Simulasi Pengaruh NPSH Terhadap Terbentuknya Kavitasi Pada Pompa Sentrifugal Dengan Menggunakan Program Komputer Computational Fluid Dyanamic Fluent

(1)

SIMULASI PENGARUH NPSH TERHADAP TERBENTUKNYA

KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN

MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER

COMPUTATIONAL FLUID DYANAMIC FLUENT

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

AURORA PUSPITA SARI NIM. 05 0401 030

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN


(2)

ABSTRAK

Salah satu kegagalan yang terjadi pada pengoperasian pompa sentrifugal dilapangan adalah kavitasi. Kavitasi merupakan peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap didalam cairan yang sedang mengalir. Fenomena ini terjadi akibat turunnya tekanan fluida sampai di bawah tekanan uap jenuh fluida dan turbulensi (pulsasi). Pada pompa sentrifugal, kavitasi dapat terjadi pada suction pompa maupun pada pipa aliran fluida. Indikasi kavitasi adalah timbulnya gelembung-gelembung uap, getaran dan suara bising pada pompa. Dampak kavitasi pada pompa adalah kerusakan pada sudu pompa dan performansi pompa menurun. Kavitasi dipengaruhi oleh perubahan NPSH yang tersedia yang nilainya harus lebih besar daripada NPSH yang diperlukan yang sudah dirancang dari pabrik. Perubahan tekanan pada bagian sisi isap pompa akan mempengaruhi perubahan NPSH yang tersedia. Bila NPSH yang tersedia mengalami pernurunan, maka performansi pompa juga akan mengalami penurunan. Dan ini merupakan kerugian dalam merancang pompa yang harus dihindari.

Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinu (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).


(3)

KATA PENGANTAR

Bismillahirrohmanirrohim

Assalamu alaikum Wr. Wb.

Puji dan syukur kehadirat Allah Swt atas berkat dan rahmat-Nya yang telah memberikan penulis kesehatan jasmani dan rohani sehingga dapat menyelesaikan Skripsi ini. Adapun Skripsi ini dibuat untuk melengkapi syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik dengan judul:

“SIMULASI PENGARUH NPSH TERHADAP TERBENTUKNYA KAVITASI PADA

POMPA SENTRIFUGAL DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER

COMPUTATIONAL FLUID DYANAMIC FLUENT”.

Selama penulisaan laporan ini penulis banyak mendapat bimbingan dan pengarahan, saran dan bantuaan baik berupa tenaga, materi maupun dorongan semangat dari berbagai pihak yang sangat bermanfaat bagi penulis.

Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan banyak terima kasih kepada :

1. Kepada kedua orang tua penulis, Ayahanda Mukharram Fauruzai dan Ibunda Runta Puspita, yang telah begitu berjasa membimbing dan memberi semangat. 2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi MSc, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan

saran dan pengetahuan.

3. Bapak Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin USU dan sebagai dosen pembanding yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini dan memberikan arahan serta bimbingan dalam mengerjakan tugas akhir ini.

4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT., selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU dan sebagai dosen pembanding yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini memberikan arahan serta bimbingan dalam mengerjakan tugas akhir ini

5. Bapak Ir. Tugiman K, MT. Selaku Koordinator Skripsi yang telah memberikan waktu dan pikirannya dalam penyelesaian skripsi ini

6. Ibu Ir. Farida Ariani, MT. Selaku koordinator kerja praktek yang telah memberikan banyak waktu dan pikiran diwaktu penulis melakukan kerja praktek. 7. Seluruh pegawai Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara

8. Seluruh pegawai laboratorium Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.


(4)

9. Seluruh Asisten Laboratorium Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberi bimbingan selama praktikum berlangsung.

10.Seluruh teman-teman Teknik Mesin USU stambuk 2005,2006, dan 2007 ”Solidarity Forever”.

11.Seluruh teman-teman, pengurus, Keluarga Besar HMI Komisariat FT. USU yang selalu memberikan dukungan satu persatu, semoga selalu menjadi jiwa yang selalu menolong.

12.Kepengurusan HMI Cabang Medan Periode 2011-2012 yang telah mensupport perjuangan selama ini

13.Rekan-rekan Instruktur HMI Cabang Medan yang telah memberikan semangat untuk menyelesaikan semua tanggung jawab untuk mencerdaskan para kader HMI dan terima kasih atas kebersamaannya.

Penulis menyadari masih banyak kelemahan dan kekurangan dalam penyelesaian skripsi ini. Untuk itu Segala kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan penulis guna kesempurnaan skripsi ini. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi siapapun yang membacanya.

Wassalamu alaikum Wr. Wb

Medan, Februari 2012 Penulis,

Aurora Puspita Sari NIM : 050401-030


(5)

DAFTAR ISI

Hal

ABSTRAK i

KATA PENGANTAR ii

DAFTAR ISI iv

DAFTAR GAMBAR vii

DAFTAR TABEL x

DAFTAR NOTASI xi

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang 1.2Tujuan Simulasi

1 2

1.3 Batasan Masalah 2

1.4 Metodologi Penulisan 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin- mesin Fluida 5

2.2 Pengertian Pompa 5

2.3Pompa Sentrifugal

2.3.1 Sejarah dan Perkembangan Pompa Sentrifugal 2.3.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal

6 7 8

2.4 Komponen-komponen Pompa 9

2.5 Prinsip Kerja Pompa 10

2.6 Head (Tinggi Tekan) Pompa 11

2.6.1 Head Statis Total 2.6.2 Head Kerugian 2.6.3 Head Total Pompa

12 13 15

2.7Performansi Pompa 15

2.7.1 Kapasitas Pompa Sentrifugal 15

2.7.2 Kecepatan Spesifik 16

2.7.3Hubungan antara Kapasitas dengan efesiensi pompa sentrifugal

16


(6)

2.8 Kavitasi Pompa 19

2.8.1 Tekanan Uap Zat Cair 19

2.8.2 Proses Terjadinya Kavitasi

2.8.3 Faktor Penyebab Terjadinya Kavitasi 2.8.4 Akibat Terjadinya Kavitasi

2.8.5 Pencegahan Kavitasi

19 21 23 25 2.9 Nett Posstive Suction Head ( NPSH ) sebagai parameter

Kavitasi

25

2.9.1 NPSH yang Tersedia 25

2.9.2 NPSH yang Diperlukan 28

2.10 NPSH dan Performansi Pompa

2.11 Computational Fluid Dynamics (CFD) 2.11.1Pengertian Umum CFD

2.11.2 Penggunaan CFD 2.11.3 Manfaat CFD

2.11.4 Proses Simulasi CFD 2.11.5 Metode Diskritisisasi CFD 2.12 Pengenalan Fluent

2.12.1 Struktur Program Fluent

2.12.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT

29 30 30 31 32 32 33 34 35 34

BAB III METODE PENELITIAN

3.1 Bahan dan Alat 3.1.1 Bahan 3.1.2 Alat

37 37 37

3.2 Variabel riset 37

3.3 Prosedur Simulasi 38

BAB IV PERMODELAN DAN SIMULASI POMPA

4.1 Pendahuluan 42

4.2 Proses Permodelan pompa sentrifugal

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN


(7)

5.1 Kapasitas Pompa 5.2 Head Pompa 5.3 Efisiensi Pompa

5.4 Daya Pompa dan Motor Penggerak 5.5 Nett Possitive Suction Head

5.5.1 NPSH yang Tersedia 5.5.2 NPSH yang diperlukan

5.6 Hasil Simulasi Pompa dengan Program CFD Fluent 6.3.26 5.6.1 Analisa Simulasi Variasi Bukaan Katup

5.6.2 Analisa Hasil Simulasi Pada Program CFD Fluent 6.3.26

55 57 63 65 66 66 68 66 70 77

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan 80

5.2 Saran 81

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN


(8)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Instalasi Pompa Sentrifugal 6

Gambar 2.2 Pompa sentrifugal saat pertama dibuat 7

Gambar 2.3 Kontruksi pompa 9

Gambar 2.4 Konstruksi Pompa 10

Gambar 2.5 Proses pemompaan 10

Gambar 2.6 penampang impeller 11

Gambar 2.7 perubahan energi pompa 11

Gambar 2.8 head statis total 12

Gambar 2.9 instalasi pompa dan head total 15

Gambar 2.10 proses kavitasi pada pompa 18

Gambar 2.11 proses kavitasi pada pompa 19

Gambar 2.12 Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas permukaan cairan isap

25 Gambar 2.13 Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah

permukaan cairan isap

24 Gambar 2.14 Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah tangki

isap tertutup

25 Gambar 2.15 Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas tangki isap

tertutup

26 Gambar 2.16

Gambar 2.17 Gambar 2.18

Hubungan antara koefisien kavitasi dan kecepatan spesifik

Struktur Komponen Program FLUENT Diagram Alir Prosedur Simulasi

28

34 36

Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Skripsi 38

Gambar 3.2 Pompa Sentrifugal 39

Gambar 3.3 Diagram Alir Pengerjaan Pemodelan Menggunakan ANSYS FLUENT 6.3

40

Gambar 4.1 Tampilan awal GAMBIT 43

Gambar 4.2 Tampilan awal FLUENT 43

Gambar 4.3 Diagram alir simulasi 44


(9)

Gambar 4.5 Tampilan hasil grid check 46

Gambar 4.6 Tampilan hasil Grid scale 46

Gambar 4.7 Tampilan hasil smooth/swap grid 47

Gambar 4.8 Kotak dialog solver 47

Gambar 4.9 Kotak dialog viscous model 48

Gambar 4.10 Kotak dialog energy 48

Gambar 4.11 Kotak dialog material 49

Gambar 4.12 Kotak dialog unit 49

Gambar 4.13 Kotak dialog boundary condition 50

Gambar 4.14 Kotak dialog fluid 50

Gambar 4.15 Kotak dialog Zona inlet 51

Gambar 4.16 Kotak Dialog Zona Outlet 51

Gambar 4.17 Kotak dialog zona wall 52

Gambar 4.18 Kotak dialog solution control 52

Gambar 4.19 Kotak dialog solution initialization 52

Gambar 4.20 Kotak dialog residual monitors 53

Gambar 4.21 Kotak dialog Surface Monitors 53

Gambar 4.22 Kotak panel iterasi 54

Gambar 4.23 Kurva residual iterasi 54

Gambar 4.24 Kurva residual iterasi 54

Gambar 5.1 Skema instalasi pompa yang digunakan 55 Gambar 5.2 Gambar 5.3 Gambar 5.4 Gambar 5.5 Gambar 5.6 Gambar 5.7

Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan head total pompasecara teoritis

Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan efisiensi total pompa secara teoritis

Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan daya pompa secara teoritis

Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan NPSHa teoritis

Grafik hubungan antara Head total pompa dengan NPSHr teoritis

Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan Head total Pompa hasil simulasi

64 67 68 70 71 74


(10)

Gambar 5.8 Gambar 5.9 Gambar 5.10 Gambar 5.11

Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan efisiensi total Pompa hasil simulasi

Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan daya pompa hasil simulasi

Grafik Hubungan Kapasitas pompa dengan NPSHa secara simulasi

Grafik Hubungan antara Head total pompa dengan NPSHr simulasi

76 78 79 80


(11)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 5.1 Kapasitas pompa berdasarkan pembukaan katup 56

Tabel 5.2 Perhitungan kecepatan aliran berdasarkan kapasitas dan bukaan katup 56

Tabel 5.3 Perhitungan head kecepatan sesuai dengan kecepatan aliran

58

Tabel 5.4 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap 60

Tabel 5.5 Hasil Perhitungan Bilangan Reynold, faktor gesek,dan head kerugian sepanjang pipa hisap (hls)

Tabel 5.6 Koefisien kerugian kelengkapan pipa 61

Tabel 5.7 Hasil Perhitungan head kerugian sepanjang pipa tekan (hld) 61

Tabel 5.8 Hasil Perhitungantotal Head Kerugian 62

Tabel 5.9 Hasil Perhitungan Head total Pompa 62

Tabel 5.10 Hasil Perhitungan Efisiensi pompa 64

Tabel 5.11 Perhitungan antara Kapasitas, head pompa, dan efisiensi terhadap 65

daya pompa

Tabel 5.12 Hubungan antara Kapasitas, kerugian head dalam pipa isap 67 terhadap NPSHa

Tabel 5.13 Hubungan antara Head total Pompa, bilangan Kavitaasi Thoma 69

terhadap NPSHr

Tabel 5.14 Data Hasil Simulasi 71

Tabel 5.15 Head Total Hasil Simulasi 71

Tabel 5.16 efisiensi pompa hasil simulasi 72

Tabel 5.17 Daya pompa hasil simulasi 74

Tabel 5.18 NPSHa Simulasi 75

Tabel 5.19 NPSHr Hasil Simulasi 76


(12)

DAFTAR NOTASI

Simbol Arti Satuan

AS luas bidang aliran m2

dis diameter dalam pipa m

g Percepatan gravitasi m/s2

H Head m

hl kerugian head pompa m

hs head statis total m

hp head tekan pompa m

hv head kecepatan m

n Putaran rpm

Np daya pompa kW

P Tekanan kgf/cm2

Pa Tekanan atmosfer Pa

Pv Tekanan uap jenuh kgf/cm2

Q Kapasitas pompa m3/s

Vs kecepatan aliran fluida m/s

Simbol Yunani

Koefisien kavitasi Thoma

γ berat zat cair N/m3


(13)

ABSTRAK

Salah satu kegagalan yang terjadi pada pengoperasian pompa sentrifugal dilapangan adalah kavitasi. Kavitasi merupakan peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap didalam cairan yang sedang mengalir. Fenomena ini terjadi akibat turunnya tekanan fluida sampai di bawah tekanan uap jenuh fluida dan turbulensi (pulsasi). Pada pompa sentrifugal, kavitasi dapat terjadi pada suction pompa maupun pada pipa aliran fluida. Indikasi kavitasi adalah timbulnya gelembung-gelembung uap, getaran dan suara bising pada pompa. Dampak kavitasi pada pompa adalah kerusakan pada sudu pompa dan performansi pompa menurun. Kavitasi dipengaruhi oleh perubahan NPSH yang tersedia yang nilainya harus lebih besar daripada NPSH yang diperlukan yang sudah dirancang dari pabrik. Perubahan tekanan pada bagian sisi isap pompa akan mempengaruhi perubahan NPSH yang tersedia. Bila NPSH yang tersedia mengalami pernurunan, maka performansi pompa juga akan mengalami penurunan. Dan ini merupakan kerugian dalam merancang pompa yang harus dihindari.

Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinu (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).


(14)

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Pompa sebagai salah satu mesin aliran fluida hidrolik pada dasarnya digunakan untuk memindahkan fluida tak mampat (incompressible fluida) dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan fluida yang dipindahkan tersebut. Pompa akan memberikan energi mekanis pada fluida kerjanya, dan energi yang diterima fluida digunakan untuk menaikkan tekanan dan melawan tahanan-tahanan yang terdapat pada saluran-saluran instalasi pompa.

Turunnya performansi pompa secara tiba-tiba khususnya pada bagian efisiensi dan ketidakstabilan dalam operasi sering menjadi masalah yang serius dan mengganggu kerja sistem secara keseluruhan. Salah satu indikasi penyebab turunnya performansi pompa adalah kavitasi (cavitation), dan menjadi ancaman serius pada pengoperasian pompa sentrifugal.

Kavitasi merupakan peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap didalam cairan yang sedang mengalir. Fenomena ini terjadi akibat turunnya tekanan fluida sampai di bawah tekanan uap jenuh fluida dan turbulensi (pulsasi). Pada pompa sentrifugal, kavitasi dapat terjadi pada suction pompa maupun pada pipa aliran fluida. Kavitasi dipengaruhi oleh perubahan NPSH yang tersedia yang nilainya harus lebih besar daripada NPSH yang diperlukan yang sudah dirancang dari pabrik. Perubahan tekanan pada bagian sisi isap pompa akan mempengaruhi perubahan NPSH yang tersedia. Bila NPSH yang tersedia mengalami pernurunan, maka performansi pompa juga akan mengalami penurunan. Dan ini merupakan kerugian dalam merancang pompa yang harus dihindari.

Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinu (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).

1.2 Tujuan Simulasi

Tujuan dari simulasi ini adalah menganalisa pengaruh NPSH terhadap terbentuknya kavitasi pada pompa dengan fluida kerja air pada bagian rumah pompa dan melihat pengaruh


(15)

kavitasi terhadap performansi pompa sentrifugal dan membandingkan antara perhitungan teoriris dan perhitungan simulasi

1.3 Batasan Masalah

Untuk membuat skripsi ini lebih terarah, maka dibuat beberapa batasan permasalahan. Batasan masalah pada skripsi ini adalah:

1. Pompa sentrifugal yang digunakan adalah pompa sentrifugal dengan spesifikasi sebagai berikut:

a. Merk : PUMPAK water pump b. Tipe : 8283124/1

c. Tinggi Tekan : 90 meter d. Kapasitas : 1532 Ltr/mnt e. Daya : 5,5 kW f. Putaran : 1450 rpm

2. Fluida kerja yang digunakan adalah air dengan temperatur 25º C

3. Menghitung NPSH yang dibutuhkan dan NPSH yang tersedia sebagai parameter kavitasi pada pompa dengan melihat gejala penurunan performasi pompa yang terdiri dari head total pompa, efisiensi dan daya yang dihasilkan pompa.

4. Memvariasikan kapasitas pompa dengan cara membuka katup pompa sebesar 0-100% dengan 10 kali bukaan untuk melihat gejala penurunan NPSH

5. Parameter-parameter yang akan dianalisa dengan menggunakan CFD antara lain temperatur fluida masuk, tekanan fluida dalam pompa pada bagian isap yang merupakan tempat terjadinya kasus kavitasi pada pompa secara umum.

1.4 Metodologi Penulisan

Dalam metodologi penulisan skripsi ini menggunakan tahapan-tahapan sebagai berikut:

a. Identifikasi b. Analisis sistem c. Simulasi sistem d. Analisis hasil


(16)

Tahapan-tahapan yang digunakan pada metodologi ini menggunakan konsep tahapan yang berurutan dari atas ke bawah. Dimana hasil atau keluaran dari suatu tahap akan menjadi masukan bagi tahap selanjutnya. Berdasarkan batasan masalah yang telah ditetapkan, penulisan skripsi ini hanya sampai pada tahap simulasi aliran fluida pada bagian suction

a. Identifikasi

Tahap identifikasi dilakukan dengan melakukan pencarian data awal seperti spesifikasi pompa sentrifugal dan kondisi operasinya, serta penentuan nilai-nilai variabel yang diperlukan dalam melakukan perhitungan dan analisis masalah.

b. Analisis sistem

Tahap ini dilakukan untuk menganalisis kondisi kerja pompa sentrifugal, perhitungan NPSH dan aliran fluida khususnya pada bagian isap pompa, berdasarkan kondisi operasi yang diperoleh.

c. Simulasi sistem

Tahap simulasi sistem meliputi proses sebagai berikut :

1. Mengimport file yang sudah dalam bentuk mesh (GAMBIT) sebelumnya.

2. Melakukan proses simulasi yang menggunakan fluent 6.3 dengan memasukan data-data yang diperlukan dalam proses simulasi. Mulai dari fluida yang digunakan, putaran pompa, kecepatan spesifik pompa, temperatur, dan beberapa hal yang digunakan untuk mendefinisikan kondisi batas.

3. Mengiterasi hasil masukan kondisi batas dengan fluent 6.3 yang akan memberikan data yang digunakan dalam perhitungan dari hasil simulasi.

4. Memplot hasil distribusi tekanan, energi, temperatur, dan hasil plot grafik dari hasil iterasi simulasi.

5. Mengambil data hasil simulasi untuk dilakukan perhitungan.

d. Analisis Hasil

Dalam melakukan analisa hasil, dilakukan perhitungan dari data teoritis pompa dan perhitungan dari data simulasi pompa dengan menggunakan fluent 6.3 untuk dibandingkan hasil perhitungan kedua nya tentang penagruh NPSH terhadap


(17)

terbentuknya kavitasi dan performansi pompa untuk diambil suatu kesimpulan dalam tugas akhir ini.


(18)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin- mesin Fluida

Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis poros menjadi energy potensial atau sebaliknyamengubah energi fluida ( energi kinetic dan energy potensial ) menjadi energy mekanik poros. Dalam hal ini fluida yang akan dimaksud berupa cair, gas, dan uap.

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

1. Mesin Tenaga : Mesin fluida yang berfungsi mengubah enrgi fluida ( energi potensial dan energi kinetik ) menjadi energi mekanis poros.

Contoh : Turbin, kincir air, dan kincir angin

2. Mesin Kerja : Mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis poros menjadi energy fluida ( energi potensial dan energi kinetik)

Contoh : Pompa, kompresor, kipas (fan)

2.2 Pengertian 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. Pompa beroperasi dengan membuat perbedaan tekanan di bagian isap ( suction ) dan bagian keluar ( discharge ). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tekanan mekanis dari suatu sumber tenaga ( penggerak ) menjadi tenaga kinetis ( Kecepatan ), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada sepanjang aliran.

Dari gambar 2.1 dapat dilihat bahwa prinsip sebuah pompa adalah mengubah energi mekanik motor menjadi energi aliran fluida. Energi yang diterima oleh fluida akan digunakan untuk menaikkan tekanan dan mengatasi tahanan-tahanan yang terdapat pada saluran yang dilalui.

Pompa juga dapat digunakan pada proses-proses yang membutuhkan tekanan hidraulik yang besar. Hal ini bisa dijumpai antara lain pada peralatan-peralatan berat. Dalam operasi, mesin-mesin peralatan berat membutuhkan tekanan discharge yang besar dan tekanan isap yang rendah. Akibat tekanan yang rendah pada sisi isap pompa maka fluida akan naik dari


(19)

kedalaman tertentu, sedangkan akibat tekanan yang tinggi pada sisi discharge akan memaksa fluida untuk naik sampai pada ketinggian yang diinginkan

Gambar 2.1 Instalasi pompa

Salah satu jenis pompa yang pemindah non-positip adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energy kinetis ( kecepatan ) cairan menjadi energy potensial ( dinamis ) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Prinsip-prinsip dasar pompa sentrifugal ialah sebagai berikut:

• gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar sehingga kecepatan fluida meningkat

• kecepatan fluida yang tinggi diubah oleh casing pompa (volute atau diffuser) menjadi tekanan atau head.

2.3

Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal adalah pompa salah satu jenis pompa pemindah non positip yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing.

2.3.1

Sejarah dan Perkembangan Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal merupakan pilihan utama para insinyur dalam aplikasi pompa. Hal ini di karenakan pompa sentrifugal sangat sederhana dan serbaguna. Pompa sentrifugal diperkenalkan oleh Denis Papin tahun 1689 di Eropa dan dikembangkan di Amerika Serikat


(20)

pada awal tahun 1800-an. Pada awalnya pompa ini dikenal sebagai baling-baling Archimedean yang seperti ditunjukan pada gambar 2.2. Pada saat itu diproduksi untuk aplikasi head rendah yang mana fluida bercampur sampah dan benda padat lainnya. Dan awalnya mayoritas aplikasi pompa menggunakan pompa positive_displacement.

Gambar 2.2 Pompa sentrifugal saat pertama dibuat

Tingkat kepopuleran pompa sentrifugal dimulai sejak adanya pengembangan motor elektrik kecepatan tinggi (high speed electric motors), turbin uap, dan mesin pembakaran ruangan (internal combustion engines). Pompa sentrifugal merupakan mesin berkecepatan tinggi dan dengan adanya pengembangan penggerak kecepatan tinggi telah memungkinkan pengembangan pompa menjadi lebih efisien.

Sejak tahun 1940-an, pompa sentrifugal menjadi pompa pilihan untuk berbagai aplikasi. Riset dan pengembangan menghasilkan peningkatkan kemampuan dan dengan ditemukannya material konstruksi yang baru membuat pompa memiliki cakupan bidang yang sangat luas dalam penggunaannya. Sehingga tidak mengherankan jika hari ini ditemukan efisiensi 93% lebih untuk pompa besar dan 50% lebih untuk pompa kecil.

Pompa sentrifugal modern mampu mengirimkan hingga 1.000.000,_ (gl/min) dengan head hingga 300 feet yang biasanya dipakai pada industri tenaga nuklir. Dan boiler feed pump telah dikembangkan sehingga dapat mengirimkan 300 (gl/min) dengan head lebih dari 1800 feet.

Pada fase selanjutnya pompa sentrifugal ini paling banyak digunakan di pabrik kimia. Pompa sentrifugal biasa digunakan untuk memindahkan berbagai macam fluida, mulai dari air, asam sampai slurry atau campuran cairan dengan katalis padat (solid). Dengan desain yang cukup sederhana, pompa sentrifugal bisa disebut sebagai pompa yang paling populer di industri kimia.


(21)

2.3.2. Klasifikasi Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, antara lain:

1. Kapasitas :

a. Kapasitas rendah : < 20 m3 / jam

b. Kapasitas menengah : 20-60 m3 / jam

c. Kapasitas tinggi : > 60 m3 / jam 2. Tekanan Discharge :

a. Tekanan Rendah : < 5 Kg / cm2

b. Tekanan menengah : 5 - 50 Kg / cm2 c. Tekanan tinggi : > 50 Kg / cm2

3. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat :

a. Single stage : Terdiri dari satu impeller dan satu casing.

b. Multi stage : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun seri dalam satu casing.

c. Multi Impeller : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun paralel dalam satu casing.

d. Multi Impeller – Multi stage : Kombinasi multi impeller dan multi stage.

4. Posisi Poros : a. Poros tegak

b. Poros mendatar

5. Jumlah Suction : a. Single Suction

b. Double Suction

6. Arah aliran keluar impeller : a. Radial flow

b. Axial flow

c. Mixed fllow

2.4 Komponen-komponen pompa

Komponen-komponen penting dari pompa sentrifugal adalah kompenen yang berputar dan komponen tetap. Komponen berputar terdiri dari poros dan impeler, sedangkan komponen yang tetap adalah rumah pompa (casing), bantalan (bearing), Komponen lainnya dapat dilihat secara lengkap dan nama-nama


(22)

komponen. ( gambar 2.3 )

Gambar 2.3 Kontruksi pompa

Keterangan Gambar :

009. Tutup rumah pompa 112-1. selubung 779. penyangga 011. Rumah pompa 121-1. Pasak

020. Cincin Penyekat 122-1. Pasak

023. Cincin perapat 122. Cincin pelempar 031. Penekan paking 131. Kopling

033. Paking 201. Rumah bantalan

101. Impeller 202. Tutup bantalan 105. Mur Impelller 221. Bantalan bola

111. Poros 229. Penopang


(23)

2.5 Prinsip Kerja Pompa

Pada pompa terdapat sudu-sudu impeler gambar 2.6 yang berfungsi mengangkat zat cair dari tempat yang lebih rendah ketempat yang lebih tinggi ( gambar 2.5 ). Impeler dipasang pada poros pompa yang berhubungan dengan motor pengerak, biasanya motor listrik atau motor bakar.

Gambar 2.5 proses pemompaan

Poros pompa akan berputar apabila penggeraknya berputar., karena poros pompa berputar impeller dan sudu-sudu impeller berputar zat cair yang di dalamnya akan ikut berputar sehingga tekanan dan kecepatannya naik dan terlempar dari tengah pompa ke saluran yang berbentuk volut atau spiral yang kemudian dislaurkan keluar melalui nosel.

Jadi fungsi impeler pompa adalah merubah energi mekanik yaitu putaran impeler menjadi energi fluida (zat cair). Jadi, zat cair yang masuk pompa akan mengalami pertambahan energi . Pertambahan energi pada zat cair mengakibatkan pertambahan head tekan, head kecepatan dan head potensial. Jumlah dari ketiga bentuk head tersebut dinamakan head total. Head total pompa juga bisa didefinisikan sebagai selisih head total (energi persatuan berat ) pada sisi isap pompa dengan sisi keluar pompa.

Pada gambar 2.7 aliran air didalam pompa akan ikut berputar karena gaya sentrifugal dari impeler yang berputar.


(24)

Gambar 2.6 penampang impeller Gambar 2.7 perubahan energi pompa

2.6 Head ( Tinggi Tekan) 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. Dasar dari penentuan tinggi tekan (head) pompa adalah persamaan Bernoulli. Untuk aplikasi pada instalasi pompa, persamaan Bernoulli dalam bentuk energi “head” terdiri dari empat head, antara lain head elevasi, head tekanan, head kecepatan, dan head kerugian ( gesekan aliran). Persamaan Bernouli dalam bentuk energi head yaitu:

(1))

(2)

(3)

(4) Dimana :

head elevasi, perbedaan tinggi muka air sisi masuk dan keluar (m) = = head kecepatan sisi masuk dan keluar ( m )

= head tekanan sisi masuk dan keluar ( m) head kerugian

(

2.6.1 Head Statis Total

Head statisadalah penjumlahan head elevasi dengan head tekanan. Head statis dari head statis sisi masuk dan sisi keluar, adapun persamaannya sebagai berikut :


(25)

(5)

(6)

(7)

(8)

Gambar 2.8 head statis total 2.6.2 Head Kerugian ( Loss )

Head kerugian yaitu head untuk mengatasi kerugian-kerugian yang terdiri dari kerugian gesek aliran di dalam perpipaan dan head kerugian di dalam belokan-belokan ( elbow ), percabangan, dan perkatupan ( valve )

(9)

2.6.2.a. Head Kerugian gesek di dalam pipa

Aliran fluida cair yang mengalir di dalam pipa adalah fluida viskos sehingga faktor gesekan fluida dengan dinidng pipa tidak dapat diabaikan. Untuk menghitung kerugian gesek dapat menggunakan perumusan seba`gai berikut:

:

( Jari-jari Hidrolik ) (10)

( Gradien Hidrolik ) (11)


(26)

Dengan :

V = kecepatan rata-rata dalam pipa C, p, q = koefisien-koefisien

= koefisen kerugian gesek

g = percepatan gravitasi L = panjang pipa ( m ) D = Diameter pipa (m )

Perhitungan kerugian di dalam pipa dipengaruhi oleh pola aliran, untuk aliran laminar dan turbulen akan menghasilkan nilai koefisien yang berbeda. Hal ini dikarenakan karakteristik dari aliran tersebut. Adapun rumus yang dipakai adalah sebagai berikut :

a. Aliran Laminar ( Re < 2300 )

(13)

b. Aliran Turbulen ( Re < 4000 )

(14)

Sedangkan untuk mencari nilai Re dengan diketahu kapasitas pompa dan ukuran penampang, maka rumus mencari nilai bilangan Reeynold menjadi

υ

is

sd

V

=

Re (15)

Dengan:

Re = Bilangan Reynold υ = viskositas kinematik

d

is

= diameter dalam pipa

Sehingga untuk mencari faktor gesek (f) didapat dengan cara yang dijelaskan dengan

persamaan di bawah ini

(16)

2.6.2.b. Head Kerugian di dalam jalur pipa ( Hsambungan )

Kerugian head jenis ini terjadi karena fluida mengalami gangguan aliran sehingga mengurangi energi alirannya. Secara umum rumus kerugian head ini adalah yang ditunjukan pada persamaan 19, dimana


(27)

Kerugian head ini banyak terjadi pada: a. Belokan ( Elbow )

b. Perkatupan sepanjang jalur pipa

Pemasangan katup pada pompa adalah untuk pengontrolan kapaasitas, tetapi dengan pemasangan katup tersebut akan mengakibatkan kerugian energi aliran karena aliran dihambat.

Dari uraian di atas secara umum head kerugian total pompa dapat dituliskan sebagai berikut :

(18)

2.6.3. Head Total

Head total pompa yang dibutuhkan untuk mengalirkan air dengan kapasitas yang telah ditentukan dari kondisi instalasi pompa yang akan dilayani. Pada gambar di bawah ini ( gambar 2.9) head total dapat dirumuskan sebagai berikut:

Gambar 2.9 instalasi pompa dan head total

(19) Dimana:

head statis total ( Perbedaan tinggi muka air sisi keluar dan masuk. ) perbedaan head tekan yang berada pada permukaan air (

berbagai kerugian head di perpipaan, katup, belokan, sambungnan, dan lain-lain head kecepatan luar

2.7 Performansi Pompa

2.7.1 Kapasitas Pompa Sentrifugal


(28)

Q = V. A

A Q

V =

(20) Dimana, bila untuk menghitung kecepatan alirannya menjadi:

VS =

S P A Q

=

( )

2

4 is P d Q π (21) Dengan :

Q = Kapasitas Pompa (m) V = Kecepatan aliran (m/s) As = Luas Penampang Pipa (m2)

dis = diameter dalam pipa (m)

2.7.2 Kecepatan 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 ( Jack. B. evett, hal 357 ):

ns = 51,64

(22)

Dimana:

ns = kecepatan spesifik

n = putaran pompa (rpm) Q = kapasitas pompa (m3/s) Hp = head pompa (m)

2.7.3 Hubungan antara Kapasitas dengan Efisiensi Pompa Sentrifugal

Efisiensi pompa merupakan perbandingan daya yang diberikan pompa kepada fluida dengan daya yang diberikan motor listrik kepada pompa. Berubahnya kapasitas akan mempengaruhi efisiensi pompa dan daya pompa.

Untuk menghitung efisiensi pompa, maka ada beberapa hal yang perlu diperhitungkan yang nantinya akan mempenagruhi efisiensi pompa seperti rugi-rugi yang terjadi pada pompa disebabkan oleh adanya kebocoran, kerugian hidrolis, kerugian karena gesekan pada impeller serta kerugian mekanis pada bantalan dan elemen berputar lainnya yang dinyatakan pada persamaan 23 berikut ini


(29)

BHP = FHP + HPL + HPDF + HPH+HPM (23)

Dimana

FHP = daya kuda fluida (Hp)

HPL = daya kuda untuk mengatasi kebocoran yang terjadi (Hp) HPDF = daya kuda untuk mengatasi gesekan pada cakra (Hp) HPH = daya kuda untuk mengatasi kerugian hidrolis (Hp)

Sehingga untuk efisiensi pompa (η) dapat dicari dengn menggunakan persamaan 24 (Austin H Chruch, Pompa Dan Blower Sentrifugal, hal 36)

(24)

Dimana daya kuda fluida (FHP) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Austin H Chruch, Pompa Dan Blower Sentrifugal, hal 34):

(25)

dengan;

γ = berat jenis cairan yang dipompa Q = kapasitas pompa

H = head aktual (m)

besar daya kuda untuk mengatasi kebocoran dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (AJ Stepanov, Centrifugal And Axial Flow pump, hal 199):

(26)

Dengan :

γ = berat jenis cairan yang dipompa

QL = jumlah kebocoran total yang terjadi (0.1 Q m3/s)

H = head pompa (m)

Besar daya kuda yang dipakai untuk mengatasi gesekan pada cakra/impeller dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Stephen Lazarkeiwick, Impeller Pump, hal 58):

(27)

dengan;

γ= berat jenis fluida n = putaran poros d = dimeter impeller


(30)

Daya kuda untuk mengatasi kerugian hidrolis (HPH) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Austin H Church, Pompa Dan Blower Sentrifugal, hal 35):

(28)

dengan;

γ = berat jenis fluida

Q’ = kapsitas aliran ditambah kebocorn yang terjadi (1.1Q m3/s) hls = kerugian hidrolis (m)

2.7.3a Hal yang mempengarui efisiensi pompa

Berbagai pengaruh pada pompa yang bisa menurunkan atau menaikan efisiensinya. Adapun faktor faktor lain yang juga mempengaruhi dari efisiensi pompa adalah sebagai berikut ini :

1. Kondisi permukaan pada permukaan dalam pompa. 2. Kerugian mekanis dari pompa

3. Diameter impeler 4. Kekentalan zat cair.

5. Kondisi zat cair yang dipompa

2.7.4. Daya Pompa Sentrifugal

Besarnya energi atau daya yang dibutuhkan untuk memutar poros pompa dipengaruhi oleh kapasitas pompa, tinggi tekan total pompa, berat jenis fluida yang dipompakan, serta efisiensi total pompa tersebut. Daya yang dibutuhkan untuk memutar poros pompa ( Psh ) dirumuskan dengan persamaan (Stephen Lazarkiewich, Impeler Pump, Hal. 71) :

(29)

di mana :

Np = daya yang dibutuhkan pompa ( kW )

Q = kapasitas pompa ( m3/det ) H = Head total pompa ( m )

γ = berat jenis fluida yang dipompa ( kg/m3 ) η = efisiensi total pompa

2.8 Kavitasi Pompa


(31)

Tekanan uap dari zat cair adalah tekanan mutlak pada temperatur tertentu dimana pada kondisi tersebut zat cair akan menguap atau berubah fase dari cairan menjadi gas. Tekanan uap zat cair naik demikian juga dengan temperatur zat cair tersebut. Pada tekanan atmosfer temperatur pendidihan air pada suhu 100ºC, akan tetapi apabila kondisi tekanan zat cair tersebut diturunkan tekanannya dibawah 1 atm proses pendidihan memerlukan temperatur kurang dari 100ºC. Kondisi sebaliknya apabila kondisi tekanan zat cair naik labih dari 1 atm maka akan dibutuhkan temperatur yang lebih tinggi dari 100ºC

Pada instalasi pompa penurunan tekanan terjadi disepanjang perpipaan terutama bagian pipa isap, didalam pompa sendiri penurunan tekanan pompa terjadi pada bagian nosel isap, karena dibagian tersebut terjadi penyempitan saluran yang mengakibatkan kenaikan kecepatan dan penurunan tekanan.

2.8.2 Proses Terjadinya Kavitasi

Pada gambar 2.10 dan 2.11 terlihat terjadinya proses kavitasi di pompa. Kavitasi terjadi bila tekanan fluida pada saat memasuki pompa turun hingga di bawah tekanan uap jenuhnya (pada temperatur lingkungan), gelembung-gelembung uap kecil akan mulai terbentuk. Gelembung-gelembung uap ini akan terbawa oleh aliran fluida dan masuk pada daerah yang bertekanan lebih tinggi, sehingga gelembung akan pecah dan menimbulkan suara berisik dan getaran. Selain itu performansi pompa akan turun secara tiba-tiba sehingga pompa tidak dapat beroperasi dengan baik. Jika pompa dijalankan dalam keadaaan kavitasi secara terus-menerus dalam jangka waktu lama, maka permukaan dinding saluran di sekitar aliran akan termakan sehingga menjadi berlubang-lubang. Peristiwa ini yang dinamakan erosi kavitasi, sebagai akibat tumbukan gelembung-gelembung uap yang pecah pada dinding secara terus-menerus.


(32)

Gambar 2.11 proses kavitasi pada pompa

Bagian–bagian yang sering terkena kavitasi adalah sudu-sudu impeler dan difuser dan juga bagian dalam dinding rumah pompa. Pada pompa diagonal dan pompa aksial (propeller pumps), kavitasi terjadi pada sudu impeler dekat sisi masuk, pada bagian dalam dari dinding rumah pompa, dan pada sisi masuk sudu difuser.

Penurunan tekanan pada umumnya disebabkan oleh beberapa hal, antara lain : a. Kenaikan gaya angkat statis (static lift) dari pompa sentrifugal

b. Penurunan tekanan atmosfer seiring dengan bertambahnya ketinggian/elevasi

c. Penurunan tekanan absolut sistem, seperti dijumpai pada pemompaan fluida dari tabung vakum.

d. Kenaikan temperatur fluida yang dipompa.

Secara umum dapat disimpulkan bahwa terjadinya kavitasi akan mengakibatkan beberapa kerugian sebagai berikut :

a. Penurunan head dan kapasitas pemompaan b. Penurunan efisiensi pompa

c. Pecahnya gelembung-gelembung uap saat melalui daerah yang bertekanan lebih tinggi akan menyebabkan suara berisik, getaran dan kerusakan pada beberapa komponen terutama impeler dan difuser.

2.8.3 Faktor Penyebab Terjadinya Kavitasi

1. Penguapan ( Vaporization )

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


(33)

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

2. Masuknya Udara Luar ke Dalam Sistem ( Air Ingestion )

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 sistem 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 fluyd ),

• 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. Keduanya, baik penguapan maupun masuknya udara ke dalam sistem 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. Sirkulasi Balik di Dalam Sistem ( Internal Recirculation )

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


(34)

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. Pergolakan Aliran ( Turbulence )

Aliran fluida diinginkan pada kecepatan yang konstan. Korosi dan hambatan yang ada pada sistem perpipaan dapat merubah kecepatan fluida dan setiap ada perubahan kecepatan, tekanannya juga berubah. Untuk menghambat hal tersebut, perlu dilakukan perancangan sistem perpipaan yang baik. Antara lain memenuhi kondisi jarak minimum antara suction pump dengan elbow yang pertama minimal sepuluh kali 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 sebagai berikut:

- 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 10x 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.


(35)

2.8.4 Akibat Terjadinya Kavitasi 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 dapat 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 Pompa Bagian - 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 gelombang kejutan yang mampu merusak bagian 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 menunjukkan bahwa kecepatan tinggi cairan kelihatannya datang dari segala sudut.

- Semakin tinggi kapasitas pompa, semakin memungkinkan terjadinya kavitasi. 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.


(36)

2.8.5. Pencegahan Kavitasi

Cara menghindari proses kavitasi yang paling tepat adalah dengan memasang instalasi pompa dengan NPSH yang tersedia lebih besar dari pada NPSH yang diperlukan. NPSH yang tersedia bisa diusahakan oleh pemakai pompa sehingga nilainya lebih besar dari NPSH yang diperlukan. Berikut ini hal-hal yang diperlukan untuk instalasi pompa :

1. Ketinggihan letak pompa terhadap permukaan zat cair yang dihisap harus

dibuat serendah mungkin agar head isap statis lebih rendah pula. Pipa Isap harus dibuat sependek mungkin. JIka terpaksa dipakai pipa isap yang panjang, sebaiknya diambil pipa yang berdiameter satu nomer lebih besar untuk mengurangi kerugian gesek.

2. Tidak dibenarkan untuk mengurangi laju aliran dengan menghambat aliran disisi isap. 3. Head total pompa harus ditentukan sedemikian hingga sesuai dengan yang diperlukan

pada kondisi operasi yang sesungguhnya.

4. Jika head pompa sangat berfluktuasi, maka pada keadaan head terendah

harus diadakan pengamanan terhadap terjadinya kavitasi. Dalam beberapa hal terjadiny akavitasi tidak dapat dihindari dan tidak mempengarui performa pompa, sehingga perlu dipilih bahan impeler yang tahan erosi karena kavitasi.

2. 9 Nett Posstive Suction Head ( NPSH ) sebagai parameter Kavitasi

Kavitasi akan terjadi bila tekanan statis suatu aliran zat cair turun sampai di bawah tekakan uap jenuhnya. Jadi, untuk menghindari kavitasi harus diusahakan agar tidak ada satu bagianpun dari aliran di dalam pompa yang mempunyai tekanan statis lebih rrendah atau tekanan uap jenuh cairan pada temperatur yang bersangkutan. Oleh karena itu, perlu diperhatikan dua jenis tekanan yang memegamg peranan penting yang dipakai sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi. Yaitu tekanan yang ditentukan oleh kondisi lingkungan tempat pompa dipasang dan tekanan yang ditentukan oleh keadaan alliran di dalam pompa.

2.9.1 NPSH yang Tersedia ( NPSH Available )

Head isap positif netto yang tersedia atau NPSH available (NPSHa) merupakan head yang dimiliki fluida pada sisi isap pompa (ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi isap pompa) dikurangi dengan tekanan uap jenuh fluida di tempat tersebut. Perhitungan NPSH available dilakukan berdasarkan instalasi dan posisi/letak pompa, beberapa di antaranya seperti berikut ini:

a. Pompa menghisap cairan dari tempat terbuka, posisi pompa di atas permukaan cairan yang dihisap seperti pada gambar 2.12


(37)

Gambar 2.12 Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas permukaan cairan isap

b. Pompa menghisap cairan dari tangki terbuka, posisi pompa di bawah permukaan cairan yang dihisap seperti pada gambar 2.13

Gambar 2..13 Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah permukaan cairan isap c. Pompa menghisap cairan dari tangki tertutup, letak pompa di bawah cairan yang

dihisap seperti pada gambar 2.14

Gambar 2.14 Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah tangki isap tertutup d. Pompa menghisap cairan dari tangki tertutup, pompa terletak di atas permukaan yang


(38)

Gambar 2.15 Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas tangki isap tertutup

Besarnya NPSH yang tersedia untuk empat sistem di atas dapat dirumuskan sebagai berikut:

Ls s v

a h h

g P P

NPSHa ± −

  

 

× − =

γ (30)

di mana:

Pa = tekanan atmosfer

Pv = tekanan uap jenuh

hs = head isap statis

(+) untuk kondisi pompa di bawah permukaan cairan yang dihisap (-) untuk kondisi pompa di atas permukaan cairan yang dihisap hLs = head kerugian isap

γ = berat jenis fluida

Kavitasi akan terjadi apabila tekanan zat cair yang dipompa berada dibawah tekanan uap jenuh zat cair tersebut, untuk menghindari terjadinya kavitasi maka diusahakan agar tidak ada satu daerahpun dalam proses pemompan yang memiliki tekanan dibawah tekanan uap jenuh cairan pada temperatur operasi pemompaan. Terjadinya kavitasi mempunyai kaitan dengan kondisi pompa pada sisi isap. Tekanan isap minimum yang dimiliki pompa sehingga mampu memasukkan cairan kepompa disebut net positive suction head (NPSH). Besarnya NPSH dipengaruhi oleh beberapa hal, antara lain :

1. Tekanan absolut pada permukaan cairan yang dipompa.

2. Tekanan uap jenuh dari fluida yang dipompa pada temperatur cairannya. 3. Ketinggian cairan dari poros pompa.

4. Kerugian yang disebabkan oleh gesekan atau turbulensi aliran dalam pipa isap antar permukaan cairan hingga ke pompa.


(39)

Head isap positif netto yang diperlukan atau NPSH Required (NPSHr) adalah head minimal yang diperlukan untuk mencegah kavitasi pada laju aliran fluida yang diberikan. Besarnya harga NPSHr biasanya ditentukan dari pabrik pembuat pompa melalui beberapa pengujian.

Agar pompa dapat beroperasi dengan aman dan terhindar dari peristiwa kavitasi, maka sebagai syarat utama adalah harga NPSH yang tersedia (NPSHa) harus lebih besar daripada NPSH yang diperlukan (NPSHr). Besarnya NPSHr berebdaa untuk setiap pompa. Untuk suatu pompa tertentu, NPSH yang diperlukan berubah menurut kapasitas dan pompanya. Adapun persamaan untuk menghitung NPSHr yaitu :

(31)

Dimana :

NPSHr = NPSH yang diperlukan = Koefisien kavitasi Thoma

= Head Total pompa

Dimana, dalam mencari koefisien kavitasi Thoma, digunakan grafik yang terdapat pada gambar 2.16 dengan cara interpolasi. Selain mempergunakan koefisien thoma, sering juga dipergunakan bilangan kecepatan spesifik isap S sebagai pengganti perhitungan dengan . Harga S untuk pompa-pompa berbentuk umum adalah 1200. Harga ini tidak tergantung pada ns. Sehingga persamaan NPSHr menjadi :

(32)

Dimana :

NPSHr = NPSH yang diperlukan = kapasitas pompa

n = kecepatan spesifik pompa (rpm)


(40)

Gambar 2.16 Hubungan antara koefisien kavitasi dan kecepatan spesifik

2.10 NPSH dan Performansi Pompa

Ada dua cara untuk memeriksa secara eksperimental pengaruh NPSH pada performansi pompa, antara lain:

1. Kapasitas dijaga tetap, harga NPSH yang tersedia divariasikan. Kemudian perubahan head total pompa, daya poros, dan efisiensi diperiksa.

2. Mengukur efisiensi pompa dengan memakai NPSH sebagai parameter kemudian memeriksa perubahan kurva performansi pompa karena perubahan NPSH

Perubahan performansi pompa terhadap perubahan NPSH tergantung pada ns pompa yang bersangkutan. Pompa dengan ns rendah mempunyai kurva yang cenderung menurun secara tiba-tiba di daerah kapasitas besar dimana NPSH menjadi kecil . pada kedua metode tersebut, NPSHr pada titik dimana terjadi penurunan performansi sebenarnya itulah nilai dari NPSHr. Namun, pengukuran tersebut sangat sulit dilakukan sehingga untuk mengukur NPSHr dilakukan dengan melihat penurunan performansi pada titik 3%.

2.11 Computational Fluid Dynamics (CFD)

Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan sehari – hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan


(41)

mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi, interaksi berbagai objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar panas dan reactor kimia, dan lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik.

2.11.1 Pengertian Umum CFD

Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut :

- Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi

- Fluid Dynamics : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.

Ditinjau dari istilah di atas, maka CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda – benda atau zat yang mengalir.

Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan – persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan – persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan – persamaan diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum – hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energi yang diubah kedalam bentuk numerik (persamaan linear) dengan teknik diskritisasi.

Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda – benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini dapat dibuat virtual prototype dari sebuah system atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data – data, gambar – gambar, atau kurva – kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain.

2.11.2 Penggunaan CFD

Dalam aplikasinya CFD dapat dipergunakan bagi :


(42)

- Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya.

- Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan. - Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery.

- Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics) - Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana

alam.

- Analis failure untuk mencari sumber – sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas.

- Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya.

Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut : 1. Studi konsep dari desain baru

2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshouting 4. Desain ulang (re – design)

2.11.3 Manfaat CFD

Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni : insight, foresight, dan efficiency.

1) Insight – Pemahaman Mendalam

Apabila dalam mendesain sebuah system atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya.

2) Foresight – Prediksi Menyeluruh

Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal.

3) Efficiency – Efisiensi Waktu dan Biaya

Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran. 2.11.4 Proses Simulasi CFD


(43)

Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu sebagai berikut :

1) Preprocessing

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

2) Solving

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

3) Postprocessing

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

Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut :

1) Pembuatan geometri dari model/problem

2) Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel – sel kecil (meshing)

3) Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan – persamaan gerak + entalpi + konversi species (zat – zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan)

4) Pendefinisian kondisi – kondisi batas, termasuk didalamnya sifat – sifat dan perilaku dari batas – batas model/problem. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan. 5) Persamaan – persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterative,

bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient. 6) Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.

2.11.5 Metode Diskritisasi CFD

Secara matematis CFD mengganti persamaan – persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energy dengan persamaan – persamaan aljabar linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).


(44)

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

- Metode beda hingga (finite difference method) - Metode elemen hingga (finite elements method) - Metode volume hingga (finite volume method) - Metode elemen batas (boundary element method)

- Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method)

Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya diperlukan kehati – hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu

2.12 Pengenalan FLUENT

Salah satu software yang digunakan dalam pengembangan kode CFD adalah FLUENT, yaitu satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga (finite volume method). FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang realtif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh FLUENT adalah tipe 2D triangular-quadritelar, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid). FLUENT juga memungkinkan untuk memperhalus atau memperbesar mesh yang sudah ada.

Bahasa program FLUENT ditulis dalam bahasa C, sehingga memiliki struktur data yang efisien dan lebih fleksibel. FLUENT juga dapat digunakan bersama dengan arsitektur klien/server, sehingga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan pada klien desktop workstation dan computer server. Semua fungsi yang dibutuhkan untuk menghitung suatu solusi dan menampilkan hasilnya dapat diakses pada FLUENT melalui menu yang interaktif.

Beberapa alasan mengapa menggunakan FLUENT yaitu : - FLUENT mudah untuk digunakan

- Model yang realistik (tersedia berbagai pilihan solver) - Diskritisasi meshing model yang efisien (dalam GAMBIT) - Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan parallel komputer) - Visualisasi yang mudah dimengerti


(45)

mesh file PDF mesh 2D/3D geometri atau mesh boundary mesh boundary mesh dan/atau mesh volume

2.12.1 Struktur Program FLUENT

Dalam satu paket program FLUENT terdapat beberapa produk, yaitu : - FLUENT

- prePDF, merupakan preprocessor untuk memodelkan pembakaran non-premixed pada FLUENT.

- GAMBIT, merupakan preprocessor tambahan yang dapat membuat volume mesh dari boundary mesh yang sudah ada.

- Filter untuk mengimpor mesh permukaan dan atau volume dari program CAD/CAE seperti ANSYS, CGNS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN dll.

Geometri dan mesh dapat dibuat menggunakan GAMBIT. Selain itu, dapat juga menggunakan Tgrid untuk membuat mesh volume triangular, tetrahedral, atau hybrid dari mesh bidang yang sudah ada. Struktur dari komponen tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.16.

Gambar 2.16 Struktur Komponen Program FLUENT

2.12.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT

Ada beberapa hal yang harus diperhatikan ketika akan meyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan FLUENT, yaitu :

GAMBIT

- Setup geometri - Pembuatan mesh 2D/3D Program CAD/CAE lainnya PrePDF

- Perhitungan dari look-up tables

FLUENT

- Impor&adaptasi mesh - Pemodelan fisik - Kondisi batas - Sifat-sifat material - Perhitungan - Post processing

TGrid

- Mesh triangular 2D - Mesh tetrahedral 3D - Mesh hybrid 2D/3D


(46)

1) Menentukan tujuan pemodelan 2) Pemilihan model komputasional 3) Pemilihan model fisik

4) Penentuan prosedur

Setelah merencanakan analisis CFD pada model, maka langkah-langkah umum penyelesaian analisis CFD pada FLUENT sebagai berikut :

1) Membuat geometri dan mesh pada model

2) Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D) 3) Mengimpor mesh model (grid)

4) Melakukan pemeriksaan pada mesh model 5) Memilih formulasi solver

6) Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis, misalnya : laminar, turbulen, reaksi kimia, perpindahan kalor dan lain-lain.

7) Menentukan sifat material yang akan dipakai 8) Menentukan kondisi batas

9) Mengatur parameter kontrol solusi 10) Initialize the flow field

11) Melakukan perhitungan/iterasi 12) Memeriksa hasil iterasi

13) Menyimpan hasil iterasi

14) Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk mendapatkan hasil yang lebih baik.


(47)

Ya

Gambar 2.17 Diagram Alir Prosedur Simulasi Mulai Pembuatan geometri

dan meshing

Pendefinisian bidang batas pada geometri

Pengecekan mesh

Mesh baik

Tidak

Ya Data sifat

fisik

Penentuan kondisi batas

Proses numerik

Iterasi eror ?

Plot distribusi Tekanan,

Temperatur, dll Selesai


(48)

BAB III

METODE PENELITIAN 3.1 Bahan Dan Alat

3.1.1 Bahan

Bahan yang menjadi objek simulasi adalah proses aliran fluida berupa air yang terjadi di dalam pompa sentrifugal dengan spesifikasi sebagai berikut :

Merk : PUMPAK water pump Tipe : 8283124/1

Tinggi Tekan : 90 meter Kapasitas : 1532 Ltr/mnt Daya : 5,5 kW Putaran : `1450 rpm

a. Impeler Pompa

- Diameter poros (ds) = 10 mm

- Diameter hub (dh) = 48 mm

- Diameter mata impeler (d0) = 101,6 mm

- Diameter sisi masuk (d1) = 127 mm

- Diameter sisi keluar (d2) = 312 mm

- Lebar impeler pada sisi masuk (b1) = 8 mm

- Lebar impeler pada sisi keluar (b2) = 8 mm

- Sudut tangensial pada sisi masuk ( = 26,60

- Sudut tangensial pada sisi keluar = 19,180

- Jumlah sudu (Z) = 6 buah

- Tebal sudu pada sisi masuk (t1) = 19 mm

- Tebal sudu pada sisi keluar (t2) = 8 mm

3.1.2 Alat

Alat uji yang dipakai dalam simulasi ini adalah software ANSYS GAMBIT 2.4 dan ANSYS FLUENT 6.3.

3.2 Variabel Riset

Dalam proses simulasi ini, variabel yang digunakan adalah dimensi dari pompa dan tekanan pada pompa yang diperoleh dari hasil perhitungan persamaan-persamaan pompa.


(49)

Dalam pengerjaan simulasi ini, penulis membuat diagram alir untuk dapat mempermudah pengerjaan secara sistematis. Berikut, pada Gambar 3.1 dapat dilihat diagram alir yang digunakan dalam proses simulasi ini

Tidak

Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Skripsi

Mulai

Studi literatur

Pengumpulan data spesifikasi mesin pompa sentrifugal

Pemodelan

Kesimpulan & Saran

Selesai

Jurnal- jurnal pendukung, buku referensi, dan internet

Engine Parameter :

Kapasitas, daya, putaran pompa

Dimensi rumah pompa dan impeller

Pressure (Pa)

Energi Turbulensi (m2/s2) Output Report

Validasi

Analisa Data Ya


(50)

3.3.1 Keterangan Diagram Alir 3.3.1.1 Studi Literatur

Studi literatur dilakukan dengan pengumpulan referensi-referensi mengenai materi yang berhubungan dengan proses pemompaan dan proses terbentuknya kavitasi pada pompa sentrifugal serta CFD (Computational Fluid Dynamics).

3.3.1.2Pengumpulan Data

Pada tahap ini dilakukan pengumpulan data-data tentang mesin pompa sentrifugal yang dipakai dalam simulasi yang akan digunakan sebagai data awal untuk mengetahui dimensi pompa, head pompa, kapasitas, daya pompa, efisiensi pompa dan tekanan yang didapat dari persamaan-persamaan sebagai parameter dalam proses simulasi pada CFD.

Berikut, pada Gambar 3.2 dapat dilihat mesin pompa yang digunakan dalam simulasi

Gambar 3.2 Pompa Sentrifugal

3.3.1.3 Pemodelan

Pada tahap pemodelan ini, dilakukan penggambaran terlebih dahulu dari dimensi pompa termasuk di dalamnya impeller pompa dalam gambar 2 dimensi. Penggambaran dilakukan dengan menggunakan ANSYS GAMBIT 2.4.6 dan untuk melakukan simulasi digunakan ANSYS FLUENT 6.3. Program ini dipilih dengan beberapa pertimbangan, salah satunya adalah bahasan yang akan dilakukan berkaitan dengan simulasi pemompaan yang melihat fenomena kavitasi, dan ANSYS FLUENT 6.3 memiliki kemampuan untuk mensimulasikan proses pemompaan. Berikut, pada Gambar 3.3 merupakan diagram alir simulasi.


(51)

Ya

Gambar 3.3 Diagram Alir Pengerjaan Pemodelan Menggunakan ANSYS FLUENT 6.3

3.3.1.4 Output Report

Output report merupakan data-data yang dihasilkan dari proses simulasi. Data-data yang dihasilakan berupa grafik dan gambar bagaimana proses kavitasi yang terjadi di dalam pompa

Ya

Ya Tidak

Tidak Mulai Pembuatan geometri

dan meshing

Pendefinisian bidang batas pada geometri

Pengecekan mesh

Penentuan kondisi batas Proses numerik

Plot distribusi

Tekanan, Temperatur, Selesai Data sifat fisik

Mesh Baik


(52)

3.3.1.5 Validasi Pemodelan

Validasi pemodelan ini merupakan tahapan dimana dilakukan penyesuaian dengan hasil perhitungan yang didapatkan dari persamaan pompa pada yang dijadikan sebagai acuan pada pengerjaan tugas akhir ini. Selain itu, validasi juga bertujuan untuk dijadikan acuan dalam pelaksanaan pemodelan untuk selanjutnya pada langkah berikutnya.

3.3.1.6 Analisa Data

Data yang didapatkan dari hasil simulasi kemudian dianalisa, sehingga dapat diketahui pengaruh besarnya tekanan , kecepatan aliran untuk mengetahui bilangan reynold dan beberapa data yang memiliki pengaruh terhadap perubahan kecepatan aliran yang mempengaruhi penurunan performansi pompa yaitu efisiensi, head total pompa, daya pompa, dan kapasitas yang terjadi di dalam proses pemompaan selama simulasi.

3.3.1.7 Kesimpulan Dan Saran

Pada tahap ini adalah mengambil kesimpulan dari proses simulasi yang telah dilakukan. Kesimpulan ini berisi jawaban dari permasalahan yang terdapat pada simulasi ini.


(53)

BAB IV

PERMODELAN GEOMETRI SIMULASI POMPA

4.1 Pendahuluan

Dalam bab ini akan dianalisa prototype pompa sentrifugal. Analisa prototype pompa sentrifugal ini menggunakan metode perhitungan komputasi dinamika fluida atau Computational Fluid Dynamics ( CFD ) dengan program komputer FLUENT 6.3.26. 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.


(54)

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

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 telah digambar dalam 2 - D ( 2 dimensi ). Adapun tahap -tahap yang harus dilakukan dalam menggambar prototype geometri tersebut adalah:


(55)

Flow Chart pada GAMBIT

Gambar 4.3 Diagram alir simulasi

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 di awal berada suhu lingkungan pada suhu kamar 20º C, kemudian akan dilihat kenaikan temperatur sampai batas suhu 45 º C

3. Material properties pada suhu 20º C - 45 º C

• massa jenis air (20º C - 45 º C)

• Viskositas air (20º C - 45 º C)

• V masuk sesuai perhitungan manual 3,113 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 dilakukan pada impeler saja dan pada saat impeler dalam housing pompa sentrifugal tersebut.

Gambar impeller pompa yang telah dimeshing pada tugas

akhir sebelumnya

Membuat kondisi batas pada impeller yang digambar

Mengeksport file geometri ke file mesh


(56)

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 4.4 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


(57)

Gambar 4.5 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 4.6 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.


(58)

Gambar 4.7 Tampilan hasil smooth/swap grid e. Mendefinisikan model

1. Mengatur solver yang digunakan

Klik menu define lalu models, kemudian solver. Pilih pressure based Lalu klik OK.

Gambar 4.8 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.


(59)

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.

Gambar 4.10 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 4.11 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.


(60)

Gambar 4.12 Kotak dialog unit a. Mendefinisikan kondisi batas

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 4.13 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 4.14 Kotak dialog fluid 2. Mendefinisikan kondisi zona inlet

Pilih inlet pada panel box boundary condition pilih set, lalu pilih panel momentum. Kemudian masukkan nilai kecepatan sisi masuk pompa pada kolom velocity


(61)

magnitude sebesar 3,113 m/s. Lalu pilih panel Thermal kemudian masukkan nilai temperatur dari interval 20ºC - 45ºC, kemudian klik OK

Gambar 4.15 Kotak dialog Zona inlet 3. Mendefinisikan kondisi zona outlet

Pilih outlet pada panel box boundary condition pilih set kemudian pilih panel thermal lalu masukan temperatur pada kolom backflow total temperatur (K), lalu klik OK.

Gambar 4.16 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. Kemudian pada panel thermal, pilih temperatur lalu masukan temperatur pada dinding pompa.


(62)

Gambar 4.17 Kotak dialog zona wall 5. Memulai iterasi

1. Memilih pengontrol solusi

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

Gambar 4.18 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 4.19 Kotak dialog solution initialization 3. Mengaktifkan Pengeplotan residu iterasi selama proses iterasi


(63)

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

Gambar 4.20 Kotak dialog residual monitors 4. Mengaktifkan Pencatatan data simulasi/ Surface Monitors

Untuk mencatat data hasil simulasi, cara nya pilih menu solve lalu pilih monitor kemudian pilih surface, kemudian aktifkan pencatatan dengan mengaktifkan monitor yg ingin dicatat dan memilih print dan write lau Ok.

Gambar 4.21 Kotak dialog Surface Monitors 5. Memulai iterasi

Problem ini akan diiterasikan pada menu solver lalu pilih iterasi. Dan ketikkan number of iterations adalah 1000 lalu klik iterate. Dan hasil iterasi diperlihatkan pada gambar 4.22 dan gambar 4.23


(64)

Gambar 4.22 Kotak panel iterasi

Gambar 4.23 Kurva residual iterasi

Di bawah ini diperlihatkan hasil pencatatan dari simulasi tentang tekanan statis pompa.


(65)

BAB V

HASIL DAN PEMBAHASAN

Salah satu akibat dari terbentuknya kavitasi menyebabkan kapasitas aliran pompa berkurang, head total pompa juga berkurang, terbentuknya gelembung-gelembung pada pompa dan akan membuat bagian-bagian pompa mengalami kerusakan serta suara berisik. Agar pompa dapat beroperasi dengan aman dan terhindar dari peristiwa kavitasi, maka sebagai syarat utama adalah harga NPSH yang tersedia (NPSHa) harus lebih besar daripada NPSH yang diperlukan (NPSHr). Jadi, pada bab ini akan dibahas tentang hal-hal yang mempengaruhi kavitasi dan efek yang ditimbulkan.

5.1 Kapasitas Pompa

Gambar 5.1. Skema instalasi pompa yang digunakan

Kapasitas aliran didalam pipa dapat dituliskan sebagai Laju aliran yang menentukan kapasitas pompa menurut kebutuhan pemakaiannya. Dalam operasi memerlukan pengaturan kapasitas untuk memenuhi keperluan debit yang bervariasi. Oleh karena itu, untuk memeriksa pengaruh NPSH, maka yang harus dilakukan adalah merubah kapasitas dengan membuka katup pompa sebesar 0-100% dengan sudut bukaan 10% dan melihat hubungannya dengan kecepatan aliran dan kecepatan spesifik pompa. Berdasarkan


(66)

dari pengujian yang dilakukan didapatkan data sebagai berikut mengenai kapasitas pompa berdasarkan pembukaan katupnya:

Tabel 5.1 Kapasitas pompa berdasarkan pembukaan katup

% Penutupan Katup

Kapasitas (m3/s)

0 0,00427

10 0,008536

20 0,012802

30 0,017068

40 0,021334

50 0,0256

60 0,029866

70 0,034132

80 0,038398

90 0,042664

100 0,04693

Dari hasil yang didapat dari hasil pengujian, maka selanjutnya yang dihitung adalah kecepatan aliran pada masing-masing kapasitas dengan menggunakan persamaan 22 pada Bab II

VS =

S P A Q

=

( )

2

4 is P d Q π

Maka, untuk masing-masing kapasitas, didapat kecepatan alirnya sebesar Tabel 5.2 Perhitungan kecepatan aliran berdasarkan kapasitas

dan bukaan katup

% Penutupan Katup

Kapasitas (m3/s)

Kec. Aliran ( m/s)

0 0,00427 0,519764903

10 0,008536 1,039042908

20 0,012802 1,558320912

30 0,017068 2,077598916

40 0,021334 2,59687692

50 0,0256 3,116154924

60 0,029866 3,635432929

70 0,034132 4,154710933

80 0,038398 4,673988937

90 0,042664 5,193266941

100 0,04693 5,712544945

5.2 Head Pompa

Sebelum head (tinggi kenaikan) total pompa, ada beberapa parameter yang harus dihitung untuk mendapatkan head total pompa. Head total pompa yang dibutuhkan untuk mengalirkan air dengan kapasitas yang telah ditentukan dapat ditentukan dari kondisi


(67)

insatalsi pompa yang akan dilayani. Untuk menghitung Head total pompa dapat dihitung sesuai dengan persamaan 19 pada Bab II:

di mana

hs = head statis total, perbedaan tinggi muka air sisi keluar dan masuk

Δhp = perbedaan head tekan yang berada pada permukaan air

hl = berbagai kerugian head di perpipaan, katup, belokan,sambungan, dan lain-lain.

head kecepatan luar

1. Head Statis Total

Head statis adalah perbedaan tinggi antara muka air di sisi keluar dan di sisi isap. Tanda negatif (-) dipakai apabila muka air di sisi keluar lebih tinggi daripada sisi isap. Dari gambar 5.1 dapat dilihat bahwa perbedaan tinggi antara muka air sisi keluar dan sisi isap pompa sebesar 1100 cm atau sebesar 11 m. Bertanda positip karena sisi kelaur lebih tinggi daripada sisi isap. 2. Head tekan pompa

Untuk mengihtung head tekan pompa dipakai rumus . Karena tekanan yang

bekerja pada permukaan air pada kedua tangki adalah tekanan atmosfir. Sehingga 3. Head Kecepatan

Dalam menentukan perbedaan head kecepatan aliran maka terlebih dahulu dicari besarnya kecepatan aliran dalam pipa. Maka head kecepatan dihitung dengan persamaan :

Dari data pada tabel 5.2 telah didapatkan data kecepatan aliran, sehingga head kecepatan pada masing-masing kecepatan aliran adalah

Tabel 5.3 Perhitungan head kecepatan sesuai dengan kecepatan aliran

Kec. Aliran ( m/s)

Head Kecepatan (m)

0,519764903 0,013769396 1,039042908 0,055026002 1,558320912 0,12376983 2,077598916 0,220000879

2,59687692 0,343719151 3,116154924 0,494924644 3,635432929 0,673617359 4,154710933 0,879797295 4,673988937 1,113464454


(1)

Lampiran 3 : Kekasaran relative

Sumber : Lobanoff, Val S., Robert R. Ross. Centrifugal Pumps : Design and Application, 2nd edition, Butterworth – Heinemann, Amerika Serikat, 1985.


(2)

Lampiran 4 : 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.


(3)

Lampiran 5 : 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.


(4)

Lampiran 6 : 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.


(5)

Lampiran 7 : 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.


(6)

Lampiran 8

A. Tabel sifat fisik air (Air dibawah 1 atm dan air jenih diatas 100oC) Temperature

(oC)

Kerapatan (kg/l)

Viskositas Kinematik (m2/s)

Tekanan uap Jenuh (kgf/cm2)

0 0,9998 1,792 x 10-6 0,00623

5 1,0000 1,520 0,00889

10 0,9998 1,307 0,01251

20 0,9983 1,004 0,02383

30 0,9957 0,801 0,04325

40 0,9923 0,658 0,07520

50 0,9880 0,554 0,12578

60 0,9832 0,475 0,20313

70 0,9777 0,413 0,3178

80 0,9716 0,365 0,4829

90 0,9652 0,326 0,7149

100 0,9581 0,295 1,0332

120 0,9431 0,244 2,0246

140 0,9261 0,211 3,685

160 0,9073 0,186 6,303

180 0,8869 0,168 10,224

Catatan : 1 atm = 101,3 kPa = 76 cmHg 1 kgf/cm2 = 98,1 kPa Sumber : Sularso dan Haruo Tahara, pompa dan kompresor pemilihan,


Dokumen yang terkait

Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal Dan Analisa Numerik Menggunakan Program Komputer CFD FLUENT 6.1.22 Pada Pompa Sentrifugal Dengan Suction Gate Valve Open 100 %

15 75 132

Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal dan Analisa Numerik Menggunakan Program Komputer CFD Fluent 6.1.22. Pada Pompa Sentrifugal Dengan Suction Gate Valve closed 25%

15 120 153

Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal dan Analisa Numerik Menggunakan Program Komputer CFD Fluent 6.1.22 pada Pompa Sentrifugal Dengan Suction Gate Valve closed 75%

10 94 119

Simulasi Perancangan Pompa Sentrifugal Pada Instalasi Hotel Aryaduta Medan Dengan Menggunakan Program Komputer CFD Fluent 6.1.22

5 53 195

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

9 67 187

ANALISIS PERUBAHAN JUMLAH SUDU IMPELLER TERHADAP KECEPATAN DAN TEKANAN FLUIDA PADA POMPA SENTRIFUGAL MENGGUNAKAN FLUENT 6.23.26 PADA POMPA SENTRIFUGAL MENGGUNAKAN FLUENT 6.23.26 PADA POMPA SENTRIFUGAL MENGGUNAKAN FLUENT 6.23

1 8 18

TUGAS AKHIR PENGARUH KAVITASI TERHADAP FENOMENA GETARAN PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN SENSOR PIEZOELEKTRIK.

0 1 12

PENGARUH JUMLAH SUDU TERHADAP UNJUK KERJA DAN KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL.

0 1 12

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin- mesin Fluida - Simulasi Pengaruh NPSH Terhadap Terbentuknya Kavitasi Pada Pompa Sentrifugal Dengan Menggunakan Program Komputer Computational Fluid Dyanamic Fluent

0 0 30

SIMULASI PENGARUH NPSH TERHADAP TERBENTUKNYA KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER COMPUTATIONAL FLUID DYANAMIC FLUENT

0 0 12