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

PERANCANGAN INSTALASI POMPA

SENTRIFUGAL DAN ANALISA NUMERIK

MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD

FLUENT 6.1.22 PADA POMPA SENTRIFUGAL

DENGAN SUCTION GATE VALVE CLOSED 25 %

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

LUCKY I. SIANTURI NIM. 050401007

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

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 pembahasan dalam tugas sarjana ini adalah mengenai “ Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal dan Analisa Numerik

Menggunakan Program Komputer CFD Fluent 6.1.22. Pada Pompa Sentrifugal Dengan Suction Gate Valve closed 25% “. 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 ( Ir.W.Sianturi ) dan Ibunda ( A.Kalesaran ) serta adinda ( Deny P.K.Sianturi dan Yessika Kalesaran ) yang telah banyak memberikan berbagai macam bantuan moril maupun materi hingga akhirnya tulisan ini dapat diselesaikan.

2. Bapak Ir. H. A. Halim Nasution, Msc. selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan bimbingan serta masukan kepada penulis.

3. Bapak Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin,ST,MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 4. Kepada teman – teman satu tim senasib sepenanggungan penulis ( Erikson, Marshall dan Farabel ) yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai.

5. Semua teman – teman seperjuangan stambuk 2005 serta teman – teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Zp & Dolin, Ion, Ady , Berry ) dirumah kontrakan pribadi 14E.

6. Semua rekan – rekan CORNER Medan Club, MBC Crew dan Malas Pulang Group yang telah memberikan banyak bantuan moril kepada penulis.

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

Lucky Imanuel Sianturi

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.

Dalam mengoperasaikan pompa perlu diperhatikan suction gate valve open untuk dapat menganalisa kemampuan kerja pompa. Pada setiap suction gate valve open akan memiliki kapasitas dan head yang berbeda-beda. Nilai-nilai kapasitas dan head yang telah didapat dari percobaan akan disimulasikan dengan menggunakan CFD FLUENT 6.1.22. Program ini akan mempermudah menganalisa performansi dari pompa tersebut. Hasil simulasi akan dibandingkan hasil percobaan dan hasil perencanaan/perhitungan. Hasil perbandingannya dibuat dalam karakteristik pompa berupa grafik karakteristik. Berdasarkan karakteristik akan diperoleh bahwa semakin besar suction gate valve open maka kapasitas akan semakin besar pula dan head simulasi lebih besar dari pada head percobaan.

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 xi

DAFTAR GAMBAR xii

DAFTAR NOTASI xvi

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang 1

1.2Batasan Masalah 2

1.3Maksud dan Tujuan 3

1.4Metode Penulisan 3

1.5Sistematika Penulisan 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Prinsip – prinsip Pompa Sentrifugal 5

2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal 6

2.3 Bagian – bagian Utama Pompa Sentrifugal 7

2.4 Unit Penggerak Pompa 9

2.5 Karakteristik Pompa Sentrifugal 9

2.6 Dasar – dasar Pemilihan Pompa 10

2.7 Head Pompa 11

2.7.1 Head Tekanan 13

2.7.2 Head Kecepatan 14

2.7.3 Head Statis Total 14

2.7.4 Kerugian Head ( Head Loss ) 15

2.7.4.2 Minor Head Loss 16

2.7.4.3 Total Loss 16

2.8 Kecepatan Spesifik Pompa 16

2.9 Daya Pompa 17

2.10 Aliran Fluida 17

2.11 Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent 19

2.11.1 Metode Diskritisasi CFD 19

2.11.2 Proses Simulasi CFD 20

2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal 24

BAB III METODE PERENCANAAN

3.1 Skema Instalasi Pompa yang Direncakan 26

3.2 Penentuan Kapasitas 29

3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi 30

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆HP ) 30

3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆HV ) 30

3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆HS ) 32

3.3.4 Kerugian Head 32

3.3.4.1 Kerugian head sepanjang pipa hisap 32

3.3.4.2 Kerugian head sepanjang pipa tekan 38

3.4 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan 40 3.5 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller 40

3.6 Efisiensi Pompa pada Instalasi yang Dirancang 41

3.7 Daya Pompa pada Instalasi yang Dirancang 44

3.8 Spesifikasi Pompa yang Digunakan pada Instalasi 45

3.9 Ukuran – ukuran Utama Pompa 46

3.9.1 Bentuk dan ukuran impeller 46

3.9.1.1 Kecepatan dan sudut aliran fluida impeller 47

3.9.1.2 Melukis bentuk sudu 51

3.9.2 Bentuk dan ukuran rumah pompa 54

3.9.2.1 Bentuk rumah pompa 54

3.9.2.2 Luas saluran keluar ( throat ) volute 55 3.9.2.3 Penampang dan jari-jari volute 56

3.10 Pelaksanaan Perancangan 59

3.10.1 Diagram Alir Perancangan 59

3.10.2 Hasil Akhir dari Perancangan 60

BAB IV HASIL SIMULASI

4.1 Pendahuluan 62

4.2 Perhitungan Kapasitas Pompa Setelah Pengujian 62

4.3 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa 63

4.3.1 Tinggi Tekan Kecepatan 64

4.3.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 64

4.4 Analisa Kavitasi pada Pompa dengan Gate Valve closed 25% 69 4.4.1 NPSH ( Net Positive Suction Head ) 71 4.4.1.1 Net Positive Suction Head Available

( NPSH yang tersedia) 71 4.4.1.2 Net Positive Suction Head Required

( NPSH yang diperlukan ) 72

4.5 Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik 74 4.5.1 Proses Permodelan Pompa Sentrifugal 78 4.5.2 Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal 81 4.5.3 Proses Solving dan Postprocessing Geometri

Rumah Pompa 85

4.6 Analisa Kavitasi dan Performansi dari Pompa Sentrifugal 87 4.6.1 Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 87 4.6.2 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 88

4.7 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Berdasarkan

Hasil Fluent 90

4.7.1 Tinggi Tekan Kecepatan 90

4.7.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 91

4.7.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 91

BAB V KARAKTERISTIK POMPA

5.1 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 94 5.1.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 94 5.1.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 102

5.2 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan 104 5.2.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 104

5.2.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 109

5.3 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 110 5.3.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 110

5.3.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 115

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan 122

6.2 Saran 123

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Kekasaran Relative (ε) dalam Berbagai Bahan Pipa 34 Tabel 3.2 Nilai Koefisien K untuk Tipe Screwed 37 Tabel 3.3 Klasifikasi Impeler Menurut Putaran Spesifik 41 Tabel 3.4 Hubungan antara Kecepatan Spesifik dengan

Efisiensi Hidrolis 42

Tabel 3.5 Hubungan antara Kecepatan Spesifik Impeller

dengan Efisiensi Volimetris 43

Tabel 3.6 Jari-jari Busur Sudu Impeler 52

Tabel 3.7 Jari-jari dan luas volute untuk setiap penampang Tabel 4.1 Kenaikan Kehilangan Tinggi Tekan dengan Tipe

Bukaan Katup 66

Tabel 4.2 Nilai Koefisien Kopen untuk Tipe Screwed Valve 67

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

Berdasarkan Hasil Perhitungan 101

Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Hasil

Perhitungan 104

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

Berdasarkan Hasil Percobaan. 109

Tabel 5.4. Hubungan kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa

Berdasarkan Percobaan 110

Tabel 5.5 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Kapasitas Pompa

Berdasarkan Hasil Simulasi 115

Tabel 5.6 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Rumah Pompa Sentrifugal 7

Gambar 2.2 Kurva Pompa Aquavane 10

Gambar 2.3 Skema Instalasi Pompa 12

Gambar 2.4 Diagram alir algoritma numerik volume hingga

dengan metode SIMPLE 21

Gambar 2.5 Elemen fluida pada persamaan kekekalan massa 22 Gambar 2.6 Elemen fluida pada persamaan momentum 23 Gambar 2.7 Hasil Simulasi untuk Vektor - vektor Kecepatan yang

Terjadi 25

Gambar 2.8 Hasil Simulasi untuk Distribusi Tekanan yang Terjadi 25 Gambar 3.1 Skema Perencanaan Instalasi Pompa 28

Gambar 3.2 Stopwatch 29

Gambar 3.3 Meteran 29

Gambar 3.4 Diagram Moody 35

Gambar 3.5 Pompa Sentrifugal 45

Gambar 3.6 Bentuk impeler dan sudu yang digunakan dalam pompa 46 Gambar 3.7 Ukuran – ukuran utama pada impeler 46 Gambar 3.8 Segitiga Kecepatan pada sisi masuk ( Skala 1 cm : 1 m/s ) 48 Gambar 3.9 Segitiga kecepatan pada sisi keluar 51

Gambar 3.10 Bentuk Sudu impeler 53

Gambar 3.11 Perbandingan kecepatan pada kerongkongan rumah keong 54

Gambar 3.12 Grafik penentuan sudut volute 56

Gambar 3.13 Rumah Pompa 58

Gambar 3.14 Diagram Alir Pelaksanaan Perancangan 59 Gambar 3.15 Pandangan Depan Instalasi Pompa 60 Gambar 3.16 Pandangan Samping Instalasi Pompa 61 Gambar 4.1 Kerusakan pada Permukaan Sudu Impeller akibat Kavitasi 70 Gambar 4.2 Grafik hubungan antara kecepatan spesifik, efesiensi

hidrolis serta koefisien kavitasiThoma 73 Gambar 4.3 Diagram alir simulasi pada GAMBIT 76 Gambar 4.4 Diagram alir simulasi pada FLUENT 77 Gambar 4.5 Tampilan Hasil setelah memasukan titik-titiknya 78 Gambar 4.6 Tampilan hasil dari substract face dan shaded 79

Gambar 4.7 Tampilan hasil mesh 80

Gambar 4.8 Tampilan hasil boundary condition 80

Gambar 4.9 Kurva residual iterasi 85

Gambar 4.10 Rumah pompa dalam GAMBIT 86

Gambar 4.11 Kurva residual iterasi 86

Gambar 4.12 Distribusi tekanan fluida pada rumah pompa sentrifugal 87 Gambar 4.13. Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada

Gambar 4.14. Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada

pompa sentrifugal 89

Gambar 4.15. Distribusi kecepatan fluida pada impeller 89 Gambar 4.17 Grafik tekanan fluida vs jarak posisi tekanan fluida 90

Gambar 5.1 Kerugian - kerugian hidrolis 97

Gambar 5.2. Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan

Hasil Perhitungan 116

Gambar 5.3. Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan

Hasil Percobaan 118

Gambar 5.4 Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan

Hasil Simulasi 119

Gambar 5.5 Grafik Karakteristik Perbandingan Efisiensi Pompa 120 Gambar 5.6 Grafik Karakteristik Perbandingan Daya Pompa 120

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

A Luas Penampang Pipa m2

b Lebar Pasak mm

b1 Lebar impeller pada sisi masuk mm

b2 Lebar impeler pada sisi keluar mm

b3 Lebar Penampang masuk saluran throat mm

Dis Diameter dalam pipa mm

Ds Diameter poros mm

Dh Diameter hub mm

D1 Diameter sisi masuk impeller mm

D2 Diameter sisi keluar impeller mm

fc Faktor koreksi -

g Gravitasi m/s2

HL Head Losses sepanjang pipa m

Hp Head pompa m

Hs Head statis m

Hthz Head Teoritis m

hf Kerugian Head mayor m

hm Kerugian head minor m

h Tinggi pasak mm

K Kerugian akibat kelengkapan pipa -

Kt Faktor Koreksi pembebanan -

k Konstanta Hidrolik -

L Panjang pipa m

Mt Momen torsi kgmm

M Massa Kg

Nm Daya Motor Listrik kW

Np Daya Pompa kW

n Putaran Pompa rpm

ns Putaran Spesifik rpm

P Tekanan Pada pompa Pa

Q Kapasitas Pompa m3/s

R Jari – Jari sudu lingkaran impeller mm

Re Bilangan Reynold -

S Jarak antara sudu mm

Sf1 Faktor keamanan kelelahan puntir -

Sf2 Faktor Keamanan alur bahan -

t Tebal sudu impeller mm

U1 Kecepatan tangensial sisi masuk impeller m/s

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

π konstanta (phi) -

ρ Kerapatan fluida kg/m3

τg Tegangan Geser kg/m2

σb Kekuatan Tarik Bahan kg/m2

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.

Dalam mengoperasaikan pompa perlu diperhatikan suction gate valve open untuk dapat menganalisa kemampuan kerja pompa. Pada setiap suction gate valve open akan memiliki kapasitas dan head yang berbeda-beda. Nilai-nilai kapasitas dan head yang telah didapat dari percobaan akan disimulasikan dengan menggunakan CFD FLUENT 6.1.22. Program ini akan mempermudah menganalisa performansi dari pompa tersebut. Hasil simulasi akan dibandingkan hasil percobaan dan hasil perencanaan/perhitungan. Hasil perbandingannya dibuat dalam karakteristik pompa berupa grafik karakteristik. Berdasarkan karakteristik akan diperoleh bahwa semakin besar suction gate valve open maka kapasitas akan semakin besar pula dan head simulasi lebih besar dari pada head percobaan.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun yang akan dibahas dalam perancangan pompa ini ialah jenis pompa sentrifugal. Pompa sentrifugal adalah jenis pompa yang sangat banyak dipakai oleh industri, terutama industri pengolahan dan pendistribusian air. 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.

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. Pompa ini akan digunakan pada instalasi yang akan dirancang di Laboratorium Mesin Fluida Departemen Teknik Mesin dan bertujuan untuk memompakan air dari reservoir bawah ( ground tank ) ke reservoir atas ( roof tank ).

Pompa sentrifugal yang digunakan adalah sebagai alat uji perbandingan hasil dari real dilapangan dengan hasil dari simulasi menggunakan perangkat lunak ( software ) yaitu program simulasi Computational Fluid Dynamic atau sering disebut dengan CFD.

Computational Fluid Dynamic ( 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 akan tampak bentuk virtual prototype dari system yang digunakan 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 tersebut.

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

1.2. Batasan Masalah

Instalasi 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. Penentuan skema instalasi yang akan dibuat di Laboratorium Mesin Fluida.

b. Dalam perencanaan ini yang akan dibahas adalah perencanaan instalasi untuk pompa akan digunakan untuk memompakan air dari reservoar bawah ke reservoar atas.

c. Simulasi aliran fluida yang terjadi dalam sistem pemompaan dengan gate valve closed 25%.

d. Penentuan daerah - daerah kavitasi serta analisa performansi dari pompa sentrifugal pada analisa simulasi CFD Fluent.

1.3 Maksud dan Tujuan

Maksud dari perencanaan dan simulasi ini adalah untuk mengetahui analisa performansi dari pompa sentrifugal yang dipakai dengan menggunakan perhitungan matematis dan bantuan simulasi komputer sehingga diketahui kavitasi yang terjadi didalam rumah pompa ( housing pump ) pada instalasi yang dirancang.

Tujuan dari perencanaan dan simulasi ini adalah untuk mensimulasikan aliran fluida yang terjadi didalam rumah pompa ( housing pump ) menggunakan software CFD Fluent 6.1.22 dengan menampilkan virtual ptototype dari pompa sentrifugal sehingga akan diberikan data – data, gambar – gambar, atau kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan pompa sentrifugal yang digunakan pada instalasi yang dirancang.

1.4 Metode Penulisan

Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas sarjana ini adalah :

1. Survey Lapangan

Survey lapangan telah dilakukan pada Laboratorium Mesin Fluida Departemen Teknik Mesin USU dan toko peralatan alat – alat pompa serta toko besi.

2. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku yang mendukung dan membantu dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

3. Diskusi

Berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing dan teman-teman mahasiswa yang lain mengenai simulasi yang dibahas.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan tugas sarjana adalah sebagai berikut:

1. BAB I : Pendahuluan, berisikan latar belakang, batasan masalah, maksud dan tujuan, metode penulisan, dan sistematika penulisan. 2. BAB II : Tinjauan Pustaka, berisikan teori - teori yang mendasari

tentang pompa sentrifugal.

3. BAB III : Metode Perencanaan, berisikan urutan dan cara yang dilakukan secara jelas dan sistematis dalam perancangan sebuah instalasi pompa sentrifugal dan melaksanakan survey dalam pemilihan pompa sentrifugal yang digunakan pada instalasi yang akan dibuat serta perhitungan head pompa pada instalasi yang dirancang.

4. BAB IV : Hasil Percobaan dan Simulasi, berisikan hasil analisis dari perencanaan yang telah dilaksanakan dan serta disimulasikan supaya mendapatkan hasil yang maksimal dengan perbandingan hasil analisa manual dan simulasi.

5. BAB V : Karakteristik Pompa, berisikan performansi dari pompa sentrifugal yang digunakan untuk melayani instalasi yang dirancang. 6. BAB VI : Kesimpulan dan saran, berisikan garis besar dari perancangan

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 Prinsip -Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal

Prinsip-prinsip dasar pompa sentrifugal ialah sebagai berikut:

1. Gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar sehingga kecepatan fluida meningkat.

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

2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, antara lain:

1. Kapasitas:

1. Kapasitas rendah : < 20 m3 / jam 2. Kapasitas menengah : 20-60 m3 / jam 3. Kapasitas tinggi : > 60 m3 / jam

2. Tekanan Discharge:

1. Tekanan Rendah : < 5 Kg / cm2 2. Tekanan menengah : 5 - 50 Kg / cm2 3. Tekanan tinggi : > 50 Kg / cm2

3. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat:

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

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

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

4. Posisi Poros:

1. Poros tegak 2. Poros mendatar

5. Jumlah Suction: 1. Single Suction 2. Double Suction

6. Arah aliran keluar impeller : 1. Radial flow

2. Axial flow 3. Mixed fllow

2.3 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal

Secara umum bagian-bagian utama pompa sentrifugal dapat dilihat seperti gambar berikut:

1. Stuffing Box

Stuffing Box berfungsi untuk mencegah kebocoran pada daerah dimana poros pompa menembus casing.

2. Packing

Digunakan untuk mencegah dan mengurangi bocoran cairan dari casing pompa melalui poros. Biasanya terbuat dari asbes atau teflon.

3. Shaft

Shaft ( poros ) berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari penggerak selama beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya.

4. Shaft sleeve

Shaft sleeve berfungsi untuk melindungi poros dari erosi, korosi dan keausan pada stuffing box. Pada pompa multi stage dapat sebagai leakage joint, internal bearing dan interstage atau distance sleever.

5. Vane

Sudu dari impeller sebagai tempat berlalunya cairan pada impeller. 6. Casing

Merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar, tempat kedudukan diffusor ( guide vane ), inlet dan outlet nozzel serta tempat memberikan arah aliran dari impeller dan mengkonversikan energi kecepatan cairan menjadi energi dinamis ( single stage ).

7. Eye of Impeller

Bagian sisi masuk pada arah isap impeller. 8. Impeller

Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi energi kecepatan pada cairan yang dipompakan secara kontinyu, sehingga cairan pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan dari cairan yang masuk sebelumnya.

9. Wearing Ring

Wearing ring berfungsi untuk memperkecil kebocoran cairan yang melewati bagian depan impeller maupun bagian belakang impeller, dengan cara memperkecil celah antara casing dengan impeller.

10. Bearing

Bearing ( bantalan ) berfungsi untuk menumpu dan menahan beban dari poros agar dapat berputar, baik berupa beban radial maupun beban axial. Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek menjadi kecil.

2.4 Unit Penggerak Pompa

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

b. Motor listrik, dan c. Turbin

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

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

2.5 Karakteristik Pompa Sentrifugal

Karakteristik dari pompa sentrifugal merupakan sebuah cara dimana tinggi tekan tekanan diferensial bervariasi dengan keluaran ( output ) pada kecepatan konstan. Karakteristik dapat juga menyertakan kurva efisiensi dan harga brake horse power-nya. Kurva kapasitas tinggi tekan ( Gambar 2.2 ) ditunjukkan

sebagai kapasitas peningkatan total tinggi tekan, dimana tinggi tekan pompa mampu untuk dinaikkan atau dikurangi. Umumnya sebuah pompa sentrifugal akan menaikkan tinggi tekan terbesarnya pada suatu titik, dimana tidak ada aliran yang sering dianggap sebagai shut off head. Jika shut off head kurang dari harga maksimum tinggi tekan, pompa menjadi tidak stabil dan dibawah beberapa kondisi dapat memperbesar daya dan kecepatan fluktuasi yang menyebabkan getaran mekanis yang besar pada sistem pemipaan.

Gambar 2.2 Kurva pompa Aquavane KSB Type A32-160 2.6 Dasar-dasar Pemilihan Pompa

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

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

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

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

e. Mempunyai efisiensi yang tinggi.

f. Harga awal relatif murah juga perawatannya.

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

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

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

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

2.7 Head Pompa

Head pompa adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk mengalirkan sejumlah zat cair yang direncanakan sesuai dengan kondisi instalasi pompa, atau tekanan untuk mengalirkan sejumlah zat cair, yang umumnya dinyatakan dalam satuan panjang. Menurut persamaan Bernoulli yang berbunyi “ bila fluida inkompresibel mengalir sepanjang pipa yang penampangnya mempunyai beda ketinggian,perbedaan tekanan tidak hanya tergantung pada perbedaan ketinggian tetapi juga pada perbedaan antara kecepatan dimasing-masing titik tersebut ”. Dalam persamaan Bernoulli, ada tiga macam head (energi) fluida dari sistem instalasi aliran, yaitu energi tekanan, energi kinetik dan energi potensial. Hal ini dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut :

g V Z P H

. 2

2

+ +

=

_γ

Dimana:

H = Head total pompa (m)

γ

P

= Head tekanan (m) Z = Head statis total (m)

g V

. 2

2

= Head kecepatan (m)

Karena energi itu kekal, maka bentuk head ( tinggi tekan ) dapat bervariasi pada penampang yang berbeda. Namun pada kenyataannya selalu ada rugi-rugi energi (losses).

Gambar 2.3 Skema instalasi pompa 1

3 4

2

5

A

B

No Keterangan Gambar

1 Reservoir isap 2 Pipa isap

Pada kondisi yang berbeda seperti pada gambar di atas maka persamaan Bernoulli adalah sebagai berikut:

L A B A B A A B B L B B B B A A A A H Z Z g V g V P P H B ke A Loss H Z g V P H Z g V P + − + − + − = + + + = + + + ) ( ) . 2 . 2 ( ) ( ) ( . 2 . 2 2 2 2 2

γ

γ

γ

γ

Karena γA = γB maka:

L A B A B A B H Z Z g V V P P

H = − + − )+( − )+

. 2 ( ) ( 2 2

γ

L ST H H g V P

H = ∆ + ∆ )+ +

. 2 ( ) ( 2

γ

Dimana:

H = Head total pompa ( m )

γ

P ∆

= Head pompa karena perbedaan tekanan pada sisi isap dengan sisi tekan (

g V . 2 2 ∆

= Head yang diakibatkan karena ada perbedaan kecepatan ( m )

HST = Head statis ( m )

HL = Head loss dari A ke B ( m )

2.7.1 Head Tekanan

Head tekanan adalah perbedaan energi tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi tekan dengan energi tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi isap. Head tekanan dapat dinyatakan dengan rumus:

γ

γ

γ

B A

P P P − = Dimana:

γ

P

= Head tekanan ( m )

γ

B

P

= Energi tekanan pada permukaan zat cair pada sisi tekan ( m )

γ

A

P

= Energi tekanan pada permukaan zat cair pada sisi isap ( m )

2.7.2 Head Kecepatan

Head kecepatan adalah perbedaan antar energi kecepatan zat cair pada saluran tekan dengan energi kecepatan zat cair pada saluran isap. Head kecepatan dapat dinyatakan dengan rumus:

g V g V

H B A

k . 2 . 2 2 2 − =

Dimana:

Hk = Head kecepatan

g V_B

. 2

2

= Energi kecepatan zat cair pada saluran tekan

g V_A

. 2

2

= Energi kecepatan zat cair pada saluran isap

2.7.3 Head Statis Total

Head statis total adalah perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada sisi tekan dengan permukaan zat cair pada sisi isap. Head statis total dapat dinyatakan dengan rumus:

Z = Z_b −Z_a Dimana:

Z = Head statis total

Zb = Beda tinggi tekan statis pada sisi tekan

Za = Beda tinggi tekan statis pada sisi isap

Tanda + : Jika permukaan zat cair pada sisi isap lebih rendah dari sumbu pompa.

Tanda - : Jika permukaan zat cair pada sisi isap lebih tinggi dari sumbu pompa.

2.7.4 Kerugian Head ( Head Loss )

Kerugian energi per satuan berat fluida dalam mengaliran cairan dalam sistem perpipaan disebut sebagai kerugian head ( head loss ). Head loss terdiri dari mayor head loss ( hf ), minor head loss ( hm ), dan total loss ( htot )

2.7.4.1Mayor Head Loss ( Mayor Loss )

Merupakan kerugian energi sepanjang saluran pipa yang dinyatakan dengan rumus :

g V d L f h_f

2

2

= Dimana:

hf = Mayor loss ( m )

f = Faktor gesekan L = Panjang pipa ( m )

V = Kecepatan fluida dalam pipa ( m/det ) d = Diameter dalam pipa ( m )

Harga f ( faktor gesekan ) didapat dari diagram Moody sebagai fungsi dari Angka Reynold ( Reynolds Number ) dan Kekasaran relatif ( Relative Roughness - ε/D ), yang nilainya dapat dilihat pada grafik sebagai fungsi dari nominal diameter pipa dan kekasaran permukaan dalam pipa ( e ) yang tergantung dari jenis material pipa.Sedangkan besarnya Reynolds Number dapat dihitung dengan rumus :

µ

ρ

Vd =

Re Dimana:

Re = Reynold Number

ρ

= Massa jenis fluida (kg/m3)

V = Kecepatan rata-rata aliran (m/det) d = Diameter dalam pipa (mm)

µ

= Dynamic viscosity (N.s/m2)

Apabila aliran laminar ( Re < 2100 ), faktor gesekan ( f ) dapat dicari dengan pendekatan rumus:

Re 64

=

Apabila aliran turbulen ( Re > 4000 ), faktor gesekan ( f ) dapat dicari dengan diagram moody.

2.7.4.2Minor Head Loss ( Minor Loss )

Merupakan kerugian head pada fitting, elbow dan valve yang terdapat sepanjang sistem perpipaan. Dapat dicari dengan menggunakan Rumus:

g v k h_m

2

2

= Dimana:

hm = Minor loss ( m )

k = Koefisien kerugian dari fitting, elbow dan valve

2.7.4.3Total Loss

Total loss merupakan kerugian total sistem perpipaan, yaitu :

h

_tot

=

h

_f

+

h

_m

Dimana:

htot = Total loss (m)

hf = Total mayor loss (m)

2.8 Kecepatan Spesifik Pompa

Performansi pompa sentrifugal (kecuali turbin regenerative) dihubungkan pada suatu parameter yang disebut kecepatan spesifik

( specific speed ). Seperti yang didefinisikan oleh The Hydraulic Institute hal ini merupakan hubungan antara kapasitas, tinggi tekan, dan kecepatan pada efisiensi optimum yang mengklasifikasikan impeller pompa dengan respek terhadap persamaan geometris. Kecepatan spesifik merupakan sebuah bilangan aljabar yang dinyatakan sebagai:

4 3 2 1

H Q n

Ns =

Dimana:

NS = Kecepatan spesifik pompa ( m/min )

n = Putaran pompa ( rpm ) Q = Kapasitas pompa (m3/min) H = Head total pompa (m)

2.9 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 )

Hp = head pompa ( m )

ρ = rapat jenis fluida ( kg/m3 )

ηp = effisiensi pompa

2.10 Aliran fluida

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

Kehilangan energi hidrolik sepanjang pipa secara umum disebabkan oleh:

A. Kerugian Head Mayor

Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat digunakan untuk mencari head losses 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 head losses, tetapi biasa digunakan untuk semua fluida selai dari air dan digunakan hanya untuk aliran turbulen.

B. Kerugian Head Minor

Kerugian ini diakibatkan adanya perubahan dalam geometri aliran seperti katup, belokan, perubahan diameter pipa, sambungan saluran masuk dan keluar pipa.

2.11 Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent

ComputationalFluidDynamic (CFD) dapat dibagi menjadi dua kata, yaitu:

a. Computational : Segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi.

b. Fluid Dynamic : Dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.

Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi n fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya denga menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Dan Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode elemen hingga dan Fluent juga menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Penggunaan CFD umumya berhubungan dengan keempat hal berikut:

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

2.11.1 Metode Diskritisasi CFD

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

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

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

e. Metode skema resolusi tinggi

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

2.11.2 Proses simulasi CFD

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

a. Preprocessing

Komponen pre-processor merupakan komponen input dari permasalahan aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan

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

b. Solving

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

Gambar 2.4 Diagram Alir Algoritma Numerik volume hingga dengan metode SIMPLE

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

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

a. Kekekalan Massa 3 Dimensi steady state

Keseimbangan massa untuk fluida dinyatakan sebagai berikut:

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

x y wδ δ ρ z y uδ δ

ρ z x v δ δ ρ x δ y δ z δ x y z z w w δ δ δ ρ ρ ) ( ∂ ∂ + z y x x u u ρ δ δ δ

ρ ) ( ∂ ∂ + x z y y v v ρ δ δ δ

ρ )

(

∂ ∂ +

Gambar 2.5 Elemen Fluida pada persamaan kekekalan massa

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

b. Persamaan Momentum 3 Dimensi Steady State

Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Stokes dalam bentuk yang sesuai dengan metode finite volume sebagai berikut: x δ y δ z δ fx z y pδ δ

z y

xxδ δ

σ τzxδxδy

z x

yxδ δ

τ z y x x p

p δ )δ δ

( ∂ ∂ + z y x x xx

xx δ δ δ

σ σ ) ( ∂ ∂ + y x z z zx

zx δ δ δ

τ τ ) ( ∂ ∂ + z x y y yx yx δ δ δ τ τ ) ( ∂ ∂ +

Gambar 2.6 Elemen fluida pada persamaan momentum

Momentum x :

\ Momentum z :

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

Untuk Gas ideal :

c. Postprocessing

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

2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

Pada pompa sentrifugal, yang dapat dianalisa oleh CFD Fluent ini adalah

airan fluidanya, dimana dengan CFD Fluent ini kita dapat mensimulasikan vektor - vektor kecepatan yang terjadi pada impeler dan rumah keong pompa tersebut. CFD Fluent juga dapat mensimulasikan distribusi tekanan yang terjadi dalam pompa tersebut. Hasil simulasi aliran fluida ini adaah gambaran aliran fluida nantinya yang terjadi di lapangan. Pada gambar 2.7 dan gambar 2.8 merupakan contoh hasil dari simulasi pompa sentrifugal dengan massa alir 0,5 kg/s dan tekanan pompa 0,5 atm.

BAB III

METODE PERENCANAAN

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 pada instalasi yang akan dibuat.

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. Pedoman dalam menentukan jenis pompa yang digunakan adalah instalasi yang direncanakan.

3.1 Skema Instalasi Pompa Yang Direncanakan

Instalasi yang direncanakan adalah sangat sederhana. Dimana instalasi yang direncanakan terdiri dari:

1. Roof Tank

Roof tank atau tangki atas berfungsi sebagai tangki tempat penampungan air yang telah dipompakan dari ground tank dengan kapasitas maximum 400 liter dengan ukuran sebagai berikut:

− Panjang 100 cm

− Lebar 80 cm

2. Besi

Besi ini digunakan sebagai penyangga atau dudukan dari roof tank sehingga roof tank tidak jatuh dan air dapat bersirkulasi dengan baik dimana penyangga ini memiliki tinggi 2 meter.

3. Elbow

Pada perencanaan ini dipakai 2 jenis elbow, yaitu:

1. Elbow 90o long regular ukuran 1 inchi sebanyak 6 elbow ( satu dipasang pada pipa isap dan lima dipasang pada pipa tekan )

2. Elow 90o long regular ukuran 1.5 inchi sebanyak 2 elbow yang dipasang pada pipa buang.

4. Pipa

Pipa ini merupakan sarana penyaluran air dari ground tank ke roof tank. Ada 2 jenis ukuran dari pipa yang dipakai, yaitu:

1.Pipa isap dan pipa tekan yang berukuran 1 inchi. 2.Pipa buang yang berukuran 1,5 inchi.

5. Meja

Meja yang dimaksud dalam hal ini berfungsi sebagai dudukan pompa, agar pompa tetap kokoh saat memompakan air.

6. Pompa

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

7. Ground Tank

Ground tank atau tangki bawah berfungsi sebagai sumber air yang akan dialirkan oleh pompa dengan kapasitas maximum 400 liter yang bentuk dan ukurannya sama dengan roof tank.

8. Gate Valve

Gate valve digunakan untuk mengatur kapasitas yang dipompakan. Gate valve yang digunakan ada 2 ukuran yaitu:

1. gate valve ukuran 1.5 inchi yang dipasang pada pipa buang 2. gate vale ukuran 1 inchi yang dipasang pada pipa isap

Adapun gambar dan bentuk instalasi yang akan dirancang adalah sebagai berikut:

Pada instalasi dilakukan pengambilan data,dimana pengambilandata dari pengujian dilakukan dengan cara manual yaitu dengan menggunakan peralatan sebagai berikut:

1. Stopwatch

Stopwatch digunakan untuk menghitung lamanya pompa beroperasi sehingga diketahui kapasitas fluida yang akan dialirkan pada pembukaan katub isap 100%.

Gambar 3.2 Stopwach

2. Meteran

Meteran digunakan untuk mengukur ketinggian air sebelum dan sesudah air dipompakan dengan waktu tertentu untuk mendapatkan beda ketinggian fluida sehingga diperoleh kapasitas pompa dengan bukaan katup isap 100%.

3.2 Penentuan Kapasitas

Dalam menentukan kapasitas kita perlu memperhatikan bagaimana bentuk instalasi yang kita rencanakan. Dalam hal ini yang perlu diperhatikan adalah volume roof tank yang digunakan yaitu 400 liter dan tinggi air yang hendak dipompakan yaitu setinggi 200 cm. Dengan mempertimbangkan data-data diatas dan melihat name plate dari pompa yang digunakan pada instalasi yang akan dirancang maka kapasitas yang ditetapkan adalah sebesar 90 ltr / mnt.

3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi

Head pompa adalah besarnya energy 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 system pemipaan pada pipa isap dan pipa tekan dapat dilihat pada gambar 3.1 . Dengan menyatakan bahwa titik A pada permukaan fluida tangki bawah dan titik B pada permukaan fluida tangki atas, maka head pompa secara umum dinyatakan dengan persamaan:

Hpompa = ∆HP + ∆HV + HS + HL

Dimana:

∆HP = perbedaan head tekanan ( m )

∆HV = perbedaan head kecepatan ( m )

HS = head statis ( m )

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆HP )

Head tekanan merupakan energy 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 = 90 ltr/mnt = 10 3

2

3 ₋

× m3 / s VS = kecepatan Aliran dalam pipa isap ( m/s )

AS = π/4 ( dis )2 = luas bidang aliran ( m2 )

dis = diameter dalam pipa ( m )

sehingga diameter pipa isap adalah:

dis =

s p

V Q π 4

=

3 10 2 3

4 3

× ×

× −

π m

= 0,02523 m = 0,99 inchi

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

− Diameter dalam ( dis ) = 1,049 in = 0,0266 m

− Diameter luar ( dos ) = 1,318 in = 0,0335 m

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 =

(

)

2 3 0266 , 0 10 2 3 4 π − × ×

m / s

= 2,6992 m /s

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

HV =

g V 2 2 =

(

)

81 . 9 2 6992 , 2 2

× m

= 0,3713 m

Perbedaan Head Kecepatan aliran adalah nol oleh karena besarnya head kecepatan pada sisi isap dan sisi tekan sama yaitu 0,3713 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 3.1 diatas.

Dalam perencanaan ini, besarnya head statis adalah: Hs = 2 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.

3.3.4.1 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 [ Sularso, Haruo Tahara, hal 28 ]:

hfs = f

g V d

L _s

is s

2 2

×

Dimana:

hfs = kerugian karena gesekan ( m )

f = factor gesekan ( diperoleh dari diagram Moody ) Ls = panjang pipa hisap = 1,08 m

dis = diameter dalam pipa = 0,0266 m

Vs = kecepatan aliran fluida = 2,6992 m/s

Untuk menentukan factor gesekan ( f ) terlebih dahulu ditentukan alirannya apakah laminar atau turbulen dengan mencari harga bilangan Reynold ( Re ), [Pump Handbook, hal 131 ] dimana:

υ

is

sd V =

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 0266 , 0 6992 , 2 − ××

= 70390,9 ≥ 4000

Maka aliran yang terjadi adalah “ Turbulen “

Bahan pipa isap yang direncanakan adalah Galvanized Iron dimana bahan pipa yang direncanakan tersebut mempunyai kekasaran sebesar 0,00015 m sesuai dengan table 3.1 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 )

0

( hydraulically smooth )

0

( 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

Cast iron 8.5 x 10-4 0.25 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

Maka kekasaran relative (ε/dis ) adalah:

is

d

ε ₌

0266 , 0

00015 , 0

= 0,005639

Selanjutnya dicari harga faktor gesekan dengan menggunakan diagram moody.

0 x 37,5 mm

Gambar 3.4 Diagram moody

Friction factor ( f

0,04

0,03 f

15 mm

0

5 mm 0,006 = - 2,2218

e/dis = 0,005639 = -2,2487

0,004 = - 2,3979 5,75 mm

y

0

Posisi Re = 70390,9 didalam garis horisontal diagram moody dapat dihitung dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga diperoleh:

0,15 =

x = 31,78 mm

Nilai kekasaran relative didalam garis vertikal diagram moody dapat diperoleh dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga diperoleh:

0,1527 = y = 5 mm

Nilai koefisien gesek didalam garis vertikal diagram moody dapat diperoleh dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga diperoleh:

log = f = 0,033

Dari diagram moody untuk bilangan Reynold = 70390,9 dan e/ dis =

0,005639 dengan cara interpolasi maka akan diperoleh factor gesek ( f ) = 0,033, sehingga besarnya kerugian gesek sepanjang pipa isap menurut Darcy-Weishbach adalah:

hfs = 0,033

(

)

81 , 9 2 2,6992 0,0266

08 ,

1 2

× × ×

= 0,4975 m

b Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi ( hms )

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

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:

− Gate valve 1 buah

− Elbow 90o long regular 1 buah

Tabel 3.2 Nilai koefisien K untuk tipe screwed

Nominal Screwed

Diameter,in ½ 1 2 4

Valve (fully open):

Globe 14 8,2 6,9 5,7

Gate 0,30 0,24 0,16 0,11

Swing check 5,1 2,9 2,1 2,0

Angle 9,0 4,7 2,0 1,0

Elbows

450 regular 0.39 0.32 0.30 0.29

900 long radius 1.0 0.72 0.41 0.23

1800 regular 2.0 1.5 0.95 0.64

Bruce R.Munson ,Fundamental Of Fluid Mechanics 5Th Edition

Sesuai data dari table diatas maka koefisien kerugian ( k ) dari gate valve dan elbows 90o untuk jenis screwed dengan diameter nominal pipa 1 inci adalah sebagai berikut:

Jenis perlengkapan Jumlah ( n ) K Nk

Mulut isap 1 0.4 ÷ 0.5 0.45

Gate valve 1 0.24 0.24

Elbow 90o regular 1 1.5 1.5

Total koefisien kerugian 2.19

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

hms =

(

)

81 , 9 2

6992 , 2 2,19

2

× m

= 0,813 m

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

hls = hfs + hms

= 0,4975 m + 0,813 m = 1,3105 m

3.3.4.2 Kerugian Head sepanjang Pipa Tekan ( hld ) a Kerugian Head Akibat Gesekan Pipa Tekan ( hfd )

Pipa tekan dari pompa menuju roof tank direncanakan menggunakan ukuran pipa standart ANSI B.36.10 Shcedule 40 dengan ukuran pipa nominal 1 inci dan bahan pipa adalah Galvanized iron yang sama dengan pipa hisap.

Ukuran pipa tersebut adalah:

− Diameter Dalam ( dis ) = 1,049 inci = 0,0266 m

− Diameter Luar ( dos ) = 1,318 inci = 0,0335 m

Karena bahan dan diameter pipa tekan ini sama dengan pipa hisap, maka bilangan Reynold ( Re ) adalah 70390,9 dan factor gesekan ( f ) = 0,033 serta panjang pipa tekan adalah 4,6 m, maka besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa tekan adalah:

hfd = 0,033

(

)

81 , 9 2

6992 , 2 0266 , 0

6 ,

4 2

× ×

= 2,1191 m

b Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi pada pipa tekan ( hmd) Dari gambar instalasi sebelumnya telah tertera bahwa perlengkapan yang diperlukan adalah elbow 900 regular sebanyak 5 buah.

Oleh karena jenis elbow pipa tekan sama dengan jenis elbow pada pipa isap maka besarnya koefisien kerugian ( k ) dari instalasi pipa tekan seperti pada tabel dibawah:

Jenis perlengkapan Jumlah ( n ) K nk

Elbow 90o regular 5 1.5 7.5

Pipa keluar 1 1 1

Maka harga kerugian head akibat perlengkapan instalasi pipa tekan adalah:

hmd =

g V nk s

2 2

∑

=

(

)

81 , 9 2

6992 , 2 5 , 8

2

×

× m

= 3,156 m

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

= 2,1191 m + 3,156 m = 5,2751 m

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

= 1,3105 m + 5,2751 m = 6,5856 m

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

Htotal = ∆HP + ∆HV + ∆HS +∆HL

= 0 + 0 + 2 m + 6,5856 m = 8,5856 m

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

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

− 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 = 8,5856 m x ( 1 + 0,15 )

= 9,87 m

3.4 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan

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.

Dalam perencanaan ini telah ditentukan motor penggerak yang dipakai adalah motor listrik dengan putaran motor 2850 rpm.

3.5 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller

Impeller adalah roda atau rotor yang dilengkapi dengan sudu – sudu, dimana sudu – sudu ini berguna untuk memindahkan mekanis poros menjadi energy fluida. Tipe impeller suatu pompa ditentukan berdasarkan putaran spesifik pompa tersebut [ Khetagurov, hal 205 ]:

ns =

4 3 P P

H Q n

Dimana:

ns = putaran spesifik ( rpm )

nP = putaran pompa ( rpm )

HP = head pompa ( ft ) = 9,87 m = 32,373 ft

Sehingga:

ns =

(

)

(

_32,373

)

34 778 , 23 2850

= 1023,989 rpm = 1024 rpm

Dari table dibawah diketahui bahwa untuk putaran spesifik, ns = 1024 rpm

maka jenis impeller yang sesuai adalah jenis Radial flow.

Tabel 3.3 Klasifikasi impeler menurut putaran spesifik

Jenis impeller ns

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

3.6 Efisiensi Pompa Pada Instalasi Yang Dirancang

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

1. Efisiensi Hidrolis

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

Tabel 3.4 hubungan antara kecepatan spesifik dengan efisiensi hidrolis q

n ( 1 menit ) 10 15 20 30 50 100

h

η 0.86 0.91 0.94 0.96 0.97 0.98

Sumber: Turbin, Pompa dan Compresor. Fritz diesel hal: 258

Besarnya kecepatan spesifik dapat dicari dengan menggunakan persamaan [Turbin, Pompa dan Compresor. Fritz diesel hal: 248 ]:

1 4 3 − = menit H Q n n_q Dimana: q

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

( )

1

4 _9,87 3 0015 . 0 2850 − = menit n_q

= 19,82 1menit

Maka akan didapat nilai efisiensi hidrolis sebesar:

q

n ( 1 menit ) 15 19.82 20

h

η 0.91 η_h 0.94

(

) (

)

91 , 0 94 , 0 94 , 0 15 20 82 , 19 20 −− = −

h

η = 0,9389

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 3.5 hubungan antara kecepatan spesifik impeller dengan efisiensi volimetris

s

n 60 to 100 100 to 150 150 to 220

v

η 0.94 to 0.97 0.97 to 0.99 0.98 to 995

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

Kecepatan spesifik impeller dapat dicari dengan menggunkan persamaan (Marine AuxiliaryMachinery and System,. M. Khetagurov. Hal: 205 ):

4 3 65 , 3 H Q n s = η Dimana:

n = kecepatan impeller pompa ( rpm )

s

n = kecepatan spesifik impeler

Maka: 4 3 87 , 9 0015 , 0 2850 65 , 3 = s η = 72,35

Dengan menginterpolasikan harga dibawah ini, maka akan didapat:

s

n 60 72,35 100

v

(

) (

)

94 , 0 97 , 0 97 , 0 60 100 35 , 72 100 −− = −

− ηv

η_v = 0,94926

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 0.935.

Dari perhitungan diatas didapat nilai efisiensi total pompa pada instalasi adalah:

total

η = ηh ηv ηm

= 0,9389×0,94926×0,935 = 0,833

3.7 Daya Pompa Pada Instalasi yang Dirancang

Besarnya daya pompa untuk mengalirkan air atau daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan impeller yang dicari dengan persamaan [ Fritz Dietzel, hal 243 ]: P p gHQ N

η

ρ

= Dimana :

H = Head pompa = 9,87 m

Q = Kapasitas pompa = 0,0015 m3/s

g = Massa jenis air pada temperatur 200 C = 1000 kg/m3

P

η = efisiensi motor pompa = 83,3% Sehingga:

NP =

= 173,99 W

Sehingga daya pompa yang diperlukan untuk mengalirkan air atau daya yang untuk menggerakkan impeller pada instalasi yang dirancang ini adalah 173,99 W

3.8 Spesifikasi Pompa Yang Digunakan Pada Instalasi.

Untuk menentukan jenis pompa yang sesuai dengan instalasi perlu diperhatikan data-data spesifikasi pompa perencanaan, sebagai berikut:

Kapasitas Pompa ( Q ) : 90 ltr / mnt Head Pompa ( H ) : 9,87 m

Jenis Pompa : Pompa Radial

Putaran Spesifik ( ns ) : 1024 rpm

Tipe impeller : Radial Flow Efisiensi Pompa (η_P) : 83,3 % Daya Pompa ( Np ) : 173,99 W

Dengan memperhatikan data-data pada pompa perencanaan maka dapat ditetapkan pompa yang akan digunakan dalam instalasi adalah :

Merk : DMY water pump Tipe : AQUA - 175 Tinggi Tekan : 18 meter Kapasitas : 90 Ltr/mnt Daya : 175 Watt Putaran : 2850 rpm

Gambar 3.5 Pompa Sentrifugal

3.9 Ukuran Impeller dan Rumah Pompa 3.9.1 Bentuk dan Ukuran Impeller

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 3.7 Ukuran – ukuran utama pada impeler

Keterangan:

a.Diameter Poros pompa ( dS ) = 10 mm b. Diameter Hub Impeller (dH ) =27 mm

c. Diameter Mata Impeller (dO ) =35 mm

d. Diameter Sisi Masuk ( d1 ) = 44,2 mm

e. Diameter Sisi Keluar (d2 ) = 129 mm

f. Lebar Impeler Pada Sisi Masuk ( b₁ ) = 2,5 mm g. Lebar Impeler Pada Sisi Keluar ( b₂) = 2,5 mm h. Tebal Sudu Pada Sisi Masuk ( t₁ ) = 4 mm i. Tebal Sudu Pada Sisi Keluar ( t₂ ) = 1 mm j. Jumlah Sudu ( Z ) = 6 Buah

3.9.1.1 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 dan kecepatan aliran absolute ( V1 ) adalah sama dengan kecepatan radial pada

sisi masuk ( Vr1 )

Sebelum menghitung berapa kecepatan aliran absolute terlebih dahulu ditentukan besar diameter mata impeller dengan persamaan [Khetagoruv, hal 257]:

Qth = Kapasitas aliran teoritis pada sisi isap, yaitu kapasitas dengan perkiraan adanya kerugian yang disebabkan fluida dari sisi tekan 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 0,0015 m3/s = 0.001575 m3/s

do ={

(

0,027

)

2 . 001575 . 0 4 + × O V

π }1/2

1,156.10-3 = 4

3 10 . 29 , 7 10 . 00535 ,

2 − ₋

+ O V VO 3 10 . 00535 , 2 −

= 4,27.10-4

O

V =

4 3 10 . 27 , 4 10 . 00535 , 2 − − O

V = 4,043 m/s

Jadi dapat diperoleh nilai kecepatan fluida radial sisi masuk ( Vr1 ) dengan

persamaan :

Vr1 = V0 + (10% ÷ 15%) x V0 ( dipilih 12,5 % )

= 4,043 + (0,125 x 4,043) = 4,5 m/s

2. Kecepatan Tangensial ( U1 )

Kecepatan tangensial pada sisi masuk impeler ditentukan dengan persamaan [ Magdy Abou Rayan, hal 102 ] :2

U1 =

60 . .d₁ n_p π = 60 2850 10 . 43 3x

x −

π = 6,6 m/s

3. Sudut Tangensial ( β1 )

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

1 1 1 arctan V V_r = β

= arc tan 

     6 , 6 5 , 4

= 34,28 0

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

Gambar 3.8 Segitiga Kecepatan pada sisi masuk

Ket.

W1 : Kecepatan relatif pada sisi masuk impeler

: Kecepatan fluida radial sisi masuk

U1 : Kecepatan tangensial pada sisi masuk impeler

Dari gambar 3.8 dapat diketahui bahwa kecepatan relatif pada sisi masuk impeler ( W1 ) adalah :

W1 =

= 28 , 34 sin 5 , 4 = 7,988m/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 4,5 m/s

2. Kecepatan Tangensial (U2)

U2 =

60 . .d2 np π = 60 2850 10 . 129 14 ,

3 × −3×

= 19,25 m/s

3. Sudut tangensial Keluar Impeler ( β2 )

Z = 6,5

[ Fritz Dietzel, hal 255 ] Dimana Z ( Jumlah Sudu ) = 6

Z = 6,5

    − + 2 , 44 129 2 , 44 129 . sin     + 2 2 1 β β sin     + 2 2 1 β

1

β + β₂ =53,80 2

β = 53,80- 34,280 2

β = 19,520

4. Kecepatan Absolut Tangensial ( Vu2 ) Vu2 = U2 -

2 2 tanβ

r

V

[Stepanoff, hal 49]

= 19,25 -

25 , 19 5 , 4 Tan = 7,94 m/s

5. Sudut Absolut Keluar Impeler (α_{2 )} 2

α = arc tan 2 2 u r V V

= arc tan 55 , 6 5 , 4

= 34,48 0

6. Kecepatan Sudut Absolut keluar impeler ( W2 ) W2 =

2 2 sinβ r V = 52 , 19 sin 5 , 4

= 13,46 m/s

7. Kecepatan Absolut aliran keluar ( V2) V2 =

2 2 sinα r V = 48 , 34 sin 5 , 4

= 7,95 m/s

Setelah didapat harga-harga diatas maka polygon kecepatan keluar impeler dapat digambarkan seperti gambar 3.9 berikut ini:

Gambar 3.9 Segitiga kecepatan pada sisi keluar

Keterangan gambar :

V2 = komponen absolute keluar impeler

Vu2 = komponen tangensial kecepatan absolute keluar impeler

W2 = kecepatan relative keluar impeler

U2 = kecepatan tangensial keluar impeler

α2 = sudut absolute keluar impeler

β2 = sudut tangensial keluar impeler.

3.9.1.2 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.

Dimana :

R1 = jari-jari lingkaran sudu sisi masuk impeler

= d1 / 2 = 44,2/2 = 22,1 mm

R2 = jari-jari lingkaran sudu sisi keluar

= d2/2 = 129/2 = 64,5 mm

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

Maka diperoleh :

R = 4 1 , 22 5 , 64 − = 10,6mm

Perubahan besar sudut kelengkungan ( ) terhadap perubahan R adalah : = 4 28 , 34 52 , 19 −

= - 3,740

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 berikut ini:

Link R (mm)

R2 (mm2)

R cos R0 cos

- Ri cos

R02 – Ri2

(mm)

1 22,1 488,41 34,48 - - -

B 32,7 1069,29 30,74 28,11 9,88 580,88 29,37

C 43,3 1874,89 27 38,58 10,47 805,6 38,45

2 64,5 4160,25 19,52 60,79 11,27 1255,04 55,65

Adapun langkah-langkah melukis sudu impeler adalah sebagai berikut : 1. Gambaran lingkaran a,b dan c diantara R1 dan R2 dengan R = 10,6 mm

2. Tentukan sembarang titik A pada lingkaran d1 lalu tarik garis sumbu OA

kemudian lukis sudut OAA’ sebesar = 34,80

3. Tentukan titik W sebagai pusat lingkaran 1 dan b pada garis AA’ dengan jari-jari 29,37 mm dari titik A, lukis busur lingkaran yang berpusat di W dari titik A hingga berpotonan dengan lingkaran b, tandai dengan titik C.

4. Tentukan titik CX sebagai pusat lingkaran b dan c pada garis BC dengan jari-jari 38,45 mm dari titik C, lukis busur lingkaran yang berpusat di titik X dari titik C hingga berpotongan dengan lingkaran c. titik potongan tersebut ditandai dengan titik C.

5. Demikian seterusnya dilakukan dengan langkah 3 dan hingga dapat ditentukan titik D dan E pada lingkaran d dan 2 sehingga diperoleh tiktik A, B, C, D dan E yang membentuk sudut impeler.

6. Maka gambar sudu tersebut dapat dilihat seperti terdapat pada gambar 3.8 berikut :

Gambar 3.10 Bentuk sudu impeler

3.9.2 Bentuk dan Ukuran Rumah Pompa

Rumah pompa adalah bagian yang sangat penting dari sebuah pompa yang berfungsi untuk mengalirkan fluida dan mengubah energi kinetic fluida menjadi energi tekanan.

Rumah pompa yang digunakan pada perencanaan ini adalah jenis rumah volut, jenis ini berbentuk spiral biasanya disebut rumah keong. Rumah pompa ini dibentuk sedemikian rupa sehingga luas penampang rumah pompa perlahan-lahan bertambah luas dalam arah radial. Jenis ini biasanya digunakan untuk pompa satu tingkat dan konstruksinya sangat sederhana

3.9.2.1 Bentuk Rumah Pompa

Untuk menggambarkan rumah pompa volute, rumah pompa dibagi atas 8 bagian penampang masing- masing 45, 90, 135, 180, 225, 315, dan 360. Berdasarkan perbandingan kecepatan pada kerongkongan rumah keong (Vthr/U2)

dengan kecepatan keliling fluida keluar impeler adalah fungsi dari kecepatan spesifik seperti pada gambar dibawah ini [ Lobanoff, hal 31 ]:

Gambar 3.11 Perbandingan Kecepatan pada kerongkongan rumah keong

Pada perhitungan sebelumnya diperoleh Q = 0,0015 m3 / S dan Hp = 9,87

m dengan harga ns, = 1024 rpm, sehingga dari grafik di atas diperoleh bahwa harga C3 / U2 = 0,45 sehingga dari persamaan diperoleh :

Vthr = ( C3 / U2 ) x U2

= 0,45 x 19,25 = 8,6625 m/s

3.9.2.2 Luas Saluran Keluar ( throat ) Volute ( Athr )

Besar luas penampang kerongkongan rumah keong (throat volute) (Athr)

Athr = b3 D3 π sin αv

Dimana :

Athr = Luas Saluran keluar kerongkongan

b3 = lebar saluran keluar kerongkongan

= b2 + 0,025 r2 [ Khetagurov, hal 248 ]

= 8 mm + 0,025 ( 64,5 mm) = 4,1125 mm

D3 = 2r3, dimana nilai r3 = ( 1,02 ÷ 1,05 )r2 , dalam perencanaan ini

diambil nilai r3 = 1,035 r2 [ Khetagurov, hal 248 ].

= 2 x 1,035 x (64,5) = 133,515 mm

sin α_v = Sudut volute, nilai sin α_v didapat dari hasil interpolasi grafik penentuan sudut volut [ Stepanoff, hal 113 ], sebesar 7,1 0.

Gambar 3.12 Grafik penentuan sudut volut

maka :

Athr = b3 . D3 . π . sin αv

= 4,1125 x 133,515 x π x sin 7,1 = 213,211 mm2

3.9.2.4 Penampang dan Jari-Jari Volute

Bentuk rumah pompa adalah rumah volute sehingga luas daerah diantara rumah pompa dan impeler merupakan fungsi sudut volute ( v ) dalam sistem radial lingkaran, dapat dihitung dengan persamaan [ Stepanoff, hal 115 ]

Av = Athr

Dimana:

rvi = jari-jari lintasan antara casing dengan impeler

rvi =

Untuk v = 900, maka diperoleh :

Av = Athr

= 213,211 = 53,30 mm2

Besarnya harga rv diperoleh dari

rv = rvi + r2 + t

Dimana :

r2 = Jari – jari keluar impeler = 64,5 mm

t = Jarak impeler dengan lidah volut, biasanya 8% dari jari – jari keluar impeler [Khetagurov, hal 246].

= 0,08.r2

= 0,08 x 64,5 = 5,16 mm maka :

rv = rvi + r2 + t

= 4,12 + 64,5 + 5,16 = 73,78 mm

Dengan cara yang sama harga dari Av, rv, rvi, dapat ditabelkan untuk harga

tiap-tiap sudut volute ( ) yang telah ditentukan. Tabel berikut memberikan jari-jari saluran dan luas volute untuk setiap penampang tiap-tiap sudut volute.

Tabel 3.7 Jari – jari dan luas volut untuk setiap penampang

(0) Av (mm2) Rvi (mm) rv (mm)

0 0 0 69,66

90 53,30 4,12 73,78

135 79,95 5,04 74,7

180 106,61 5,83 75,49

225 133,26 6,51 76,17

270 159,91 7,13 76,79

315 186,56 7,71 77,37

360 213,86 8,74 77,9

405 239,86 8,74 78,9

430 254,67 9,01 78,67

Adapun cara untuk melukis rumah keong ialah sebagai berikut:

1. Dengan pusat titik A, dilukis lingkaran-lingkaran dengan jarak yang telah ditentukan

2. Dimana besar jari-jari tiap lingkaran tersebut sudah ditentukan dan dilukis pada sudut tertentu, dimana diwakili pada sudut 0, 90, 180, 270 dan 360

3. Kemudian dilukis lingkaran yang menyinggung semua lingkaran dengan titik pusat A ( lingkaran terputus-putus )

4. Demikian juga dilukis lingkaran luar yang sama dengan titik pusat A 5. Maka dari titik M ditarik garis ke titik N dan dari titik N ke titik O dan

seterusnya.

6. Maka terbentuklah sebuah rumah keong volute.

Gambar 3.13 Rumah pompa

3.10 Pelaksanaan Perancangan 3.10.1 Diagram Alir Perancangan

Secara garis besar pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan berurutan dan sistematis,seperti ditunjukkan pada gambar 3.1

Gambar 3.14 Diagram aliran pelaksanaan Perancangan - Kapasitas Pompa (m3/s)

- Kecepatan Aliran ( m/s ) - Head pompa pada Instalasi ( m ) - Putaran Pompa (rpm)

- Efisiensi Pompa pada Instalasi (%)

Menggambar bentuk dari impeller dan rumah pompa dengan menggunakan AUTOCAD

-Perencanaan Bentuk Instalasi Pompa -Penyediaan Alat dan bahan yang dibutuhkan -Pengerjaan Instalasi Pompa

START

3.10.2 Hasil Akhir dari Perancangan.

Adapun hasil akhir dari perancangan Instalasi pompa ini dapat dilihat dari gambar dibawah ini :

Lampiran 2 : Kekasaran relative

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

Lampiran 3 : Koefisien kerugian gesek pada kelengkapan pipa Sumber : Lobanoff, Val S., Robert R. Ross. Centrifugal Pumps : Design

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

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

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

Lampiran 5 : Kerugian gesek pada katup pompa

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

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

Lampiran 6 : Koefisien gesek pada pipa

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

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

Lampiran 7 :Ukuran – ukuran nominal pipa

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