STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN SINYAL SPEKTRUM GETARAN

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN SINYAL SPEKTRUM GETARAN SKRIPSI

  Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

BAYU SYAHPUTRA NIM.100401097 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN SINYAL SPEKTRUM GETARAN BAYU SYAHPUTRA NIM.100401097

  Diketahui Oleh : KETUA

  DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,

  Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 1964 1224 1992 111001 NIP. 1964 1224 1992 111001

  STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN SINYAL SPEKTRUM GETARAN OLEH: BAYU SYAHPUTRA NIM.100401097 Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar skripsi Periode ke-697, Pada tanggal 11 Oktober 2014 DOSEN PEMBANDING I, DOSEN PEMBANDING II, Ir. A.Halim Nasution, MSc Dr. Ir. Muhammad Sabri, MT

NIP. 195403201981022001 NIP. 196306231989021001

  STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN SINYAL SPEKTRUM GETARAN OLEH: BAYU SYAHPUTRA NIM.100401097 Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar skripsi Periode ke-697, Pada tanggal 11 Oktober 2014 Diketahui Oleh : Dosen Pembimbing, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 1964 1224 1992 111001

  Universitas Sumatera Utara

  Universitas Sumatera Utara

  Universitas Sumatera Utara

  Universitas Sumatera Utara

  Universitas Sumatera Utara

  ABSTRAK

  Kavitasi merupakan fenomena perubahan phase uap zat cair pada fluida yang mengalir. Perubahan tersebut dapat diakibatkan turunnya tekanan maupun naiknya temperatur fluida, turbulensi dan pulsasi pada pipa isap. Indikasi kavitasi adalah timbulnya gelembung-gelembung uap,getaran dan suara bising. Dampak kavitasi pada pompa adalah turunnya unjuk kerja (performance) dan kerusakan komponen pompa. Pada penelitian ini divariasikan perubahan kapasitas untuk mengamati sirkulasi balik didalam sistem (Internal re-circulation) yang merupakan penyebab terjadinya kavitasi.Untuk mengetahui terjadinya kavitasi parameter yang digunakan dengan mengukur perilaku getaran pompa.Pengukuran dilakukan dengan menggunakan accelerometer DI-440 SKF dengan arah pengukuran aksial, vertikal dan horizontal pada frequensi domain dan time domain. Hasil penelitian ini menujukan sinyal spektrum getaran pada pompa semakin besar pada kapasitas terendah (70%) dan kapasitas tertinggi (100%) ditandai dengan semakin besarnya amlitudo. Karakteristik spektrum getaran fenomena kavitasi berada di rentang frekunsi 100.000 CPM-200.000 CPM, serta rekomdasi kapasitas pengoprasian

  3

  3 pompa mulai rentang 0,00205 m /s -0,002500 m /s.

  Kata Kunci

  : Pompa Distilasi, Kavitasi , Resirkulasi, accelerometer, Spektrum getaran

  ABSTRACT Cavitation is a phenomenon of liquid substance vapor phase change in flowing fluid. The change is caused by the lower pressure or the higher fluid temperature, turbulence and pulsation on suction pipe. The indication of cavitation is the existence of steam bubbles, vibration and nois. The effect of cavitation on pump is the drop of pump’s performance and damage to pump components. In this research the capacity changing is varied to observe feed circulation inside system (Internal re-circulation) that appear cavitation occurred. To detect the cavitation the used parameter is by measuring pump vibration behavior. Measurement is conducted by using accelerometer DI-440 SKF with axial, vertical and horizontal measurement on frequency domain and time domain. This research result indicate vibration spectrum signal on pump is getting bigger on the lowest capacity (70%) and the highest capacity (100%) signed by the bigger amplitude. Vibration spectrum characteristic of cavitation phenomena in the frequency range of 100.000 CPM- 200.000 CPM, and the cavitation recommendation of pump operation start range

  3

  3 of 0,00205 m /s -0,002500 m /s.

  Keywords : Distillation pump, cavitation, recirculation, accelerometer, vibration spectrum.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur penulis ucapkan kepada Allah Yang Maha Esa, atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang berjudul “Studi Eksperimental Deteksi Fenomena Kavitasi Pada Pompa Distilasi Dengan Menggunakan Sinyal Spektrum Getaran”.

  Secara khusus pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Pembimbing yang telah menuntun dan membimbing hingga skripsi ini dapat disajikan sekarang.

  Demikian pula penulis menyampaikan terima kasih kepada Abi Awwabin, Toto Wibowo, Purwatmo, Afrijal Nurfi, Nazwir Fahmi Damanik, Irwan Rosadi, Yogi Aldiansyah, Andika Noveri, Sigit Putra, Fadhlan Yazid dan rekan-rekan angkatan ’10 Departemen Teknik Mesin yang telah membantu dan mendukung penulis.

  Ucapan terima kasih selanjutnya penulis sampaikan kepada Bapak Zuhri Lubis, Bapak Wahab dan Abangda Fadly khususnya mengenai sharing dan supportnya dalam penyelesaian skripsi ini.

  Tidak lupa penulis menyampaikan terima kasih kepada kedua orang tua yang selalu mendukung dalam doa, yang selalu memberikan semangat sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

  Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat memberi manfaat kepada siapa saja yang membaca dan mempelajarinya. Amin ya Rabbal’alamin. Hanya engkau ya Allah tempat hamba berlindung dan hanya engkaulah tempat hamba memohon petunjuk dan keampunanMu.

  Medan, September 2014 Penulis,

  Bayu Syahpura

  Universitas Sumatera Utara

  DAFTAR ISI

  2.1.2. Gerak Harmonik ................................................................. 9

  1.4.2. Tujuan Khusus Penelitian ........................................................ 5

  1.5. Manfaat Penelitian ......................................................................... 5

  II. TINJAUAN PUSTAKA

  ........................................................................ 6

  2.1. Analisa Getaran .............................................................................. 6

  2.1.1. Karakteristik Getaran .......................................................... 7

  2.1.3. Gerak Periodik ..................................................................... 10

  1.4. Tujuan Penelitian ........................................................................... 4

  2.1.4. Getaran Bebas (Free Vibration) .......................................... 12

  2.1.5. Getaran Paksa (Force Vibration)......................................... 16

  2.1.6. Penentuan Indikator ............................................................. 17

  2.1.7. Standart Pengukuran Getaran ............................................. 18

  2.2. Pompa............................................................................................. 21

  2.2.1. Karakteristik Pompa............................................................. 22

  1.4.1. Tujuan Umum Penelitian ......................................................... 5

  1.3. Batasan Masalah............................................................................. 4

  Halaman

  DAFTAR TABEL

  ABSTRAK

  ...................................................................................................... i

  KATA PENGANTAR

  .................................................................................... iii

  DAFTAR ISI

  ................................................................................................. iv

  .......................................................................................... vii

  1.2. Perumusan Masalah ....................................................................... 4

  DAFTAR GAMBAR

  ...................................................................................... viii

  DAFTAR NOTASI

  ......................................................................................... xii

  I. PENDAHULUAN

  .................................................................................. 1

  1.1. Latar Belakang ............................................................................... 1

  2.2.2. Blade pass frequency (BPF)................................................. 24

  2.2.3. Kavitasi ................................................................................ 28

  3.5. Kerangka Konsep Penelitian .......................................................... 44

  4.6. Verifikasi Data Karakteristik Impeler dengan Aliran Resirkulasi... 57

  4.5. Hubungan Karakteristik Pompa dengan Karakteristik Sistem ........ 56

  54

  4.3.3. Head losses yang terjadi pada Pipa Tekan ............................ 52 4.4. Hubungan Tekanan Tanki Suction dengan NPSH A .....................................

  4.3.2. Head losses yang terjadi pada pipa Isap ................................ 50

  4.3.1. Tinggi Tekan Statis (Head Static) ......................................... 49

  4.3. Tinggi Tekan (Head) sistem ............................................................ 49

  4.2.2. Kecepatan sudut sistem yang bergerak.................................. 48

  4.2.1. Frekuensi motor penggerak .................................................. 47

  4.2. Perhitungan Getaran Pompa ............................................................ 46

  4.1. Pendahuluan..................................................................................... 46

  ............................................................. 46

  IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

  3.4. Pengolahan dan Analisa Data ........................................................ 43

  2.2.4. Net Positive Suction Head (NPSH)...................................... 29

  3.3. Metodologi ..................................................................................... 41

  3.2.2. Peralatan pengujian dan pengukuran ................................... 39

  3.2.1. Peralatan Subjek Penelitian.................................................. 37

  3.2. Peralatan ......................................................................................... 37

  3.1. Tempat dan Waktu ........................................................................ 37

  .................................................................... 37

  III. METODE PENELITIAN

  2.3.2. Frequensi Domain ............................................................... 35

  2.3.1. Time Domain ....................................................................... 34

  2.3. Pengolahan Data Vibrasi................................................................ 34

  2.2.2. Menentukan Kapasitas Minimum Pengoprasian Pompa ..... 33

  2.2.6. Pola Aliran ........................................................................... 32

  2.2.5. Temperatur Fluida................................................................ 31

  4.7. Karakteristik Getaran pada Pompa dengan Variasi Kapasitas ........ 59

  4.7.1. Karakteristik getaran pada kapasitas 100% dan tekanan tanki 1 bar Abs ...................................................................... 60

  4.7.2. Karakteristik getaran pada kapasitas 90% dan tekanan tanki 1 bar Abs ...................................................................... 62

  4.7.3. Karakteristik getaran pada kapasitas 80% dan tekanan tanki 1 bar Abs ...................................................................... 63

  4.7.4. Karakteristik getaran pada kapasitas 70% dan tekanan tanki 1 bar Abs ...................................................................... 65

  4.8. Verifikasi Karakteristik Time Domain Getran dengan Variasi Kapasitas................................................................. 66

  4.8.1. Getaran time domain arah axial ............................................ 66

  4.8.2. Getaran time domain arah vertikal........................................ 73

  4.8.3. Getaran time domain arah horizontal.................................... 79

  4.9. Verifikasi Karakteristik Akselerasi Spektrum Getaran dengan Variasi Kapasitas................................................................. 86

  4.9.1. Spektrum getaran arah aksial................................................. 86

  4.9.2. Spektrum getaran arah vertikal.............................................. 89

  4.9.3. Spektrum getaran arah horizontal.......................................... 92

  4.9.4. Verivikasi hasil data spektrum getaran dengan variasi Kapasitas ............................................................................... 94

  V. KESMPULAN DAN SARAN

  .............................................................. 96

  5.1. Kesimpulan ...................................................................................... 96

  5.2. Saran ................................................................................................ 96

  DAFTAR KEPUSTAKAAN LAMPIRAN

  DAFTAR TABEL

  Halaman

Tabel 2.1 Satuan yang Digunakan Tiap Karakteristik ..................................... 9Tabel 2.2 Panduan Pemilihan Parameter Pengukuran ..................................... 17Tabel 2.3 Tipe Kavitasi dan Penyebabnya ....................................................... 28Tabel 3.1 Spesifikasi Pompa Sentrifugal ......................................................... 37Tabel 4.1 Spesifikasi pompa ........................................................................... 47 A ..............................................Tabel 4.2 Verivikasi Variasi Kapasitas terhadap NPSH

  55 Tabel.4.3 Hubungan variasi head , tekanan pada manometer tekan dan kapasitas................................................ 56

Tabel 4.4 Karakteristik hasil pengukuran impeler ........................................... 58Tabel 4.5 Data pengukuran time domain ........................................................ 60Tabel 4.6 Hasil perhitungan dan amplitudo ............................................... 61Tabel 4.7 Karakteristik getaran pada time domain........................................... 61Tabel 4.8 Fungsi karakteristik getaran pada time domain................................ 62

  Tabe 4.9 Data pengukuran time domain ......................................................... 62

Tabel 4.10 Hasil perhitungan dan amplitude.............................................. 62Tabel 4.11 Karakteristik getaran pada time domain ........................................ 63Tabel 4.12 Fungsi karakteristik getaran pada time domain ............................. 63

  Tabe 4.13 Data pengukuran time domain ..................................................... 63

Tabel 4.14 Hasil perhitungan dan amplitudo ............................................. 64Tabel 4.15 Karakteristik getaran pada time domain ........................................ 64Tabel 4.16 Fungsi karakteristik getaran pada time domain ............................. 64

  Tabe 4.17 Data pengukuran time domain ...................................................... 65

Tabel 4.18 Hasil perhitungan dan amplitudo ............................................. 65Tabel 4.19 Karakteristik getaran pada time domain ........................................ 66Tabel 4.20 Fungsi karakteristik getaran pada time domain ............................. 66Tabel 4.21 Perbandingan Displesmen pada arah axial terhadap waktu dengan kapasitas yang bervarias ................................................................ 66Tabel 4.22 Perbandingan velositi pada arah axial terhadap waktu

  dengan kapasitas yang bervarias .................................................... 68

Tabel 4.23 Perbandingan akselerasi pada arah axial terhadap waktu dengan kapasitas yang bervarias................................................................ 70Tabel 4.24 Perbandingan Displesmen pada arah vertikal terhadap waktu dengan kapasitas yang bervarias .................................................... 73Tabel 4.25 Perbandingan velositi pada arah vertikal terhadap waktu dengan .

  kapasitas yang bervarias................................................................ 75

Tabel 4.26 Perbandingan akselerasi pada arah vertikal terhadap waktu dengan kapasitas yang bervarias ................................................... 77Tabel 4.27 Perbandingan Displesmen pada arah horizontall terhadap waktu dengankapasitas yang bervariasi ................................................... 79Tabel 4.28 Perbandingan velositi pada arah horizontal terhadap waktu dengan kapasitas yang bervarias ................................................... 81Tabel 4.29 Perbandingan akselerasi pada arah horizontal terhadap waktu dengan kapasitas yang bervarias ................................................... 83Tabel 4.30 Perbandingan akselerasi pada arah horizontal terhadap waktu dengan kapasitas yang bervarias ................................................... 95

  DAFTAR GAMBAR

  ISO 10816-3 Vibration.......................................................... 19

Gambar 2.25 Karakteristik impeler............................................................. 33Gambar 2.24. Kurva Koefisien Kavitasi ...................................................... 31Gambar 2.23 Grafik Kinerja Pompa Akibat Kavitasi ................................. 28Gambar 2.22 Impeller yang Rusak Akibat Kavitasi ................................... 27Gambar 2.21 Pitting Akibat Kavitasi pada Impeller dan Diffuser.............. 27Gambar 2.20 Proses Kavitasi ...................................................................... 26Gambar 2.19 Membagi Spectrum ke Wilayah Signifikan .......................... 25Gambar 2.18. Blade pass frequency............................................................. 25Gambar 2.17 Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal ................................ 23Gambar 2.16 Komponen Pompa Sentrifugal .............................................. 21Gambar 2.15 Pompa Sentrifugal ................................................................. 21Gambar 2.14 Ilustrasi Spektrum Untuk Kavitasi ........................................ 20Gambar 2.13 Ilustrasi Spektrum Untuk Aerodinamis dan Hidrolik ........... 20

  Gambar 2.12

  Halaman

Gambar 2.11 Sistem Tereksitasi Akibat Gaya Dengan Redaman .............. 16Gambar 2.10 Sistem Tereksitasi Akibat Gaya Tanpa Redaman ................. 16Gambar 2.9 Sistem Pegas Massa dan Diagram Benda Bebas .................. 14Gambar 2.8 Sistem 1 DOF Tanpa Redaman............................................. 13Gambar 2.7 Redaman................................................................................ 13Gambar 2.6 Benda Tegar .......................................................................... 12Gambar 2.5 Pegas Linier........................................................................... 12

  Gelombang Pembentukannya Dalam DomainWaktu ......... 11

Gambar 2.4 Gerak Periodik Gelombang Sinyal Segiempat danGambar 2.3 Skematik Phase Getaran........................................................ 8

  Getaran .................................................................................. 8

Gambar 2.2 Hubungan antara Perpindahan, Kecepatan dan PercepatanGambar 2.1 Sistem Getaran Sederhana..................................................... 7Gambar 2.26 Karaktristik Sinyal Statik dan Dinamik ................................ 35Gambar 2.27 Hubungan Time Domain dengan Frekuensi Domain ............ 36Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal ................................................................. 38Gambar 3.2 Pompa dan Instalasinya......................................................... 38Gambar 3.3 DI-440 SKF........................................................................... 40Gambar 3.4 USB Cable............................................................................. 41Gambar 3.5 Set up pompa dan instalasi pompa ........................................ 42Gambar 3.6 Posisi Pengambilan data........................................................ 43Gambar 3.17 Diagram Alir Penelitian ........................................................ 45Gambar 4.1 Head Statis pada sisi tekan .................................................... 50Gambar 4.2 Grafik Hubungan Karakteristik Pompa dan Karakteristik

  Sistem..................................................................................... 57

Gambar 4.3 Perbandingan displesmen pada arah axial terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ..................................................... 68Gambar 4.4 Perbandingan velositi pada arah axial terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ..................................................... 70Gambar 4.5 Perbandingan akselerasi pada arah axial terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ..................................................... 72Gambar 4.6 Perbandingan displesmen pada arah verikal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ..................................................... 75Gambar 4.7 Perbandingan velosicity pada arah verikal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ..................................................... 77Gambar 4.8 Perbandingan akselerasi pada arah verikal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ...................................................... 79Gambar 4.9 Perbandingan displesmen pada arah horizontal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ............................................. 81Gambar 4.10 Perbandingan velocity pada arah horizontal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ..................................................... 83Gambar 4.11 Perbandingan akselerasi pada arah horizontal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ......................................................... 85Gambar 4.12 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 100% ......................... 86Gambar 4.13 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 90% ........................... 87Gambar 4.14 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 80% ........................... 88Gambar 4.15 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 70% ........................... 89Gambar 4.16 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 100%.......................... 90Gambar 4.17 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 90%............................ 90Gambar 4.18 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 80% ........................... 91Gambar 4.19 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 70% ........................... 91Gambar 4.20 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 100% ......................... 92Gambar 4.21 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 90% ........................... 93Gambar 4.22 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 80% ........................... 93Gambar 4.23 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 70% ........................... 94

  DAFTAR NOTASI

  (N)

  N

  h Total head pompa (m) h f Head loss mayor (m) h m Head loss minor (m) h s Head isap statis (m) h ls Head lossis pipa isap (m) h sv NPSH yang tersedia (m) H N Head total pompa (m) Hsv

  )

  2

  Percepatan gravitasi (m/s

  G Koefisien kopling elektro mekanis

  (Hz) Frekuensi getar objek ukur (Hz)

  f Frekuensi

  D Diameter saluran (m) e Tegangan output jerk sensor (Volt) F Gaya

  Simbol Satuan

  Koefisien redaman kritis

  B Koefisien induksi magnetic c Redaman / damping (N/(m/s))

  )

  2

  (m/s

  a Percepatan

  (m)

  A Amplitudo

  NPSH yang diperlukan (m)

  H(s) Frekuensi karakteristik (Hz) i Kuat arus

  )

  (N) Frekuensi natural (rad/s) Perpindahan / displacement (m)

  w Berat

  Kecepatan sudut (rad/s)

  V Kecepatan fluida (m/s)

  (s) Tegangan output (Volt) Tegangan input (Volt)

  (s) Perioda

  Re Reynolds number s Kecepatan spesifik sisi isap (m/s) t Waktu

  /s) RC resistor diferensial dan kapasitor

  3

  Kapasitas pompa (m

  Q N

  2

  (Ampere)

  Pv Tekanan uap jenuh (kg/m

  )

  2

  Pa Tekanan pada permukaan cairan (kg/m

  NPSH yang diperlukan (m)

  R

  (%) NPSH A NPSH yang tersedia (m) NPSH

  W Efisiensi

  n Putaran pompa (rpm) N Daya

  (kg)

  k Kekakuan / stiffness (N/m) L Panjang pipa / kawat konduktor (m) m Massa

  ̇ Kecepatan / velocity (m/s)

  2 Percepatan / acceleration (m/s )

  ̈

  Z Head statis total (m)

  Rasio redaman

  o

  beda fase simpangan ( ) Berat jenis fluida (N/kg) Tingkat kesalahan Viskositas dinamik (kg/ms)

  2 Viskositas kinematik (m /s)

  3 Massa jenis fluida (kg/m )

  Koefisien kavitasi / angka Thoma