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

SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL

PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN

DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER

CFD FLUENT 6.1.22

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

EBEN HAEZAR L. TOBING NIM : 050401075

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL

PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN

DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER

CFD FLUENT 6.1.22

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

EBEN HAEZAR L. TOBING NIM : 050401075

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL

PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN

DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER

CFD FLUENT 6.1.22

EBEN HAEZAR L. TOBING NIM : 050401075

Diketahui / Disahkan : Disetujui oleh :

Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing,

Fakultas Teknik USU Ketua,

DR. Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri

NIP. 196412241992111001 NIP. 194910121981031002 Ir. Mulfi Hazwi, MSc.

SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL

PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN

DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER

CFD FLUENT 6.1.22

EBEN HAEZAR L. TOBING NIM : 050401075

Telah disetujui dari hasil Seminar Skripsi Periode ke - 563 pada tanggal 20 Februari 2010

Pembanding I, Pembanding II,

DR.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri

NIP : 196412241992111001 NIP : 194511051971061001

KATA PENGANTAR

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

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

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

1. Ayahanda ( P.L. Tobing ) dan ibunda ( T.Pandiangan ) serta kakanda ( Novita Hotmaria ) dan juga adinda ( Elvan Haezar L. Tobing ) yang telah banyak memberikan berbagai macam bantuan moril maupun materi hingga akhirnya tulisan ini dapat diselesaikan.

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

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

4. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU

5. Semua teman – teman seperjuangan stambuk 2005 di Departemen Teknik

Mesin serta teman - teman seperjuangan penulis (

Berry,Abel,Erik,Aykel,ZP,Dolin,Marshall, dan Lucky ) di Pasar Malam pribadi 14E dan juga Ion,Maycold dan Adi.

6. Semua rekan – rekan tim Bola basket Fakultas Teknik USU(Tandem awak Egi,Dita,Annuy), tim Bola Basket USU(Armando,Hery,Areng,Tieto), dan Tim Bola Basket Angsapura(B’bentho,B’Jaswan) yang telah memberikan banyak bantuan moril kepada penulis.

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

Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis ucapkan terima kasih.

Penulis,

050401075 Eben Haezar L. Tobing

ABSTRAK

Gedung bertingkat dapat dipakai sebagai sarana tempat tinggal, hotel, pusat-pusat perbelanjaan dan lain-lain. Gedung-gedung ini tentu memerlukan berbagai sarana pendukung diantaranya adalah sarana penyediaan sumber air yang dapat dilayani oleh sebuah pompa. Dalam hal ini akan dirancang sebuah pompa yang akan digunakan untuk melayani gedung bertingkat. Sumber air yang digunakan pada hotel Aryaduta Medan ini adalah air dari perusahaan air minum PDAM dan air bawah tanah ( dari pompa sumur dalam ). Air ini terlebih dahulu ditampung pada reservoir bawah dan kemudian dikirim ke reservoir atas. Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun yang biasa digunakan pada hotel ialah jenis pompa sentrifugal. Pompa yang dirancang ini akan dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan CFD FLUENT v 6.1.22 yang kemudian akan dibandingkan dengan performansi yang dihasilkan secara perhitungan manual. Dalam hal ini CFD FLUENT sangat mempermudah untuk menyesuaikan sesuai dengan kondisi nyata. Lalu kesimpulannya Berdasarkan dari hasil karakteristik pompa yang telah dibuat dengan bentuk impeler dan putaran pompa yang sama, dapat disimpulkan bahwa besar Kapasitas ( Q ) berbanding terbalik dengan besar Tinggi tekan ( H ). Semakin besar kapasitas maka semakin kecil tinggi tekannya, atau sebaliknya semakin kecil kapasitas maka semakin besar tinggi tekannya dan kemampuan head yang mampu dilayani pompa berdasarkan simulasi lebih besar dari hasil perhitungan.

Kata kunci : Perancangan Pompa Sentrifugal, CFD, Perfomansi pompa ABSTRACT

Storey buildings are usually used as residences, hotels, shopping centers, and other functions. These buildings surely required various supporting facilities. One of most important is the water supply system which can be served by pumps. A pump that will be able to fulfill water supply for the entire buildings will be designed in this research. Water supply that currently used by Aryaduta Hotel Medan is provided by PDAM Tirtanadi and also underground water from inside well’s pump. Firstly, the water will be collected into the down reservoir to be transported later to the upper reservoir. Pump is a machine that converts mechanical energy into pressure energy. Based on some literatures, there are some classification of pumps. The one that usually used at hotels are the kind of centrifugal pumps. The designed pumps will be modeled and simulated by using CFD Fluent version 6.1.22 and is going to be compared later with performance that resulted with manual calculation. In this case, CFD Fluent simply make the adaptation with the actual condition easier. Based on the result of the made pump’s characteristic, it can be concluded that the amount of capacity (Q) is inversely proportioned with the amount of head (H). The higher the capacity, the smaller the head is. On the contrary, the smaller the capacity, the higher the head

is, so head’s ability that able to be provided by pumps according to simulation will be higher than the result of manual calculation.

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL i

LEMBARAN PENGESAHAN ii

LEMBARAN PERSETUJUAN iii

SPESIFIKASI TUGAS iv

LEMBARAN EVALUASI vi

KATA PENGANTAR ix

ABSTRAK x

DAFTAR ISI xi

DAFTAR TABEL xiv

DAFTAR GAMBAR xv

DAFTAR NOTASI xvii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Batasan Masalah 2

1.3 Maksud dan Tujuan 3

1.4 Manfaat Perancangan 3

1.5 Sistematika Penulisan 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin – Mesin Fluida 5

2.2 Pengertian Pompa 5

2.3 Klasifikasi Pompa 6

2.3.1 Pompa Tekanan Statis 6

2.3.2 Pompa Tekanan Dinamis 7

2.4 Unit Penggerak Pompa 14

2.5 Dasar – Dasar Pemilihan Pompa 15

2.6 Head Pompa 15

2.7 Putaran Spesifik 17

2.8 Daya Pompa 18

2.9 Aliran Fluida 18

2.10 Kavitasi 19

2.11 Computational Fluid Dynamic (CFD) FLUENT 25

2.11.2 Proses Simulasi CFD 27 2.11.3 Penggunaan CFD FLUENT Pada Pompa Sentrifugal 31 BAB III PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA

3.1 Kapasitas Aliran 33

3.1.1 Perhitungan Jumlah unit alat plambing

pada lantai P4 ( Parking floor ) 38

3.1.2 Perhitungan Jumlah Unit alat Plambing

pada lantai 1 Hotel ( 1st floor hotel ) 40

3.1.3 Perhitungan Jumlah Unit alat Plambing

Pada lantai 2 hotel ( 2nd floor hotel ) 41 3.1.4 Perhitungan Jumlah unit Alat Plambing

Pada lantai 3 hotel ( 3rd floor hotel ) 42

3.1.5 Perhitungan Jumlah unit alat plambing

Pada lantai teratas hotel ( roof floor ) 42

3.2 Kapasitas Pompa 43

3.3 Head Pompa 43

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan 47

3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan 47

3.3.3 Perbedaan Head Statis 49

3.3.4 Kerugian Head 49

3.3.4.1 Kerugian Head sepanjang pipa hisap 49

3.3.4.2 Kerugian Head sepanjang pipa tekan 53

3.4 Pemilihan Jenis Pompa 55

3.5 Perhitungan Motor Penggerak 56

3.6 Putaran Spesifik dan tipe Impeler 57

3.7 Efisiensi Pompa 58

3.8 Daya Pompa dan Daya Penggerak 61

3.9 Spesifikasi hasil perencanaan 62

BAB IV UKURAN – UKURAN UTAMA POMPA

4.1 Perencanaan poros pompa 63

4.2 Perencanaan pasak 66

4.2.1 Pemeriksaan terhadap tegangan geser 67

4.2.2 Pemeriksaan terhadap tegangan tumbuk 69

4.3 Perencanaan impeller 69

4.3.1 Perencanaan ukuran impeller 70

4.3.1.1 Diameter hub impeller 70

4.3.1.2 Diameter mata impeller 71

4.3.1.3 Diameter Sisi masuk impeller 72

4.3.1.4 Diameter sisi keluar impeller 72

4.3.1.5 Lebar impeller pada sisi masuk 73

4.3.1.6 Lebar impeller pada sisi keluar 73

4.3.2 Kecepatan dan sudut aliran fluida masuk impeller 74

4.3.2.1 Kecepatan aliran absolute 74

4.3.2.2 Kecepatan Tangensial 74

4.3.2.3 Sudut Tangensial 75

4.3.3.1 Kecepatan radial aliran 76

4.3.3.2 Kecepatan Tangensial 76

4.3.3.3 Sudut Tangensial keluar impeller 76

4.3.3.4 Kecepatan sudut absolute tangensial 78

4.3.3.5 Sudut absolute keluar impeller 78

4.3.3.6 Kecepatan Sudut absolute keluar impeller 78

4.3.3.7 Kecepatan absolute aliran keluar 78

4.3.4 Perencanaan Sudu impeller 79

4.3.4.1 Jumlah Sudu 80

4.3.4.2 Jarak Antara sudu impeller 80

4.3.4.3 Tebal sudu 81

4.3.5 Melukis Bentuk sudu 82

4.3.6 Ukuran – Ukuran Utama impeller 85

4.4 Rumah Pompa 86

4.4.1 Perencanaan Bentuk rumah pompa 87

4.4.1.1 Lebar Saluran Keluar volute 88

4.4.1.2 Jari – jari lingkaran rumah volute 89

4.4.1.3 Penampang dan jari – jari volute 90

4.4.2 Tebal dinding rumah pompa 93

4.4.3 Ukuran – ukuran utama pompa 94

BAB V PERMODELAN GEOMETRI DAN ANALISA NUMERIK

5.1 Pendahuluan 95

5.2 Proses Permodelan pompa sentrifugal yang telah Direncanakan 97 5.2.1 Proses permodelan impeller pompa sentrifugal 97 5.2.2 Proses Solving dan postprocessing geometri

Rumah pompa sentrifugal 115

5.3 Analisa kavitasi dan performansi dari pompa sentrifugal 126 5.3.1 Analisa kemungkinan kavitasi yang terjadi 126 5.3.2 Analisa Performansi dari pompa sentrifugal 135

5.3.2.1 Head berdasarkan hasil simulasi 136

5.3.2.2 Karakteristik Pompa 150

5.3.2.2.1 Karakteristik pompa berdasarkan hasil perhitungan 150 5.3.2.2.2 Karakteristik Pompa berdasarkan hasil simulasi 158 BAB VI KESIMPULAN

6.1 Kesimpulan dari Perencanaan 169

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Unit Alat Plambing ( fixture unit )

untuk penyediaan air bersih 33

Tabel 3.2 Permintaan air bersih berdasarkan jumlah

Unit alat plambing 35

Tabel 3.3 Jumlah Unit alat Plambing pada lantai P4 38 Tabel 3.4 Jumlah unit alat plambing pada lantai 1 hotel 39 Tabel 3.5 Jumlah unit alat plambing pada lantai 2 hotel 40 Tabel 3.6 Jumlah Unit Alat Plambing Pada lantai 3 hotel 41 Tabel 3.7 Kekasaran relative dalam berbagai bahan pipa 49 Tabel 3.8 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap 50 Tabel 3.9 Koefisien Kerugian kelengkapan pipa tekan 52

Tabel 3.10 Harga Putaran dan Kutubnya 55

Tabel 3.11 Klasifikasi Impeler menurut putaran spesifiknya 56 Tabel 3.12 Hubungan antara Kecepatan spesifik dengan

Efisiensi Hidrolis 57

Tabel 3.13 Hubungan antara kecepatan spesifik dengan

Efisiensi volumetric 58

Tabel 4.1 Faktor Koreksi Daya 65

Tabel 4.2 Jari – Jari besar sudu impeller 84

Tabel 4.3 Jari – jari dan luas volut untuk setiap penampang 92 Tabel 5.1 Hasil perhitungan head system dan head aktual

pada berbagai kapasitas pompa 141

Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan efisiensi dan daya pompa 143 Tabel 5.3 Hasil perhitungan Head system dan Head actual

pada berbagai kapasitas pompa hasil simulasi 148 Tabel 5.4 Hubungan Kapasitas dengan efisiensi dan daya pompa

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pompa Roda Gigi dan Ulir 6

Gambar 2.2 Pompa Diafragma 7

Gambar 2.3 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal 8

Gambar 2.4 Pompa Sentrifugal 8

Gambar 2.5 Pompa Aliran campur 9

Gambar 2.6 Pompa Aliran Aksial 10

Gambar 2.7 Pompa Diffuser 10

Gambar 2.8 Pompa Vortex 11

Gambar 2.9 Pompa Bertingkat banyak 12

Gambar 2.10 Pompa Aliran Campur Poros Tegak 12

Gambar 2.11 Pompa Jenis Belahan Mendatar 13

Gambar 2.12 Pompa Isapan Ganda 14

Gambar 2.13 Prinsip Hukum Bernoulli 16

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

Gambar 3.1 Instalasi Pompa 45

Gambar 3.2 Daerah Kerja Beberapa Jenis Konstruksi Pompa Sentrifugal 55

Gambar 4.1 Pasak 69

Gambar 4.2 Ukuran-Ukuran Utama Impeler 82

Gambar 4.3 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk 82 Gambar 4.4 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar 83

Gambar 4.5 Sudu Impeler 89

Gambar 4.6 Perbandingan Kecepatan Pada Kerongkongan Rumah Keong 92

Gambar 4.7 Rumah Pompa 96

Gambar 5.1 Tampilan Awal Gambit 98

Gambar 5.2 Tampilan Awal Fluent 99

Gambar 5.3 Kotak dialog Create Real Vertex 99

Gambar 5.4 Tampilan Hasil Setelah Memasukkan Tititknya 102

Gambar 5.5 Kotak dialog Untuk Membuat Dh 102

Gambar 5.6 Kotak dialog Untuk Membuat D2 102

Gambar 5.7 Tampilan Hasil Pembuatan Lingkaran Dh dan D2 103 Gambar 5.8 Tampilan Dari Hasil Substratc Face 103

Gambar 5.9 Kotak Dialog Pada Mesh Face 103

Gambar 5.10 Tampilan Hasil Mesh 103

Gambar 5.11 Kotak Dialog Spesial Display Attributes 105 Gambar 5.12 Kotak Dialog Pada Specify Boundari Types 105 Gambar 5.13 Tampilan Hasil Boundary Condition 106 Gambar 5.14 Kotak Dialog Untuk Eksport Mesh File 106

Gambar 5.15 Tampilan Hasil File Meshnya 107

Gambar 5.16 Tampilan Hasil Grid check 108

Gambar 5.17 Tampilan Hasil Grid Scale 109

Gambar 5.18 Tampilan Hasil Smooth / Swap Grid 109

Gambar 5.19 Kotak Dialog Server 110

Gambar 5.20 Kotak Dialog Energi 111

Gambar 5.22 Kotak Dialog Material 112

Gambar 5.23 Kotak Dialog Unit 113

Gambar 5.24 Kotak Dialog Boundary Condition 113

Gambar 5.25 Kotak Dialog Fluid 113

Gambar 5.26 Kotak Dialog Zona Inet 115

Gambar 5.27 Kotak Dialog Zona Outlet 115

Gambar 5.28 Kotak Dialog Zona Wall 116

Gambar 5.29 Kotak Dialog Solution Control 117

Gambar 5.30 Kotak Dialog Solution Initialization 117

Gambar 5.31 Kotak Dialog Residual Monitors 118

Gambar 5.32 Kotak Panel Iterasi 118

Gambar 5.33 Kotak Residual Iterasi 119

Gambar 5.34 Tampilan Hasil File Mesh Rumah Pompa 120 Gambar 5.35 Tampilan Hasil Gridcheck Rumah Pompa 121 Gambar 5.36 Tampilan Hasil Gridscale Rumah Pompa 121 Gambar 5.37 Tampilan Hasil Smoot / Swap Grid Rumah Pompa 122 Gambar 5.38 Kotak Dialog Solver Rumah Pompa 122 Gambar 5.39 Kotak Dialog Viscous Model Rumah Pompa 123

Gambar 5.40 Kotak Dialog Energy Rumah Pompa 123

Gambar 5.41 Kotak Dialog Material Rumah Pompa 124

Gambar 5.42 Kotak Dialog Unit Rumah Pompa 125

Gambar 5.43 Kotak Dialog Boundary Condition Rumah Pompa 125

Gambar 5.44 Kotak Dialog Fluid Rumah Pompa 125

Gambar 5.45 Kotak Dialog Zona Inlet 127

Gambar 5.46 Kotak Dialog Zona Outlet 127

Gambar 5.47 Kotak Dialog Zona Impeller 128

Gambar 5.48 Kotak Dialog Zona Wall 128

Gambar 5.49 Kotak Dialog Solution Control 129

Gambar 5.50 Kotak Dialog Solution Initialzation 129 Gambar 5.51 Kotak Dialog Residual Monitors 129

Gambar 5.52 Kotak Panel Iterasi 130

Gambar 5.53 Kotak Hasil Residual Iterasi 131

Gambar 5.54 Kerusakan Pada Permukaan Sudu Impeler Akibat Kavitasi 131 Gambar 5.55 Distribusi Tekanan Fluida Pada pompa Sentrifugal 131 Gambar 5.56 Distribusi Energi Turbulensi Yang Terjadi Pada pompa 133 Gambar 5.57 Distribusi Kecepatan Fluida Pada Impeller 133 Gambar 5.58 Grafik Tekanan Fluida vs Jarak Posisi Tekanan Fluida 134 Gambar 5.59 Distribusi Vektor Kecepatan Yang Terjadi Pada pompa 135

Gambar 5.60 Kerugian -Kerugian Hidrolis 139

Gambar 5.61 Grafik Kharakteristik Pompa Hasil perhitungan 152 Gambar 5.62 Grafik Kharakteristik Pompa Hasil Simulasi 153 Gambar 5.63 Grafik Perbandingan Head Actual Pompa 153 Gambar 5.64 Grafik Perbandingan Efisiensi Pompa 154

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

A Luas Penampang Pipa m2

b Lebar Pasak mm

b1 Lebar impeller pada sisi masuk mm

b2 Lebar impeler pada sisi keluar mm

b3 Lebar Penampang masuk saluran throat mm

Dis Diameter dalam pipa mm

Ds Diameter poros mm

Dh Diameter hub mm

D1 Diameter sisi masuk impeller mm

D2 Diameter sisi keluar impeller mm

fc Faktor koreksi -

g Gravitasi m/s2

HL Head Losses sepanjang pipa m

Hp Head pompa m

Hs Head statis m

Hthz Head Teoritis m

hf Kerugian Head mayor m

hm Kerugian head minor m

h Tinggi pasak mm

K Kerugian akibat kelengkapan pipa -

Kt Faktor Koreksi pembebanan -

k Konstanta Hidrolik -

L Panjang pipa m

Mt Momen torsi kgmm

M Massa Kg

Nm Daya Motor Listrik kW

Np Daya Pompa kW

n Putaran Pompa rpm

ns Putaran Spesifik rpm

P Tekanan Pada pompa Pa

Q Kapasitas Pompa m3/s

R Jari – Jari sudu lingkaran impeller mm

Re Bilangan Reynold -

S Jarak antara sudu mm

Sf1 Faktor keamanan kelelahan puntir -

Sf2 Faktor Keamanan alur bahan -

t Tebal sudu impeller mm

U1 Kecepatan tangensial sisi masuk impeller m/s

U2 Kecepatan tangensial sisi keluar impeller m/s

V Kecepatan aliran pada pipa m/s

Vo Kecepatan aliran masuk impeller m/s

Vr1 Kecepatan radial masuk impeller m/s

Vthr Kecepatan pada kerongkongan rumah keong m/s

Z Jumlah sudu -

α Sudut Aliran masuk o

β Sudut tangensial o

γ Berat jenis fluida N/m3

ηp Efisiensi pompa %

υ Viskositas Kinematik m2/s

π konstanta (phi) -

ρ Kerapatan fluida kg/m3

τg Tegangan Geser kg/m2

σb Kekuatan Tarik Bahan kg/m2

ABSTRAK

Gedung bertingkat dapat dipakai sebagai sarana tempat tinggal, hotel, pusat-pusat perbelanjaan dan lain-lain. Gedung-gedung ini tentu memerlukan berbagai sarana pendukung diantaranya adalah sarana penyediaan sumber air yang dapat dilayani oleh sebuah pompa. Dalam hal ini akan dirancang sebuah pompa yang akan digunakan untuk melayani gedung bertingkat. Sumber air yang digunakan pada hotel Aryaduta Medan ini adalah air dari perusahaan air minum PDAM dan air bawah tanah ( dari pompa sumur dalam ). Air ini terlebih dahulu ditampung pada reservoir bawah dan kemudian dikirim ke reservoir atas. Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun yang biasa digunakan pada hotel ialah jenis pompa sentrifugal. Pompa yang dirancang ini akan dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan CFD FLUENT v 6.1.22 yang kemudian akan dibandingkan dengan performansi yang dihasilkan secara perhitungan manual. Dalam hal ini CFD FLUENT sangat mempermudah untuk menyesuaikan sesuai dengan kondisi nyata. Lalu kesimpulannya Berdasarkan dari hasil karakteristik pompa yang telah dibuat dengan bentuk impeler dan putaran pompa yang sama, dapat disimpulkan bahwa besar Kapasitas ( Q ) berbanding terbalik dengan besar Tinggi tekan ( H ). Semakin besar kapasitas maka semakin kecil tinggi tekannya, atau sebaliknya semakin kecil kapasitas maka semakin besar tinggi tekannya dan kemampuan head yang mampu dilayani pompa berdasarkan simulasi lebih besar dari hasil perhitungan.

Kata kunci : Perancangan Pompa Sentrifugal, CFD, Perfomansi pompa ABSTRACT

Storey buildings are usually used as residences, hotels, shopping centers, and other functions. These buildings surely required various supporting facilities. One of most important is the water supply system which can be served by pumps. A pump that will be able to fulfill water supply for the entire buildings will be designed in this research. Water supply that currently used by Aryaduta Hotel Medan is provided by PDAM Tirtanadi and also underground water from inside well’s pump. Firstly, the water will be collected into the down reservoir to be transported later to the upper reservoir. Pump is a machine that converts mechanical energy into pressure energy. Based on some literatures, there are some classification of pumps. The one that usually used at hotels are the kind of centrifugal pumps. The designed pumps will be modeled and simulated by using CFD Fluent version 6.1.22 and is going to be compared later with performance that resulted with manual calculation. In this case, CFD Fluent simply make the adaptation with the actual condition easier. Based on the result of the made pump’s characteristic, it can be concluded that the amount of capacity (Q) is inversely proportioned with the amount of head (H). The higher the capacity, the smaller the head is. On the contrary, the smaller the capacity, the higher the head

is, so head’s ability that able to be provided by pumps according to simulation will be higher than the result of manual calculation.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Seiring dengan meningkatnya populasi penduduk kota, sementara tanah-tanah yang tersedia sangat terbatas, maka dipelukan pembangunan gedung-gedung bertingkat. Gedung-gedung ini dapat dipakai sebagai sarana tempat tinggal, hotel, pusat-pusat perbelanjaan dan lain-lain.

Gedung-gedung ini tentu memerlukan berbagai sarana pendukung diantaranya adalah sarana penyediaan sumber air. Air yang dipakai di gedung-gedung ini adalah untuk memenuhi kebutuhan air bersih, pemadam kebakaran dan lain-lain, tetapi khusus untuk pemadam kebakaran biasanya gedung-gedung besar menggunakan pompa tersendiri.

Semua kebutuhan air ini akan dilayani pompa yang dapat dipakai dengan berbagai cara diantaranya dengan pompa tekan maupun tangki atas. Dalam hal ini akan dirancang sebuah pompa yang akan digunakan untuk melayani gedung bertingkat. Sumber air yang digunakan adalah air dari perusahaan air minum PDAM dan air bawah tanah ( dari pompa sumur dalam ). Air ini terlebih dahulu ditampung pada reservoir bawah dan kemudian dikiri ke reservoir atas.

Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun yang biasa digunakan pada hotel ini ialah jenis pompa sentrifugal. 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.

Beberapa pabrikan pompa menggunakan analisa serta simulasi menggunakan perangkat lunak ( software ) guna mendesain pompa tersebut. Dan biasanya beberapa pabrikan pompa tersebut menggunakan program simulasi

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 terebut dapat membuat virtual prototype dari sebuah system atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. CFD akan memberikan data - data, gambar - gambar, atau kurva - kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang di. Hasil analisis CFD sering berupa prediksi kualitatif meski terkadang kuantitatif.

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

1.2 Batasan Masalah

Pompa Sentrifugal yang direncanakan akan digunakan pada proses pendistribusian air bersih pada hotel Aryaduta. Sehubungan dengan hal tersebut, maka direncanakanlah sebuah Pompa Sentrifugal untuk memompakan air bersih dari reservoir bawah ke reservoir atas. Pembahasan perencanaan ini, antara lain:

a. Penentuan kebutuhan air untuk semua penggunaan air di hotel aryaduta regency

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

d. Simulasi aliran yang terjadi pada pompa sentrifugal tersebut

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

1.3 Maksud dan Tujuan Perancangan

Tujuan dari analisa perancangan ini adalah mahasiswa dapat mengamati serta dapat merancang sebuah pompa sentrifugal sesuai kebutuhan masyarakat sesuai dengan teori yang telah didapat dari perkuliahan dan juga mampe mensimulasikannya dengan menggunakan program komputer.

Tujuan dari perancangan ini adalah:

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

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

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

1.4 Manfaat Perancangan

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

virtualprototype dari pompa sentrifugal yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Sehingga dapat mempermudah dalam perancangan sebuah pompa sentrifugal yang sesuai kebutuhan.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan tugas sarjana adalah sebagai berikut:

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

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

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

4. BAB IV : Hasil penelitian dan pembahasan, berisikan hasil dari survey yang telah dan menentukan ukuran – ukuran utama pompa.

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

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin - mesin fluida

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

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

1. Mesin Tenaga

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

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

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

Contoh : pompa, kompresor, kipas ( fan ).

2.2 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

2. Pompa Tekanan Dinamis ( RotodynamicPump ) 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 ( rotarypump )

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, gearpump dan vanepump

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

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

Gambar 2.2. Pompa Diafragma 2.3.2 Pompa Tekanan Dinamis

Pompa tekanann dinamis disebut juga rotodynamic pump, turbo pump atau

impeller pump. Pompa yang termasuk dala kategori ini adalah : pompa jet dan pompa sentrifugal

Ciri - ciri utama dari pompa ini adalah :

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

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

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

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

Gambar 2.3. Bagian-bagian utama pompa sentrifugal

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

a. Klasifikasi menurut jenis impeler 1. Pompa Sentrifugal

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

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

2. Pompa Aliran Campur

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

Gambar 2.5. Pompa aliran campur 3. Pompa Aliran Aksial

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

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

1. Pompa Volut

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

2. Pompa Difuser

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

3. Pompa Vortex

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

Gambar 2.8. Pompa Vortex c. Klasifikasi menurut jumlah tingkat

1. Pompa satu tingkat

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

2. Pompa bertingkat banyak

Pompa ini menggunakan lebih dari satu impeler yang 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.

Gambar 2.9. Pompa bertingkat banyak

d. Klasifikasi menurut letak poros 1. Pompa poros mendatar

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

2. Pompa jenis poros tegak

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

e. Klasifikasi menurut belahan rumah 1. Pompa belahan mendatar

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

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

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

3. Pompa jenis berderet

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

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

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

2. Pompa isapan ganda

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

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

Gambar 2.12. Pompa isapan ganda

2.4 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.

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

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

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

e. Mempunyai efisiensi yang tinggi.

f. Harga awal relatif murah juga perawatannya.

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

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

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

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

2.6 Head Pompa

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

Gambar 2.13. Prinsip hukum Bernoulli

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

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

sebagai berikut : - Untuk titik 1 :

Energi yang terkandung E1 = Ek1 + Ep1

= m1. + m1.g.h1

- Untuk titik 2 :

Energi yang terkandung E2 = Ek2 + Ep2

= m2. + m2.g.h2

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

dituliskan:

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

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

Dimana : Q = A . V = Konstan

M = ρ . A . V , dimana ρ1 = ρ2

Sehingga persamaan (1) di atas dapat dituliskan sebagai berikut : (P2-P1)A.V = [(ρ.A.V3_{)2 -} (ρ.A.V3₎₁] + ρ.A.V.g(h_{2 - h1)}

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

= + ( h2-h1 )

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

Maka :

HP = + + Z2 - Z1 + HL

Dimana : adalah perbedaan head tekanan.

adalah perbedaan head kecepatan Z2 - Z1 adalah perbedaan head potensial

HL adalah kerugian head ( headlosses )

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

HL = hf + hm

2.7 Putaran spesifik

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

ns = 3,65

Dimana : ns = putaran spesifik [rpm]

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

2.8 Daya pompa

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

NP =

Dimana : Np = daya pompa [watt]

Q = kapasitas pompa [m3/s] Hp = head pompa [m]

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

2.9 Aliran fluida

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

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

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

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

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

a. Persamaan Darcy - Weisbach

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

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

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

b. Persamaan Hazen-Williams :

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

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

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

B. Kerugian Minor

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

hm = K

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

K = Koefisien minor loses 2.10 Kavitasi

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

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

- Pompa tidak mampu membangkitkan head (tekanan)

- Berkurangnya efisiensi pompa.

Secara umum, terjadinya kavitasi diklasifikasikan atas 5 alasan dasar :

1. Vaporization - Penguapan

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

NPSHA - Vp ≥ NPSHR Dimana :

Vp = Vapor pressure fluida yang dipompa.

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

a. Menambah Suctionhead, dengan :

- Menambah level liquid di tangki.

- Meninggikan tangki.

- Memberi tekanan tangki.

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

b. Mengurangi Tempertur fluida, dengan :

- Mendinginkan suction dengan fluida pendingin

- Mengisolasi suction pompa

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

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

- Gunakan pompa dengan speed yang lebih rendah.

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

- Install Induser, dapat mereduksi NPSHR sampai 50 %.

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

2. Air Ingestion - Masuknya Udara Luar ke Dalam System

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

Udara dapat masuk ke dalam system melalui beberapa sebab, antara lain :

- Dari packing stuffing box. Ini terjadi, jika pompa dari kondensor, evaporator atau peralatan lainnya bekerja pada kondisi vakum.

- Flens (sambungan pipa) yang bocor.

- Tarikan udara melalui pusaran cairan (vortexing fluid).

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

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

Gambar 2.14 Vortexing Fluida

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

3. Internal Recirculation - Sirkulasi Balik di dalam System

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

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

4. Turbulence - Pergolakan Aliran

Aliran fluida diinginkan pada kecepatan yang konstan. Korosi dan hambatan yang ada pada system perpipaan dapat merubah kecepatan fluida dan setiap ada perubahan kecepatan, tekanannya juga berubah. Untuk menghambat hal tersebut, perlu dilakukan perancangan system perpipaan yang baik. Antara lain memenuhi kondisi jarak minimum antara suction pompa dengan elbow yang pertama minimal 10 X diameter pipa. Pada pengaturan banyak pompa, pasang

suction bells pada bays yang terpisah, sehingga satu sisi isap pompa tidak akan mengganggu yang lainnya. Jika ini tidak memungkinkan, beberapa buah pompa bisa dipasang pada satu bak isap (sump) yang besar, dengan syarat :

- Posisi pompa tegak lurus dengan arah aliran.

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

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

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

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

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

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

1. Kapasitas Pompa Berkurang

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

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

2. Tekanan (Head) kadang berkurang

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

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

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

4. Bagian-bagian Pompa Rusak

- Gelembung-gelembung itu pecah di dalam dirinya sendiri, ini dinamakan

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

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

Semakin tinggi kapasitas pompa, kelihatannya semakin mungkin kavitasi terjadi. Nilai Specific speed pump yang tinggi mempunyai bentuk impeller yang memungkinkan untuk beroperasi pada kapasitas yang tinggi dengan

power yang rendah dan kecil kemungkinan terjadi kavitasi. Hal ini biasanya dijumpai pada casing yang berbentuk pipa, dari pada casing yang berbentuk

volute.

2.11 Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent

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

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

b. FluidDynamic : 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:

1. Preprocessing

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

interface yang memudahkan operator, berfungsi sebagai transformer

input berikutnya ke dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh

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

2. Solving

Proses pada solver merupakan proses pemecahan secara matematika dalam CFD dengan software FLUENT6.1.22. Metode yang digunakan adalah metode volume hingga (finite volume) yang dikembangkan dari metode beda hingga (finite difference) khusus. Proses pemecahan matematika pada solver digambarkan sebagai diagram alir metode SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) (Gambar 2)

Gambar 2.15 Diagram Alir Algoritma Numerik volume hingga dengan metode SIMPLE

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

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

a. Kekekalan Massa 3 Dimensi steady state

Keseimbangan massa untuk fluida dinyatakan sebagai berikut:

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

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 2.16 Elemen Fluida pada persamaan kekekalan massa 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 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 2.17 Elemen fluida pada persamaan momentum Momentum x :

Momentum y :

\ Momentum z :

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

Untuk Gas ideal :

3. Postprocessing

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

2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

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

Gambar 2.17. Hasil simulasi untuk vektor-vektor kecepatan yang terjadi

BAB III

PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA

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

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

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

3.1 Kapasitas Aliran

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

a. Berdasarkan jumlah pemakai

b. Berdasarkan jenis dan jumlah alat plambing

c. Berdasarkan unit beban alat plambing ( fixtureunit ) a. Penaksiran berdasarkan jumlah pemakai

Metode ini didasarkan pada pemakaian air rata-rata sehari dari setiap penghuni, dan perkiraan jumlah penghuni. Dengan demikian jumlah pemakaian sehari dapat diperkirakan, walaupun jenis maupun alat plambing belum ditentukan.

b. Penaksiran berdasarkan jenis dan jumlah alat plambing

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

c. Penaksiran berdasarkan unit alat plambing (fixtureunit)

Dalam metode ini untuk setiap alat plambing ditetapkan suatu unit beban (fixture unit / FU). Untuk setiap bagian pipa dijumlahkan besarnya unit beban dari semua alat plambing yang dilayaninya, dan kemudian dicari besarnya laju aliran air. Metode ini memiliki tingkat ketelitian yang tinggi, karena kapasitas dari aliran tersebut dibuat sesuai alat plambing yang tersedia.

Maka dari uraian di atas metode yang digunakan adalah metode penaksiran berdasarkan unit alat plambing karena dianggap lebih teliti dan data unit-unit alat plambingnya sudah didapat dari hasil survey.

Penentuan kapasitas dari hotel ini adalah berdasarkan jumlah unit alat plambing yang terdapat pada hotel ini dan jenis penyediaan air yang terdapat adalah penggunaan tangki gelontor, katup gelontor dan keran. Adapun klasifikasi unit alat plambing dala penyediaan air bersih dapat dilihat pada tabel 3.1 berikut ini [Soufyan M. Noerbambang, hal 68]

Tabel 3.1 Unit Alat Plambing (fixture unit) untuk penyediaan air bersih1) Jenis

alat plambing2)

Jenis Penyediaan

Air

Unit alat plambing3)

Keterangan

Untuk Pribadi4)

Untuk Umum5)

Kloset Katup gelontor 6 10

Kloset Tangki gelontor 3 5

Peturasan dengan tiang (urinal

trough-type)

Katup gelontor - 10

Peturasan terbuka (urinal

stall)

Peturasan terbuka (urinal

stall)

Tangki gelontor - 3

Bak cuci (kecil) Keran 0,5 1

Bak cuci tangan Keran 1 2

Bak cuci tangan, untuk kamar

operasi

Keran - 3

Bak mandi rendam (bath tub)

Keran pencampur air dingin dan panas

2 4

Pancuran mandi (shower)

Keran pencampur air dingin dan panas

2 4

Pancuran mandi tunggal

Keran pencampur air dingin dan panas

2 -

Satuan kamar mandi dengan bak mandi rendam Kloset dengan katup gelontor

8 -

Satuan kamar mandi dengan bak mandi rendam Kloset dengan tangki gelontor

6 -

Bak cuci bersama (untuk tiap keran)

- 2

Bak cuci pel Keran 3 4 Gedung kantor,

dsb.

Bak cuci dapur Keran 2 4 Untuk umum :

hotel atau restoran, dsb Bak cuci piring

(sink)

Keran - 5

(satu sampai tiga)

Pancuran minum Keran air minum - 2

Pemanas air Katub bola - 2

Sumber : Perancangan dan pemeliharaan sistem plambing, Soufyan M. Noerbambang Catatan : 1)Alat plambing yang airnya mengalir secara kontinyu harus dihitung secara

terpisah, dan ditambahkan pada jumlah unit alat plambing.

2)

Alat plambing yang tidak ada dalam daftar dapat diperkirakan dengan membandingkan dengan alat plambing yang mirip/ terdekat.

3)

Nilai unit alat plambing dalam tabel ini adalah keseluruhan. Kalau digunakan air dingin dan air panas, unit alat plambing maksimum masing – masing untuk air dingin dan air panas diambil tigaperempatnya.

4)

Alat plambing untuk keperluan pribadi dimaksudkan pada rumah pribadi atau apartement, di mana pemakaiannya tidak terlalu sering.

5)

Alat plambing untuk keperluan umum dimaksudkan yang dipasang dalam gedung kantor, sekolah, pabrik, dsb, dimana pemakaiannya cukup sering.

Dan setelah mendapatkan hasil dari jumlah unit alat plambing tersebut,dengan menggunakan tabel permintaan air bersih berdasarkan jumlah unit alat plambing [Louis S. Nielsen, hal 165] maka didapatlah kapasitas aliran yang dibutuhkan hotel ini.

Tabel 3.2 Permintaan air bersih berdasarkan jumlah unit alat plambing

Sistem yang didominasi penggunaan Tangki gelontor

Sistem yang didominasi penggunaan Katup gelontor

Beban Kebutuhan Beban Kebutuhan

Water Supply Fixture Unit

(WSFU)

gpm L/s gpm L/s

1 3 0,19 1

2 5 0,32 2

4 8 0,51 4

5 9,4 0,59 5 15 0,95

6 10,7 0,68 6 17,4 1,1

7 11,8 0,74 7 19,8 1,25

8 12,8 0,81 8 22,2 1,4

9 13,7 0,86 9 24,6 1,55

10 14,6 0,92 10 27 1,7

12 16 1,01 12 28,6 1,8

14 17 1,07 14 30,2 1,91

16 18 1,14 16 31,8 2,01

18 18,8 1,19 18 33,4 2,11

20 19,6 1,24 20 35 2,21

25 21,5 1,36 25 38 2,4

30 23,3 1,47 30 42 2,65

35 24 1,57 35 44 2,78

40 26,3 1,66 40 46 2,9

45 27,7 1,76 45 48 3,03

50 29,1 1,84 50 50 3,15

60 32 2,02 60 54 3,41

70 35 2,21 70 58 3,66

80 38 2,4 80 61,2 3,86

90 41 2,59 90 64,3 4,06

100 43,5 2,74 100 67,5 4,26

120 48 3,03 120 73 4,61

140 52,5 3,31 140 77 4,86

160 57 3,6 160 81 5,11

180 61 3,85 180 85,5 5,39

200 65 4,1 200 90 5,68

300 85 5,36 300 108 6,81

400 105 6,62 400 127 8,01

500 124 7,82 500 143 9,02

750 170 10,73 750 177 11,17

1000 208 13,12 1000 208 13,12

1250 239 15,08 1250 239 15,08

1500 269 16,97 1500 269 16,97

2000 325 20,5 2000 325 20,5

2500 380 23,97 2500 380 23,97

3000 433 27,32 3000 433 27,32

4000 525 33,12 4000 525 33,12

5000 593 37,41 5000 593 37,41

Sumber : Standard Plumbing Engineering Design, Louis S. Nielsen

Dalam hal ini perhitungan jumlah unit alat plambing dibuat untuk masing-masing lantai. Dari data survey yang didapat, gedung ini dibagi menjadi 2 bagian yaitu Grand Paladium dan Hotel Aryaduta, sedangkan Hotel Aryaduta sendiri terdapat pada 5 lantai teratas. Dan perhitungan dimulai dari lantai terbawah hotel hingga lantai teratas hotel.

3.1.1 Perhitungan jumlah unit alat plambing pada lantai P4 (Parking Floor) Pada lantai P4 ini terdapat beberapa ruangan yang menggunakan air. Ruangan-ruangan tersebut adalah toilet driver, tempat wudhu, klinik, kantin,

locker pria dan locker wanita serta kolam renang. Berdasarkan hasil survey adapun rincian dari jenis alat plambing yang terdapat pada lantai P4 terlihat pada tabel 3.3 berikut.

Tabel 3.3 Jumlah unit alat plambing (fixtureunit) pada lantai P4

Ruangan Jenis alat Plambing Jenis Penyediaan air Unit Alat Plambing (WSFU)

Toilet Driver

1 kloset, 1 lavatory, 2 Urinalstall

Katup gelontor Keran Katup gelontor

22 FU

Tempat wudhu 1 Urinaltrough-type Katup gelontor 10 FU

Klinik 1 lavatory Keran 1 FU

Kantin 1 lavatory Keran 2 FU

Locker Pria

2 kloset, 2 shower, 4 urinalstall,

2 lavatory

Katup gelontor Keran Katup Gelontor

Keran

42 FU

Locker wanita

3 kloset, 2 shower, 2 lavatory

Katup gelontor Keran Keran

42FU

Total Fixture unit 119 FU

Dan dari hasil survey diketahui volume kolam renang adalah 560 m3. Air kolam renang diganti dua kali seminggu sehingga jumlah air yang diperlukan untuk kebutuhan kolam renang per harinya (Qkolam renang):

Qkolam renang = 560 m3 x 2/7 hari

= 149,33 m3/hari

= 1,73 L/s

Dengan kapasitas kolam renang 1,73 l/s dengan menggunakan tabel 3.2, maka nilai unit alat plambing yang dihasilkan kolam renang adalah 10 FU.

Maka Total jumlah unit alat plambing yang terdapat pada lantai P4 ialah 129 FU.

3.1.2 Perhitungan jumlah unit alat plambing pada lantai 1 hotel (1st floor hotel)

Pada lantai ini terdapat beberapa ruangan yang membutuhkan air. Pada lantai ini juga ada kamar-kamar hotel dan juga ada restoran serta dapur hotelnya. Pada lantai ini terdapat 45 kamar hotel, dimana masing-masing toilet kamar tersebut memiliki jenis-jenis alat plambing yang sama. Berdasarkan hasil survey adapun rincian dari jenis alat plambing yang terdapat pada lantai 1 hotel ini terlihat pada tabel 3.4 berikut.

Tabel 3.4 Jumlah unit alat plambing (fixtureunit) pada lantai 1 hotel Ruangan Jenis alat plambing Jenis penyediaan air Unit alat plambing

(WSFU) Toilet Pria 4 kloset,

3 lavatory,

4 urinal stall

Katup Gelontor Keran Katup Gelontor

66 FU

Toilet wanita 5 kloset, 3 lavatory,

Katup Gelontor

Keran 56 FU

Tempat wudhu 1 Urinal trough type Katup Gelontor 10 FU Toilet Lobby 1 kloset

1 lavatory

Katup Gelontor

Keran 12 FU

Toilet Entertainment corner

4 kloset 4 lavatory

Katup gelontor

Keran 48 FU

Toilet kamar hotel (45 kamar)

1 kloset 1 lavatory

1 Shower

Tangki gelontor Keran Keran

270 FU

Restoran dan Dapur hotel

ButcherArea 1 sink Keran 5 FU

Chef’soffice 1 pemanas air Katup bola 2 FU

Gudang Pengeringan 1 pemanas air Katup bola 2 FU Area cuci piring 4 sink,

1 pemanas air

Keran

Katup bola 22 FU

Roomservice 1 sink Keran 5 FU

Store Area 1 sink Keran 5 FU

Cold kitchen Area 1 sink Keran 5 FU

Bakery Area 3 sink

1 pemanas air

Keran

Teppanyaki area 3 sink,

1 pemanas air

Keran

Katup bola 17 FU Sushi Sashimi area 1 sink Keran 5 FU

Chinese cooking area 1 sink Keran 5 FU

Western cooking area 2 sink,

1 pemanas air

Keran

Katup bola 12 FU Bar area 1 pancuran air minum

1 sink

Keran

Keran 7 FU

Total fixture unit 571 FU

Maka total jumlah unit plambing yang terdapat pada lantai 1 hotel sebanyak 571 FU.

3.1.3 Perhitungan jumlah unit alat plambing pada lantai 2 hotel (2nd floor hotel)

Pada lantai ini hanya terdapat kamar-kamar tamu hotel, dimana pada lantai ini terdapat 75 kamar tamu hotel. Sama seperti lantai sebelumnya, toilet kamar hotel yang ada di lantai ini memiliki jenis unit alat plambing yang sama. Berdasarkan hasil survey adapun rincian dari jenis alat plambing yang terdapat pada lantai 2 hotel ini terlihat pada tabel 3.5 berikut.

Tabel 3.5 Jumlah unit alat plambing (fixtureunit) pada lantai 2 hotel Ruangan Jenis alat plambing Jenis penyediaan air Unit alat plambing

(WSFU) Toilet kamar hotel

(75 kamar)

1 kloset 1 lavatory

1 Shower

Tangki gelontor Keran Keran

450 FU

Maka total jumlah unit alat plambing yang terdapat pada lantai 2 hotel sebanyak 450 FU.

3.1.4 Perhitungan jumlah unit alat plambing pada lantai 3 hotel (3rd floor hotel)

Pada lantai ini terdapat beberapa ruangan, selain kamar-kamar tamu hotel, pada lantai 3 hotel ini terdapat juga regency lounge , presidential suite room , dan apartemen. Jumlah kamar-kamar tamu hotel yang ada di lantai ini sebanyak 79 kamar. Berdasarkan hasil survey adapun rincian dari jenis alat plambing yang terdapat pada lantai 3 hotel ini terlihat pada tabel 3.6 berikut.

Tabel 3.6 Jumlah unit alat plambing (fixtureunit) pada lantai 3 hotel Ruangan Jenis alat plambing Jenis penyediaan

air

Unit alat plambing (WSFU) Toilet kamar hotel

(79 kamar)

1 kloset 1 lavatory

1 Shower

Tangki gelontor Keran Keran

474 FU

Presidential suite room 2 kloset,

1 lavatory,

1 shower, 1 bathtub

Tangki gelontor Keran Keran Keran

13 FU

Regenct lounge 2 kloset,

2 lavatory

Katup gelontor

Keran 24 FU Apartemen 2 kloset,

2 lavatory,

2 Shower

Tangki gelontor Keran Keran

12 FU

Total fixture unit 523 FU

Maka total jumlah unit alat plambing yang terdapat pada lantai 3 hotel ini sebanyak 523 FU

3.1.5 Perhitungan jumlah unit alat plambing pada lantai teratas hotel (roof floor)

Pada lantai ini hanya terdapat tangki penampungan air bersih buat kebutuhan hotel, tangki air bersih buat kebutuhan Grand Paladium, dan juga kebutuhan air bersih buat menara pendingin (cooling tower). Menurut Soufyan M. Noerbambang, kebutuhan air bersih untuk cooling tower untuk

sebuah gedung bertingkat adalah sebesar 37,44 m3/hari. Dengan menggunakan tabel 3.2 maka didapatlah jumlah unit alat plambing untuk penggunaan menara pendingin sebesar 3 FU.

Maka total jumlah unit alat plambing yang terdapat dalam hotel Aryaduta ini : WSFUtotal = WSFUP4+WSFUL1+WSFUL2+WSFUL3+WSFURF

= 129 FU + 571 FU + 450 FU + 523 FU + 3 FU = 1676 FU

Dengan menggunakan tabel 3.2 yang sistem yang didominasi dengan tangki gelontor, dengan cara interpolasi maka didapat jumlah kebutuhan air pada hotel Aryaduta ini adalah sebesar Qtotal = 18,21 L/s = 65,56 m3/jam.

3.2 Kapasitas Pompa

Dari hasil perhitungan yang diatas, maka didapat jumlah kebutuhan air pada hotel Aryaduta ini adalah 65,56 m3/jam. Dalam perencanaan ini perlu diperhitungkan kebocoran-kebocoran pipa atau pemakaian air di pusat penjernihan, cadangan pemadam kebakaran dan kapasitas pompa yang direncanakan adalah ( 1,1 sampai 1,15 ) kapasitas total [ Sularso, Haruo Tahara hal 15] sehingga kapasitas pompa adalah :

Qp = 1,15 x 65,56 m3/jam

= 75,394 m3/jam

= 76 m3/jam

Dari perhitungan di atas, kapasitas pompa yang direncanakan adalah 76 m3/jam.

3.3 Head Pompa

Head pompa adalah besarnya energi yang diperlukan pompa untuk memindahkan ataupun mengalirkan fluida dari keadaan awal menuju keadaan akhir. Head total Pompa yang harus disediakan pompa untuk mengalirkan jumlah

fluida seperti yang direncanakan dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani oleh pompa tersebut.

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

- GroundTank : Ground tank atau tangki bawah tanah yang berfungsi sebagai tempat pengumpulan air yang bersumber dari air bersih PDAM dan air bersih sumur dalam. Groundtank memiliki kapasitas 150 m3.

- Pompa : Sebagai alat untuk memindahkan atau mentransfer air bersih dari ground tank ke tangki atas / roof tank.

- Roof tank : berfungsi sebagai tempat tangki penampungan air bersih yang telah dipompakan dari ground tank, yang emudian akan didistribusikan untuk kebutuhan hotel tersebut. Roof tank memiliki kapasitas 80 m3.

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

Tinggi gedung 62 m 65 m

3 m

Hs = 62 m

1,5 m

0,5 m 150 m3

80 m3

1

2

Permukaan air bawah

Permukaan air atas

Gambar 3.1 Instalasi pompa pada Hotel Aryaduta Keterangan gambar :

Hstatis = 62 m

Ls = 2 m

Ld = 68 m

a. Pertimbangan ekonomis

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

b. Kapasitas aliran

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

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

Kapasitas dalam perencanaan ini adalah 76 m3/jam. Sehingga direncanakan jumlah pompa sebanyak dua buah dengan spesifikasi yang sama. Dalam operasinya, pompa beroperasi secara bergantian.

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆Hp)

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

3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆Hv)

Dalam menentukan perbedaan head kecepatan aliran maka terlebih dahulu dicari besarnya kecepatan aliran dalam pipa. Diameter pipa hisapnya biasanya ditentukan sedemikian sehingga kecepatan aliran 2 sampai 3 m/s [ Soufyan M. Noerbambang, hal 98 ]. Untuk memperoleh kecepatan aliran dan diameter pipa

isap yang sesuai, perhitungan awal sementara diambil batas kecepatan rata - rata 3 m/s.

Dari persamaan kontinuitas diperoleh : Qp = Vs . As

Dimana : Qp = Kapasitas pompa = 76 m3/jam = 0,0211 m3/s

Vs = Kecepatan aliran dalam pipa hisap ( m/s )

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

dis = diameter dalam pipa isap (m)

Sehingga diameter pipa isap adalah :

dis =

=

=0,0946 m = 9,46 cm = 94,6 mm = 3,73 in

Berdasarkan ukuran pipa standart ANSI B.36.10 Schedule 40, maka pipa nominal 4 inch dengan dimensi pipa :

- Diameter dalam ( dis ) = 4,026 in = 10.22 cm = 0.1022 m

- Diameter luar (dos) = 4,5 in = 11,43 = 0,1143 m

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

Vs =

=

Vs =

Vs = 2,573 m/s

Untuk mempermudah perhitungan dalam perencanaan ini, maka nilai kecepatan pada sisi masuk ( Vs ) sama dengan kecepatan pada sisi keluar ( Vd )

sehingga nilai perbedaan head kecepatannya sama dengan nol, ∆Hv = 0.

3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆Hs)

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

Hs = 62 m

3.3.4 Kerugian head (HL)

Kerugian head sepanjang pipa terbagi atas 2 yaitu kerugian akibat gesekan sepanjang pipa/kerugian mayor (hf) dan kerugian akibat adanya kelengkapanpada

instalasi pipa / kerugian minor (hm). Kerugian akibat gesekan tergantung pada

kekasaran dalam pipa dan sepanjang pipa. Kerugian akibat kelengkapan adalah kerugian akibat adanya perubahan arah aliran dan kecepatan aliran.

3.3.4.1 Kerugian Head sepanjang Pipa Hisap a. Kerugian Head akibat gesekan pada pipa hisap

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

hf = f x

Dimana :

hf = kerugian karena gesekan (m)

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

di = diameter dalam pipa = 0,1022 m

Vs = kecepatan aliran fluida = 2,573 m/s

Bahan pipa isap yang direncanakan adalah GalvanizedIron dimana behan pipa yang digunakan tersebut mempunyai kekasaran sebesar 0,00015 m [ tabel

3.8]. Dan faktor pengotoran yang terjadi pada pipa terhadap fluida air dengan sistem terbuka terlihat pada tabel 3.7 berikut, namun menurut Michael Frankel, faktor pengotoran pipa biasanya terjadi pada pipa sistem alat penukar kalor. Faktor pengotoran pada pipa mengakibatkan penurunan kalor yang ditransfer antara shell dan tube. Karena instalasi merupakan instalasi untuk kebutuhan air bersih dingin sehingga tidak terjadi perbedaan suhu yang signifikan, maka faktor pengotoran dapat diabaikan.

Tabel 3.7 Tipe Faktor pengotoran ( Fouling Factor ) pada pipa

Tabel 3.8 Kekasaran relatif ( e ) dalam berbagai bahan pipa

Pipeline Material

Absolute roughness, e

ft Mm

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

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

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

(hydraulically smooth ) 5 x 10-6

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

0

(hydraulically smooth 1.5 x 10-3

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

PumpHandbook, Igor J. Karasik, William C.Krutzsc, Waren H. Frase, Joseph Messina Maka kekasaran relative (e/di) adalah :

e/di = = 0,0147

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

Re =

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

di = diameter dalam (m)

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

Re =

=

257804,5 ( turbulen)

Dari diagram moody untuk Re = 257804,5 dan (e/di) = 0,00147 dengan

cara interpolasi, diperoleh faktor gesekan (f) = 0,022. Besarnya kerugian gesek sepanjang pipa isap menurut Darcy Weisbach adalah :

hfs = 0,022

x

= 0,145 m

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.