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

SIMULASI PENGARUH NPSH TERHADAP TERBENTUKNYA KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER

  Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

AURORA PUSPITA SARI

NIM. 05 0401 030

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

  

2012

  

ABSTRAK

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

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

  Kata kunci: kavitasi, Tekanan, NPSH, performansi pompa, CFD.

KATA PENGANTAR

  Bismillahirrohmanirrohim Assalamu alaikum Wr. Wb.

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

  

“ SIMULASI PENGARUH NPSH TERHADAP TERBENTUKNYA KAVITASI PADA

POMPA SENTRIFUGAL DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER

COMPUTATIONAL FLUID DYANAMIC FLUENT ”.

  Selama penulisaan laporan ini penulis banyak mendapat bimbingan dan pengarahan, saran dan bantuaan baik berupa tenaga, materi maupun dorongan semangat dari berbagai pihak yang sangat bermanfaat bagi penulis. Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1.

  Kepada kedua orang tua penulis, Ayahanda Mukharram Fauruzai dan Ibunda Runta Puspita, yang telah begitu berjasa membimbing dan memberi semangat.

  2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi MSc, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan saran dan pengetahuan.

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

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

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

  6. Ibu Ir. Farida Ariani, MT. Selaku koordinator kerja praktek yang telah memberikan banyak waktu dan pikiran diwaktu penulis melakukan kerja praktek.

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

  Seluruh pegawai laboratorium Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

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

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

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

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

  13. Rekan-rekan Instruktur HMI Cabang Medan yang telah memberikan semangat untuk menyelesaikan semua tanggung jawab untuk mencerdaskan para kader HMI dan terima kasih atas kebersamaannya. Penulis menyadari masih banyak kelemahan dan kekurangan dalam penyelesaian skripsi ini. Untuk itu Segala kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan penulis guna kesempurnaan skripsi ini. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi siapapun yang membacanya.

  Wassalamu alaikum Wr. Wb

  Medan, Februari 2012 Penulis,

  Aurora Puspita Sari NIM : 050401-030

  

DAFTAR ISI

Hal ABSTRAK

KATA PENGANTAR

DAFTAR ISI

DAFTAR NOTASI

BAB I PENDAHULUAN

  12

  9

  2.5 Prinsip Kerja Pompa

  10

  2.6 Head (Tinggi Tekan) Pompa

  11

  2.6.1 Head Statis Total

  2.6.2 Head Kerugian

  2.6.3 Head Total Pompa

  15

  13

  15

  8

  2.7.1 Kapasitas Pompa Sentrifugal

  15

  2.7.2 Kecepatan Spesifik

  16

  2.7.3Hubungan antara Kapasitas dengan efesiensi pompa sentrifugal

  16

  2.4 Komponen-komponen Pompa

  7

  i

  2

  ii

  iv

  DAFTAR GAMBAR

  vii

  DAFTAR TABEL

  x

  xi

  1.1 Latar Belakang

  1.2 Tujuan Simulasi

  1

  1.3 Batasan Masalah

  6

  2

  1.4 Metodologi Penulisan

  3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA

  2.1 Mesin- mesin Fluida

  5

  2.2 Pengertian Pompa

  5

  2.3 Pompa Sentrifugal

  2.3.1 Sejarah dan Perkembangan Pompa Sentrifugal

  2.3.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal

2.7 Performansi Pompa

  2.8 Kavitasi Pompa

  19

  2.8.1 Tekanan Uap Zat Cair

  19

  2.8.2 Proses Terjadinya Kavitasi

  19

  2.8.3 Faktor Penyebab Terjadinya Kavitasi

  21

  2.8.4 Akibat Terjadinya Kavitasi

  23

  2.8.5 Pencegahan Kavitasi

  25

  2.9 Nett Posstive Suction Head ( NPSH ) sebagai parameter

  25 Kavitasi

  2.9.1 NPSH yang Tersedia

  25

  2.9.2 NPSH yang Diperlukan

  28

  2.10 NPSH dan Performansi Pompa

  29

  2.11 Computational Fluid Dynamics (CFD)

  30

  2.11.1 Pengertian Umum CFD

  30

  2.11.2 Penggunaan CFD

  31

  2.11.3 Manfaat CFD

  32

  2.11.4 Proses Simulasi CFD

  32

  2.11.5 Metode Diskritisisasi CFD

  33

  2.12 Pengenalan Fluent

  34

  2.12.1 Struktur Program Fluent

  35

  2.12.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain

  34 Masalah Menggunakan FLUENT

BAB III METODE PENELITIAN

  3.1 Bahan dan Alat

  37

  3.1.1 Bahan

  37

  3.1.2 Alat

  37

  3.2 Variabel riset

  37

  3.3 Prosedur Simulasi

  38 BAB IV PERMODELAN DAN SIMULASI POMPA

  4.1 Pendahuluan

  42

  4.2 Proses Permodelan pompa sentrifugal

  43

  5.1 Kapasitas Pompa

  55

  5.2 Head Pompa

  57

  5.3 Efisiensi Pompa

  63

  5.4 Daya Pompa dan Motor Penggerak

  65

  5.5 Nett Possitive Suction Head

  66

  5.5.1 NPSH yang Tersedia

  66

  5.5.2 NPSH yang diperlukan

  68

5.6 Hasil Simulasi Pompa dengan Program CFD Fluent 6.3.26

  66

  5.6.1 Analisa Simulasi Variasi Bukaan Katup

  70

  5.6.2 Analisa Hasil Simulasi Pada Program CFD Fluent 6.3.26

  77 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

  5.1 Kesimpulan

  80

  5.2 Saran

  81 DAFTAR PUSTAKA

  LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR

Halaman

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

  43 Gambar 4.3 Diagram alir simulasi

  43 Gambar 4.2 Tampilan awal FLUENT

  40 Gambar 4.1 Tampilan awal GAMBIT

  39 Gambar 3.3 Diagram Alir Pengerjaan Pemodelan Menggunakan ANSYS FLUENT 6.3

  38 Gambar 3.2 Pompa Sentrifugal

  36 Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Skripsi

  34

  28

  Diagram Alir Prosedur Simulasi

  Hubungan antara koefisien kavitasi dan kecepatan spesifik Struktur Komponen Program FLUENT

  26 Gambar 2.16 Gambar 2.17 Gambar 2.18

  24 Gambar 2.14 Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah tangki isap tertutup

Gambar 2.1 Instalasi Pompa Sentrifugal

  25 Gambar 2.13 Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah permukaan cairan isap

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

  18 Gambar 2.11 proses kavitasi pada pompa

  15 Gambar 2.10 proses kavitasi pada pompa

  12 Gambar 2.9 instalasi pompa dan head total

  11 Gambar 2.8 head statis total

  11 Gambar 2.7 perubahan energi pompa

  10 Gambar 2.6 penampang impeller

  10 Gambar 2.5 Proses pemompaan

  9 Gambar 2.4 Konstruksi Pompa

  7 Gambar 2.3 Kontruksi pompa

  6 Gambar 2.2 Pompa sentrifugal saat pertama dibuat

  44

Gambar 4.5 Tampilan hasil grid check

  52 Gambar 4.20 Kotak dialog residual monitors

  71

  70

  68

  67

  64

  Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan head total pompa secara teoritis Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan efisiensi total pompa secara teoritis Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan daya pompa secara teoritis Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan NPSHa teoritis Grafik hubungan antara Head total pompa dengan NPSHr teoritis Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan Head

  55 Gambar 5.2 Gambar 5.3 Gambar 5.4 Gambar 5.5 Gambar 5.6 Gambar 5.7

  54 Gambar 5.1 Skema instalasi pompa yang digunakan

  54 Gambar 4.24 Kurva residual iterasi

  54 Gambar 4.23 Kurva residual iterasi

  53 Gambar 4.22 Kotak panel iterasi

  53 Gambar 4.21 Kotak dialog Surface Monitors

  52 Gambar 4.19 Kotak dialog solution initialization

  46 Gambar 4.6 Tampilan hasil Grid scale

  52 Gambar 4.18 Kotak dialog solution control

  51 Gambar 4.17 Kotak dialog zona wall

  51 Gambar 4.16 Kotak Dialog Zona Outlet

  50 Gambar 4.15 Kotak dialog Zona inlet

  50 Gambar 4.14 Kotak dialog fluid

  49 Gambar 4.13 Kotak dialog boundary condition

  49 Gambar 4.12 Kotak dialog unit

  48 Gambar 4.11 Kotak dialog material

  48 Gambar 4.10 Kotak dialog energy

  47 Gambar 4.9 Kotak dialog viscous model

  47 Gambar 4.8 Kotak dialog solver

  46 Gambar 4.7 Tampilan hasil smooth/swap grid

  74

Gambar 5.8 Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan

  76 efisiensi total Pompa hasil simulasi

Gambar 5.9 Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan daya

  78 pompa hasil simulasi

Gambar 5.10 Grafik Hubungan Kapasitas pompa dengan NPSHa

  79 secara simulasi

Gambar 5.11 Grafik Hubungan antara Head total pompa dengan

  80 NPSHr simulasi

  DAFTAR TABEL Halaman

  65 daya pompa

  76 Tabel 5.20 Tekanan statis aliran Fluida pada masing-masing bukaan katup isap

  75 Tabel 5.19 NPSHr Hasil Simulasi

  74 Tabel 5.18 NPSHa Simulasi

  72 Tabel 5.17 Daya pompa hasil simulasi

  71 Tabel 5.16 efisiensi pompa hasil simulasi

  Head Total Hasil Simulasi

  71 Tabel 5.15

Tabel 5.14 Data Hasil Simulasi

  terhadap NPSHr

  69

Tabel 5.13 Hubungan antara Head total Pompa, bilangan Kavitaasi Thoma

  67 terhadap NPSHa

Tabel 5.12 Hubungan antara Kapasitas, kerugian head dalam pipa isap

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

Tabel 5.1 Kapasitas pompa berdasarkan pembukaan katup

  62 Tabel 5.10 Hasil Perhitungan Efisiensi pompa

  62 Tabel 5.9 Hasil Perhitungan Head total Pompa

  61 Tabel 5.8 Hasil Perhitungan total Head Kerugian

  )

  Hasil Perhitungan head kerugian sepanjang pipa tekan (h ld

  61 Tabel 5.7

Tabel 5.6 Koefisien kerugian kelengkapan pipa

  )

  pipa hisap (h ls

  60 Tabel 5.5 Hasil Perhitungan Bilangan Reynold, faktor gesek,dan head kerugian sepanjang

  58 Tabel 5.4 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap

  56 Tabel 5.3 Perhitungan head kecepatan sesuai dengan kecepatan aliran

  56 Tabel 5.2 Perhitungan kecepatan aliran berdasarkan kapasitas dan bukaan katup

  78

  DAFTAR NOTASI Simbol Arti Satuan

  2 P a Tekanan atmosfer Pa

  ρ Massa Jenis kg/m

  3

  Koefisien kavitasi Thoma γ berat zat cair N/m

  Simbol Yunani

  s V s kecepatan aliran fluida m/s

  2 Q Kapasitas pompa m 3/

  P v Tekanan uap jenuh kgf/cm

  head statis total m h p head tekan pompa m h v head kecepatan m n Putaran rpm N p daya pompa kW P Tekanan kgf/cm

  A

  s

  h l kerugian head pompa m h

  2 H Head m

  d is diameter dalam pipa m g Percepatan gravitasi m/s

  2

  luas bidang aliran m

  S

  3