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

(1)

PERANCANGAN INSTALASI POMPA

SENTRIFUGAL DAN ANALISA NUMERIK

MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD

FLUENT 6.1.22 PADA POMPA SENTRIFUGAL

DENGAN SUCTION GATE VALVE OPEN 100 %

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FARABEL PANJAITAN NIM : 050401076

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

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 open 100 %” 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 ( T.R.Panjaitan ) dan Ibunda ( Alm.M.Sirait ) serta abangda ( Forhansen P. ) dan kakanda ( Fianty P,Febriani P,Fisher P ) 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. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik MesinUSU.

5. Kepada teman – teman satu tim/senasib sepenanggungan penulis ( Erikson, Lucky dan Marshal ) yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai.

6. Semua teman – teman seperjuangan stambuk 2005 di Departemen Teknik Mesin serta teman – teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Zp & Dolin, Ion, Maycold,Ady , Berry ) dirumah kontrakan pribadi 14E.

7. Keluarga besar penulis yang tinggal dikost gang saudara 48. 8. Semua teman-teman seperjuangan penulis di GmnI FT.USU

Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis mengucapakan terima kasih.

Penulis,

Farabel Panjaitan ( NIM: 05 0401 076 )

(3)

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.

(4)

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 xiv

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang 1

1.2Rumusan dan Batasan Masalah 2

1.3Maksud dan Tujuan Perencanaan 3

1.4Metode Penulisan 3

1.5Sistematika Penulisan 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin-mesin Fluida 5

2.2 Pengertian Pompa 5

2.3 Klasifikasi Pompa 5

2.4 Unit penggerak pompa 14

2.5 Dasar-dasar pemilihan pompa 15

2.6 Head Pompa 15

2.7 Putaran Spesifik 17

2.8 Daya Pompa 18

2.9 Aliran Fluida 18

2.10 Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent 19

2.10.1 Proses Simulasi CFD 20

2.10.2 Metode Diskritasi CFD 25

(5)

BAB III PERENCANAAN INSTALASI POMPA

3.1 Skema Instalasi Pompa yang Direncakan 28

3.2 Penentuan Kapasitas 31

3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi 31

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆HP ) 32 3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆HV ) 32

3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆HS ) 34

3.3.4 Kerugian Head 34

3.4 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan 42

3.5 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller 43

3.6 Efisiensi Pompa pada Instalasi yang Dirancang 44

3.7 Daya Pompa pada Instalasi yang Dirancang 47

3.8 Spesifikasi Pompa yang Digunakan pada Instalasi 48

3.9 Ukuran Impeller dan Rumah Pompa 49

3.9.1 Bentuk dan Ukuran Impeller 49

3.9.2 Bentuk dan Ukuran Rumah Pompa 58

3.9.2.1 Bentuk Rumah Pompa 58

3.9.2.2 Luas Saluran keluar Volut 59

3.9.2.3 Penampang dan Jari – jari Volut 60

3.10 Pelaksanaan Perancangan 63

3.10.1 Diagram Alir Perancangan 64

3.10.2 Hasil Akhir dari Perancangan 65

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN

4.1 Pendahuluan 66

4.2 Perhitungan Kapasitas Pompa setelah 66

4.3 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa 67

4.3.1 Tinggi Tekan Kecepatan 68

4.3.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 68

4.3.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 74

4.4 Analisa Kavitasi pada Pompa dengan Gate Valve closed 100% 75

4.4.1 NPSH ( Net Positive Suction Head ) 76

4.4.1.1 Net Positive Suction Head Available ( NPSH yang tersedia) 77

4.4.1.2 Net Positive Suction Head Required 78

( NPSH yang dibutuhkan )

4.5 Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik 80

4.5.1 Proses Permodelan Pompa Sentrifugal 83

4.5.2 Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal 86 4.5.3 Proses solving dan postprocessing geometri rumah pompa 89

4.6 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 91 4.6.1 Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 91 4.6.2 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 92

4.7 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Berdasarkan Hasil Fluent 94

4.7.1 Tinggi Tekan Kecepatan 94

4.7.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 95

(6)

BAB V KARAKTERISTIK POMPA

5.1 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 99

5.1.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 99

5.1.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 105

5.2 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan 108

5.2.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 108

5.2.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 112

5.3 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 113

5.3.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 113

5.3.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 117

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan 123

6.2 Saran 124

DAFTAR PUSTAKA

(7)

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 Systempada Kapasitas Pompa

Berdasarkan Hasil Simulasi 115

Tabel 5.6 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa 116 Berdasarkan Hasil Simulasi

(8)

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

pompa sentrifugal 88

Gambar 4.14. Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada

(9)

Gambar 4.15. Distribusi kecepatan fluida pada impeller 89 Gambar 4.16 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

(10)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

A Luas Penampang Pipa m2

b Lebar Pasak mm

b1 Lebar impeller pada sisi masuk mm

b2 Lebar impeler pada sisi keluar mm

b3 Lebar Penampang masuk saluran throat mm

Dis Diameter dalam pipa mm

Ds Diameter poros mm

Dh Diameter hub mm

D1 Diameter sisi masuk impeller mm

D2 Diameter sisi keluar impeller mm

fc Faktor koreksi -

g Gravitasi m/s2

HL Head Losses sepanjang pipa m

Hp Head pompa m

Hs Head statis m

Hthz Head Teoritis m

hf Kerugian Head mayor m

hm Kerugian head minor m

h Tinggi pasak mm

K Kerugian akibat kelengkapan pipa -

Kt Faktor Koreksi pembebanan -

k Konstanta Hidrolik -

L Panjang pipa m

Mt Momen torsi kgmm

M Massa Kg

Nm Daya Motor Listrik kW

Np Daya Pompa kW

n Putaran Pompa rpm

ns Putaran Spesifik rpm

P Tekanan Pada pompa Pa

Q Kapasitas Pompa m3/s

R Jari – Jari sudu lingkaran impeller mm

Re Bilangan Reynold -

S Jarak antara sudu mm

Sf1 Faktor keamanan kelelahan puntir -

Sf2 Faktor Keamanan alur bahan -

t Tebal sudu impeller mm

U1 Kecepatan tangensial sisi masuk impeller m/s

U2 Kecepatan tangensial sisi keluar impeller m/s

V Kecepatan aliran pada pipa m/s

Vo Kecepatan aliran masuk impeller m/s

Vr1 Kecepatan radial masuk impeller m/s

(11)

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

(12)

ABSTRAK

(13)

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.

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

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

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

(14)

dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. CFD akan memberikan data - data, gambar - gambar, atau kurva - kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang dirancang. Hasil analisis CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif.

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

1.2. Rumusan dan Batasan Masalah

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 open 100%.

d. Penentuan daerah - daerah kavitasi serta analisa performansi dari pompa sentrifugal

(15)

1.3. Maksud dan Tujuan Perencanaan

Maksud dari analisa dan perencanaan ini adalah untuk mengetahui analisa performansi dari pompa sentrifugal yang digunakan dengan menggunakan perhitungan matematis dan bantuan simulasi komputer sehingga diketahui kavitasi yang terjadi pada housing pump / rumah pompa.

Tujuan dari perencanaan ini adalah untuk mensimulasikan aliran fluida yang terjadi didalam housing pump / rumah pompa pada instalasi 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 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.

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.

(16)

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan tugas sarjana adalah sebagai berikut:

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

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

3. BAB III : Perencanaan Instalasi, 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.

4. BAB IV : Hasil dan pembahasan, berisikan hasil analisis dari perencanaan yang telah dilaksanakan dan data dianalisis 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 V : Kesimpulan dan saran, berisikan garis besar dari perancangan instalasi, percobaan dan simulasi ini serta saran.

(17)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Mesin - mesin fluida

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

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

1. Mesin Tenaga

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

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

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

Contoh : pompa, kompresor, kipas ( fan ).

2.2. 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.

2.3. Klasifikasi Pompa

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

1. Pompa Tekanan Statis

(18)

2.3.1. Pompa Tekanan Statis

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

a. Pompa Putar ( rotary pump )

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

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

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

(19)

Gambar 2.2. Pompa Diafragma

2.3.2. Pompa Tekanan Dinamis

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

Ciri - ciri utama dari pompa ini adalah :

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

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

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

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

(20)

Gambar 2.3. Bagian-bagian utama pompa sentrifugal

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

a. Klasifikasi menurut jenis impeler

1. Pompa Sentrifugal

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

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

(21)

2. Pompa Aliran Campur

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

Gambar 2.5. Pompa aliran campur 3. Pompa Aliran Aksial

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

(22)

Gambar 2.6. Pompa aliran aksial

b. Klasifikasi menurut bentuk rumah pompa

1. Pompa Volut

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

2. Pompa Difuser

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

(23)

3. Pompa Vortex

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

Gambar 2.8. Pompa Vortex

c. Klasifikasi menurut jumlah tingkat

1. Pompa satu tingkat

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

2. Pompa bertingkat banyak

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

(24)

d. Klasifikasi menurut letak poros

1. Pompa poros mendatar

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

2. Pompa jenis poros tegak

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

Gambar 2.10. Pompa aliran campur poros tegak

e. Klasifikasi menurut belahan rumah

1. Pompa belahan mendatar

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

(25)

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

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

3. Pompa jenis berderet

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

f. Klasifikasi menurut sisi masuk impeler

1. Pompa isapan tunggal

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

2. Pompa isapan ganda

Pompa ini memasukkan fluida melalui dua sisi isap impeler (gambar 2.12). Pada dasarnya pompa ini sama dengan dua buah impeler pompa isapan tunggal yang dipasang bertolak belakang dan dipasang beroperasi secara paralel. Dengan demikian gaya aksial yang terjadi pada kedua impeler akan saling mengimbangi dan laju aliran total adalah dua kali laju aliran tiap impeler. Oleh sebab itu pompa ini banyak dipakai untuk kebutuhan dengan kapasitas besar.

(26)

Gambar 2.12. Pompa isapan ganda

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. 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.

(27)

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

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

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

e. Mempunyai efisiensi yang tinggi.

f. Harga awal relatif murah juga perawatannya.

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

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

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

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

2.6. Head Pompa

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

(28)

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

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

berikut :

- Untuk titik 1 :

Energi yang terkandung E1 = Ek1 + Ep1

= m1. + m1.g.h1

- Untuk titik 2 :

Energi yang terkandung E2 = Ek2 + Ep2

= m2. + m2.g.h2

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

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

(P2-P1).Q = {( m2. ) - (m1. ) + (m2.g.h2) - (m1.g.h1) }……(1)

Dimana : Q = A . V = Konstan

M = ρ . A . V , dimana ρ1= ρ2

Sehingga persamaan (1) di atas dapat dituliskan sebagai berikut :

(P2-P1)A.V = [(ρ.A.V3)2 - (ρ.A.V3)1] + ρ.A.V.g(h2 - h1)

(P2-P1) = ρ( - ) + ρ.g(h2

-h1)………..(2)

Jika ρ (kg/m3

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

= + ( h2-h1 )

Atau persamaan untuk mencari head pompa digunakan hukum Bernoulli yaitu :

+ + Z1 + Hp = + + Z2 + HL

(29)

HP = + + Z2 - Z1 + HL

Dimana : adalah perbedaan head tekanan. adalah perbedaan head kecepatan Z2 - Z1 adalah perbedaan head potensial

HL adalah kerugian head ( head losses )

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

HL = hf + hm

2.7. Putaran spesifik

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

ns = 3,65

Dimana : ns = putaran spesifik [rpm]

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

2.8. Daya pompa

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

(30)

Dimana : Np = daya pompa [watt]

Q = kapasitas pompa [m3/s]

Hp = head pompa [m]

ρ = rapat jenis fluida [kg/m3]

ηp = effisiensi pompa

2.9. Aliran fluida

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

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

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

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

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

a. Persamaan Darcy - Weisbach

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

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.

(31)

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

B. Kerugian Minor

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

hm = K

Dimana :

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

K = Koefisien minor loses

2.10. Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent

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

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

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

Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi n fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya denga menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Dan Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode elemen hingga dan Fluent juga menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Penggunaan CFD umumya berhubungan dengan keempat hal berikut:

(32)

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

2.10.1. Proses simulasi CFD

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

a. Preprocessing

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

b. Solving

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

(33)

Gambar 2.14 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;

(34)

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 )

( ∂ ∂ +

(35)

Atau dapat ditulis dalam bentuk matematika sebagai berikut:

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

b. Persamaan Momentum 3 Dimensi Steady State

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

σ ) ( ∂ ∂ + y x z z zx zx τ δ δ δ

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

Gambar 2.17 Elemen fluida pada persamaan momentum Momentum x :

(36)

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.

2.10.2.Metode Diskritisasi CFD

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

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

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

(37)

2.10.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

Pada pompa sentrifugal, yang dapat dianalisa oleh CFD Fluent ini adalah airan fluidanya, dimana dengan CFD Fluent ini kita dapat mensimulasikan vektor - vektor kecepatan yang terjadi pada impeler dan rumah keong pompa tersebut. CFD Fluent juga dapat mensimulasikan distribusi tekanan yang terjadi dalam pompa tersebut. Hasil simulasi aliran fluida ini adaah gambaran aliran fluida nantinya yang terjadi di lapangan.

Pada gambar 2.14 dan gambar 2.15 merupakan contoh hasil dari simulasi pompa sentrifugal dengan massa alir 0,5 kg/s dan tekanan pompa 0,5 atm.

(38)

(39)

BAB III

PERENCANAAN INSTALASI POMPA

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

− Tinggi 50 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.

(40)

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

(41)

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

Gambar 3.1 Skema perencanaan instalasi pompa

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%.

(42)

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%.

Gambar 3.3 Meteran

3.2 Penentuan Kapasitas

Dalam menentukan kapasitas kita perlu memperhatikan bagaimana bentuk instalasi yang kita rencanakan. Dalam hal in yang perlu di perhatikan adalah volume roof tank yang digunakan yaitu 400 Liter dan tinggi air yang hendak dipompakan yaitu setinggi 200 cm. Dengan mempertimbangkan data-data diatas maka kapasitas yang direncanakan 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

(43)

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 1 pada permukaan fluida tangki bawah dan titik 2 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 )

HL = kerugian head ( 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

(44)

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

( )

4 is P d Q π =

(

)

3 0266 , 0 10 2 3 4 π − × ×

m / s

= 2,6992 m /s

(45)

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 head kecepatan pada sisi isap dan sisi tekan 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.

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:

hfs = f

g V d L s is s 2 2 ×

(46)

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, dimana:

υ

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 dibawah.

(47)

Table 3.1 Kekasaran relative (ε) dalam berbagai bahan pipa

Pipeline Material Absolute Rougness (ε)

Ft mm

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

( hydraulically smooth )

( hydraulically smooth ) Drawn tubings ( e.g.

coper or aluminium pipes or tubings )

5 x 10-6 1.5 x 10-6

Comersial steel or wrought iron

1.5 x 10-4 4.6 x 10-2

Cast iron with asphalt lining

4 x 10-4 0.12

Galvanized iron 5 x 10-6 0.15

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

(48)

Selanjutnya dicari harga faktor gesekan dengan menggunakan diagram moody.

0 x 37,5 mm

Gambar 3.4 Diagram moody

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 Friction factor

0,04

0,03 f

15 mm

5 mm 0,006 = - 2,2218

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

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

y 0

4 70390,9 10

(49)

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 = f

g V d L s is 2 2 ×

= 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:

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

(50)

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 regular 2.0 1.5 0.95 0.64

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

× m

= 0,813 m

Dengan demikian diperoleh besar kerugian head sepanjang jalur pipa isap pompa sebesar: hls = hfs + hms

(51)

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 = f

g V d L s is 2 2 ×

= 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

(52)

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

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

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

Htotal = 8,5856 m x ( 1 + 0,15 )

(53)

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

a. Keuntungan

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

− Pengoperasiannya lebih mudah,

− Ringan dan hampir tidak menimbulkan suara,

− Pemeliharaan dan pengaturan mudah. b. Kerugian

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

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

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

Besarnya putaran motor listrik dapat ditentukan dengan mengetahui frekuensi dan jumlah kutub pada motor listrik. Pada umumnya frekuensi listrik di Indonesia adalah 50 Hz. Putaran motor listrik dengan frekuensi 50 Hz dapat dilihat pada table dibawah ini:

(54)

Tabel 3.3 Harga putaran dan kutubnya

Jumlah kutub Putaran ( rpm )

2 3000

4 1500

6 1000

8 750

10 600

12 500

Sumber: Pompa dan kompresor, Sularso, Haruo Tahara, hal 50.

Pada pemilihan kali ini dipilih motor listrik 2 buah katub dengan putaran 3000 rpm. Akibat adanya slip pada motor maka terjadi penurunan putaran , sehingga putaran motor menjadi 2850 rpm. Motor listrik dikopel langsung dengan pompa sehingga putara pompa sama dengan putaran motor.

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.

Putaran spesifik untuk pompa jenis saluran roda adalah: ns =

4 3

t H

Q n

Dimana:

ns = putaran spesifik ( rpm )

n = putaran pompa ( rpm )

Q = kapasitas pompa ( gpm ) = 90 ltr / mnt = 23,778 gpm Ht = head pompa ( ft ) = 9,87 m = 32,373 ft

Sehingga:

ns =

(

)

(

₃₂_,₃₇₃

)

778 , 23 2850

= 1023,989 rpm = 1024 rpm

(55)

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

maka jenis impeller yang sesuai adalah jenis Radial flow. Tabel 3.4 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 3.5 hubungan antara kecepatan spesifik dengan efisiensi hidrolis

n ( 1 menit ) 10 15 20 30 50 100

η 0.86 0.91 0.94 0.96 0.97 0.98

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

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

4 3

−

= menit

H Q n n_q

(56)

Dimana:

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

( )

4 ₉_,₈₇ 3 0015 . 0 2850 − = menit n_q

= 19,82 1menit

Maka akan didapat nilai efisiensi hidrolis sebesar:

n ( 1 menit ) 15 19.82 20

η 0.91 η_h 0.94

(

) (

)

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

− ηh

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 3.6 hubungan antara kecepatan spesifik impeller dengan efisiensi volimetris

n 60 to 100 100 to 150 150 to 220

η 0.94 to 0.97 0.97 to 0.99 0.98 to 995

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

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

(57)

4 3 65 , 3 H Q n s = η Dimana:

n = kecepatan impeller pompa ( rpm )

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:

n 60 72,35 100

η 0.94 η_v 0.97

(

) (

)

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

− ηv

η = 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 = η_h η_v η_m

= 0,9389×0,94926×0,935 = 0,833

(58)

3.7 Daya Pompa dan Daya Motor Penggerak Pada Instalasi

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

P p HQ N

η

γ

= Dimana :

H = Head pompa = 9,87 m

Q = Kapasitas pompa = 0,0015 m3/s

γ = Berat jenis air pada temperatur 200 C = 9790 N/m3

η = efisiensi motor pompa = 84% Sehingga: 833 , 0 0,0015 9,87

9790× ×

= p

= 173,99 W

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

(

)

t p m N N

η

α

= 1

Dimana:

Nm = daya motor penggerak ( kW )

Np = daya pompa

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

η = efisiensi transmisi = 1.0 dikopel langsung Sehingga:

(

)

0 . 1 1 . 0 1 99 , 173 + = m N

= 191,389 W

Berdasarkan perhitungan diatas, maka dipilih motor listrik dengan daya 191,389 W

(59)

3.8 Spesifikasi Pompa Yang Digunakan Pada Instalasi.

Untuk menentukan jenis pompa yang sesuai dengan instalas 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

Daya Motor ( Nm ) : 191,389 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 ( 0,24 Hp )

Putaran : 2850 rpm

(60)

3.9. Ukuran-Ukuran Utama Pompa 3.9.1.Ukuran Poros dan Impeller pompa

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

Gambar 3.6 Bentuk impeler dan sudu yang digunakan dalam pompa

(61)

Keterangan:

1. Diameter Poros pompa ( DS ) = 10 mm

2. Bentuk dan ukuran impeller

a. Diameter Hub Impeller (dH ) =27 mm

b. Diameter Mata Impeller (dO ) =35 mm

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

d. Diameter Sisi Keluar (d2 ) = 129 mm

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

3. Kecepatan dan Sudut Aliran Fluida Impeler

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

Pada pompa dengan impeler radial, aliran fluida masuk secara radial tegak lurus dengan garis singgung impeler sehingga besar sudut masuk absulute ( α1 ) =

900 C dan kecepatan aliran absolute ( V1 ) adalah sama dengan kecepatan radial

pada sisi masuk ( Vr1 )

Qth = Kapasitas aliran teoritis pada sisi isap, yaitu kapasitas dengan perkiraan

adanya kerugian yang disebabkan fluida dari sisi 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 ].

(62)

d0 ={

(

)

2 027 , 0 . 001575 . 0 4 + × O V

π }1/2

1,156.10-3 = 4

3 10 . 29 , 7 10 . 00535 ,

2 − ₋

+ O V O V 3 10 . 00535 , 2 −

= 4,27.10-4

V = ₄

3 10 . 27 , 4 10 . 00535 , 2 − − O

V = 4,043 m/s

Jadi dapat diperoleh nilai Vr1 dengan persamaan :

Vr1 = kecepatan fluida radial sisi masuk

= 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 ] :

U1 =

60 . .d₁ n_p

π = 60 2850 . 10 . 43 . 14 ,

3 −3

= 6,6 m/s

3. Sudut Tangensial (β1)

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

1 1 1 arctan V V_r = β

= arc tan 

     6 , 6 5 , 4 = 34,28 0

(63)

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

Gambar 3.8 Segitiga Kecepatan pada sisi masuk ( Skala 1 cm : 1 m/s ) Ket.

W1 : Kecepatan relatif pada sisi masuk impeler : Kecepatan fluida radial sisi masuk

U1 : Kecepatan tangensial pada sisi masuk impeler β1 : Sudut sisi masuk

Dari gambar 3.5 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

(64)

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

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

β _{= 26,9}

β + β₂ =53,80

β = 53,80- 34,280

β = 19,520

4. Kecepatan Absolut Tangensial ( Vu2 )

Vu2 = U2 - 2 2 tanβ

[Stepanoff, hal 49]

= 19,25 -

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

5. Sudut Absolut Keluar Impeler (α₂₎

α = arc tan 2 2 u r V V

= arc tan 55 , 6 5 , 4

(65)

6. Kecepatan Sudut Absolut keluar impeler ( W2 )

W2 =

2 2 sinβ

52 , 19 sin

5 , 4

= 13,46 m/s

7. Kecepatan Absolut aliran keluar ( V2)

V2 =

2 2 sinα

48 , 34 sin

5 , 4

= 7,95 m/s

Setelah didapat harga-harga diatas maka polygon kecepatan keluar impeler dapat digambarkan seperti gambar 3.6 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.

(66)

4. Melukis Bentuk Sudu

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

2. Metode koodinat polar

Dalam melukis bentuk sudu sering digunakan metode arcus tangent, yaitu dengan membagi-bagi impeler beberapa ruang konsentris diantara jari-jari R1 dan

R2.

Jarak masing-masing lingkaran adalah :

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

(67)

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

Dimana :

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

Harga-harga setiap jari-jari busur dan sudut pada setiap bagian lingkaran yang membentuk sudu impeler dihitung dan ditabelkan pada tabel 4.2. berikut : Tabel 3.7 Jari-jari busur sudu impeler

Link R

(mm)

R2 (mm2)

R cos R0 cos

- Ri cos

R02 – Ri 2

(mm)

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

B 32,7 1069,29 30,74 28,10550729 9,88795017 580,88 29,37312537

C 43,3 1874,89 27 38,5805825 10,47507521 805,6 38,45318453

D 53,9 2905,21 23,26 49,51913199 10,9385374 1030,32 47,09587591 2 64,5 4160,25 19,52 60,79285689 11,2757249 1255,04 55,6522978

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 29,37312537 mm dari titik A, lukis busur lingkaran yang berpusat

(68)

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 38,45318453 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.

Maka gambar sudu tersebut dapat dilihat seperti terdapat pada gambar 3.7 berikut :

(69)

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 :

(70)

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)

adalah [ Stepanoff, hal 115 ]:

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 αv = Sudut volute, nilai sin αv didapat dari hasil interpolasi grafik

(71)

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

3.9.2.3 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

(72)

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.3.8. 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

(73)

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. Kemudian dilukis jari-jari penampang volute sebesar 5,61 mm 6. Maka dari titik M ditarik garis ke titik P dan dari titik N ke titik Q 7. Maka terbentuklah sebuah rumah keong volute.

(74)

3.10.Pelaksanaan Perancangan 3.10.1 Diagram Alir Perancangan

Secara garis besar pelaksanaan penelitian ini dilaksanakan berurutan dan sistematis,seperti ditunjukkan pada gambar 3.14.

Gambar 3.10 Diagram aliran pelaksanaan Perancangan Indentifikasi masalah dan menetapkan tujuan perancangan

PENGOLAHAN DATA:

Simulasi data statistik (CFD Fluent 6.1.22 )

SELESAI START

STUDI AWAL:

Studi literatur

PERSIAPAN:

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

-Pengujian terhadap Instalasi Pompa

PENGUMPULAN DATA:

- Kapasitas Pompa (m3/s) - Head Pompa ( m ) - Kecepatan Aliran ( m/s ) - Net positive suction head (m) - Efisiensi Pompa ( % ) - Daya Pompa ( W ) - Putaran Pompa (rpm)

ANALISA DATA

KESIMPULAN

Ya Tidak

(75)

3.10.2 Hasil Akhir dari Perancangan.

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

(1)

Hal ini disebabkan karena gate valve open 100 % memiliki nilai kapasitas dan head yang lebih tinggi dibanding gate valve open yang lain.

5. Dengan menggunakan program CFD FLUENT versi 6.1.22 ini akan mempermudah dalam menghitung performansi dari pompa yang digunakan untuk melayani instalasi serta mampu menunjukkan daerah – daerah kemungkinan terjadinya kavitasi.Pompa yang digunakan pada perancangan instalasi ini sangat kecil untuk terjadi kapitasi.Hal ini dapat dibuktikan melalui hasil simulasi dan perhitungan yaitu nilai NPSHA ≥ NPSHR.

6. Berdasarkan dari hasil karakteristik pompa dapat disimpulkan bahwa besar Kapasitas (Q) berbanding terbalik dengan besar Tinggi tekan ( H ). Semakin besar kapasitas maka semakin kecil tinggi tekannya, atau sebaliknya semakin kecil kapasitas maka semakin besar tinggi tekannya.

6.2 Saran

Setelah dilakukan penelitian ini, maka saran yang bisa penulis sampaikan yaitu:

1. Melanjutkan penelitian yang telah dilakukan dengan menambah hal – hal yang akan dianalisa dengan menggunakan program CFD Fluent 6.1.22

2. Diharapkan bagi yang menggunakan program CFD Fluent 6.1.22 untuk lebih teliti dalam memasukkan data – data agar hasil akhir lebih akurat.

3. Diharapkan bagi pemakai program ini agar dapat mengembangkan program ini dalam menganalisa masalah – masalah keteknikan.

(2)

DAFTAR PUSTAKA

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

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

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

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

Karasik, Igor J., William C. Krutzsc, Warren H. Frase, Joseph Messina. Pump Handbook, 3rd edition, Mc Graw Hill, Amerika Serikat, 2001.

Khetagurov, M. Marine Auxiliary Machine system, Peace Publisher, Moskow, 1970.

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

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

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

Noerbambang, Soufyan M., Takeo Morimura. Perancangan dan Pemeliharaan Sistem Plambing, Pradnya Paramita, Jakarta, 1983.

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

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

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

(3)

Lampiran 1 : Diagram Moody

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

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

(4)

Lampiran 2 : Kekasaran relative

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

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

(5)

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.

(6)

Lampiran 4 : 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.

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