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 030DEPARTEMEN 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 ABSTRAKKATA 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
Halaman25 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 Sentrifugal25 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 check52 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 dengan76 efisiensi total Pompa hasil simulasi
Gambar 5.9 Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan daya78 pompa hasil simulasi
Gambar 5.10 Grafik Hubungan Kapasitas pompa dengan NPSHa79 secara simulasi
Gambar 5.11 Grafik Hubungan antara Head total pompa dengan80 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 Simulasiterhadap NPSHr
69
Tabel 5.13 Hubungan antara Head total Pompa, bilangan Kavitaasi Thoma67 terhadap NPSHa
Tabel 5.12 Hubungan antara Kapasitas, kerugian head dalam pipa isap64 Tabel 5.11 Perhitungan antara Kapasitas, head pompa, dan efisiensi terhadap
Tabel 5.1 Kapasitas pompa berdasarkan pembukaan katup62 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