Studi Eksperimental Fenomena Kavitasi Pada Pompa Sentrifugal Melalui Pengamatan Pola Aliran Yang Diinterpretasikan Terhadap Perilaku Sinyal Vibrasi

(1)

STUDI EKSPERIMENTAL FENOMENA KAVITASI PADA

POMPA SENTRIFUGAL MELALUI PENGAMATAN

POLA ALIRAN YANG DIINTERPRETASIKAN

TERHADAP PERILAKU SINYAL VIBRASI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ASRIL SITORUS NIM. 060401028

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

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 performance pompa menurun. Penelitian ini dilakukan dengan mengukur perilaku getaran di dalam rumah pompa serta mengamati pola aliran akibat perubahan kapasitas pompa yang disinkronkan terhadap bilangan Reynold. Pada penelitian ini divariasikan kapasitas pompa yang diduga berpengaruh terhadap terjadinya kavitasi pada pompa sentrifugal. Untuk mengetahui terjadinya kavitasi parameter yang digunakan dengan mengukur perilaku getaran pompa di dalam rumah pompa dan mengamati pola aliran dengan gambar dan vibrasi eksitasinya. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan vibrometer dengan arah pengukuran aksial, vertikal dan horizontal pada

frequency domain dan time domain. Secara visual pola aliran terjadi akibat kenaikan

bilangan Reynolds dan kavitasi teramati dengan terjadinya turbulensi aliran yang terdeteksi dengan naiknya amplitudo sinyal getaran maksimum yang merupakan simpangan terjauhnya pada gate valve suction closed 80%.

(10)

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: “ STUDI EKSPERIMENTAL

FENOMENA KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL MELALUI PENGAMATAN POLA ALIRAN YANG DIINTERPRETASIKAN TERHADAP PERILAKU SINYAL VIBRASI ”.

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 tercinta A. Sitorus dan Ibunda Br. Manurung, yang telah begitu berjasa membimbing dan membuka cakrawala ilmu pengetahuan serta memberikan kesempatan kepada penulis untuk dapat mengikuti pendidikan di Fakultas Teknik USU, dan senantiasa mendoakan, mendukung dan memberi limpahan kasih sayang serta materi dalam penyelesaian skripsi ini. Dengan segenap cinta, engkau korbankan jiwa raga serta semangatmu yang membara untuk kami anak-anakmu. Semoga keberhasilan kami menjadi sebuah panghargaan yang teramat istimewa bagimu.

2. Bapak Dr.-Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen pembimbing dan sebagai Ketua Departemen Teknik Mesin yang telah memberikan waktu dan pikirannya dalam penyelesaian skripsi ini dan Bapak Tulus Burhanudin Sitorus, ST.MT. sebagai Sekretaris Departemen Teknik Mesin.

(11)

4. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc, Selaku dosen pembanding dan sebagai

kepala laboratorium mesin fluida yang telah memberikan waktu dan pikirannya dalam penyelesaian skripsi ini

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

6. Special kepada kakak, abang dan Adikku tercinta (Alm Kak Susanti, kak Sri, kak Fitri, abangku Fitran dan Andi serta adikku Nur’Aisyah ), terimakasih atas dukungan serta semangat yang kalian berikan kepadaku, aku bangga punya keluarga seperti kalian semua dan buat seseorang yang kusayangi Silvina Abmi siregar yang selalu mendoakan dan memberikan motivasi diwaktu senang dan duka dalam penulisan skripsi ini

7. Seluruh staff pengajar di Departemen Teknik Mesin dan Magister Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah mengubah pola pikir saya serta ilmu yang sangat berharga.

8. Seluruh pegawai Departemen Teknik Mesin, Bang Syawal, Kak Ismawati, dan Almarhum Bang Fauzi atas segala bantuannya kepada penulis dalam pengurusan administrasi.

9. Seluruh pegawai Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara 10.Seluruh pegawai laboratorium Departemen Teknik Mesin Universitas

Sumatera Utara

11.Rekan-rekan senasib dan seperjuanganku yang selalu memberi semangat dan dorongan selama melakukan penelitian di Laboratorium Noise/Vibration Control and Knowledge-Base in Ingineering Fakultas Teknik USU sampai penyelesaian skripsi ini, Bapak Ibnu hajar ST. MT., Bang M. Halley, ST. dan Bang Andi syahputra

(12)

memberikan dukungan dan semangat diwaktu PKL. Special buat

sahabat ku Bismar, Amd. dan Alam yang selalu memberikan motivasi dan semangat kepada penulis.

13.Seluruh para asisten laboratorium khususnya Laboratorium Mesin Fluida, (bang Suprihatin, bang Eko, bang Said, bang Raja, dan Andre) yang turut membantu dalam penyelesaian skripsi ini.

14.Seluruh teman-teman pengurus HMI komisariat FT. USU yang selalu memberikan dukungan dan ilmu diwaktu kepengurusan dan pengurus Badan kenajiran Mushollah FT USU

15.Seluruh teman-teman pengurus MER-C Cab. Medan, khusus buat (Bang Hairun, Budi, Leni, Ita, Riski dan Ira) yang selalu memberikan motivasi dan semangat dalam penyelesaian skripsi ini.

16.Seluruh teman-teman satu kost yang selalu membuat penulis tersenyum, dan buat orang-orang yang selalu mendukung, seluruh saudara dan teman terbaik yang tidak dapat disebutkan satu persatu, semoga selalu menjadi jiwa yang selalu menolong

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, Juni 2010 Penulis,

(13)

DAFTAR ISI

Hal

ABSTRAK x

KATA PENGANTAR xi

DAFTAR ISI xiv

DAFTAR GAMBAR xvi

DAFTAR TABEL xxii

DAFTAR NOTASI xxvii

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Pembatasan Masalah 3

1.3 Tujuan Penelitian 4

1.4 Manfaat Penelitian 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 5

2.1 Prinsip-Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal 5

2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal 6

2.3Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal 7

2.4 Kavitasi 9

2.4.1 Penyebab terjadinya kavitasi pada pompa sentrifugal 10

2.5 Pola Aliran 12

2.5.1 Konsep Pola Aliran 13

2.5.2 Klasifikasi Pola Aliran 15

2.5.3 Pola Aliran Von Karman’s 18

2.6 Aliran Fluida 18

2.6.1 Aliran Laminar dan Turbulen 19

2.7Getaran Mekanis 20

2.7.1 Karakteristik Getaran 21

2.7.2 Sinyal Getaran (Vibrasi) 23

2.7.3 Gerak Harmonik 23

(14)

2.7.5 Getaran Bebas (Free Vibration) 25

2.7.6 Getaran Paksa (Force Vibration) 26

2.7.7 Standart Vibrasi Pompa Sentrifugal 28

2.8 Pengolahan Data Vibrasi 29

2.8.1 Data Domain Waktu (Time Domain) 29

2.8.2 Data Domain Frekwensi (Frequensy Domain) 30

2.9 Kerangka Konsep 31

BAB III METODE PENELITIAN 32

3.1 Tempat dan Waktu 32

3.2 Bahan, Peralatan dan Metode 32

3.2.1 Bahan 32

3.2.2 Peralatan 34

3.2.3 Metode 37

3.3 Variabel yang Diamati 41

3.4 Pelaksanaan Penelitian 43

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 44

4.1 Pendahuluan 44

4.1.1 Hubungan Variasi penutupan Katup isap dengan Kapasitas aliran fluida

44

4.1.2 Perhitungan Reynold Number 45

4.2 Hubungan antara variasi penutupan katup dengan kecepatan

aliran fluida

47`

4.3Hubungan antara variasi penutupan katup dengan bilangan reynold

48

4.4 Hubungan kecepatan aliran dengan bilangan Reynold 48

4.5 Karakteristik Pola Aliran 49

4.5.1Visualisasi Pola Aliran 49

(15)

4.6.4 Close Valve 60 % pada pipa suction dan pipa Discharge 51

4.6.5 Close Valve 80 % pada pipa suction dan pipa Discharge 51

4.7 Analisa Getaran dengan Variasi penutupan Katup 52

4.7.1 Analisa Getaran pada Bukaan Katub 100 % 52

4.7.2 Analisa Getaran pada penutupan katup 20 % 62 4.7.3 Analisa Getaran pada penutupan katup 40 % 70 4.7.4 Analisa Getaran pada penutupan katup 60 % 79 4.7.5 Analisa Getaran pada penutupan katup 80 % 87 4.7.6 Verifikasi Data Simpangan Pada Berbagai penutupan

Katup 96

4.7.7 Verifikasi Data Kecepatan Pada Berbagai penutupan Katup

102

4.7.8 Verifikasi Data Percepatan Pada Berbagai penutupan Katup

108

4.7.9 Hubungan Pola Aliran terhadap Karakteristik Getaran 113

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 123

5.1 Kesimpulan 123

5.2 Saran 125

(16)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Rumah Pompa Sentrifugal 7

Gambar 2.2 Proses Kavitasi 9

Gambar 2.3 Kerusakan impeller akibat kavitasi 11

Gambar 2.4 Besarnya massa yang masuk sama dengan yang keluar 14

Gambar 2.5 Tabung Aliran 15

Gambar 2.6 Pola aliran pada pipa horizontal 17

Gambar 2.7 Klasifikasi Pola aliran berdasarkan Reynolds Number ( Chi-2009) 17

Gambar 2.8 Pola aliran Von Karman’s 18

Gambar 2.9 Daerah masuk aliran sedang berkembang dan aliran berkembang penuh di dalam sebuah sistem pipa. 19

Gambar 2.10 (a) Aliran laminer (b) Aliran turbulen 20

Gambar 2.11 Sistem getaran sederehana 21

Gambar 2.12 Hubungan antara perpindahan kecepatan dan percepatan getaran 22

Gambar 2.13 Gerak Harmonik Sebagai Proyeksi Suatu titik yang bergerak pada Lingkaran 24

Gambar 2.14 Gerak Periodik dengan Periode τ 24

Gambar 2.15 Sistem Pegas-Massa dan Diagram Benda Bebas 25

Gambar 2.16 getaran paksa 26

Gambar 2.17 Standart ISO 10816-3 untuk vibrasi 28

(17)

Gambar 2.19 Hubungan Time Domain dengan Frequency Domain 30

Gambar 2.20 Kerangka Konsep Penelitian 31

Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal 33

Gambar 3.2 Sistem Pemasangan Pompa dan Pendukungnya 33

Gambar 3.3 Profil Vibrometer Analog VM-3314A, IMC Corporation,

Japan 35

Gambar 3.4 Profil Thermocouple Thermometer Tipe KW 06-278

Krisbow 36

Gambar 3.5 Tampak Depan dan Tampak Samping Arah Pengukuran 38

Gambar 3.6 Pengambilan Titik Pengukuran Vibrasi pada Pompa

Sentrifugal 38

Gambar 3.7 Pipa transparan (pipa acrylic) 40

Gambar 3.8 Tampak depan dari sistem pemasangan pompa dan

instalasinya 42

Gambar 3.9 Tampak Atas dari Sistem Pemasangan Pompa dan

Instalasinya 42

Gambar 3.10 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian 43

Gambar 4.1 Hubungan antara Variasi penutupan katup dengan

kapasitas aliran fluida 46

Gambar 4.2 Hubungan antara Variasi penutupan katup dengan

kecepatan aliran fluida 47

Gambar 4.3 Hubungan antara Variasi penutupan katup dengan bilangan

(18)

Gambar 4.4 Hubungan kecepatan aliran dengan bilangan Reynold 48

Gambar 4.5 Pola aliran laminar (Re = 1926,5) 50

Gambar 4.6 Pola aliran laminar (Re = 2062,82) 50

Gambar 4.7 Pola aliran transisi (Re = 3393,46) 50

Gambar 4.8 Pola aliran turbulensi (Re = 6305,83) 51

Gambar 4.9 Pola aliran turbulensi (Re = 14836,03) 51

Gambar 4.10 Hubungan simpangan dengan frekuensi pada frekuensi

domain 56

Gambar 4.11 Hubungan kecepatan dengan frekuensi pada frekuensi

domain 57

Gambar 4.12 Hubungan percepatan dengan frekuensi pada frekuensi

domain 58

Gambar 4.13 Hubungan simpangan dengan time pada time domain 59

Gambar 4.14 Hubungan kecepatan dengan waktu pada time domain 60

Gambar 4.15 Hubungan percepatan dengan waktu pada time domain 61

Gambar 4.16 Hubungan simpangan dengan frekuensi pada frekuensi

domain

65

domain

66

(19)

domain

67

Gambar 4.19 Hubungan simpangan dengan time pada time domain 68

Gambar 4.21 Hubungan percepatan dengan waktu pada time domain 70

Gambar 4.22 Hubungan simpangan dengan frekuensi pada frekuensi

domain 73

domain 74

domain

75

Gambar 4.25 Hubungan simpangan dengan waktu pada time domain 76

Gambar 4.26 Hubungan kecepatan dengan waktu pada time domain 77

Gambar 4.27 Hubungan percepatan dengan waktu pada time domain 78

Gambar 4.28 Hubungan simpangan dengan frekuensi pada frekuensi

domain 82

domain 83

domain 84

Gambar 4.31 Hubungan simpangan dengan waktu pada time domain 85

(20)

Gambar 4.34 Hubungan simpangan dengan frekuensi pada frekuensi

domain 90

domain 91

domain 92

Gambar 4.37 Hubungan simpangan dengan waktu pada time domain 93

Gambar 4.39 Hubungan percepatan dengan waktu pada Time domain 95

Gambar 4.40 Perbandingan displacement pada arah aksial terhadap

waktu pada penutupan katup yang bervariasi 97

Gambar 4.41 Laju pertambahan amplitudo simpangan terhadap

persen penutupan katup pada arah aksial 97

Gambar 4.42 Perbandingan displacement pada arah vertikal terhadap

waktu pada penutupan katup yang bervariasi 98

Gambar 4.43 Laju pertambahan amplitudo simpangan terhadap

persen penutupan katup pada arah Vertikal 99

Gambar 4.44 Perbandingan displacement pada arah horizontal

terhadap waktu pada penutupan katup yang bervariasi 100

Gambar 4.45 Laju pertambahan amplitudo simpangan terhadap

persen penutupan katup pada arah Horizontal 101

Gambar 4.46 Perbandingan velocity pada arah aksial terhadap waktu

pada penutupan katup yang bervariasi 103

(21)

persen penutupan katup pada arah Aksial 103

Gambar 4.48 Perbandingan velocity pada arah vertikal terhadap

Gambar 4.49 Laju pertambahan amplitudo kecepatan terhadap

Gambar 4.50 Perbandingan velocity pada arah horizontal terhadap

Gambar 4.51 Laju pertambahan amplitudo kecepatan terhadap

persen penutupan katup pada arah horizontal 107

Gambar 4.52 Perbandingan Accelaration pada arah aksial terhadap

Gambar 4.53 Laju pertambahan amplitudo percepatan terhadap

Gambar 4.54 Perbandingan Accelaration pada arah vertikal terhadap

Gambar 4.55 Laju pertambahan amplitudo percepatan terhadap

persen penutupan Katup pada arah Vertikal 111

Gambar 4.56 Perbandingan Accelaration pada arah horizontal terhadap

Gambar 4.57 Laju pertambahan amplitudo percepatan terhadap

persen penutupan katup pada arah horizontal 113

Gambar 4.58 Hubungan pola aliran dan sinyal getaran pada

Re = 1926.5 dengan kecepatan aliran 0.03191 m/s 116

(22)

Gambar 4.60 Hubungan pola aliran dan sinyal getaran pada

(23)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Karakteristik dan satuan getaran 22

Tabel 4.1 Hasil perhitungan kapasitas, kecepatan aliran, dan Reynolds

number

pengujian dengan variasi penutupan katup

46

Tabel 4.2 Data rata-rata pengukuran frekuensi domain 52

Tabel 4.3 Data rata-rata pengukuran time domain 52

Tabel 4.4 Hasil perhitungan ϖt dan amplitudo pada frekuensi domain 54

Tabel 4.5 Hasil perhitungan ϖt dan amplitudo pada time domain 54

Tabel 4.6 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada frekuensi domain 54

Tabel 4.7 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada time domain 54

Tabel 4.8 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada frekuensi

domain 55

Tabel 4.9 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada time domain 55

Tabel 4.10 Hubungan simpangan dengan frekuensi pada frekuensi domain 55

Tabel 4.11 Hubungan kecepatan dengan frekuensi pada frekuensi domain

57

Tabel 4.12 Hubungan percepatan dengan pada frekuensi domain 58

Tabel 4.13 Hubungan simpangan dengan waktu pada time domain 59

Tabel 4.14 Hubungan kecepatan dengan waktu pada time domain

(24)

Tabel 4.15 Hubungan percepatan dengan waktu pada time domain

61

Tabel 4.16 Data rata-rata pengukuran frekuensi domain 62

Tabel 4.17 Data rata-rata pengukuran time domain

62

Tabel 4.18 Hasil perhitungan ϖt dan amplitudo pada frekuensi domain

62

Tabel 4.21 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada time domain 63

domain 63

65

Tabel 4.26 Hubungan percepatan dengan frekuensi pada frekuensi domain

66

Tabel 4.27 Hubungan simpangan dengan waktu pada time domain

67

Tabel 4.28 Hubungan kecepatan dengan waktu pada time domain 68

Tabel 4.29 Hubungan percepatan dengan waktu pada time domain

69

(25)

Tabel 4.31 Data rata-rata pengukuran time domain 70

71

domain 72

Tabel 4.38 Hubungan simpangan dengan frekuensi pada frekuensi domain 73

74

Tabel 4.40 Hubungan percepatan dengan frekuensi pada frekuensi domain 75

77

Tabel 4.43 Hubungan percepatan dengan waktu pada time domain 78

Tabel 4.44 Data rata-rata pengukuran frekuensi domain 79

Tabel 4.45 Data rata-rata pengukuran time domain 79

79

(26)

domain80

82

83

85

Tabel 4.58 Data rata-rata pengukuran frekuensi domain 87

Tabel 4.59 Data rata-rata pengukuran time domain

87

Tabel 4.60 Hasil perhitungan ϖt dan amplitudo pada frekuensi domain 88

domain 89

Tabel 4.65 asil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada time domain 89

(27)

91

92

94

Tabel 4.72 Perbandingan displacement pada arah aksial terhadap waktu pada

penutupan katup yang bervariasi

96

Tabel 4.73 Perbandingan displacement pada arah vertikal terhadap waktu pada

98

Tabel 4.74 Perbandingan displacement pada arah horizontal terhadap waktu

pada

100

Tabel 4.75 Perbandingan velocity pada arah aksial terhadap waktu pada

102

Tabel 4.76 Perbandingan velocity pada arah vertikal terhadap waktu pada

(28)

Tabel 4.77 Perbandingan velocity pada arah horizontal terhadap waktu pada

106

Tabel 4.78 Perbandingan acceleration pada arah aksial terhadap waktu pada

108

Tabel 4.79 Perbandingan acceleration pada arah vertikal terhadap waktu pada

110

Tabel 4.80 Perbandingan acceleration pada arah horizontal terhadap waktu

pada

(29)

DAFTAR NOTASI

Simbol Arti Satuan

A Amplitudo m

f Frekuensi Hz

fn Frekuensi natural Hz

g Percepatan gravitasi m/s2

H Head m

k Kekakuan N/m

m Massa kg

n Putaran rpm

P Tekanan kgf/cm2

Pv Tekanan uap jenuh kgf/cm2

T Periode s

t Waktu tempuh s

w Berat N

x Displacement m

x Velocity m/s

x

 Acceleration m/s2

Z Head statis m

Simbol Yunani

Τ

Periode natural s

ρ Massa jenis fluida kg/m3

(30)

Θ Sudut fase rad

µ Dynamic viscosity Ns/m2

υ Kinematic viscosity m2/s

(31)

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 performance pompa menurun. Penelitian ini dilakukan dengan mengukur perilaku getaran di dalam rumah pompa serta mengamati pola aliran akibat perubahan kapasitas pompa yang disinkronkan terhadap bilangan Reynold. Pada penelitian ini divariasikan kapasitas pompa yang diduga berpengaruh terhadap terjadinya kavitasi pada pompa sentrifugal. Untuk mengetahui terjadinya kavitasi parameter yang digunakan dengan mengukur perilaku getaran pompa di dalam rumah pompa dan mengamati pola aliran dengan gambar dan vibrasi eksitasinya. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan vibrometer dengan arah pengukuran aksial, vertikal dan horizontal pada

frequency domain dan time domain. Secara visual pola aliran terjadi akibat kenaikan

bilangan Reynolds dan kavitasi teramati dengan terjadinya turbulensi aliran yang terdeteksi dengan naiknya amplitudo sinyal getaran maksimum yang merupakan simpangan terjauhnya pada gate valve suction closed 80%.

(32)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pompa dalam industri biasanya digunakan untuk transportasi fluida, dimana kerja dari pompa tersebut tergantung dari sifat dan jenis fluida. Pemilihan jenis pompa yang digunakan didasarkan pada nilai ekonomis jarak fluida yang akan dipindahkan.

Pada pompa, densitas fluida konstan dan besar. Pompa ini bertujuan sebagai alat transfortasi fluida (horizontal maupun vertikal), menaikkan tekanan dan menaikkan kecepatan. Faktor yang perlu diperhatikan dalam pemilihan pompa adalah sifat cairan dan rating (debit dan head) yang diperlukan.

Untuk menentukan suatu peralatan bekerja sesuai dengan kondisi terbaiknya diperlukan indikator, biasanya indikator yang sering digunakan adalah indikator yang dengan cepat mendapatkannya seperti Pola Aliran dan Getaran

(Vibrasi).

Pompa sentrifugal adalah jenis pompa yang sangat banyak dipakai oleh industri, terutama industri pengolahan dan pendistribusian air. Beberapa keunggulan pompa sentrifugal adalah: harga yang lebih murah, kontruksi pompa sederhana, mudah pemasangan maupun perawatan, kapasitas dan tinggi tekan (head) yang tinggi, kehandalan dan ketahanan yang tinggi.

Pada pompa sentrifugal energi mekanik pada pompa sentrifugal zat cair ditinggalkan dengan aksi sentrifugal. Cairan terlempar tetap stabil akibat gaya sentrifugal. Zat cair yang masuk melalui sembungan isap yang konsentrik dengan

sumbu suatu elemen putar berkecepatan tinggi yang disebut impeler (impeller), sehingga memiliki gaya kinetis yang tinggi.

(33)

tekanan uap jenuhnya, hal ini dapat menyebabkan: Suara berisik, getaran atau

kerusakan komponen pompa seperti gelembung-gelembung fluida tersebut pecah ketika melalui daerah yang lebih tinggi tekanannya, Kapasitas pompa menjadi berkurang, Pompa tidak mampu membangkitkan head (beda tinggi tekan), dan Berkurangnya efisiensi pompa.

Kelemahan utama pompa centrifugal ini terletak pada terbatasnya tekanan pengembus (delivery presure) serta tidak mampu memancing sendiri. Untuk itu digunakan multingkat yang biasanya bersumbu sama serta digerakkan oleh motor. Namun pada penelitian skripsi yang saya lakukan adalah pompa single stage karena keterbatasan dari biaya.

Dari beberapa keunggulan serta kelemahan pengoperasian dan pemilihan pompa sentrifugal, masih diperlukan penelitian yang lebih dalam tentang pengoperasian yang terbaik dari segi tinggi tekan dan kapasitas sehingga kavitasi pompa tidak terjadi dan pompa dapat beroperasi dalam keadaan baik , dimana dalam hal ini kavitasi dapat menjadi penghambatan kinerja pompa.

Penyelidikan dan pengujian kavitasi pada pompa telah dilakukan oleh beberapa peneliti dan balai pengujian dengan mengkaji dalam beberapa aspek yang berbeda yaitu: J. Jeremi and K.Dayton (2000) yang mendeteksi kavitasi yang mana eksperimen dilakukan pada sebuah pompa sentrifugal, fenomena kavitasi di deteksi dengan pemantauan tekanan masuk dinamik di bagian suction. Penelitian ini dapat dijadikan indikasi awal terjadinya kavitasi pada pompa dengan munculnya suara bising dan metode ini bisa digunakan untuk mengetahui

keausan ring (seal). Seyed Farshid C.Hassan (2005), meneliti kavitasi pada pompa sentrifugal menggunakan spectrum sinyal kebisingan. Penelitian ini dilakukan dengan mengukur spectrum sinyal noise pada sudu pompa menggunakan satu mikropon dan satu P.C soundcard yang dilengkapi dengan Transform fourier dan Matlab 6.1 untuk mendapatkan frekuensi domain. Dari

penelitian ini diperoleh bahwa perbedaan tekanan bunyi pada beberapa frekuensi dapat digunakan sebagai satu pemantauan utama permulaan kavitasi dan akibat kavitasi terhadap pompa. Demikian juga penelitian yang dilakukan Suyanto, Irham (2007), melakukan penelitian kaji eksperimental fenomena kavitasi pada

(34)

mengamati adalah angka Thoma (ap), dan hasil yang diperoleh bahwa kavitasi

pada sudu pompa sentrifugal intensitasnya semakin besar pada angka kavitasi rendah yang disebabkan oleh tekanan isap yang rendah, temperature fluida tinggi, kapasitas dan putaran besar. Selanjuntnya, Ni Yongyan Yuan Shouqi (2008), melakukan penelitian mendeteksi kavitasi pompa sentrifugal menggunakan sinyal percepatan getaran. Pada penelitian diketahui bahwa terjadinya kavitasi dengan pergerakan sinyal frekuensi secara acak pada frekuensi disekitar sudu impeller. Penelitian ini menggunakan metode Higuchi, ternyata sukses mendeteksi kavitasi pada pompa sentrifugal

Dengan dilandasi pada latar belakang di atas peneliti memandang perlu dilakukan suatu penelitian eksperimen dan analisa tentang perubahan prilaku kavitasi pada pompa sentrifugal akibat variasi kapasitas, perubahan temperatur fluida serta peningkatan getaran yang diukur pada housing pompa sentrifugal yang dapat dibuktikan dengan berbagai cara, sebagian diantaranya dengan menganalisa pola aliran dan bilangan reynold.

1.2 Pembatasan Masalah

Pompa sentrifugal yang digunakan dalam penelitian ini adalah pompa sentrifugal tipe single stage yang terdiri dari satu impeller dan satu casing. Pompa ini adalah pompa dengan kondisi baru sehingga dapat dianggap bahwa poros, impeller, kopling dalam kondisi baik (balance). Pompa sentrifugal ini

mendistribusikan air dari reservoir isap (Suction) ke reservoir tekan (Discharge)

(35)

1.3. Tujuan Penelitian

1. Mengkaji fenomena kavitasi dengan variasi kapasitas pada pompa sentrifugal.

2. Mengkaji fenomena kavitasi yang terjadi pada pompa sentrifugal dengan metode eksperimen menggunakan sinyal getaran.

3. Mengamati fenomena kavitasi yang terjadi dengan pola aliran yang disinkronkan dengan bilangan Reynold

1.4. Manfaat Penelitian

Penelitian ini nantinya merupakan suatu upaya nyata pihak perguruan tinggi, khususnya lembaga penelitian, dalam memberikan informasi kepada dunia industri tentang hubungan pompa, fenomena kavitasi, getaran (vibrasi), dan temperatur.

Adapun manfaat penelitian ini adalah:

1. Sinyal getaran dapat dijadikan sebagai acuan terjadinya kavitasi

2. Memberikan informasi mengenai metode pengujian fenomena kavitasi pada pompa sentrifugal dan sebagai acuan untuk menghindari terjadinya kavitasi.

3. Memberikan informasi kepada industri yang menggunakan pompa sentrifugal tentang pemanfaatan sinyal getaran dan pola aliran yang disinkronkan dengan bilangan Reynold sebagai indikator pencegahan

(36)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu fluida dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Klasifikasi Pompa Secara umum pompa dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump).

Salah satu jenis pompa Kerja Dinamis adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pada Instalasi Pengolahan Air (IPA), sebagian besar pompa yang digunakan ialah pompa bertipe sentrifugal. Gaya sentrifugal ialah sebuah gaya yang timbul akibat adanya gerakan

sebuah benda atau partikel melalui lintasan lengkung (melingkar). Pompa sentrifugal merupakan pompa Kerja Dinamis yang paling banyak digunakan karena mempunyai bentuk yang sederhana dan harga yang relatif murah. Keuntungan pompa sentrifugal dibandingkan jenis pompa perpindahan positif adalah gerakan impeler yang kontinyu menyebabkan aliran tunak dan tidak berpulsa, keandalan operasi tinggi disebabkan gerakan elemen yang sederhana dan tidak adanya katup-katup, kemampuan untuk beroperasi pada putaran tinggi, yang dapat dikopel dengan motor listrik, motor bakar atau turbin uap, ukuran kecil sehingga hanya membutuhkan ruang yang kecil, lebih ringan dan biaya instalasi ringan, harga

murah dan biaya perawatan murah.

2.1 Prinsip -prinsip dasar pompa sentrifugal

Prinsip-prinsip dasar pompa sentrifugal ialah sebagai berikut:

• gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar sehingga kecepatan fluida meningkat

(37)

2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, antara lain:

1. Kapasitas :

• Kapasitas rendah : < 20 m3 / jam

• Kapasitas menengah : 20-60 m3 / jam

• Kapasitas tinggi : > 60 m3 / jam 2. Tekanan Discharge :

• Tekanan Rendah : < 5 Kg / cm2

• Tekanan menengah : 5 - 50 Kg / cm2

• Tekanan tinggi : > 50 Kg / cm2 3. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat :

• Single stage : Terdiri dari satu impeller dan satu casing

• Multi stage : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun seri dalam satu casing.

• Multi Impeller : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun paralel dalam satu casing.

• Multi Impeller – Multi stage : Kombinasi multi impeller dan multi stage. 4. Posisi Poros :

• Poros tegak

• Poros mendatar 5. Jumlah Suction :

• Single Suction

• Double Suction 6. Arah aliran keluar impeller :

• Radial flow

• Axial flow

(38)

2.3 Bagian-bagian Utama Pompa Sentrifugal

[image:38.595.125.503.150.393.2]

Secara umum bagian-bagian utama pompa sentrifugal dapat dilihat seperti gambar berikut:

Gambar 2.1 Rumah Pompa Sentrifugal

1. Stuffing Box

Stuffing Box berfungsi untuk mencegah kebocoran pada daerah dimana

poros pompa menembus casing. 2. Packing

Digunakan untuk mencegah dan mengurangi bocoran cairan dari casing pompa melalui poros. Biasanya terbuat dari asbes atau teflon.

3. Shaft

Shaft/poros berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari penggerak

selama beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya.

4. Shaft sleeve

Shaft sleeve berfungsi untuk melindungi poros dari erosi, korosi dan

(39)

5. Vane

Sudu dari impeller sebagai tempat berlalunya cairan pada impeller. 6. Casing

Merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar, tempat kedudukan diffuser (guide vane), inlet dan outlet nozel serta tempat memberikan arah aliran dari impeller dan mengkonversikan energi kecepatan cairan menjadi energi dinamis (single stage).

7. Eye of Impeller

Bagian sisi masuk pada arah isap impeller. 8. Impeller

Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi

energi kecepatan pada cairan yang dipompakan secara kontiniu, sehingga cairan pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan dari cairan yang masuk sebelumnya.

9. Wearing Ring

Wearing ring berfungsi untuk memperkecil kebocoran cairan yang

melewati bagian depan impeller maupun bagian belakang impeller, dengan cara memperkecil celah antara casing dengan impeller.

10.Bearing

Bearing (bantalan) berfungsi untuk menumpu dan menahan beban dari

poros agar dapat berputar, baik berupa beban radial maupun beban axial.

Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek menjadi kecil.

11.Casing

(40)

2.4 Kavitasi

Pada sistem pemipaan yang menggunakan pompa sentrifugal sangat mungkin terjadi kavitasi yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan perbedaan penampang yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan sampai turun di bawah tekanan uap jenuhnya sehingga menyebabkan terjadinya fenomena yang disebut kavitasi.

Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam cairan yang sedang mengalir karena tekanan cairannya berkurang sampai di bawah tekanan uap jenuh cairan pada suhu operasi pompa. Gejala kavitasi terjadi karena menguapnya zat cair yang sedang mengalir didalam pompa atau diluar pompa, karena tekanannya berkurang sampai dibawah tekanan uap jenuhnya Apabila zat cair mendidih, maka akan timbul gelembung-gelembung uap zat cair. Hal ini dapat terjadi pada zat cair yang sedang mengalir didalam pompa maupun didalam pipa. 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.

Gejala kavitasi yang timbul pada pompa biasanya ada suara berisik dan getaran, unjuk kerjanya menjadi turun, kalau dioperasikan dalam jangka waktu lama akan terjadi kerusakan pada permukaan dinding saluran. Permukaan dinding saluran akan berlubang-lubang karena erosi kavitasi sebagai tumbukan gelembung-gelembung yang pecah pada dinding secara terus-menerus dapat dilihat pada gambar 2.2

(41)

2.4.1 Penyebab terjadinya kavitasi pada pompa sentrifugal

Pompa sentrifugal mempunyai sifat-sifat teknis yang harus dipenuhi agar dapat beroperasi dengan baik. Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada pompa tipe ini adalah gagalnya pompa dalam proses priming, sehingga pompa tidak bisa mengisap dan akhirnya gagal pemompaan serta menyebabkan kerusakan pada bagian-bagian pompa.

Ada beberapa penyebab kavitasi pada pompa sentrifugal diantaranya, adalah :

1. Penguapan (Vaporation)

Fluida menguap bila tekanannya menjadi sangat rendah atau temperaturnya menjadi sangat tinggi. Setiap pompa sentrifugal memerlukan head (tekanan) pada sisi isap untuk mencegah penguapan.

2. Masuknya Udara Luar ke Dalam Sistem (Air Ingestion)

Udara dapat masuk ke dalam sistem melalui beberapa sebab, antara lain : a. Dari packing stuffing box, Ini terjadi jika pompa dari kondensor,

evaporator atau peralatan lainnya bekerja pada kondisi vakum. b. Letak valve di atas garis permukaan air (water line).

c. Flens (sambungan pipa) yang bocor.

d. Tarikan udara melalui pusaran cairan (vortexing fluid).

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

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

(42)

3. Sirkulasi Balik di dalam Sistem (Internal Recirculation)

Tempat – tempat yang bertekanan rendah dan atau yang berkecepatan tinggi di dalam aliran, sangat rawan terhadap terjadinya kavitasi. Kavitasi akan timbul bila tekanan isap terlalu rendah. Gelembung uap yang terbentuk dalam proses ini mempunyai siklus yang sangat singkat. Knapp (Karassik dkk, 1976) menemukan bahwa mulai terbentuknya gelembung sampai gelembung pecah hanya memerlukan waktu sekitar 0,003 detik. Gelembung ini akan terbawa aliran fluida sampai akhirnya berada pada daerah yang mempunyai tekanan cairan lebih besar daripada tekanan uap jenuh cairan. Pada daerah tersebut gelembung tersebut akan pecah dan akan menyebabkan shock pada dinding di dekatnya. Cairan akan masuk secara tiba-tiba ke ruangan yang terbentuk akibat pecahnya gelembung uap tadi sehingga mengakibatkan tumbukan. Peristiwa ini akan menyebabkan terjadinya kerusakan mekanis pada pompa.

Gambar 2.3 Kerusakan impeller akibat kavitasi

(43)

kecepatan aliran dengan kerusakan pada pompa akibat kavitasi. Kerusakan

tersebut akan meningkat seiring dengan kenaikan kecepatan aliran. Kavitasi yang terjadi pada pompa sentrifugal sangatlah merugikan. Hal-hal yang diakibatkan oleh kavitasi antara lain: terjadinya suara berisik dan getaran (noise and vibration), terbentuknya lubang-lubang kecil pada dinding pipa isap, performansi pompa akan turun, bisa menyebabkan kerusakan pada impeller. Kavitasi sedapat mungkin harus dihindari agar impeler dan komponen-komponen pompa yang lain bisa lebih awet. Cara-cara yang bisa digunakan untuk menghindari terjadinya kavitasi antara lain : Tekanan sisi isap tidak boleh terlalu rendah (pompa tidak boleh diletakkan jauh di atas permukaan cairan yang dipompa sebab menyebabkan head statisnya besar), Kecepatan aliran pada pipa isap tidak boleh terlalu besar (bagian yang mempunyai kecepatan tinggi maka tekanannya akan rendah. Oleh karena itu besarnya kecepatan aliran harus dibatasi, caranya dengan membatasi diameter pipa isap tidak boleh terlalu kecil). Menghindari instalasi berupa belokan-belokan tajam (pada belokan yang tajam kecepatan aliran fluida akan meningkat sedangkan tekanan fluida akan turun sehingga menjadi rawan terhadap kavitasi).

2.5 Pola Aliran

Dalam berbagai industri sebagian besar fluidanya mengalir pada pipa-pipa saluran tertutup (closed conduit flow). Masalah utama yang muncul antara lain:

1. Terjadinya gesekan pada dinding pipa.

2. Terjadinya turbulensi karena gerakan relatif dalam molekul fluida yang dipengaruhi oleh viskositas fluida, kecepatan aliran dan bentuk pipa.

3. Terjadinya fluktuasi aliran akibat pemasangan belokan (elbow) dan pengecilan saluran mendadak (sudden contraction).

(44)

karena fluida harus mengikuti bentuk saluran dan dindingnya. Ketika pipa utama

dialiri fluida yang bersifat turbulen, maka fluida dalam pipa akan mengalami pulsasi atau perubahan pola aliran yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran

meningkat dan tekanannya menurun.

Salah satu besaran non-dimensional yang menggambarkan pola aliran fluida adalah Bilangan Reynolds. Pada tahun 1883 Osborne Reynolds menunjukkan bahwa penurunan tekanan tergantung pada parameter: kerapatan (ρ), kecepatan (V), diameter (D) dan viskositas dinamik (µ) yang selanjutnya disebut dengan bilangan Reynolds.

Aliran fluida dalam pipa yang berbentuk lingkaran terbagi menjadi dua, yaitu aliran laminar dan turbulen. Karakteristik antara kedua aliran tersebut berbeda-beda dari segi kecepatan, debit dan massa jenisnya. Bilangan Reynolds dapat mendefinisikan kedua aliran tersebut, dengan persamaan :

υ

µ

ρ

.V.D V.D

Re = =

Dimana:

ρ = Kerapatan massa fluida (kg/m3) V = Kecepatan karakteristik (m/s) d = Diameter saluran (m)

µ = Viskositas dinamik (kg/m.s)

2.5.1 Konsep Aliran

Konsep masalah aliran fluida dalam pipa adalah: 1. Sistem Terbuka (Open channel)

2. Sistem Tertutup 3. Sistem Seri 4. Sistem Paralel

Hal-hal yang diperhatikan :

(45)

2. Faktor Geometrik : Diameter Pipa dan Kekasaran Permukaan Pipa.

3. Sifat Mekanis : Aliran Laminar, Aliran Transisi, dan Aliran Turbulen, dimana sifat mekanis ini akan dihubungkan terhadap bilangan Reynolds Parameter yang berpengaruh dalam aliran adalah:

1. Diameter Pipa (D) 2. Kecepatan (V) 3. Viskositas Fluida (µ)

4. Masa Jenis Fluida (ρ)

5. Laju Aliran Massa (ṁ)

Dimana persamaan dalam aliran Fluida adalah: Q = V x A ( Prinsip Kekekalan Massa )

Prinsip Kekekalan Massa adalah laju aliran massa neto didalam elemen adalah sama dengan laju perubahan massa tiap satuan waktu.

Gambar 2.4 Besarnya massa yang masuk sama dengan yang keluar

Massa yang masuk melalui titik 1 = V1 . ρ1 . dA1 = Massa yang keluar melalui

titik 2 = V2 . ρ2 . dA2

Oleh karena tidak ada massa yang hilang :

V1 . ρ1 . dA1 = V2 . ρ2 . dA2

Pengintegralan persamaan tersebut meliputi seluruh luas permukaan saluran akan menghasilkan massa yang melalui medan aliran :

V1 . ρ1 . A1 = V2 . ρ2 . A2

ρ1 = ρ2  Fluida Incompressible.

V1 . A1 = V2 . A2

Atau :

Q = A .V = Konstan

V1

V2

1

2

dA1

(46)

Persamaan kontinuitas berlaku untuk :

1. Untuk semua fluida (gas atau cairan).

2. Untuk semua jenis aliran (laminar atau turbulen). 3. Untuk semua keadaan (steady dan unsteady)

4. Dengan atau tanpa adanya reaksi kimia di dalam aliran tersebut. Persamaan Momentum :

Momentum suatu partikel atau benda : perkalian massa (m) dengan kecepatan (v). Partikel-partikel aliran fluida mempunyai momentum. Oleh karena kecepatan aliran berubah baik dalam besarannya maupun arahnya, maka momentum partikel-partikel fluida juga akan berubah.

Menurut hukum Newton II, diperlukan gaya untuk menghasilkan perubahan tersebut yang sebanding dengan besarnya kecepatan perubahan momentu

Untuk menentukan besarnya kecepatan perubahan momentum di dalam aliran fluida, dipandang tabung aliran dengan luas permukaan dA seperti pada gambar berikut :

Gambar 2.5 Tabung Aliran

2.5.2 Klasifikasi Pola Aliran

Banyak kriteria yang dapat digunakan untuk mengklasifikasikan fluida sebagai contoh aliran dapat digolongkan sebagai aliran steady atau unsteady, satu, dua atau tiga dimensi, seragam atau tidak seragam, laminar atau turbulen dan dapat mampat atau tiduk dapat mampat. Selain itu, aliran gas ada yang subsonik, transonic, supersonik atau hipersonik, sedangkan zat cair yang mengalir disaluran terbuka ada yang subkritis, kritis atau superkritis.

Y

Z

X V2

(47)

Namun secara garis besar dapat dibedakan atau dikelompokkan jenis aliran

adalah sebagai berikut:

1. Aliran tunak (steady) : suatu aliran dimana kecepatannya tidak terpengaruh oleh perubahan waktu, sehingga kecepatan konstan pada setiap titik (tidak mernpunyai percepatan)

2. Aliran seragam (uniform) : suatu aliran yang tidak terjadi perubahan baik besar maupun arah, dengan kata lain tidak terjadi perubahan kecepatan dan penampang Iintasan

3. Tidak tunak :suatu aliran dimana terjadi pembahan kecepatan terhadap waktu.

4. Aliran tidak seragam (non uniform) : suatu aliran yang dalarn kondisi berubah baik kecepatan maupun penampang berubah.

Pola aliran pada pipa horizontal, ada efek kekuatan gravitasi untuk menggantikan cairan yang lebih berat mendekati pipa bagian bawah. Bentuk lain dari pola aliran dapat bertambah karena efek ini, dimana aliran tersebut dibagi dua lapisan. Banyak kriteria pola aliran yang kita perhatikan baik dari literature dan penelitian-penelitian, tetapi maksud dan tujuannya adalah sama. Deskripsi pola aliran menurut Collier (1980), dengan arah aliran horizontal adalah sebagai berikut:

1. Aliran gelembung (Bubble flow)

2. Aliran kantung gas atau sumbat cairan (Plug/Slug flow) 3. Aliran acak (Churn flow)

(48)

Aliran gelembung Aliran kantung gas Aliran srata licin

[image:48.595.118.508.82.285.2]

Aliran srata gelombang Aliran sumbat liquid Aliran cincin

Gambar 2.6 Pola aliran pada pipa horizontal

[image:48.595.124.511.330.597.2]

(49)

2.5.3 Pola aliran Von Karman’s

Theodore von Karman, (1963), telah menguji aliran fluida disekitar silinder dengan menggunakan serbuk aluminium. Dia mendapatkan di belakang silinder terbentuk wake, dan peluruhan vorteks, yaitu dua baris 0vortex yang berlawanan arah terbentuk dibelakang silinder. Dia menyatakan bahwa peluruhan vortex tersebut tidak stabil sehingga menimbulkan fluktuasi aliran, fenomena tersebut dinyatakan sebagai wake drag. Bila bilangan Reynolds bertambah maka wake cendrung tidak stabil dimana akan berlanjut terjadinya fenomena vortex (pusaran air).

[image:49.595.112.494.271.588.2]

Gambar 2.8 Pola aliran Von Karman’s

2.6 Aliran Fluida

Aliran fluida (cairan atau gas) di dalam sebuah saluran tertutup atau pipa

(50)

(katup-katup) dan pompa-pompa atau turbin-turbin yang menambah energi atau

[image:50.595.126.504.200.420.2]

mengambil energi dari fluida. Pada aliran fluida di dalam pipa, lapisan fluida pada dinding mempunyai kecepatan nol. Lapisan fluida pada jarak yang semakin jauh dari dinding pipa mempunyai kecepatan yang semakin besar, dengan kecepatan maksimum terbesar terjadi pada pusat pipa.

Gambar 2.9 Daerah masuk aliran sedang berkembang dan aliran berkembang

penuh di dalam sebuah sistem pipa.

2.6.1 Aliran Laminar dan Turbulen

Perbandingan gaya-gaya yang disebabkan oleh gaya inersia, grafitasi dan

kekentalan dikenal sebagai bilangan Reynolds ditulis sebagai berikut:

µ

ρ

.V .D

Re =

Dimana : V = Kecepatan rata-rata aliran (m/s) D = Diameter pipa (m)

(51)

Aliran fluida mengikuti bentuknya, sewaktu mengalir aliran fluida membentuk

suatu jenis/bentuk jenis dan bentuk dari pergerakan fluidanya. Dalam hal ini, jika nilai Re kecil, partikel-partikel fluida bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus atau lapisan-lapisan dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan yang dikenal sebagai aliran laminar, sedangkan jika partikel-partikel fluida bergerak secara acak (random) baik arahnya maupun kecepatannya tidak terdapat garis edar tertentu yang dapat dilihat, aliran ini disebut aliran turbulen.

(a) (b)

Gambar 2.10 (a) Aliran laminer, (b) Aliran turbulen

2.7 Getaran Mekanis

Analisa getaran merupakan salah satu alat yang sangat bermanfaat sebagai prediksi awal terhadap adanya masalah pada mekanikal, elektrikal dan proses pada peralatan, mesin-mesin dan sistem proses yang kontinu di pabrik atau industri. Indikator yang baik untuk menentukan apakah suatu peralatan yang berputar dalam kondisi baik adalah vibrasi, semangkin kecil nilai suatu vibrasi

(52)

2.7.1 Karakterisristik getaran

Getaran secara teknis didefinisikan sebagai gerak osilasi dari suatu objek terhadap posisi awal/diam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11 jika suatu massa digerakkan, maka benda tersebut akan bergerak keatas dan ke bawah secara berulang diantara batas atas dan bawah. Gerakan massa dari posisi awal menuju atas dan bawah lalu kembali keposisi semula, dan akan melanjutkan geraknya disebut sebagai satu siklus getar. Waktu yang dibutuhkan untuk satu siklus disebut sebagai periode getaran. Jumlah siklus pada suatu selang waktu tertentu disebut sebagai frekuensi getaran dan dinyatakan dalam Hertz (Hz).

Gambar 2.11 Sistem getaran sederhana

Frekuensi adalah salah satu karakteristik dasar yang digunakan untuk mengukur dan menggambarkan getaran. Karakteristik lainnya yaitu perpindahan, kecepatan dan percepatan. Setiap karakteristik ini menggambarkan tingkat getaran, hubungan karakteristik ini dapat dilihat pada Gambar 2.12. Perpindahan (displacement) mengindikasikan berapa jauh suatu objek bergetar, kecepatan

(velocity) mengindikasikan berapa cepat objek bergetar dan percepatan

(acceleration) suatu objek bergetar terkait dengan gaya penyebab getaran. Satuan

(53)

Gambar 2.12 Hubungan antara perpindahan, kecepatan dan percepatan getaran

Tabel 2.1 Karakteristik dan satuan getaran

Karakteristik Getaran

Satuan

Metrik British

Percepatan microns peak-to peak mils peak-to-peak (1µm=0.001mm) (0.001 in)

Kecepatan mm/s in/s

Percepatan G G

(1g = 980 cm/s2) (1g = 5386 in/s2)

Frekuensi cpm, cps, Hz cpm, cps, Hz

(Sumber: Maintenance Engineering Handbook)

(54)

2.7.2 Sinyal Getaran (Vibrasi)

Indikator yang baik untuk menentukan apakah suatu peralatan yang berputar dalam kondisi baik adalah vibrasi, semakin kecil nilai suatu vibrasi semakin baik peralatan tersebut, sebaliknya apabila suatu peralatan yang berputar mempunyai getaran (vibrasi) yang besar atau tinggi maka kondisi peralatan tersebut cukup rawan. Oleh karena itu, suatu peralatan yang berputar sebaiknya memiliki suatu nilai getaran standart dan batasan getaran yang diperbolehkan (dibuat oleh pabrik pembuatan peralatan tersebut), sehingga apabila nilai getaran yang terjadi diluar batasan yang diizinkan maka peralatan tersebut harus menjalani tindakan perawatan (perbaikan).

2.7.3 Gerak harmonik

Gerak osilasi dapat berulang secara teratur. Jika gerak itu berulang dalam selang disebut waktu yang sama, maka geraknya disebut gerak periodik. Waktu pengulangan τ disebut dengan periode osilasi dan kebalikannya, f = 1/ τ disebut frekuensi. Jika gerak dinyatakan dalam fungsi waktu x(t), maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan (t) = x (1+ τ ). Secara umum, gerak harmonik dinyatakan dengan persamaan:

τ

π

t

Sin A

x = . 2

dimana A adalah amplitudo osilasi yang diukur dari posisi setimbang massa, dan τ adalah periode dimana gerak diulang pada t = τ. Gerak harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan tetap pada suatu garis lurus, seperti terlihat pada Gambar 2.14. Dengan

kecepatan sudut garis OP sebesar ω, perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai:

x = A.Sin

ϖ

t

Besaran ω biasanya diukur dalam radian per detik dan disebut frekuensi lingkaran.

Oleh karena gerak berulang dalam 2π radian, maka didapat hubungan:

f

t

π

(55)

dengan τ dan f adalah periode dan frekuensi gerak harmonik berturut-turut dan biasanya diukur dalam detik dan siklus per detik.

Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh secara mudah dengan diferensiasi simpangan gerak harmonik. Dengan menggunakan notasi titik untuk turunannya, maka didapat:

Gambar 2.13 Gerak Harmonik Sebagai Proyeksi Suatu titik yang bergerak pada

Lingkaran

2.7.4 Gerak periodik

Pada getaran biasanya beberapa frekuensi yang berbeda ada secara bersama-sama. Sebagai contoh, getaran dawai biola terdiri dari frekuensi dasar f dan semua harmoniknya 2f, 3f, dan seterusnya. Contoh lain adalah getaran bebas sistem dengan banyak derajat kebebasan, dimana getaran pada tiap frekuensi

natural memberi sumbangannya. Getaran semacam ini menghasilkan bentuk gelombang kompleks yang diulang secara periodik seperti Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Gerak Periodik dengan Periode τ )

2 sin(

cos

ϖ

π

ϖ

= +

= A t A t

x

) sin(

sin

ϖ

2

ϖ

π

ϖ

= +

−

= A t A t

(56)

2.7.5 Getaran bebas (free vibration)

Getaran bebas terjadi jika sistem berosilasi karena bekerjanya gaya yang ada dalam sistem itu sendiri (inherent) dan apabila tidak ada gaya luar yang bekerja. Sistem yang bergetar bebas akan bergetar pada satu atau lebih frekuensi naturalnya yang merupakan sifat dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa dan kekakuannya.

Gambar 2.15 Sistem Pegas-Massa dan Diagram Benda Bebas

Hukum Newton kedua adalah dasar pertama untuk meneliti gerak sistem, pada Gambar 2.15 perubahan bentuk pegas pada posisi kesetimbangan adalah Δ dan gaya pegas kΔ adalah sama dengan gaya gravitasi w yang bekerja pada massa m.

k∆ = w = mg

Hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m:

mx= ΣF = w−k(∆ + x) dan karena kΔ=w,diperoleh:

kx x

m= −

frekuensi lingkaran

m k

n =

2

ϖ

, sehingga persamaan dapat ditulis:

0

2

=

+ x

x

ϖ

_n



(57)

0 cos

sin + =

= A t B t

x

ϖ

_n

ϖ

_n

Perioda natural osilasi dibentuk dari

ϖ

_n

τ

= 2

π

, atau

k m

π

τ

= 2

dan frekuensi natural adalah:

k m

f_n

π

τ

2

1 =

=

2.7.6 Getaran paksa (forced vibration)

Getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar disebut getaran paksa seperti pada Gambar 2.16. Eksitasi ini biasanya dihasilkan oleh ketidak seimbangan pada mesin-mesin yang berputar.

Gambar 2.16 getaran paksa

Gambar 2.16 Sistem yang Teredam Karena Kekentalan Dengan Eksitasi Harmonik, Persamaan diferensial geraknya adalah:

mx+cx +kx = F₀ sin

ϖ

t

Solusi khusus persamaan diatas adalah keadaan tunak (steady state) dengan

frekuensi ω yang sama dengan frekuensi eksitasi. Solusi khusus dapat

diasumsikan berbentuk:

) sin(

ϖ

−

φ

= X t

x

dengan A adalah amplitudo osilasi dan ф adalah beda fase simpangan terhadap gaya eksitasi. Sehingga diperoleh:

2 2 2 ) ( )

(k m

ω

c

ϖ

Fo

A

+ −

(58)

dan 2 1 tan

ϖ

φ

m k c − = −

Dengan membagi pembilang dan penyebut persamaan diatas dengan k, diperoleh:

2 2 2 ) ( ) 1 ( k c k m k Fo A

ϖ

ω

₊ − = ) ( 1 tan ₂ k m k c

ϖ

φ

− =

Persamaan-persamaan di atas selanjutnya dapat dinyatakan dalam besaran-besaran berikut:

= =

m k

ϖ

frekuensi natural osilasi tanpa redaman

=

= n

e m

C 2

ϖ

redaman kritis

= =

e

C C

ς

faktor redaman

n e e k C C C k C

ϖ

ς

ϖ

₌ ₌ ₌ ₂

Jadi persamaan amplitude dan fasa yang non-dimensional menjadi:

(59)

2.7.7 Standart Vibrasi Pompa Sentrifugal

Sampai saat ini sangat sulit untuk mendapatkan standart vibrasi untuk pompa sentrifugal,bahkan pabrikan pembuat pompa tidak dapat memberikan standar vibrasi dari pompa buatanya.Demikian juga dengan vibrasi yang timbul akibat kesalahan perencanaan dan pengoperasian,seperti tinggi tekan dan kapasitas pompa jauh lebih besar dari tinggi tekan sistem atau instalasi.Sehingga pengoperasian yang dilakukan dengan mengatur secara paksa tinggi tekan dan kapasitas yang akan menimbulkan vibrasi yang besar.Berdasarkan standart ISO 10816-3 untuk standart vibrasi,memberikan batasan-batasan vibrasi berdasarkan

kecepatan (velocity) yang dikategorikan dalam beberapa zona dan warna seperti ditunjukkan pada gambar 2.17.

Velocity

10-1000Hz>600rpm

2-1000Hz>120rpm

11

7.1

4.5

3.5

2.8

` 2.3

1.4

0.71

x 10-5m/s

Rigid flexible rigid flexible rigid flexible rigid flexible FOUNDATION

pumps > 15 KW

radial,axial,mixed flow

medium size machine

15 KW<P<300KW

large machine

300KW<P<50MW MACHINE TYPE

integrated driver external driver motors

160mm<H<315mm

motors

315<H

Group 4 Group 3 Group 2 Group 1 Group

(60)

Dari gambar 2.17 dapat dilihat bahwa sesuai dengan standart vibrasi ISO

10816-3 untuk vibrasi dikategorikan kepada 4 zona yaitu:

a. Zona A berwarna hijau,vibrasi dari mesin sangat baik dan dibawah vibrasi yang diijinkan.

b. Zona B berwarna hijau muda,vibrasi dari mesin baik dan dapat dioperasikan karena masih dalam batas yang diizinkan.

c. Zona C berwarna kuning,vibrasi dari mesin dalam batas toleransi dan hanya dioperasikan dalam waktu terbatas.

d. Zona D berwarna merah,vibrasi dari mesin dalam batas berbahaya dan dapat terjadi kerusakan sewaktu-waktu.

2.8 Pengolahan data vibrasi

2.8.1 Data domain waktu (time domain)

Pengolahan data time domain melibatkan data hasil pengukuran objek pemantauan sinyal getaran, tekanan fluida kerja, temperatur fluida kerja maupun aliran fluida kerja. Dalam kasus pengukuran temperatur dengan thermometer yang konvensional karena karakteristik alat ukurnya, maka tidak dapat dilakukan pengukuran temperatur secara dinamik. Demikian pula halnya dengan pengukuran aliran fluida kerja, sehingga untuk memungkinkan pengukuran objek pemantauan berupa sinyal dinamik, maka diperlukan sensor yang memiliki karakteristik dinamik tertentu.

Gambar 2.18 Karakteristik Sinyal Statik dan Dinamik

(61)

1. Sinyal statik, yaitu sinyal yang karakteristiknya (misal: amplitudo, arah

kerjanya) tidak berubah terhadap waktu.

2. Sinyal dinamik, yaitu sinyal yang karakteristiknya berubah terhadap waktu, sehingga tidak konstan.

Sinyal dinamik yang sering ditemui dalam praktek berasal dari sinyal getaran, baik yang diukur menggunakan accelerometer, vibrometer, maupun sensor simpangan getaran. Untuk keperluan pengolahan sinyal getaran dalam time domain, perlu diperhatikan karakteristik sinyal getaran yang dideteksi oleh masing-masing sensor acceleration, kecepatan, dan simpangan getaran (displacement).

2.8.2 Data domain frekuensi (frequency domain)

Pengolahan data frequency domain umumnya dilakukan dengan tujuan: a. Untuk memeriksa apakah amplitudo suatu frequency domain dalam

batas

yang diizinkan oleh standart

b. Untuk memeriksa apakah amplitudo untuk rentang frekuensi tertentu masih berada dalam batas yang diizinkan oleh standart.

c. Untuk tujuan keperluan diagnosis

Secara konseptual, pengolahan frequency domain dilakukan dengan mengkonversikan data time domain ke dalam frequency domain. Dalam

praktiknya proses konversi ini dilakukan menggunakan proses Transformasi Fourier Cepat seperti terlihat pada Gambar 2.19.

(62)

`Data domain waktu merupakan respon total sinyal getaran, sehingga

karakteristik masing-masing sinyal getarannya tidak terlihat jelas. Dengan bantuan konsep deret Fourier, maka sinyal getaran ini dapat dipilah-pilah menjadi komponen dalam bentuk sinyal sinus yang frekuensinya merupakan frekuensi-frekuensi dasar dan harmoniknya.

2.9 Kerangka Konsep

[image:62.595.96.521.247.743.2]

Sejalan dengan rumusan masalah dan tujuan yang ingin dicapai, maka konsep pemecahan masalah dalam kegiatan penelitian eksperimen ini dijabarkan secara terstruktur dalam diagram konseptual penelitian, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.20

Gambar 2.20 Kerangka Konsep Penelitian

Permasalahan :

Fenomena kavitasi pada pompa sentrifugal dengan menggunakan parameter sinyal getaran didalam rumah pompa

Metode: Pengujian kavitasi

Pada pompa sentrifugal Eksperimen:

Variabel yang diamati dalam penelitian:

- Kapasitas pompa sesuai dengan variasi katup

- Simpangan (displacement) - Kecepatan (velocity) - Percepatan (acceleration)

- Bilangan reynold -Pola aliran Instrumen:

- Thermometer thermocouple - Manometer - Gate valve

- Vibrometer Inslatasi:

Pompa Sentrifugal KSB Type A32-160

Data :

Diperoleh data terjadinya fenomena kavitasi pada pompa akibat variasi penutupan Katup, dengan indikasi kenaikan/penurunan

respon getaran pada rumah pompa.

Analisis Data:

Analisa fenomena kavitasi pada pompa

(63)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tempat dan Waktu

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Noise and Vibration, gedung Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan. Penelitian ini dilaksanakan dengan menggunakan instalasi pompa sentrifugal yang tersedia di Laboratorium dengan penambahan beberapa intrumentasi guna menunjang jalannya penelitian. Penelitian ini dilaksanakan sejak tanggal pengesahan usulan oleh Ketua Jurusan Departemen Teknik Mesin sampai

dinyatakan selesai yang direncanakan berlangsung selama ± 6 bulan yaitu pada

bulan Januari sampai dengan Juni 2010.

3.2 Bahan, Peralatan dan Metode 3.2.1 Bahan

Dalam penelitian ini, subjek penelitian adalah instalasi pompa sentrifugal pada stasiun pengolahan dan pendistribusian air seperti Gambar 3.1. Adapun

spesifikasi pompa sebagai berikut :

Merk : Aquavane KSB

Tipe : A 32- 160

Tinggi Tekan : 9 meter Kapasitas : 3 Ltr/dt

Daya : 746 Watt ( 1 Hp ) Voltage : 230 Volt

(64)

Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal

Pompa ini adalah pompa dengan kondisi baru sehingga dapat dianggap bahwa poros, impeller, kopling dalam kondisi baik (balance). Pemasangan sistem

perpompaan dan peralatan pendukungnya dapat dilihat seperti gambar berikut:

Gambar 3.2 Sistem Pemasangan Pompa dan Pendukungnya

Proses kerja sistem instalasi pada Gambar 3.2 dimulai dengan pompa mengambil air dari tangki air masuk melalui pipa isap berdiameter 50,8 mm dan memompakannya melalui pipa tekan berdiameter 50,8 mm ke tangki keluar. Pada pipa tekan dilengkapi dengan manometer, meter air, katup sebagai pengatur kapasitas pompa dan penyangga pipa. Pipa sirkulasi berdiameter 76,2 mm, dipasang menghubungkan tangki air masuk dan tangki air keluar untuk menjaga sirkulasi air.

No Keterangan

Gambar

1 Reservoir hisap

2 Katup pipa h