik dari fluida dan geometri tersebut pada FLUENT ini. Klik define lalu Boundary Condition. Maka akan muncul panel box boundary condition.

Gambar 4.10 Kotak dialog boundary condition 1. Mendefinisikan kondisi fluida

Pilih Fluid pada panel box boundary condition pilih set. Kemudian pilih water liquid pada material name lalu OK.

Gambar 4.11 Kotak dialog fluid 2. Mendefinisikan kondisi zona inlet

Pilih inlet pada panel box boundary condition pilih set. Kemudian masukkan nilai kecepatan sisi masuk pompa pada kolom velocity magnitude sebesar 3,122 m/s kemudian klik OK

(55)

Gambar 4.12Kotak dialog Zona inlet 3. Mendefinisikan kondisi zona outlet

Pilih outlet pada panel box boundary condition pilih set kemudian klik OK.

Gambar 4.13 Kotak Dialog Zona Outlet 4. Mendefinisikan kondisi pada dinding impeller (wall)

Pilih wall pada panel box boundary condition kemudian pilih set. Kemudian pada tab momentum pilih moving wall dan pilih rotational sebagai gerakannya masukkan nilai kecepatan putarnya sebesar 1450 rpm.

(56)

Gambar 4.14 Kotak dialog zona wall 5. Memulai iterasi

1. Memilih pengontrol solusi

Pilih menu solve kemudian pilih controls dan klik solution, lalu OK

Gambar 4.15 Kotak dialog solution control 2. Menginisiasi iterasi

Pilih menu solve kemudian pilih initialize, maka akan muncul panel solution initialization, pada dropdown list compute from pilih inlet kemudian klik init lalu close.

Gambar 4.16 Kotak dialog solution initialization 3. Mengaktifkan Pengeplotan residu iterasi selama proses iterasi

Pengeplotan residu iterasi dibuka dari menu solver lalu pilih monitors kemudian pilih residuals. Akan muncul panel residual monitors kemudian pada check box options klik plot lalu klik OK.

(57)

Gambar 4.17 Kotak dialog residual monitors 4. Memulai iterasi

Problem ini akan diiterasikan pada menu solver lalu pilih iterasi. Dan ketikkan number of iterations adalah 1000 lalu klik iterate.

Gambar 4.18 Kotak panel iterasi

Gambar 4.19 Kurva residual iterasi

4.2.2 Proses solving dan postprocessing geometri rumah pompa sentrifugal

Proses solving dan postprocessing diselesaikan dengan menggunakan program FLUENT. Geometri yang sudah dibuat di program GAMBIT akan dieksekusi di program ini dan data – data sifat fisik dari geometri tersebut diinput dalam program ini sebelum dimasukkan pada proses iterasi yang kemudian akan menghasilkan data-data yang diinginkan. Hasil analisa dari rumah pompa sentrifugal ini dapat juga memberitahukan distribusi kecepatan, distribusi turbulensi, serta distribusi tekanan

(58)

pada rumah ( housing) pompa tersebut. Adapun tahap-tahap yang harus dilaksanakan dalam proses eksekusi ini adalah sebagai berikut:

a. Membuka file mesh

File mesh yang sudah disimpan pada file directory GAMBIT dibuka pada tahap ini dengan membuka menu File kemudian read case, pilih nama file .msh yang disimpan lalu OK.

Gambar 4.20 Tampilan hasil file mesh rumah pompa

b. Memeriksa grid

(59)

Gambar 4.21 Tampilan hasil grid check c. Menskalakan grid

Pada dasarnya geometri tersebut belum memiliki satuan panjang apapun,maka grid akan diskalakan melalui menu grid kemudian scale, pada dropdown list unit pilih mm , kemudian scale.

Gambar 4.22 Tampilan hasil Grid scale d. Memperhalus Grid

Gambar 4.23 Tampilan hasil smooth/swap grid e. Mendefinisikan model

1. Mengatur solver yang digunakan

Klik menu define lalu models, kemudian solver. Pada checkbox solver pilih segregated. Lalu klik OK.

(60)

Gambar 4.24 Kotak dialog solver 2. Mengaktifkan model aliran viscous

Membuka menu define lalu models kemudian viscous model, dan aktifkan model standard k – ε , lalu klik OK.

Gambar 4.25 Kotak dialog viscous model

(61)

4. Mendefinisikan material

Gambar 4.27 Kotak dialog material 5. Mendefinisikan satuan

Satuan untuk angular velocity masih dalam rad/s maka satuan tersebut akan diubah menjadi rpm dengan membuka menu define lalu klik unit, pilih angular velocity lalu klik rpm.

Gambar 4.28 Kotak dialog unit 6. Mendefinisikan kondisi batas

(62)

Gambar 4.29 Kotak dialog boundary condition f. Mendefinisikan kondisi fluida

Pilih Fluid pada panel box boundary condition pilih set. Kemudian pilih water liquid pada material name lalu OK.

Gambar 4.30 Kotak dialog fluid g. Mendefinisikan kondisi zona inlet (masuk)

Pilih masuk pada panel box boundary condition pilih set. Kemudian masukkan nilai kecepatan sisi masuk pompa pada kolom velocity magnitude sebesar 3,122 m/s kemudian klik OK

(63)

h. Mendefinisikan kondisi zona outlet (keluar)

Pilih keluar pada panel box boundary condition pilih set, Lalu ketikkan diameter sisi tekan ( diameter dalam pipa tekan ) kemudian klik OK.

Gambar 4.32 Kotak Dialog Zona Outlet i. Mendefinisikan kondisi pada dinding impeller (impeler)

Pilih impeler pada panel box boundary condition kemudian pilih set. Kemudian pada tab momentum pilih moving wall dan pilih rotational sebagai gerakannya masukkan nilai kecepatan putarnya sebesar 1450 rpm.

Gambar 4.33 Kotak dialog zona impeller j. Mendefinisikan kondisi pada dinding rumah pompa (wall)

Pilih wall pada panel boundary condition pilih set, karena dinding tidak mengalami pergerakan apapun ( stationary ), maka biarkan panel pada kondisi defaultnya lalu klik OK.

(64)

Gambar 4.34 Kotak Dialog zona wall k. Memulai iterasi

1. Memilih pengontrol solusi

Pilih menu solve kemudian pilih controls dan klik solution, lalu OK.

Gambar 4.35 Kotak dialog solution control 2. Menginisiasi iterasi

Pilih menu solve kemudian pilih initialize, maka akan muncul panel solution initialization, pada dropdown list compute from pilih inlet kemudian klik init lalu close.

(65)

Gambar 4.36 Kotak dialog solution initialization

3. Mengaktifkan Pengeplotan residu iterasi selama proses iterasi

Pengeplotan residu iterasi dibuka dari menu solver lalu pilih monitors kemudian pilih residuals. Akan muncul panel residual monitors kemudian pada check box options klik plot lalu klik OK.

Gambar 4.37 Kotak dialog residual monitors 4. Memulai iterasi

Problem ini akan diiterasikan pada menu solver lalu pilih iterasi. Dan ketikkan number of iterations adalah 1000 lalu klik iterate

(66)

Gambar 4.39 Kurva hasil residual iterasi

4.3 Analisa kavitasi dan performansi dari pompa sentrifugal yang telah direncanakan

4.3.1 Analisa kemungkinan kavitasi yang terjadi

Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam cairan yang terjadi akibat turunnya tekanan cairan sampai di bawah tekanan uap jenuh cairan ( dimana suhu air yang digunakan adalah 20o C, maka nilai tekanan uap air jenuh adalah sebesar 2340 N/m2) pada suhu operasi pompa. Gelembung uap yang terbentuk dalam proses ini mempunyai siklus yang sangat singkat. Knapp (Karassik dkk, 1976) menemukan bahwa mulai terbentuknya gelembung sampai gelembung pecah hanya memerlukan waktu sekitar 0,003 detik. Gelembung ini akan terbawa aliran fluida sampai akhirnya berada pada daerah yang mempunyai tekanan lebih besar daripada tekanan uap jenuh cairan. Pada daerah tersebut gelembung tersebut akan pecah dan akan menyebabkan shock pada dinding di dekatnya. Cairan akan masuk secara tiba-tiba ke ruangan yang terbentuk akibat pecahnya gelembung uap tadi sehingga mengakibatkan tumbukan. Peristiwa ini akan menyebabkan terjadinya kerusakan mekanis pada pompa.

Gambar 4.40 Kerusakan pada permukaan sudu impeller akibat kavitasi

Satu gelembung memang hanya akan mengakibatkan bekas kecil pada dinding namun bila hal itu terjadi berulang-ulang maka bisa mengakibatkan terbentuknya lubang-lubang kecil pada dinding. Bahkan semua material bisa rusak oleh kavitasi bila dibiarkan terjadi dalam jangka waktu yang lama. Adanya benda asing yang masuk ke dalam pompa akan lebih memperparah kerusakan sebab akan menyebabkan erosi pada dinding impeller. Maka hasil distribusi tekanan dan turbulensi di bawah ini akan menunjukkan daerah-daerah yang kemungkinan akan terjadi kavitasi pada pompa

(67)

yang telah direncanakan sebelumnya ini. Daerah –daerah yang memiliki tekanan fluida dibawah tekanan uap air jenuh atau sebesar 2340 Pa maka daerah tersebut memiliki kemungkinan kavitasi.

Gambar 4.41 Distribusi tekanan fluida pada pompa sentrifugal

(68)

Gambar 4.43 Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada pompa sentrifugal

a. Analisa performansi dari pompa sentrifugal

Dalam hasil simulasi pompa sentrifugal tersebut dihasilkanlah vektor – vektor kecepatan dengan terdapat nilai-nilai kecepatan yang terjadi pada rumah pompa sentrifugal tersebut. Distribusi kecepatan dihasilkan dengan menginput nilai kecepatan masuk maka akan dihasilkannya nilai kecepatan pada sisi keluar pompa sentrifugal berdasarkan simulasi. Dengan menggunakan nilai kecepatan masuk pada BAB III Vs = 3,122 m/s maka akan didapat kecepatan rata –rata yang berada di sisi keluar rumah pompa ( Vd ). Dengan menggunakan nilai Vs dan Vd maka dihasilkan head (tinggi tekan) yang mampu dihasilkan pompa tersebut berdasarkan dari hasil simulasi.

4.3.3 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Berdasarkan Hasil simulasi Berdasarkan hasil analisa Fluent diatas tampak bahwa kecepatan aliran fluida mengalir disisi pipa isap adalah 7,21 m/s, sehingga dapat dihitung tinggi tekan ( head ) berdasarkan hasil simulasi.

1. Perbedaan Head Kecepatan

Dari hasil simulasi didapat nilai tidak sama dengan nilai , sehingga akan

terjadi head kecepatan akibat perbedaan kecepatan tersebut. - Head kecepatan pada sisi isap (

(69)

Hvs = g V_s 2 ) ( 2

( m )

= ) 81 , 9 ( 2 ) 122 , 3 ( 2

= 0,4968 m

a.Head kecepatan pada sisi tekan ( Hvd )

Hvd = g V_d

2 )

( 2

( m )

= ) 81 , 9 ( 2 ) 21 , 7 ( 2

= 2,6495 m

Maka nilai perbedaan head kecepatannya adalah :

v H

∆ = Hvd - Hvs

= 0,4968 m – 2,6495 m = 2.1527 m

4.3.3.1 Tinggi Tekan ( Head ) Kecepatan

Head kecepatan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan dibawah ini.

= Dimana:

= beda head kecepatan

= kecepatan aliran pada pipa tekan = keceparan aliran pada pipa isap Maka:

= 2,1527 m 4.3.3.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap

Dari pembahasan sebelumnya, untuk kecepatan aliran fluida pada pipa isap 3,122 m/s telah dibahas hls = 0,5218 m

4.3.3.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan

Besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa tekan menurut Darcy-Weishbach dapat diperoleh dengan persamaan berikut:

(70)

hfd = f g V d L _d is s 2 2 ×

Untuk menentukan factor gesekan ( f ) terlebih dahulu ditentukan harga bilangan Reynold, dimana:

υ

is dd V = Re Dengan:

= kecepatan aliran pada pipa tekan = 7,21 m/s Sehingga diperoleh:

Re = = 723120.5882 Aliran yang terjadi adalah “ Turbulen “.

Dari pembahasan Bab sebelumnya Kekasaran Relative ( ) = 0 dan

selanjutnya akan dicari harga factor gesekan dengan menggunakan diagram moody. Dari diagram moody untuk bilangan Reynold = 723120,5882 dan e/ dis = 0 dengan cara interpolasi maka akan diperoleh factor gesek ( f ) = 0,01192. Sehingga besarnya kerugian gesek sepanjang pipa isap menurut Darcy-Weishbach adalah:

Hfd = f

g V d L s is 2 2 ×

= 0,01192

(

)

81 , 9 2 7,21 0,1023 35 , 0 2 × × ×

= 0,1080 m

b. Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi

Besarnya kerugian akibat adanya kelengkapan pipa dapat diperoleh dengan persamaan:

hmd =

g V nk d 2 2

∑

Dimana:

hms = kerugian head akibat kelengkapan pipa sepanjang jalur pipa isap n = jumlah kelengkapan pipa

k = koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa untuk putaran 1500 rpm Besarnya koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa untuk simulasi perancangan pada putaran 1500 rpm

Sehingga dapat dihitung besarnya kerugian head akibat kelengkapan pipa pada pipa tekan adalah sebagai berikut:

(71)

hmd = 2,83 = 5,2990 m

Maka total tinggi tekan ( head ) pada pipa tekan berdasarkan data hasil simulasi fluent adalah yaitu:

hld = hfd + hmd

= 0,1080 m + 5,2990 m = 5,407 m

Maka kerugian head gesekan total berdasarkan data hasil simulasi CFD Fluent adalah: hL = hls + hld

= 0,5218 m + 5,407 m = 5,9288 m

Dari perhitungan sebelumnya maka dapat ditentukan head total yang dibutuhkan melayani instalasi pemipaan dengan simulasi putaran 1500 rpm, yaitu

H ( total) = HV + HS + HL

= 2,1527 + 11 + 5,9288 = 19,08 m

Flow Chart pada Fluent Membuka file Mesh yang telah dibuat pada GAMBIT

• Grid Check

• Menskalakan ukuran

• Smooth / Swap

Pendefenisian

•Material

•Satuan

•Kondisi batas

•Fluida

•Zona masuk fluida

•Zona keluar fluida

•Kondisi dinding

Memulai iterasi konvergen

YA TIDAK

(72)

4.4 Analisa Kecepatan pada pipa instalasi dengan CFD Skema Instalasi Perancangan Pompa

4.4.1 Hasil Simulasi Fluent untuk Pipa dan Elbow pada Instalasi Pada Pipa (1)

Gambar 4.44 Distribusi kecepatan fluida pada pipa tekan I

1

2

3

4

5

6 ₇

Menampilkan hasil

Keterangan Gambar :

1. Pipa I 5. Pipa V 2. Elbow II 6. Elbow VI 3. Pipa III 7. Pipa VII 4. Elbow IV

(73)

Pada pipa tekan yang pertama (dalam gambar no.1) dimasukkan kecepatan (Vd) yang didapat dari hasil simulasi Pompa yaitu 7,21 m/s2. Lalu didapat kecepatan yang keluar dari pipa yaitu 6,945 m/s2. Kemudian kecepatan yang keluar dari pipa yang pertama 6,945 m/s2, dimasukkan sebagai kecepatan awal pada elbow berikutnya. Demikian seterusnya untuk pipa dan elbow berikutnya.

Elbow (2)

Gambar 4.45 Distribusi kecepatan fluida pada elbow I V masuk 6,945 m/s V keluar 6,6 m/s

Pada Pipa (3)

Gambar 4.46 Gambar distribusi kecepatan fluida pada pipa tekan II V masuk 6,6 m/s V keluar 6,57 m/s

(1)

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

(2)

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.

(3)

(4)

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.

(5)

Lampiran 7 :Ukuran – ukuran nominal pipa

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

(6)

DAFTAR PUSTAKA

Beaton, C.F., G.T. Meiklejohn. Pump Selection Book, Process Development Division, Amerika Serikat, 1953.

Dietzel, Fritz, Dakso Sriyono. Turbin Pompa dan Kompresor, Erlangga, Jakarta, 1992.

Dicmas, John L. Vertical turbine, Mixed flow and propeller pumps. Mc Graw Hill, Amerika Serikat, 1987.

Fluent.Inc. GAMBIT 2.2 Tutorial Guide, Libanon, 2004. Fluent.Inc. FLUENT 6.3 Tutorial Guide, Libanon, 2006.

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

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

Khetagurov, M. Marine Auxiliary Machine system, Peace Publisher, Moskow, 1970. Lobanoff, Val S., Robert R. Ross. Centrifugal Pumps : Design and Application, 2nd

edition, Butterworth – Heinemann, Amerika Serikat, 1985.

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

Nielsen, Louis S. Standard Plumbing Engineering Design, 2nd edition, Mc Graw Hill, Amerika Serikat, 1982.

Noerbambang, Soufyan M., Takeo Morimura. Perancangan dan Pemeliharaan Sistem

Plambing, Pradnya Paramita, Jakarta, 1983.

Rayan, Magdy Abou. Textbook of machines hydraulic, Zagazig University.

Stepanoff, Alexey J. Centrifugal and Axial flow pumps, 2nd edition, John Willey and sons, New York, 1957.

Sularso, Haruo Tahara. Pompa dan Kompresor, Pradnya Paramita, Jakarta, 2000. Sularso, Kiyokatsu Suga. Dasar Perencanaan dan Pemilihan elemen mesin, Pradnya

Paramita, Jakarta, 1987.

Analisa Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal Pada Putaran 1500 RPM Dengan Menggunakan Software CFD Fluent 6.1.22