Studi Eksperimental Deteksi Fenomena Kavitasi Pada Pompa Sentrifugal Dengan Menggunakan Parameter Sinyal Getaran Dan Perubahan Temperatur

(1)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA

KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN

MENGGUNAKAN PARAMETER SINYAL GETARAN

DAN PERUBAHAN TEMPERATUR

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

MOCHAMAD HALLEY

NIM. 050401094

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA

MOCHAMAD HALLEY

NIM. 05 0401 094

Diketahui/Disyahkan: Disetujui oleh: Depertemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing Fakultas Teknik USU

Ketua

(3)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA

MOCHAMAD HALLEY

NIM. 05 0401 094

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar Tugas Skripsi Periode Ke-549 tanggal 10 Oktober 2009

Disetujui Oleh:

Dosen Penguji I Dosen Penguji II

(4)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA

MOCHAMAD HALLEY

NIM. 05 0401 094

Telah Diketahui Oleh: Pembimbing/Penguji

Dr.-Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri NIP.132 018 668

Dosen Penguji I Dosen Penguji II

Ir.Mulfi Hazwi,MSc Ir.Isril Amir NIP.130 905 356 NIP.130 517 501

Diketahui Oleh

Ketua Depertemen Teknik Mesin

(5)

ABSTRAK

Salah satu kegagalan yang terjadi pada pengoperasian pompa sentrifugal dilapangan adalah kavitasi.Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam fluida yang terjadi akibat turunnya tekanan fluida sampai di bawah tekanan uap jenuh fluida pada suhu operasi pompa. Net Positive Suction Head (NPSH) digunakan sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi.Ada dua macam NPSH,yaitu NPSH yang tersedia pada sistem (NPSHA) dan NPSH yang diperlukan oleh pompa (NPSHR).Pompa terhindar dari kavitasi jika NPSHA lebih besar dari pada NPSHR.

Penelitian ini dilakukan dengan eksperimen dan analisa tentang perubahan prilaku kavitasi pada pompa sentrifugal akibat variasi NPSHA,perubahan temperatur fluida serta peningkatan sinyal getaran yang diukur pada rumah pompa sentrifugal.Metodelogi penelitian yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari 2 tahapan, yaitu pengujian langsung dan pengujian tak langsung. Dari data hasil pengujian ini akan dikembangkan dengan suatu metode statistik untuk mengetahui pengaruh variasi NPSHA, sinyal getaran dan kenaikan temperatur fluida terhadap fenomena kavitasi yang diolah secara statistik dengan program MS-Excel dan dianalisa sesuai perilaku getaran dan temperatur.

Untuk sinyal getaran terjadi peningkatan amplitudo simpangan masing-masing sebesar 1,80.10-6 m, 2,24.10-6 m dan 2,46. 10-6 m.Peningkatan amplitudo kecepatan masing-masing sebesar 1,38.10-5 m/s, 1,66.10-5 m/s dan 1,97.10-5 m/s. Serta peningkatan amplitudo percepatan masing-masing sebesar 1,038.10-4m/s2, 1,028.10-4 m/s2 dan 1,611.10-4 m/s2.Untuk pengukuran temperatur fluida didalam rumah pompa,untuk kondisi operasi pompa selama 5 jam terjadi peningkatan suhu fluida sebesar 0,010 oC, 0,032 oC dan 0,104 oC. Hasil penelitian ini menunjukkan terjadi peningkatan sinyal getaran dan temperatur fluida didalam rumah pompa akibat variasi NPSHA.

Kata Kunci:Pompa Sentrifugal,Kavitasi,NPSH,Sinyal Getaran,Temperatur

ABSTRACT

One of failure in operation centrifugal pump is cavitation. Cavitation is one phenomenon appeared vapor bubbles because net pressure in fluid is less than vapor pressure of fluid in operation temperature of pump. Net Positive Suction Head (NPSH) used as safety parameter in cavitation. NPSH divided in two kinds, Net Positive Suction Head Required (NPSHR) and Net Positive Suction Head Available (NPSHA).Cavitation occurs when NPSHA drops blow NPSHR for a centrifugal pump.

This research implemented with experiment and analysis about change of characteristic cavitation in centrifugal pump cause variation NPSHA, change of temperature and increase vibration signal with measuring in centrifugal pump housing. Experiment method using in this research divided in two steps (direct and indirect experiment).Data from result of the experiment will developed with statistic method to understand effect from variation NPSHA, vibration signal and increase fluid temperature concerning cavitation phenomenon with statistic processing by

MS-Excel and analyzing agree with vibration and temperature behavior.

For vibration signal occurs increase displacement amplitude each 1,80. 10-6 m, 2,24. 10-6 m and 2,46. 10-6 m. Increase velocity amplitude each 1,38.10-5 m/s, 1,66.10-5 m/s and 1,97.10-5 m/s. And increase acceleration amplitude each 1,038.10-4 m/s2, 1,028.10-4 m/s2 and 1,611.10-4 m/s2.For measuring fluid temperature in housing pump, for operation condition in 5 hour occurs increase fluid temperature each 0,010 oC,0,032 oC and 0,104 oC. Result of this research describe occurs increase vibration signal and fluid temperature in pump housing cause variation NPSHA.

(6)

KATA PENGANTAR

Bismillahirrahmanirrahim

Assalamualaikum Wr.Wb

Puji dan syukur kita panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkat rahmat dan hidayahNya yang telah memelihara dan memberikan kekuatan dan kesehatan kepada penulis selama penyelesaian skripsi yang berjudul “Studi Eksperimental Deteksi Fenomena Kavitasi pada Pompa Sentrifugal dengan Menggunakan

Sinyal Getaran dan Perubahan Temperatur” yang merupakan salah satu syarat

bagi penulis untuk dapat lulus menjadi Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin,Fakultas Teknik,Universitas Sumatera Utara.

Dalam penulisan skripsi ini,tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh penulis.Untuk itu penulis secara khusus menyampaikan terima kasih yang sedalam-dalamnya kepada dosen pembimbing Dr.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri,Ir.Mulfi Hazwi,MSc dan Ir.Isril Amir,yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan membimbing serta sumbangan pikiran bagi penulisan skripsi ini.

Selama penulisan skripsi ini,penulis banyak mendapat bantuan materil maupun moril dari berbagai pihak.Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis khusus mengucapkan terima kasih kepada:

1. Kedua orang tua penulis,Ayahanda tercinta Ir.H.A.Hamid Arsyad dan Ibunda Dra.Hj.T.Andromeda,yang telah begitu berjasa membimbing dan membuka cakrawala ilmu pengetahuan serta memberikan kesempatan kepada penulis untuk dapat mengikuti pendidikan di Fakultas Teknik USU. 2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin

Sitorus,ST.MT,selaku Ketua dan sekertaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.

3. Bapak Ibnu Hajar,ST selaku rekan penulis selama melakukan penelitian di Laboraturium Noise/Vibration Control and Knowledge-Base in Ingineering Fakultas Teknik USU.

(7)

6. Saudaraku yang tercinta (dr.Lunaria Andora dan Askania Fadima,SKM.MKKK) dan keponakanku Aya Sophia Rafika yang telah memberikan semangat dan dukungan terbesar dalam menyelesaikan skripsi ini.

7. Dian Novalia S.E,yang telah memberikan dukungan terbesarnya dari awal sampai akhir penulisan skripsi ini dengan penuh kesabaran dan kasih sayang.

8. Sahabat karib penulis (Hengky, Surya, Roni, Dian, Dolli, Andri, Sepri, David.S, Gunawan, Yuda, Rahmad, Kurtubi, Supriyadi, Said,Raja.N dan Habibi),”They are the best friends I ever have”.

9. Sahabat penulis di Laboraturium Noise/Vibration Control and Knowledge-Base in Ingineering Fakultas Teknik USU (Bapak Suhardiman,Bapak Suhada dan Bapak David).

10. Seluruh rekan-rekan Mahasiswa Teknik Mesin stambuk 2005 yang tidak dapat disebutkan namanya satu persatu,”Solidarity Forever ”.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna,oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan di masa mendatang.

Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Wassalamualaikum Wr.Wb.

Medan,Oktober 2009 Penulis,

(8)

DAFTAR ISI

Abstrak

Kata Pengantar

Daftar Isi

i

ii

iv

Daftar Gambar

Daftar Tabel

Daftar Notasi

BAB 1 Pendahuluan

vii

xii

xvi

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Pembatasan Masalah 3

1.3 Tujuan Penelitian 4

1.4 Manfaat Penelitian 4

BAB 2 Tinjauan Pustaka

2.1 Prinsip-Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal 6

2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal 6

2.3 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal 7

2.4 Karakteristik Pompa Sentrifugal 10

2.5 Head Pompa 11

2.5.1 Head Tekanan 13

2.5.2 Head Kecepatan 13

2.5.3 Head Statis Total 14

2.5.4 Kerugian Head (Head Loss) 15

2.5.4.1 Mayor Head Loss (Mayor Loss) 15

2.5.4.2 Minor Head Loss (Minor Loss) 16

2.5.4.3 Total Loss 16

2.6 Kecepatan Spesifik Pompa 17

2.7 Kavitasi 18

2.8 Net Positive Suction Head (NPSH) 20

2.8.1 Net Positive Suction Head Available (NPSHA) 20 2.8.2 Net Positive Suction Head Requaired (NPSHR) 22

2.9 Sinyal Getaran (Vibrasi) 23

(9)

2.9.2 Gerak Periodik 25

2.9.3 Getaran Bebas (Free Vibration) 26

2.9.4 Getaran Paksa (Force Vibration) 27

2.9.5 Standart Vibrasi Pompa Sentrifugal 29

2.9.6 Pengolahan Data Vibrasi 31

2.9.6.1 Data Domain Waktu (Time Domain) 31

2.9.6.2 Data Domain Frekwensi (Frequency Domain) 32

2.10 Kerangka Konsep 33

BAB 3 Metode Penelitian

3.1 Tempat dan Waktu 35

3.2 Bahan,Peralatan,dan Metode 35

3.2.1 Bahan 35

3.2.2 Peralatan 37

3.2.3 Metode 41

3.3 Variabel yang Diamati 45

3.4 Pelaksanaan Penelitian 48

BAB 4 Hasil dan Pembahasan

4.1 Pendahuluan 49

4.2 Perhitungan Head Pompa 49

4.2.1 Tinggi Tekan Statis (Head Static) 50

4.2.2 Kehilangan Tinggi Tekan yang Terjadi pada Pipa Isap 51 4.2.3 Kehilangan Tinggi Tekan yang Terjadi pada Pipa Tekan 57 4.3 Hubungan Variasi Bukaan Katup dengan NPSHA pada Sisi Isap 63 4.4 Hubungan Variasi Bukaan Katup Isap dengan Tekanan pada

Manometer Isap 67

4.5 Hubungan Variasi Tinggi Tekan dengan Tekanan pada Manometer

Tekan 70

4.6 Hubungan Variasi Tinggi Tekan dengan Kapasitas Pengisian

Reservoir Tekan dan Putaran Poros Pompa 72

4.7 Analisa Getaran Pompa dengan Variasi NPSHA 81

4.7.1 Analisa Getaran Pompa pada NPSHA=10,30 m 81

(10)

4.7.3 Analisa Getaran Pompa pada NPSHA=10 m 100 4.7.4 Analisa Getaran Pompa pada NPSHA=8,61 m

4.7.5 Verifikasi Data Simpangan pada Berbagai Nilai NPSHA 4.7.6 Verifikasi Data Kecepatan pada Berbagai Nilai NPSHA 4.7.7 Verifikasi Data Percepatan pada Berbagai Nilai NPSHA 4.8 Analisa Temperatur pada Rumah Pompa

BAB 5 Kesimpulan dan Saran

5.1 Kesimpulan 5.2 Saran Daftar Pustaka

Lampiran

109 118 124 130 136

143 147 xvii

(11)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Rumah Pompa Sentrifugal 8

Gambar 2.2. Kurva Pompa Aquavane KSB Type A32-160 10

Gambar 2.3. Skema Instalasi Pompa 12

Gambar 2.4. Kerusakan pada Permukaan Sudu Impeller akibat Kavitasi 18 Gambar 2.5. Posisi Pompa Terletak Diatas Permukaan Fluida yang diisap 21 Gamabr 2.6. Posisi Pompa Terletak Dibawah Permukaan Fluida yang

diisap 22

Gambar 2.7 Gerak Harmonik Sebagai Proyeksi Suatu Titik yang Bergerak

pada Lingkaran 25

Gambar 2.8. Gerak Priodik dengan Periode τ 26

Gambar 2.9. Sistem Pegas-Massa dan Diagram Benda Bebas 26

Gambar 2.10.

Gambar 2.11.

Sistem yang Terendam Karena Kekentalan dengan Eksitasi Harmonik

Standart ISO 10816-3 untuk Vibrasi

27 30

Gambar 2.12. Karakteristik Sinyal Statik dan Dinamik 31

Gambar 2.13. Hubungan Time Domain dengan Frequency Domain 32

Gambar 2.14. Kerangka Konsep Penelitian 34

Gambar 3.1. Pompa Sentrifugal 36

Gambar 3.2. Sistem Pemasangan Pompa dan Pendukungnya 36

Gambar 3.3. Profil Vibrometer Analog VM-3314A 38

Gambar 3.4. Profil Thermocouple Thermometer Tipe KW 06-278 Krisbow 39

Gambar 3.5. Profil Digital Photo Contact Tachometer 41

Gambar 3.6. Tampak Depan dan Samping Arah pengukuran 43

Gambar 3.7. Pengambilan Titik Pengukuran Vibrasi pada Pompa

Sentrifugal 44

Gambar 3.8. Tampak Depan dari Sistem Pemasangan Pompa dan

Instalasinya 46

Gambar 3.9. Tampak Atas dari Sistem Pemasangan Pompa dan Instalasinya 46

Gambar 3.10. Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian 48

(12)

Gambar 4.2. Kehilangan Tinggi Tekan pada Pipa Isap 51

Gambar 4.3. Diagram Moody 53

Gambar 4.4. Kehilangan Tinggi Tekan Pipa Isap 57

Gambar 4.5. Kehilangan Tinggi Tekan Flowmeter 60

Gambar 4.6. Grafik Pembesaran dan Pengecilan Aliran Secara Tiba-Tiba 60

Gambar 4.7. Head Statis pada Sisi Isap Pompa 63

Gambar 4.8. Hubungan Variasi Bukaan Katup Isap dengan NPSHA 68 Gambar 4.9. Hubungan Variasi Tinggi Tekan dan Tekanan pada

Manometer Tekan 71

Gambar 4.10. Hubungan Tinggi Tekan dan Kapasitas Aktual untuk Kondisi

NPSHA=10,30m 76

Gambar 4.11. Hubungan Putaran Poros Pompa dan Kapasitas Aktual untuk

Kondisi NPSHA=10,30m 76

NPSHA=10,23m 77

NPSHA=10m 78

Kondisi NPSHA=10m 78

NPSHA=8,61m 79

Gambar 4.18. Hubungan Head dan Kapasitas pada Masing-Masing Nilai

NPSHA 80

Gambar 4.19. Hubungan Simpangan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 85

Gambar 4.20. Hubungan Kecepatan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 86

(13)

Domain 87 Gambar 4.22. Hubungan Simpangan dengan Waktu pada Time Domain 88 Gambar 4.23. Hubungan Kecepatan dengan Waktu pada Time Domain 89 Gambar 4.24. Hubungan Percepatan dengan Waktu pada Time Domain 90 Gambar 4.25. Hubungan Simpangan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 94

Domain 95

Gambar 4.27. Hubungan Percepatan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 96

Gambar 4.28. Hubungan Simpangan dengan Waktu pada Time Domain 97 Gambar 4.29. Hubungan Kecepatan dengan Waktu pada Time Domain 98 Gambar 4.30. Hubungan Percepatan dengan Waktu pada Time Domain 99 Gambar 4.31. Hubungan Simpangan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 103

Domain 104

Domain 105

Gambar 4.34. Hubungan Simpangan dengan Waktu pada Time Domain 106 Gambar 4.35. Hubungan Kecepatan dengan Waktu pada Time Domain 107 Gambar 4.36. Hubungan Percepatan dengan Waktu pada Time Domain 108 Gambar 4.37. Hubungan Simpangan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 112

Domain 113

Domain 114

(14)

Waktu pada NPSHA yang Bervariasi 119 Gambar 4.44. Laju Pertambahan Amplitudo Simpangan Terhadap NPSHA

pada Arah Aksial 120

Gambar 4.45. Perbandingan Displacement pada Arah Vertikal Terhadap

Waktu pada NPSHA yang Bervariasi 121

Gambar 4.46. Laju Pertambahan Amplitudo Simpangan Terhadap NPSHA

pada Arah Vertikal 122

Gambar 4.47. Perbandingan Displacement pada Arah Horizontal Terhadap

Gambar 4.48. Laju Pertambahan Amplitudo Simpangan Terhadap NPSHA

pada Arah Horizontal 124

Gambar 4.49. Perbandingan Velocity pada Arah Aksial Terhadap Waktu

pada NPSHA yang Bervariasi 125

Gambar 4.50. Laju Pertambahan Amplitudo Kecepatan Terhadap NPSHA

Gambar 4.51. Perbandingan Velocity pada Arah Vertikal Terhadap Waktu

Gambar 4.53. Perbandingan Velocity pada Arah Horizontal Terhadap Waktu

Gambar 4.55. Perbandingan Acceleration pada Arah Aksial Terhadap Waktu

Gambar 4.56. Laju Pertambahan Amplitudo Percepatan Terhadap NPSHA

Gambar 4.57. Perbandingan Acceleration pada Arah Vertikal Terhadap

Gambar 4.58. Laju Pertambahan Amplitudo Percepatan Terhadap NPSHA

(15)

Waktu pada NPSHA yang Bervariasi 135 Gambar 4.60. Laju Pertambahan Amplitudo Percepatan Terhadap NPSHA

Gambar 4.61. Perbandingan Temperatur Rumah Pompa dengan NPSHA yang Bervariasi untuk Kondisi Operasi Pompa Selama 1 jam 137 Gambar 4.62. Perbandingan Temperatur Rumah Pompa dengan NPSHA yang

Bervariasi untuk Kondisi Operasi Pompa Selama 2 jam 138 Gambar 4.63. Perbandingan Temperatur Rumah Pompa dengan NPSHA yang

Bervariasi untuk Kondisi Operasi Pompa Selama 5 jam 141 Gambar 4.66. Verifikasi Data Temperatur pada Berbagai Nilai NPSHA dan

(16)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1. Peralatan yang Dipasang pada Instalasi Pompa 47

Tabel 4.1 Kenaikan Kehilangan Tinggi Tekan dengan Tipe bukaan

Katup 64

Tabel 4.2 Nilai Koefisien Kopen untuk Tipe Screwed Valve 65 Tabel 4.3 Hubungan Bukaan Katup Isap dan Tekanan pada manometer

Isap 70

Tabel 4.4 Hubungan Variasi Tinggi Tekan dengan Kapasitas Pengisian

Reservoir Tekan dan Putaran Poros Pompa 75

Tabel 4.5 Data Rata-Rata Pengukuran Frekwensi Domain 81

Tabel 4.6 Data Rata-Rata Pengukuran Time Domain 81

Tabel 4.7 Hasil Perhitungan ωt dan Amplitudo pada Frekwensi

Domain 83

Tabel 4.8 Hasil Perhitungan ωt dan Amplitudo pada Time Domain 83 Tabel 4.9 Hasil Perhitungan Karakteristik Getaran pada Frekwensi

Domain 83

Tabel 4.10 Hasil Perhitungan Karakteristik Getaran pada Time Domain 84 Tabel 4.11 Hasil Perhitungan Fungsi Karakteristik Getaran pada

Frekwensi Domain 84

Tabel 4.12 Hasil Perhitungan Fungsi Karakteristik Getaran pada Time

Domain 84

Tabel 4.13 Hubungan Simpangan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 85

Tabel 4.14 Hubungan Kecepatan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 86

Tabel 4.15 Hubungan Percepatan dengan Frekwensi pada Frekwensi

Domain 87

Tabel 4.16 Hubungan Simpangan dengan Waktu pada Time Domain 88 Tabel 4.17 Hubungan Kecepatan dengan Waktu pada Time Domain 89 Tabel 4.18 Hubungan Percepatan dengan Waktu pada Time Domain 90

(17)

Tabel 4.20 Data Rata-Rata Pengukuran Time Domain 91 Tabel 4.21 Hasil Perhitungan ωt dan Amplitudo pada Frekwensi

Domain 91

Domain 92

Frekwensi Domain 93

Domain 93

Domain 94

Domain 95

Domain 96

Domain 100

Domain 101

Frekwensi Domain 102

(18)

Domain 103

Domain 104

Domain 105

Domain 109

Domain 110

Frekwensi Domain 111

Domain 111

Domain 112

Domain 113

Domain 114

Tabel 4.58 Hubungan Simpangan dengan Waktu pada Time Domain 115 Tabel 4.59 Hubungan Kecepatan dengan Waktu pada Time Domain 116 Tabel 4.60 Hubungan Percepatan dengan Waktu pada Time Domain 117 Tabel 4.61 Perbandingan Displacement pada Arah Aksial Terhadap

(19)

Tabel 4.62 Perbandingan Displacement pada Arah Vertikal Terhadap

Waktu pada NPSHA yang bervariasi 120

Tabel 4.63 Perbandingan Displacement pada Arah Horizontal Terhadap

Tabel 4.64 Perbandingan Velocity pada Arah Aksial Terhadap Waktu

pada NPSHA yang bervariasi 124

Tabel 4.65 Perbandingan Velocity pada Arah Vertikal Terhadap Waktu

pada NPSHA yang bervariasi 126

Tabel 4.66 Perbandingan Velocity pada Arah Horizontal Terhadap

Tabel 4.67 Perbandingan Acceleration pada Arah Aksial Terhadap

Tabel 4.68 Perbandingan Acceleration pada Arah Vertikal Terhadap

Tabel 4.69 Perbandingan Acceleration pada Arah Horizontal Terhadap

Tabel 4.70 Rekapitulasi Hasil Pengukuran Temperatur pada Rumah Pompa untuk Masing-Masing Kondisi Operasi Pompa 137 Tabel 4.71 Verifikasi data temperatur pada berbagai nilai NPSHA dan

(20)

DAFTAR NOTASI

Simbol Arti Satuan

A Amplitudo m

f Frekwensi Hz

fn Frekwensi natural Hz

g Percepatan gravitasi m/s2

H Head m

hf Mayor loss m

hm Minor loss m

k Kekakuan N/m

m Massa kg

n Putaran rpm

NPSHA Head isap positif netto yang tersedia m

NPSHR Head isap positif netto yang dibutuhkan m

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

ω Frekwensi sudut rad/s

θ Sudut fase rad

μ Dynamic viscosity N.s/m2

υ Kinematic Viscosity m2/s

(21)

ABSTRAK

Salah satu kegagalan yang terjadi pada pengoperasian pompa sentrifugal dilapangan adalah kavitasi.Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam fluida yang terjadi akibat turunnya tekanan fluida sampai di bawah tekanan uap jenuh fluida pada suhu operasi pompa. Net Positive Suction Head (NPSH) digunakan sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi.Ada dua macam NPSH,yaitu NPSH yang tersedia pada sistem (NPSHA) dan NPSH yang diperlukan oleh pompa (NPSHR).Pompa terhindar dari kavitasi jika NPSHA lebih besar dari pada NPSHR.

Penelitian ini dilakukan dengan eksperimen dan analisa tentang perubahan prilaku kavitasi pada pompa sentrifugal akibat variasi NPSHA,perubahan temperatur fluida serta peningkatan sinyal getaran yang diukur pada rumah pompa sentrifugal.Metodelogi penelitian yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari 2 tahapan, yaitu pengujian langsung dan pengujian tak langsung. Dari data hasil pengujian ini akan dikembangkan dengan suatu metode statistik untuk mengetahui pengaruh variasi NPSHA, sinyal getaran dan kenaikan temperatur fluida terhadap fenomena kavitasi yang diolah secara statistik dengan program MS-Excel dan dianalisa sesuai perilaku getaran dan temperatur.

Untuk sinyal getaran terjadi peningkatan amplitudo simpangan masing-masing sebesar 1,80.10-6 m, 2,24.10-6 m dan 2,46. 10-6 m.Peningkatan amplitudo kecepatan masing-masing sebesar 1,38.10-5 m/s, 1,66.10-5 m/s dan 1,97.10-5 m/s. Serta peningkatan amplitudo percepatan masing-masing sebesar 1,038.10-4m/s2, 1,028.10-4 m/s2 dan 1,611.10-4 m/s2.Untuk pengukuran temperatur fluida didalam rumah pompa,untuk kondisi operasi pompa selama 5 jam terjadi peningkatan suhu fluida sebesar 0,010 oC, 0,032 oC dan 0,104 oC. Hasil penelitian ini menunjukkan terjadi peningkatan sinyal getaran dan temperatur fluida didalam rumah pompa akibat variasi NPSHA.

Kata Kunci:Pompa Sentrifugal,Kavitasi,NPSH,Sinyal Getaran,Temperatur

ABSTRACT

One of failure in operation centrifugal pump is cavitation. Cavitation is one phenomenon appeared vapor bubbles because net pressure in fluid is less than vapor pressure of fluid in operation temperature of pump. Net Positive Suction Head (NPSH) used as safety parameter in cavitation. NPSH divided in two kinds, Net Positive Suction Head Required (NPSHR) and Net Positive Suction Head Available (NPSHA).Cavitation occurs when NPSHA drops blow NPSHR for a centrifugal pump.

This research implemented with experiment and analysis about change of characteristic cavitation in centrifugal pump cause variation NPSHA, change of temperature and increase vibration signal with measuring in centrifugal pump housing. Experiment method using in this research divided in two steps (direct and indirect experiment).Data from result of the experiment will developed with statistic method to understand effect from variation NPSHA, vibration signal and increase fluid temperature concerning cavitation phenomenon with statistic processing by

MS-Excel and analyzing agree with vibration and temperature behavior.

For vibration signal occurs increase displacement amplitude each 1,80. 10-6 m, 2,24. 10-6 m and 2,46. 10-6 m. Increase velocity amplitude each 1,38.10-5 m/s, 1,66.10-5 m/s and 1,97.10-5 m/s. And increase acceleration amplitude each 1,038.10-4 m/s2, 1,028.10-4 m/s2 and 1,611.10-4 m/s2.For measuring fluid temperature in housing pump, for operation condition in 5 hour occurs increase fluid temperature each 0,010 oC,0,032 oC and 0,104 oC. Result of this research describe occurs increase vibration signal and fluid temperature in pump housing cause variation NPSHA.

(22)

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dunia industri sangat menginginkan suatu jenis pompa sentrifugal yang

dapat beroperasi maksimal dan tahan dioperasikan dalam jangka waktu yang

lama, hal ini tidak terlepas dari jenis pompa, pemasangan dan pengoperasian yang

tepat sehingga akan bekerja sesuai dengan peruntukannya. Untuk menentukan

suatu peralatan bekerja sesuai dengan kondisi terbaiknya diperlukan indikator,

biasanya indikator yang sering digunakan adalah indikator yang dengan cepat

mendapatkannya seperti temperatur dan 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.

Disamping keunggulan dan kehandalan dari pompa sentrifugal tersebut,

masih banyak didapati kegagalan yang terjadi pada pengoperasian di lapangan.

Kegagalan pompa sentrifugal diantaranya adalah kegagalan bantalan (bearing),

penyetelan sambungan pada pompa dan motor,pondasi pompa,penggunaan bentuk

maupun bahan rangka pompa, getaran pada pipa tekan dan kavitasi. Dalam hal

kavitasi bagian pada pompa yang sering mengalami kavitasi adalah sisi isap

pompa.Hal ini terjadi jika tekanan isap pompa terlalu rendah hingga dibawah

(23)

kerusakan komponen pompa saat 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.

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 isap.

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 spektrum sinyal kebisingan. Penelitian ini

dilakukan dengan mengukur spektrum sinyal noise pada sudu pompa

menggunakan satu mikropon dan satu P.C soundcard yang dilengkapi dengan

Transform fourier dan Matlab 6.1 untuk mendapatkan frekwensi domain. Dari

penelitian ini diperoleh bahwa perbedaan tekanan bunyi pada beberapa frekwensi

dapat digunakan sebagai satu pemantauan utama permulaan kavitasi dan akibat

(24)

(2007), melakukan penelitian kaji eksperimental fenomena kavitasi pada sudu

pompa sentrifugal. Pada penelitian ini parameter yang digunakan untuk

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, temperatur 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 frekwensi secara acak pada frekwensi 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 Net Positive Suction Head

Available(NPSHA),perubahan temperatur fluida serta peningkatan sinyal getaran

yang diukur pada rumah pompa sentrifugal .

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 ke reservoir tekan yang memiliki beda

(25)

permasalahan kavitasi yang dipengaruhi oleh variasi NPSHA,perubahan sinyal

getaran,dan temperatur fluida didalam rumah pompa.

1.3. Tujuan Penelitian

1. Mengetahui penyebab terjadinya fenomena kavitasi pada pompa

sentrifugal.

2. Mendeteksi fenomena kavitasi yang terjadi pada pompa sentrifugal

dengan metode eksperimen menggunakan sinyal getaran.

3. Mengetahui hubungan kenaikan/penurunan temperatur fluida didalam

housing pompa pada saat peristiwa kavitasi akibat variasi NPSHA.

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. Memberikan informasi mengenai metode pengujian fenomena kavitasi

pada pompa sentrifugal dan sebagai acuan untuk menghindari

terjadinya kavitasi.

2. Memberikan informasi kepada industri yang menggunakan pompa

sentrifugal tentang pemanfaatan sinyal getaran dan temperatur didalam

(26)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan

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 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 kinetik (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

(27)

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

• kecepatan fluida yang tinggi diubah oleh casing pompa (volute atau

diffuser) menjadi tekanan atau head.

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

(28)

• 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

• Mixed fllow

2.3 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal

Secara umum bagian-bagian utama pompa sentrifugal dapat dilihat seperti

(29)

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

keausan pada stuffing box. Pada pompa multi stage dapat sebagai leakage

(30)

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 diffusor (guide vane),

inlet dan outlet nozzel 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 kontinyu, 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

(31)

2.4 Karakteristik Pompa Sentrifugal

Karakteristik dari pompa sentrifugal merupakan sebuah cara dimana tinggi

tekan tekanan diferensial bervariasi dengan keluaran (output) pada kecepatan

konstan. Karakteristik dapat juga menyertakan kurva efisiensi dan harga brake

horse power-nya. Kurva kapasitas tinggi tekan (Gambar 2.2) ditunjukkan sebagai

kapasitas peningkatan total tinggi tekan, dimana tinggi tekan pompa mampu untuk

dinaikkan atau dikurangi.Umumnya sebuah pompa sentrifugal akan menaikkan

tinggi tekan terbesarnya pada suatu titik, dimana tidak ada aliran yang sering

dianggap sebagai shut off head. Jika shut off head kurang dari harga maksimum

tinggi tekan, pompa menjadi tidak stabil dan dibawah beberapa kondisi dapat

memperbesar daya dan kecepatan fluktuasi yang menyebabkan getaran mekanis

[image:31.595.153.498.418.629.2]

yang besar pada sistem pemipaan.

(32)

2.5 Head Pompa

Head pompa adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk

mengalirkan sejumlah zat cair yang direncanakan sesuai dengan kondisi instalasi

pompa, atau tekanan untuk mengalirkan sejumlah zat cair,yang umumnya

dinyatakan dalam satuan panjang.Menurut persamaan Bernoulli yang berbunyi

“bila fluida inkompresibel mengalir sepanjang pipa yang penampangnya

mempunyai beda ketinggian,perbedaan tekanan tidak hanya tergantung pada

perbedaan ketinggian tetapi juga pada perbedaan antara kecepatan

dimasing-masing titik tersebut”.Dalam persamaan Bernoulli,ada tiga macam head (energi)

fluida dari sistem instalasi aliran, yaitu, energi tekanan, energi kinetik dan energi

potensial.Hal ini dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut :

g V Z P H

. 2

2

+ + =

γ

Lit 9,hal:105

Dimana:

H = Head total pompa (m)

γ

P

= Head tekanan (m)

Z = Head statis total (m)

g V

. 2

2

= Head kecepatan (m)

Karena energi itu kekal, maka bentuk head (tinggi tekan) dapat bervariasi

pada penampang yang berbeda. Namun pada kenyataannya selalu ada rugi-rugi

(33)

[image:33.595.89.511.44.282.2]

Gambar 2.3 Skema instalasi pompa

Pada kondisi yang berbeda seperti pada gambar di atas maka persamaan Bernoulli

adalah sebagai berikut :

L A B A B A A B B L B B B B A A A A H Z Z g V g V P P H B ke A Loss H Z g V P H Z g V P + − + − + − = + + + = + + + ) ( ) . 2 . 2 ( ) ( ) ( . 2 . 2 2 2 2 2

γ

Karena γA = γB maka:

L A B A B A

B _Z _Z _H

g V V

P P

H = − + − )+( − )+

. 2 ( ) ( 2 2

γ

L ST H H g V P

H = ∆ + ∆ )+ +

. 2 ( ) ( 2

γ

Dimana:

H = Head total pompa (m)

γ

P

∆

= Head pompa karena perbedaan tekanan pada sisi isap dengan sisi

tekan (m) 1 3 4 2 5

A

B

(34)

g V

. 2

2

∆

= Head yang diakibatkan karena ada perbedaan kecepatan (m)

HST = Head statis (m)

HL = Head loss dari A ke B (m)

2.5.1 Head Tekanan

Head tekanan adalah perbedaan energi tekanan yang bekerja pada

permukaan zat cair pada sisi tekan dengan energi tekanan yang bekerja pada

permukaan zat cair pada sisi isap.Head tekanan dapat dinyatakan dengan rumus :

γ

d s

P P

P

−

= Lit 9,hal:126

Dimana:

γ

P

= Head tekanan (m)

γ

d P

= Energi tekanan pada permukaan zat cair pada sisi tekan (m)

γ

s P

= Energi tekanan pada permukaan zat cair pada sisi isap (m)

2.5.2 Head Kecepatan

Head kecepatan adalah perbedaan antar energi kecepatan zat cair pada

saluran tekan dengan energi kecepatan zat cair pada saluran isap.Head kecepatan

(35)

g V g V

H_k d s

. 2 .

2

2 2

−

= Lit 9,hal:126

Dimana:

Hk = Head kecepatan

g V_d

. 2

2

= Energi kecepatan zat cair pada saluran tekan

g V_s

. 2

2

= Energi kecepatan zat cair pada saluran isap

2.5.3 Head Statis Total

Head statis total adalah perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada

sisi tekan dengan permukaan zat cair pada sisi isap.Head statis total dapat

dinyatakan dengan rumus :

Z = Z_d −Z_s Lit 9,hal:126

Dimana:

Z = Head statis total

Zd = Beda tinggi tekan statis pada sisi tekan

Zs = Beda tinggi tekan statis pada sisi isap

Tanda + : Jika permukaan zat cair pada sisi isap lebih rendah dari

sumbu pompa.

Tanda - : Jika permukaan zat cair pada sisi isap lebih tinggi dari

(36)

2.5.4 Kerugian Head (Head Loss)

Kerugian energi per satuan berat fluida dalam mengaliran cairan dalam

sistem perpipaan disebut sebagai kerugian head (head loss).Head loss terdiri dari

mayor head loss (hf),minor head loss (hm),dan total loss (htot)

2.5.4.1Mayor Head Loss (Mayor Loss)

Merupakan kerugian energi sepanjang saluran pipa yang dinyatakan

dengan rumus :

g V D

L f h_f

. 2 . .

2

= Lit 9,hal:431

Dimana:

hf = Mayor loss (m)

f = Faktor gesekan

L = Panjang pipa (m)

V = Kecepatan fluida dalam pipa (m/det)

D = Diameter dalam pipa (mm)

Harga f (faktor gesekan) didapat dari diagram Moody sebagai fungsi dari Angka

Reynold (Reynolds Number) dan Kekasaran relatif (Relative Roughness - ε/D ),

yang nilainya dapat dilihat pada grafik sebagai fungsi dari nominal diameter pipa

dan kekasaran permukaan dalam pipa (e) yang tergantung dari jenis material

pipa.Sedangkan besarnya Reynolds Number dapat dihitung dengan rumus :

µ

ρ

.V .D

Re = Lit 9,hal:432

Dimana:

(37)

ρ

= Massa jenis fluida (kg/m3)

V = Kecepatan rata-rata aliran (m/det)

D= Diameter dalam pipa (mm)

µ

= Dynamic viscosity (N.s/m2)

Apabila aliran laminar (Re < 2100),faktor gesekan (f) dapat dicari dengan

pendekatan rumus:

Re 64

=

f Lit 9,hal:433

Apabila aliran turbulen (Re > 4000),faktor gesekan (f) dapat dicari dengan

diagram moody.

2.5.4.2Minor Head Loss (Minor Loss)

Merupakan kerugian head pada fitting,elbow dan valve yang terdapat

sepanjang sistem perpipaan. Dapat dicari dengan menggunakan Rumus :

g v f h_m

. 2 .

2

= Lit 9,hal:437

Dimana:

hm = Minor loss (m)

f = Koefisien kerugian dari fitting,elbow dan valve

2.5.4.3Total Loss

Total loss merupakan kerugian total sistem perpipaan, yaitu :

htot = hf +hm Lit 9,hal:430

(38)

g V D Le f h_tot

. 2 . .

2

= Lit 9,hal:430

Dimana:

htot = Total loss (m)

hf = Total mayor loss (m)

hm = Total minor loss (m)

Le = Panjang ekivalen dari fitting dan valve ditambah panjang pipa (m)

f = Faktor gesekan

2.6 Kecepatan Spesifik Pompa

Performansi pompa sentrifugal (kecuali turbin regeneratif) dihubungkan

pada suatu parameter yang disebut kecepatan spesifik (specific speed). Seperti

yang didefinisikan oleh The Hydraulic Institute hal ini merupakan hubungan

antara kapasitas, tinggi tekan, dan kecepatan pada efisiensi optimum yang

mengklasifikasikan impeller pompa dengan respek terhadap persamaan geometris.

Kecepatan spesifik merupakan sebuah bilangan aljabar yang dinyatakan sebagai:

4 3 2 1

.

H Q N

Ns = Lit 18,hal:46

Dimana:

NS = Kecepatan spesifik pompa (m/min)

N = Putaran pompa (rpm)

Q = Kapasitas pompa (m3/min)

(39)

2.7 Kavitasi

Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di

dalam cairan yang terjadi akibat turunnya tekanan cairan sampai di bawah tekanan

uap jenuh cairan pada suhu operasi pompa. 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 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 2.4 Kerusakan pada permukaan sudu impeller akibat kavitasi

Satu gelembung memang hanya akan mengakibatkan bekas kecil pada dinding

namun bila hal itu terjadi berulang-ulang maka bisa mengakibatkan terbentuknya

lubang-lubang kecil pada dinding. Bahkan semua material bisa rusak oleh kavitasi

(40)

masuk ke dalam pompa akan lebih memperparah kerusakan sebab akan

menyebabkan erosi pada dinding impeller. Bagian dari pompa sentrifugal yang

paling rawan terkena kavitasi adalah sisi impeller dekat sisi isap yang bertekanan

rendah juga tutup impeller bagian depan yang berhubungan dengan sisi isap.

Hammit (Karassik dkk, 1976) menemukan hubungan yang rumit antara 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 impeller 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

(41)

2.8 Net Positive Suction Head (NPSH)

Kavitasi akan terjadi bila tekanan statis suatu aliran turun sampai dibawah

tekanan uap jenuhnya.Untuk menghindati kavitasi diusahakan agar tidak ada satu

bagianpun dari aliran didalam pompa yang mempunyai tekanan statis lebih rendah

dari tekan uap jenuh cairan pada temperatur yang bersangkutan.Dalam hal ini

perlu diperhatikan dua macam tekanan yang memegang peran

penting.Pertama,tekanan yang ditentukan oleh kondisi lingkungan dimana pompa

dipasang,dan kedua,tekanan yang ditentukan oleh keadaan aliran didalam pompa.

Berhubungan dengan dua hal diatas maka didefinisikanlah suatu Net

Positive Suction Head (NPSH) atau Head Isap Positif Neto yang dipakai sebagai

ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi.Ada dua macam NPSH,yaitu NPSH

yang tersedia pada sistem (instalasi),dan NPSH yang diperlukan oleh pompa.

Pompa terhindar dari kavitasi jika NPSH yang tersedia lebih besar daripada NPSH

yang dibutuhkan.

2.8.1 Net Positive Suction Head Available (NPSH yang tersedia)

NPSH yang tersedia adalah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi isap

pompa dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair ditempat tersebut.Dalam hal

pompa yang mengisap zat cair dari tempat terbuka,maka besarnya NPSH yang

tersedia dapat dituliskan sebagai berikut:

sv hs hls Pv

Pa

h = − − −

γ

Lit 18,hal:44

Dimana:

hsv = NPSH yang tersedia (m)

(42)

Pv = Tekanan uap jenuh (kg/m2)

γ = Berat zat cair per satuan volume (kg/m3 )

hs = Head isap statis (m), hs adalah positif (bertanda +) jika pompa terletak

diatas permukaan zat cair,dan negatif (bertanda -) jika dibawah.

hls = Kerugian head didalam pipa isap (m).

Jika zat cair diisap dari tangki tertutup,maka harga Pa menyatakan tekanan

mutlak yang bekerja pada permukaan zat cair didalam tangki tertutup

tersebut.Khususnya jika tekanan diatas permukaan zat cair sama dengan tekanan

uap jenuhnya,maka Pa = Pv.Dalam hal pompa yang mengisap zat cair dari tempat

terbuka,maka besarnya NPSH yang tersedia dapat dituliskan sebagai berikut:

h_sv = −h_s −h_ls Lit 18,hal:45

Harga hs adalah negatif (-) karena permukaan zat cair didalam tangki lebih tinggi

dari pada sisi isap pompa.Pemasangan pompa semacam ini diperlukan untuk

mendapatkan harga NPSHA positif.

Gambar 2.5 Posisi pompa terletak diatas permukaan fluida yang diisap

hls

hsv

hs

g v hsv

. 2

2

−

g v

. 2

2

γ

Pa

γ

Pv

Referensi EL

(43)

Gambar 2.6 Posisi pompa terletak dibawah permukaan fluida yang diisap

2.8.2 Net Positive Suction Head Required (NPSH yang diperlukan)

Tekanan terendah didalam pompa biasanya terdapat disuatu titik dekat

setelah sisi masuk sudu impeller.ditempat tersebut,tekanan adalah lebih rendah

dari pada tekanan pada lubang isap pompa.Hal ini disebabkan oleh kerugian head

dinosel isap,kenaikan kecepatan aliran karena luas penampang yang

menyempit,dan kenaikan kecepatan aliran karena tebal sudu setempat.

Agar tidak terjadi pengupan zat cair,maka tekanan pada lubang masuk

pompa dikurangi dengan penurunan tekanan didalam pompa harus lebih tinggi

dari pada tekanan uap zat cair.Head tekanan yang besar sama dengan penurunan

tekanan ini disebut NPSH yang diperlukan/net positive suction head

required.Besarnya NPSH yang diperlukan berbeda untuk setiap pompa.Untuk

suatu pompa tertentu , NPSH yang diperlukan berubah menurut kapasitas dan

putarannya.Agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi,maka harus

dipenuhi syarat NPSH yang tersedia lebih besar dari pada NPSH yang γ

Pv

hsv hs g

v . 2

2

hls

g v hsv

. 2

2

−

Referensi

(44)

diperlukan.Harga NPSH yang diperlukan harus diperoleh dari pabrikan pompa

yang bersangkutan.Namun untuk penaksiran secara kasar,NPSH yang diperlukan

dapat dihitung dengan persamaan:

N N sv

H H

=

σ

Lit 18,hal:45

Dimana:

σ = Koefisien kavitasi Thoma

HsvN = NPSH yang diperlukan (m)

HN = Head total pompa pada titik efisiensi maksimum (m).

Kecepatan spesifik sisi isap (S) dapat juga digunakan sebagai pengganti Koefisien

kavitasi Thoma dalam menghitung NPSH yang diperlukan.Hubungannya dapat

dilihat dalam persamaan:

_svN ( )4/3.Q_N2/3 S

n

H = Lit 18,hal:45

Dimana:

HsvN = NPSH yang diperlukan (m)

n = Putaran pompa (rpm)

QN = Kapasitas pompa (m3/min)

S = Kecepatan spesifik sisi isap (m/min).

2.9 Sinyal Getaran (Vibrasi)

Indikator yang baik untuk menentukan apakah suatu peralatan yang

berputar dalam kondisi baik adalah getaran, semangkin kecil nilai suatu getaran

semangkin baik peralatan tersebut, sebaliknya apabila suatu peralatan yang

(45)

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).

2.9.1 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

frekwensi. 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 Lit 20,hal:6

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 2.5.Dengan

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

sebagai:

x = A.Sin

ϖ

t Lit 20,hal:7 Besaran ω biasanya diukur dalam radian per detik dan disebut frekwensi

(46)

f

t

π

ϖ

= 2 = 2 Lit 20,hal:7

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:

)

2 sin(

cos

ϖ

π

ϖ

= +

= A t A t

x Lit 20,hal:7

x= −

ϖ

Asin

ϖ

t =

ϖ

2Asin(

ϖ

t+

π

) Lit 20,hal:7

Gambar 2.7 Gerak Harmonik sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak pada

lingkaran

2.9.2 Gerak Periodik

Pada getaran biasanya beberapa frekwensi yang berbeda ada secara

bersama-sama. Sebagai contoh, getaran dawai biola terdiri dari frekwensi dasar f

dan semua harmoniknya 2f, 3f, dan seterusnya. Contoh lain adalah getaran bebas

sistem dengan banyak derajat kebebasan, dimana getaran pada tiap frekwensi

natural memberi sumbangannya. Getaran semacam ini menghasilkan bentuk

(47)

Gambar 2.8 Gerak periodik dengan periode τ

2.9.3 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 frekwensi

naturalnya yang merupakan sifat dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa

dan kekakuannya.

Gambar 2.9 Sistem pegas-massa dan diagram benda bebas

Hukum Newton kedua adalah dasar pertama untuk meneliti gerak sistem,

pada gambar 2.9 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 Lit 20,hal:18

Hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m:

(48)

dan karena kΔ=w,diperoleh:

mx= −kx Lit 20,hal:18

frekwensi lingkaran

m k

n =

2

ϖ

, sehingga:

0

2

=

+ x

x

ϖ

_n

 Lit 20,hal:19

sehingga persamaan umum persamaan diferensial linier orde kedua yang

homogen:

0 cos

sin + =

= A t B t

x

ϖ

_n

ϖ

_n Lit 20,hal:19

Perioda natural osilasi dibentuk dari

ϖ

_n

τ

= 2

π

, atau:

k m

π

τ

= 2 Lit 20,hal:19

dan frekuensi natural adalah:

k m

f_n

π

τ

2

1

=

= Lit 20,hal:19

2.9.4 Getaran Paksa (Forced Vibration)

Getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar disebut getaran paksa

seperti pada Gambar 2.10. Eksitasi ini biasanya dihasilkan oleh ke tidak

seimbangan pada mesin-mesin yang berputar.

(49)

Persamaan diferensial geraknya adalah:

mx+cx+ kx = F₀ sin

ϖ

t Lit 20,hal:51

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

frekwensi ω yang sama dengan frekwensi eksitasi. Solusi khusus dapat

diasumsikan berbentuk:

) sin(

ϖ

−

φ

= X t

x Lit 20,hal:52

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

+ −

= * Lit 20,hal:52

dan 2 1 tan

ϖ

φ

m k c − = −

** Lit 20,hal:52

Dengan membagi pembilang dan penyebut persamaan * dan ** dengan k,

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

ϖ

ω

₊ −

= Lit 20,hal:52

) ( 1 tan ₂ k m k c

ϖ

φ

−

= Lit 20,hal:53

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

(50)

= =

m k

ϖ

frekwensi 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:

2 2 2 ( 2 ) ( 1 1       +       − = n n o F Xk

ϖ

ς

ϖ

Lit 20,hal:53 2 1 2 tan     −     = n n

ϖ

ς

φ

Lit 20,hal:53

2.9.5 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

(51)

kecepatan (velocity) yang dikategorikan dalam beberapa zona dan warna seperti

ditunjukkan pada gambar 2.11.

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

[image:51.595.82.543.139.389.2]

Group 4 Group 3 Group 2 Group 1 Group

Gambar 2.11 Standart ISO 10816-3 untuk vibrasi

Dari gambar 2.11 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

(52)

2.9.6 Pengolahan Data Vibrasi

2.9.6.1Data 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 termometer 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 2.12 Karakteristik sinyal statik dan dinamik

Hasil pengukuran objek pemantauan dalam domain waktu seperti Gambar

2.12 dapat berupa sinyal:

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,

(53)

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 percepatan (acceleration), kecepatan (velocity), dan

simpangan getaran (displacement).

2.9.6.2Data Domain Frekwensi (Frequency Domain)

Pengolahan data frekwensi 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 frekwensi 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 2.13.

Gambar 2.13 Hubungan time domain dengan frequency domain

Fre q ue nc y Do m a in

F F T

(54)

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 frekwensinya merupakan frekwensi-frekwensi

dasar dan harmoniknya.

2.10 Kerangka Konsep

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

(55)

[image:55.595.93.517.90.667.2]

Gambar 2.14 Kerangka Konsep Penelit