Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal dan Analisa Numerik Menggunakan Program Komputer CFD Fluent 6.1.22. Pada Pompa Sentrifugal Dengan Suction Gate Valve closed 25%

PERANCANGAN INSTALASI POMPA

SENTRIFUGAL DAN ANALISA NUMERIK

MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD

FLUENT 6.1.22 PADA POMPA SENTRIFUGAL

DENGAN SUCTION GATE VALVE CLOSED 25 %

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

LUCKY I. SIANTURI NIM. 050401007

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan dihadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan kasih serta penyertaan-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

Adapun yang menjadi pembahasan dalam tugas sarjana ini adalah mengenai “ Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal dan Analisa Numerik

Menggunakan Program Komputer CFD Fluent 6.1.22. Pada Pompa Sentrifugal Dengan Suction Gate Valve closed 25% “. Berbagai ilmu yang

berkaitan dengan sub program studi konversi energy seperti mesin fluida, mekanika fluida dan pompa kompresor diaplikasikan dalam menyelesaikan perencanaan instalasi, percobaaan dan simulasi pompa sentrifugal yang digunakan.

Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan dalam tugas sarjana ini, dan penulis mengharapkan kritik konstruksi dari pembaca demi kesempurnaan dimasa mendatang.

Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak menerima bimbingan dan dorongan berupa pemikiran , tenaga, semangat serta waktu dari berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Ayahanda ( Ir.W.Sianturi ) dan Ibunda ( A.Kalesaran ) serta adinda ( Deny P.K.Sianturi dan Yessika Kalesaran ) yang telah banyak memberikan berbagai macam bantuan moril maupun materi hingga akhirnya tulisan ini dapat diselesaikan.

2. Bapak Ir. H. A. Halim Nasution, Msc. selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan bimbingan serta masukan kepada penulis.

3. Bapak Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin,ST,MT. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 4. Kepada teman – teman satu tim senasib sepenanggungan penulis ( Erikson, Marshall dan Farabel ) yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai.

5. Semua teman – teman seperjuangan stambuk 2005 serta teman – teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Zp & Dolin, Ion, Ady , Berry ) dirumah kontrakan pribadi 14E.

6. Semua rekan – rekan CORNER Medan Club, MBC Crew dan Malas Pulang Group yang telah memberikan banyak bantuan moril kepada penulis.

Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis mengucapakan terima kasih.

Penulis,

Lucky Imanuel Sianturi

ABSTRAK

Untuk mengalir air dari reservoir bawah ke reservoir atas maka dibutuhkan sebuah pompa untuk memindahkannya. Pompa akan bekerja secara optimal jika pompa tersebut memiliki instalasi yang sesuai dengan kemampuan pompa itu bekerja. Yang menjadi pedoman dalam membuat instalasi pompa adalah kapasitas ( Q ) dan Tinggi Tekan ( H ) yang dibutuhkan dalam memompakan air tersebut.

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL i

LEMBAR PENGESAHAN ii

LEMBAR PERSETUJUAN iii

SPESIFIKASI TUGAS iv

LEMBARAN EVALUASI v

KATA PENGANTAR vi

ABSTRAK vii

DAFTAR ISI viii

DAFTAR TABEL xi

DAFTAR GAMBAR xii

DAFTAR NOTASI xvi

BAB I PENDAHULUAN

1.1Latar Belakang 1

1.2Batasan Masalah 2

1.3Maksud dan Tujuan 3

1.4Metode Penulisan 3

1.5Sistematika Penulisan 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Prinsip – prinsip Pompa Sentrifugal 5

2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal 6

2.3 Bagian – bagian Utama Pompa Sentrifugal 7

2.4 Unit Penggerak Pompa 9

2.5 Karakteristik Pompa Sentrifugal 9

2.6 Dasar – dasar Pemilihan Pompa 10

2.7 Head Pompa 11

2.7.1 Head Tekanan 13

2.7.2 Head Kecepatan 14

2.7.3 Head Statis Total 14

2.7.4 Kerugian Head ( Head Loss ) 15

2.7.4.2 Minor Head Loss 16

2.7.4.3 Total Loss 16

2.8 Kecepatan Spesifik Pompa 16

2.9 Daya Pompa 17

2.10 Aliran Fluida 17

2.11 Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent 19

2.11.1 Metode Diskritisasi CFD 19

2.11.2 Proses Simulasi CFD 20

2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal 24

BAB III METODE PERENCANAAN

3.1 Skema Instalasi Pompa yang Direncakan 26

3.2 Penentuan Kapasitas 29

3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi 30

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆HP ) 30 3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆HV ) 30 3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆HS ) 32

3.3.4 Kerugian Head 32

3.3.4.1 Kerugian head sepanjang pipa hisap 32

3.3.4.2 Kerugian head sepanjang pipa tekan 38

3.4 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan 40 3.5 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller 40

3.6 Efisiensi Pompa pada Instalasi yang Dirancang 41

3.7 Daya Pompa pada Instalasi yang Dirancang 44

3.8 Spesifikasi Pompa yang Digunakan pada Instalasi 45

3.9 Ukuran – ukuran Utama Pompa 46

3.9.1 Bentuk dan ukuran impeller 46

3.9.1.1 Kecepatan dan sudut aliran fluida impeller 47

3.9.1.2 Melukis bentuk sudu 51

3.9.2 Bentuk dan ukuran rumah pompa 54

3.9.2.1 Bentuk rumah pompa 54

3.9.2.2 Luas saluran keluar ( throat ) volute 55 3.9.2.3 Penampang dan jari-jari volute 56

3.10 Pelaksanaan Perancangan 59

3.10.1 Diagram Alir Perancangan 59

3.10.2 Hasil Akhir dari Perancangan 60

BAB IV HASIL SIMULASI

4.1 Pendahuluan 62

4.2 Perhitungan Kapasitas Pompa Setelah Pengujian 62

4.3 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa 63

4.3.1 Tinggi Tekan Kecepatan 64

4.3.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 64

4.4 Analisa Kavitasi pada Pompa dengan Gate Valve closed 25% 69 4.4.1 NPSH ( Net Positive Suction Head ) 71 4.4.1.1 Net Positive Suction Head Available

( NPSH yang tersedia) 71 4.4.1.2 Net Positive Suction Head Required

( NPSH yang diperlukan ) 72

4.5 Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik 74 4.5.1 Proses Permodelan Pompa Sentrifugal 78 4.5.2 Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal 81 4.5.3 Proses Solving dan Postprocessing Geometri

Rumah Pompa 85

4.6 Analisa Kavitasi dan Performansi dari Pompa Sentrifugal 87 4.6.1 Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 87 4.6.2 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 88

4.7 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Berdasarkan

Hasil Fluent 90

4.7.1 Tinggi Tekan Kecepatan 90

4.7.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 91

4.7.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 91

BAB V KARAKTERISTIK POMPA

5.1 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 94 5.1.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 94 5.1.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 102

5.2 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan 104 5.2.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 104

5.2.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 109

5.3 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 110 5.3.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 110

5.3.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 115

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan 122

6.2 Saran 123

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Kekasaran Relative (ε) dalam Berbagai Bahan Pipa 34 Tabel 3.2 Nilai Koefisien K untuk Tipe Screwed 37 Tabel 3.3 Klasifikasi Impeler Menurut Putaran Spesifik 41 Tabel 3.4 Hubungan antara Kecepatan Spesifik dengan

Efisiensi Hidrolis 42

Tabel 3.5 Hubungan antara Kecepatan Spesifik Impeller

dengan Efisiensi Volimetris 43

Tabel 3.6 Jari-jari Busur Sudu Impeler 52

Tabel 3.7 Jari-jari dan luas volute untuk setiap penampang Tabel 4.1 Kenaikan Kehilangan Tinggi Tekan dengan Tipe

Bukaan Katup 66

Tabel 4.2 Nilai Koefisien Kopen untuk Tipe Screwed Valve 67

Tabel 5.1 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Berbagai Kapasitas Pompa

Berdasarkan Hasil Perhitungan 101

Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Hasil

Perhitungan 104

Tabel 5.3 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Berbagai Kapasitas Pompa

Berdasarkan Hasil Percobaan. 109

Tabel 5.4. Hubungan kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa

Berdasarkan Percobaan 110

Tabel 5.5 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Kapasitas Pompa

Berdasarkan Hasil Simulasi 115

Tabel 5.6 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Rumah Pompa Sentrifugal 7

Gambar 2.2 Kurva Pompa Aquavane 10

Gambar 2.3 Skema Instalasi Pompa 12

Gambar 2.4 Diagram alir algoritma numerik volume hingga

dengan metode SIMPLE 21

Gambar 2.5 Elemen fluida pada persamaan kekekalan massa 22 Gambar 2.6 Elemen fluida pada persamaan momentum 23 Gambar 2.7 Hasil Simulasi untuk Vektor - vektor Kecepatan yang

Terjadi 25

Gambar 2.8 Hasil Simulasi untuk Distribusi Tekanan yang Terjadi 25 Gambar 3.1 Skema Perencanaan Instalasi Pompa 28

Gambar 3.2 Stopwatch 29

Gambar 3.3 Meteran 29

Gambar 3.4 Diagram Moody 35

Gambar 3.5 Pompa Sentrifugal 45

Gambar 3.6 Bentuk impeler dan sudu yang digunakan dalam pompa 46 Gambar 3.7 Ukuran – ukuran utama pada impeler 46 Gambar 3.8 Segitiga Kecepatan pada sisi masuk ( Skala 1 cm : 1 m/s ) 48 Gambar 3.9 Segitiga kecepatan pada sisi keluar 51

Gambar 3.10 Bentuk Sudu impeler 53

Gambar 3.11 Perbandingan kecepatan pada kerongkongan rumah keong 54

Gambar 3.12 Grafik penentuan sudut volute 56

Gambar 3.13 Rumah Pompa 58

Gambar 3.14 Diagram Alir Pelaksanaan Perancangan 59 Gambar 3.15 Pandangan Depan Instalasi Pompa 60 Gambar 3.16 Pandangan Samping Instalasi Pompa 61 Gambar 4.1 Kerusakan pada Permukaan Sudu Impeller akibat Kavitasi 70 Gambar 4.2 Grafik hubungan antara kecepatan spesifik, efesiensi

hidrolis serta koefisien kavitasiThoma 73 Gambar 4.3 Diagram alir simulasi pada GAMBIT 76 Gambar 4.4 Diagram alir simulasi pada FLUENT 77 Gambar 4.5 Tampilan Hasil setelah memasukan titik-titiknya 78 Gambar 4.6 Tampilan hasil dari substract face dan shaded 79

Gambar 4.7 Tampilan hasil mesh 80

Gambar 4.8 Tampilan hasil boundary condition 80

Gambar 4.9 Kurva residual iterasi 85

Gambar 4.10 Rumah pompa dalam GAMBIT 86

Gambar 4.11 Kurva residual iterasi 86

Gambar 4.12 Distribusi tekanan fluida pada rumah pompa sentrifugal 87 Gambar 4.13. Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada

Gambar 4.14. Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada

pompa sentrifugal 89

Gambar 4.15. Distribusi kecepatan fluida pada impeller 89 Gambar 4.17 Grafik tekanan fluida vs jarak posisi tekanan fluida 90

Gambar 5.1 Kerugian - kerugian hidrolis 97

Gambar 5.2. Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan

Hasil Perhitungan 116

Gambar 5.3. Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan

Hasil Percobaan 118

Gambar 5.4 Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan

Hasil Simulasi 119

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

A Luas Penampang Pipa m2

b Lebar Pasak mm

b1 Lebar impeller pada sisi masuk mm

b2 Lebar impeler pada sisi keluar mm

b3 Lebar Penampang masuk saluran throat mm

Dis Diameter dalam pipa mm

Ds Diameter poros mm

Dh Diameter hub mm

D1 Diameter sisi masuk impeller mm

D2 Diameter sisi keluar impeller mm

fc Faktor koreksi -

g Gravitasi m/s2

HL Head Losses sepanjang pipa m

Hp Head pompa m

Hs Head statis m

Hthz Head Teoritis m

hf Kerugian Head mayor m

hm Kerugian head minor m

h Tinggi pasak mm

K Kerugian akibat kelengkapan pipa -

Kt Faktor Koreksi pembebanan -

k Konstanta Hidrolik -

L Panjang pipa m

Mt Momen torsi kgmm

M Massa Kg

Nm Daya Motor Listrik kW

Np Daya Pompa kW

n Putaran Pompa rpm

ns Putaran Spesifik rpm

P Tekanan Pada pompa Pa

Q Kapasitas Pompa m3/s

R Jari – Jari sudu lingkaran impeller mm

Re Bilangan Reynold -

S Jarak antara sudu mm

Sf1 Faktor keamanan kelelahan puntir -

Sf2 Faktor Keamanan alur bahan -

t Tebal sudu impeller mm

U1 Kecepatan tangensial sisi masuk impeller m/s

V Kecepatan aliran pada pipa m/s

Vo Kecepatan aliran masuk impeller m/s

Vr1 Kecepatan radial masuk impeller m/s

Vr2 Kecepatan radial keluar impeller m/s

Vthr Kecepatan pada kerongkongan rumah keong m/s

Z Jumlah sudu -

α Sudut Aliran masuk o

β Sudut tangensial o

γ Berat jenis fluida N/m3

ηp Efisiensi pompa %

υ Viskositas Kinematik m2/s

π konstanta (phi) -

ρ Kerapatan fluida kg/m3

τg Tegangan Geser kg/m2

σb Kekuatan Tarik Bahan kg/m2

ABSTRAK

Untuk mengalir air dari reservoir bawah ke reservoir atas maka dibutuhkan sebuah pompa untuk memindahkannya. Pompa akan bekerja secara optimal jika pompa tersebut memiliki instalasi yang sesuai dengan kemampuan pompa itu bekerja. Yang menjadi pedoman dalam membuat instalasi pompa adalah kapasitas ( Q ) dan Tinggi Tekan ( H ) yang dibutuhkan dalam memompakan air tersebut.

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi

energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun

yang akan dibahas dalam perancangan pompa ini ialah jenis pompa sentrifugal.

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.

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. Pompa ini akan

digunakan pada instalasi yang akan dirancang di Laboratorium Mesin Fluida

Departemen Teknik Mesin dan bertujuan untuk memompakan air dari reservoir

bawah ( ground tank ) ke reservoir atas ( roof tank ).

Pompa sentrifugal yang digunakan adalah sebagai alat uji perbandingan

hasil dari real dilapangan dengan hasil dari simulasi menggunakan perangkat

lunak ( software ) yaitu program simulasi Computational Fluid Dynamic atau

sering disebut dengan CFD.

Computational Fluid Dynamic ( CFD ) dapat memberikan kekuatan untuk

mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa,

benda-benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dengan struktur,

software ini akan tampak bentuk virtual prototype dari system yang digunakan

atau alat yang ingin dianalisis dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan.

CFD akan memberikan data - data, gambar - gambar, atau kurva - kurva yang

menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem tersebut.

CFD yang akan digunakan ialah CFD Fluent versi 6.1.22. Fluent adalah

salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga. Fluent

menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan

kasus aliran fluida dengan mesh ( grid ) yang tidak terstruktur sekalipun dengan

cara yang relative mudah. Setelah menggunakan program ini, maka akan didapat

hasil-hasil yang mendekati dengan kasus yang akan dijumpai di lapangan.

1.2. Batasan Masalah

Instalasi pompa sentrifugal yang dirancang untuk memompakan air dari

reservoir bawah ke reservoir atas dimana instalasi ini akan dibuat di Laboratorium

Mesin Fluida Departemen Teknik Mesin. Pembahasan perencanaan ini

dititikberatkan pada perancangan komponen system mekanis pompa sentrifugal

dan perhitungan prestasi pompa tersebut secara teoritis, yang secara umum terdiri

dari :

a. Penentuan skema instalasi yang akan dibuat di Laboratorium Mesin

Fluida.

b. Dalam perencanaan ini yang akan dibahas adalah perencanaan instalasi

untuk pompa akan digunakan untuk memompakan air dari reservoar

bawah ke reservoar atas.

c. Simulasi aliran fluida yang terjadi dalam sistem pemompaan dengan gate

valve closed 25%.

d. Penentuan daerah - daerah kavitasi serta analisa performansi dari pompa

sentrifugal pada analisa simulasi CFD Fluent.

1.3 Maksud dan Tujuan

Maksud dari perencanaan dan simulasi ini adalah untuk mengetahui

analisa performansi dari pompa sentrifugal yang dipakai dengan menggunakan

perhitungan matematis dan bantuan simulasi komputer sehingga diketahui kavitasi

yang terjadi didalam rumah pompa ( housing pump ) pada instalasi yang

dirancang.

Tujuan dari perencanaan dan simulasi ini adalah untuk mensimulasikan

aliran fluida yang terjadi didalam rumah pompa ( housing pump ) menggunakan

software CFD Fluent 6.1.22 dengan menampilkan virtual ptototype dari pompa

sentrifugal sehingga akan diberikan data – data, gambar – gambar, atau kurva

yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan pompa sentrifugal yang

digunakan pada instalasi yang dirancang.

1.4 Metode Penulisan

Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas sarjana ini

adalah :

1. Survey Lapangan

Survey lapangan telah dilakukan pada Laboratorium Mesin Fluida

Departemen Teknik Mesin USU dan toko peralatan alat – alat pompa serta

toko besi.

2. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku yang mendukung dan

3. Diskusi

Berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing dan teman-teman mahasiswa

yang lain mengenai simulasi yang dibahas.

1.5 Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan tugas sarjana adalah sebagai berikut:

1. BAB I : Pendahuluan, berisikan latar belakang, batasan masalah,

maksud dan tujuan, metode penulisan, dan sistematika penulisan.

2. BAB II : Tinjauan Pustaka, berisikan teori - teori yang mendasari

tentang pompa sentrifugal.

3. BAB III : Metode Perencanaan, berisikan urutan dan cara yang

dilakukan secara jelas dan sistematis dalam perancangan sebuah

instalasi pompa sentrifugal dan melaksanakan survey dalam pemilihan

pompa sentrifugal yang digunakan pada instalasi yang akan dibuat

serta perhitungan head pompa pada instalasi yang dirancang.

4. BAB IV : Hasil Percobaan dan Simulasi, berisikan hasil analisis dari

perencanaan yang telah dilaksanakan dan serta disimulasikan supaya

mendapatkan hasil yang maksimal dengan perbandingan hasil analisa

manual dan simulasi.

5. BAB V : Karakteristik Pompa, berisikan performansi dari pompa

sentrifugal yang digunakan untuk melayani instalasi yang dirancang.

BAB II

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 dengan motor listrik, motor bakar atau turbin

uap ukuran kecil sehingga hanya membutuhkan ruang yang kecil, lebih ringan dan

2.1 Prinsip -Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal

Prinsip-prinsip dasar pompa sentrifugal ialah sebagai berikut:

1. Gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar

sehingga kecepatan fluida meningkat.

2. 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:

1. Kapasitas rendah : < 20 m3 / jam

2. Kapasitas menengah : 20-60 m3 / jam

3. Kapasitas tinggi : > 60 m3 / jam

2. Tekanan Discharge:

1. Tekanan Rendah : < 5 Kg / cm2

2. Tekanan menengah : 5 - 50 Kg / cm2

3. Tekanan tinggi : > 50 Kg / cm2

3. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat:

1. Single stage : Terdiri dari satu impeller dan satu casing.

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

casing.

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

4. Posisi Poros:

1. Poros tegak

2. Poros mendatar

5. Jumlah Suction: 1. Single Suction

2. Double Suction

6. Arah aliran keluar impeller : 1. Radial flow

2. Axial flow

3. Mixed fllow

2.3 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal

Secara umum bagian-bagian utama pompa sentrifugal dapat dilihat seperti

gambar berikut:

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

joint, internal bearing dan interstage atau distance sleever.

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

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.

2.4 Unit Penggerak Pompa

Umumnya unit penggerak pompa terdiri dari tiga jenis yaitu:

a. Motor bakar

b. Motor listrik, dan

c. Turbin

Penggerak tipe motor bakar dan turbin sangat tidak ekonomis untuk

perencanaan pompa karena konstruksinya berat, besar dan memerlukan sistem

penunjang misalnya sistem pelumasan, pendinginan dan pembuangan gas hasil

pembakaran.

Sistem penggerak motor listrik lebih sesuai dimana konstruksinya kecil

dan sederhana, sehingga dapat digabungkan menjadi satu unit kesatuan dalam

rumah pompa. Faktor lain yang membuat motor ini sering digunakan adalah

karena murah dalam perawatan dan mampu bekerja untuk jangka waktu yang

relatif lama dibanding penggerak motor bakar dan turbin.

2.5 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

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 yang besar pada sistem pemipaan.

Gambar 2.2 Kurva pompa Aquavane KSB Type A32-160 2.6 Dasar-dasar Pemilihan Pompa

Dasar pertimbangan pemilihan pompa, didasarkan pada sistem

ekonomisnya, yakni keuntungan dan kerugian jika pompa tersebut digunakan dan

dapat memenuhi kebutuhan pemindahan fluida sesuai dengan kondisi yang

direncanakan.

Yang perlu diperhatikan dalam pemilihan jenis pompa adalah fungsi

terhadap instalasi pemipaan, kapasitas, head, viskositas, temperature kerja dan

Kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini adalah:

a. Kapasitas dan head pompa harus mampu dipenuhi.

b. Fluida yang mengalir secara kontinu.

c. Pompa yang dipasang pada kedudukan tetap.

d. Konstruksi sederhana.

e. Mempunyai efisiensi yang tinggi.

f. Harga awal relatif murah juga perawatannya.

Melihat dan mempertimbangkan kondisi yang diinginkan dalam perencanaan

ini, maka dengan mempertimbangkan sifat pompa dan cara kerjanya, dipilih pompa

sentrifugal dalam perencanaan ini, karena sesuai dengan sifat pompa sentrifugal, yakni:

a. Aliran fluida lebih merata.

b. Putaran poros dapat lebih tinggi.

c. Rugi-rugi transmisinya lebih kecil karena dapat dikopel langsung dengan

motor penggerak.

d. Konstruksinya lebih aman dan kecil.

e. Perawatannya murah.

2.7 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

g V Z P H . 2 2 + + =

γ

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

energi (losses).

Gambar 2.3 Skema instalasi pompa 1 3 4 2 5

A

B

No Keterangan Gambar

1 Reservoir isap

2 Pipa isap

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

γ

γ

γ

Karena γA = γB maka:

L A B A B A B H Z Z 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 (

g V . 2 2 ∆

= Head yang diakibatkan karena ada perbedaan kecepatan ( m )

HST = Head statis ( m )

HL = Head loss dari A ke B ( m )

2.7.1 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

γ

γ

B A

P P P − = Dimana:

γ

P

= Head tekanan ( m )

γ

B P

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

γ

A P

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

2.7.2 Head Kecepatan

Head kecepatan adalah perbedaan antar energi kecepatan zat cair pada

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

dapat dinyatakan dengan rumus:

g V g V

H B A

Dimana:

Hk = Head kecepatan

g V_B

. 2

2

= Energi kecepatan zat cair pada saluran tekan

g V_A

. 2

2

= Energi kecepatan zat cair pada saluran isap

2.7.3 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_b −Z_a

Dimana:

Z = Head statis total

Zb = Beda tinggi tekan statis pada sisi tekan

Za = 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 sumbu

pompa.

2.7.4 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

2.7.4.1Mayor Head Loss ( Mayor Loss )

Merupakan kerugian energi sepanjang saluran pipa yang dinyatakan

dengan rumus :

g V d L f h_f 2 2 = Dimana:

hf = Mayor loss ( m )

f = Faktor gesekan

L = Panjang pipa ( m )

V = Kecepatan fluida dalam pipa ( m/det )

d = Diameter dalam pipa ( m )

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

Vd = Re Dimana:

Re = Reynold Number

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

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

diagram moody.

2.7.4.2Minor Head Loss ( Minor Loss )

Merupakan kerugian head pada fitting, elbow dan valve yang terdapat

sepanjang sistem perpipaan. Dapat dicari dengan menggunakan Rumus:

g v k h_m

2

2

=

Dimana:

hm = Minor loss ( m )

k = Koefisien kerugian dari fitting, elbow dan valve

2.7.4.3Total Loss

Total loss merupakan kerugian total sistem perpipaan, yaitu :

h

_tot

=

h

_f

+

h

_m

Dimana:

htot = Total loss (m)

hf = Total mayor loss (m)

2.8 Kecepatan Spesifik Pompa

Performansi pompa sentrifugal (kecuali turbin regenerative) 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 =

Dimana:

NS = Kecepatan spesifik pompa ( m/min )

n = Putaran pompa ( rpm )

Q = Kapasitas pompa (m3/min)

H = Head total pompa (m)

2.9 Daya pompa

Daya pompa ialah daya yang dibutuhkan poros pompa untuk memutar

impeler didalam memindahkan sejumlah fluida denga kondisi yang diinginkan.

Besarnya daya poros yang dibutuhkan dapat dihitung berdasarkan ( Fritz dietzel.

Hal 243 )

NP =

Dimana:

Np = daya pompa (watt )

Hp = head pompa ( m )

ρ = rapat jenis fluida ( kg/m3

)

ηp = effisiensi pompa

2.10 Aliran fluida

Aliran dalam pemipaan akan terjadi dari titik yang mempunyai head hidrolik

yang lebih tinggi ( energi internal per satu-satuan berat air ) ke head yang lebih rendah,

dimana terjadi kehilangan energi hidrolik di sepanjang pipa.

Kehilangan energi hidrolik sepanjang pipa secara umum disebabkan oleh:

A. Kerugian Head Mayor

Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa dengan

fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat digunakan untuk

mencari head losses akibat gesekan dalam pipa dapat dilakukan dengan menggunakan:

a. Persamaan Darcy - Weisbach

b. Persamaan Hazen - Williams

Kedua persamaan diatas memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing

yaitu:

a. Persamaan Darcy - Weisbach

1. Memberikan hasil yang lebih baik untuk pipa yang relatif pendek.

2. Untuk sistem terdiri dari bermacam-macam pipa akan lebih rumit

perhitungannya.

3. Populer atau sering dipakai untuk perhitungan dengan beda energi

besar.

4. Persamaan ini secara teori paling bagus dan dapat digunakan ke semua

b. Persamaan Hazen - Williams:

1. Umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang

relatf sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum.

2. Untuk sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa, perhitungannya

akan lebih mudah disbanding Darcy - Weisbach.

3. Persamaan Hazen - Williams paling banyak digunakan untuk

menghitung head losses, tetapi biasa digunakan untuk semua fluida

selai dari air dan digunakan hanya untuk aliran turbulen.

B. Kerugian Head Minor

Kerugian ini diakibatkan adanya perubahan dalam geometri aliran seperti

katup, belokan, perubahan diameter pipa, sambungan saluran masuk dan keluar

pipa.

2.11 Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent

ComputationalFluidDynamic (CFD) dapat dibagi menjadi dua kata, yaitu:

a. Computational : Segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi.

b. Fluid Dynamic : Dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.

Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang

memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang

mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi n

fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya denga

menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Dan

Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode elemen

hingga dan Fluent juga menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga

dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur

sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Penggunaan CFD umumya

1. Studi konsep dari desain baru

2. Pengembangan produk secara detail

3. Analisis kegagalan atau troubleshooting

4. Desain ulang

2.11.1 Metode Diskritisasi CFD

CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari

kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar.

CFD merupakan pendekatn dari persoalan yang asalnya kontinum

(memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel

terhingga).

Perhitungan / komputasi aljabar untuk memecahkan

persamaan-persamaan diferensial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi),

diantaranya adalah:

a. Metode beda hingga

b. Metode elemen hingga

c. Metode volume hingga

d. Metode elemen batas

e. Metode skema resolusi tinggi

Dan CFD FLUENT versi 6.1.22 sendiri menggunakan metode volume

hingga ( Finite Volume Method ) sebagai metode diskritisasinya (

Firman Tuakia, hal 8 ).

2.11.2 Proses simulasi CFD

Pada uumnya terdapat tiga thapan yang harus dilakukan ketika kita

melakukan simulasi CFD, yaitu:

a. Preprocessing

Komponen pre-processor merupakan komponen input dari permasalahan aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan

input berikutnya ke dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh

solver. Pada tahapan pre-processor, dapat dilakukan hal-hal sebagai

berikut: 1) mendefinisikan geometri daerah yang dikehendaki

(perhitungan domain); 2) pembentukan grid (mesh) pada setiap

domain; 3) pemilihan fenomena kimia dan fisik yang dibutuhkan; 4)

menetukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, panas jenis,

massa jenis dan sebagainya); 5) menentukan kondisi batas yang sesuai

dengan keperluan. Ketepatan aliran dalam geometri yang dibentuk

dalam CFD ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid yang dibangun.

Semakin besar jumlah sel, ketepatan atau ketelitian dari hasil

pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak harus selalu seragam,

dapat dilakukan dengan memperhalus mesh pada bagian yang memiliki

variasi cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak

banyak mengalami perubahan.

b. Solving

Proses pada solver merupakan proses pemecahan secara matematika

dalam CFD dengan software FLUENT 6.1.22. Metode yang digunakan

adalah metode volume hingga (finite volume) yang dikembangkan dari

metode beda hingga (finite difference) khusus. Proses pemecahan

matematika pada solver digambarkan sebagai diagram alir metode

SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)

[image:35.595.108.477.104.602.2]

Gambar 2.4 Diagram Alir Algoritma Numerik volume hingga dengan metode SIMPLE

Proses pemecahan matematika pada solver memiliki 3 tahapan yaitu: 1)

aproksimasi aliran yang tidak diketahui dilakukan dengan menggunakan

fungsi sederhana; 2) diskretisasi dengan mensubstitusi hasil aproksimasi ke

penyelesaian persamaan aljabar. Pada proses solver, terdapat 3 persamaan

atur aliran fluida yang menyatakan hukum kekekalan fisika, yaitu : 1) massa

fluida kekal; 2) laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada

partikel fluida (Hukum II Newton); 3) laju perubahan energi sama dengan

resultansi laju panas yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada

partikel fluida (Hukum I Termodinamika).

a. Kekekalan Massa 3 Dimensi steady state

Keseimbangan massa untuk fluida dinyatakan sebagai berikut:

Laju kenaikan massa dalam elemen fluida = Laju net aliran fluida massa ke dalam elemen batas

x y wδ δ ρ

z y uδ δ

ρ z x v δ δ ρ x δ y δ z δ x y z z w w δ δ δ ρ ρ ) ( ∂ ∂ + z y x x u

u ρ δ δ δ

ρ ) ( ∂ ∂ + x z y y v

v ρ δ δ δ

ρ )

(

[image:36.595.173.524.331.616.2]

∂ ∂ +

Gambar 2.5 Elemen Fluida pada persamaan kekekalan massa

Persamaan diatas merupakan persamaan kontinuitas untuk fluida. Ruas kiri

menggambarkan laju net massa keluar dari elemen melewati batas dan

dinyatakan sebagai faktor konveksi.

b. Persamaan Momentum 3 Dimensi Steady State

Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Stokes

dalam bentuk yang sesuai dengan metode finite volume sebagai

berikut: x δ y δ z δ fx z y pδ δ

z y

xxδ δ

σ τzxδxδy

z x

yxδ δ

τ z y x x p

p δ )δ δ

( ∂ ∂ + z y x x xx

xx δ δ δ

σ σ ) ( ∂ ∂ + y x z z zx

zx δ δ δ

[image:37.595.124.543.321.524.2]

τ τ ) ( ∂ ∂ + z x y y yx yx δ δ δ τ τ ) ( ∂ ∂ +

Gambar 2.6 Elemen fluida pada persamaan momentum

Momentum x :

\

Momentum z :

c. Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang

menyatakan bahwa : laju perubahan energi partikel fluida = laju

penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematika dapat

ditulis sebagai berikut :

Untuk Gas ideal :

c. Postprocessing

Postprocessing adalah langkah akhir dalam analisis CFD. Hal yang

dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi

data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. Hasil

yang diperoleh dari proses yang berada dalam pre-processor dan solver

akan ditampilkan dalam post-processor. Tampilan tersebut dapat berupa :

1) tampilan geometri domain dan grid; 2) plot vektor; 3) plot permukaan 2

dan 3 dimensi; 4) pergerakan partikel; 5) manipulasi pandangan; 6) output

2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

Pada pompa sentrifugal, yang dapat dianalisa oleh CFD Fluent ini adalah

airan fluidanya, dimana dengan CFD Fluent ini kita dapat mensimulasikan

vektor - vektor kecepatan yang terjadi pada impeler dan rumah keong

pompa tersebut. CFD Fluent juga dapat mensimulasikan distribusi tekanan

yang terjadi dalam pompa tersebut. Hasil simulasi aliran fluida ini adaah

gambaran aliran fluida nantinya yang terjadi di lapangan. Pada gambar 2.7

dan gambar 2.8 merupakan contoh hasil dari simulasi pompa sentrifugal

[image:39.595.148.471.327.528.2]

dengan massa alir 0,5 kg/s dan tekanan pompa 0,5 atm.

BAB III

METODE PERENCANAAN

Dalam memilih suatu pompa untuk suatu maksud tertentu, terlebih dahulu

harus diketahui kapasitas aliran serta head yang diperlukan untuk mengalirkan zat

cair yang akan di pompa pada instalasi yang akan dibuat.

Selain dari pada itu, agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi,

perlu ditaksir berapa tekanan minimum yang tersedia pada sisi masuk pompa yang

terpasang pada instalasinya. Atas dasar tekanan isap ini maka putaran pompa

dapat ditentukan.

Selanjutnya, untuk menentukan penggerak mula yang akan dipakai, harus

lebih dahulu dilakukan penyelidikan tentang jenis sumber tenaga yang dapat

dipergunakan di tempat yang bersangkutan. Pedoman dalam menentukan jenis

pompa yang digunakan adalah instalasi yang direncanakan.

3.1 Skema Instalasi Pompa Yang Direncanakan

Instalasi yang direncanakan adalah sangat sederhana. Dimana instalasi

yang direncanakan terdiri dari:

1. Roof Tank

Roof tank atau tangki atas berfungsi sebagai tangki tempat penampungan

air yang telah dipompakan dari ground tank dengan kapasitas maximum

400 liter dengan ukuran sebagai berikut:

2. Besi

Besi ini digunakan sebagai penyangga atau dudukan dari roof tank

sehingga roof tank tidak jatuh dan air dapat bersirkulasi dengan baik

dimana penyangga ini memiliki tinggi 2 meter.

3. Elbow

Pada perencanaan ini dipakai 2 jenis elbow, yaitu:

1. Elbow 90o long regular ukuran 1 inchi sebanyak 6 elbow ( satu

dipasang pada pipa isap dan lima dipasang pada pipa tekan )

2. Elow 90o long regular ukuran 1.5 inchi sebanyak 2 elbow yang

dipasang pada pipa buang.

4. Pipa

Pipa ini merupakan sarana penyaluran air dari ground tank ke roof tank.

Ada 2 jenis ukuran dari pipa yang dipakai, yaitu:

1.Pipa isap dan pipa tekan yang berukuran 1 inchi.

2.Pipa buang yang berukuran 1,5 inchi.

5. Meja

Meja yang dimaksud dalam hal ini berfungsi sebagai dudukan pompa,

agar pompa tetap kokoh saat memompakan air.

6. Pompa

Yaitu sebagai alat untuk memindahkan atau mentransfer air dari tangki

bawah ke tangki atas.

7. Ground Tank

Ground tank atau tangki bawah berfungsi sebagai sumber air yang akan

dialirkan oleh pompa dengan kapasitas maximum 400 liter yang bentuk

8. Gate Valve

Gate valve digunakan untuk mengatur kapasitas yang dipompakan. Gate

valve yang digunakan ada 2 ukuran yaitu:

1. gate valve ukuran 1.5 inchi yang dipasang pada pipa buang

2. gate vale ukuran 1 inchi yang dipasang pada pipa isap

Adapun gambar dan bentuk instalasi yang akan dirancang adalah sebagai

[image:43.595.112.535.289.649.2]

berikut:

Pada instalasi dilakukan pengambilan data,dimana pengambilandata dari

pengujian dilakukan dengan cara manual yaitu dengan menggunakan peralatan

sebagai berikut:

1. Stopwatch

Stopwatch digunakan untuk menghitung lamanya pompa beroperasi

sehingga diketahui kapasitas fluida yang akan dialirkan pada pembukaan

katub isap 100%.

Gambar 3.2 Stopwach

2. Meteran

Meteran digunakan untuk mengukur ketinggian air sebelum dan sesudah

air dipompakan dengan waktu tertentu untuk mendapatkan beda

ketinggian fluida sehingga diperoleh kapasitas pompa dengan bukaan

[image:44.595.243.380.262.387.2]

katup isap 100%.

3.2 Penentuan Kapasitas

Dalam menentukan kapasitas kita perlu memperhatikan bagaimana bentuk

instalasi yang kita rencanakan. Dalam hal ini yang perlu diperhatikan adalah

volume roof tank yang digunakan yaitu 400 liter dan tinggi air yang hendak

dipompakan yaitu setinggi 200 cm. Dengan mempertimbangkan data-data diatas

dan melihat name plate dari pompa yang digunakan pada instalasi yang akan

dirancang maka kapasitas yang ditetapkan adalah sebesar 90 ltr / mnt.

3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi

Head pompa adalah besarnya energy yang diperlukan pompa untuk

memindahkan ataupun mengalirkan fluida dari keadaan awal menuju keadaan

akhir. Head total pompa yang harus disediakan pompa untuk mengalirkan jumlah

fluida seperti yang direncanakan dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan

dilayani oleh pompa tersebut.

Gambar system pemipaan pada pipa isap dan pipa tekan dapat dilihat pada

gambar 3.1 . Dengan menyatakan bahwa titik A pada permukaan fluida tangki

bawah dan titik B pada permukaan fluida tangki atas, maka head pompa secara

umum dinyatakan dengan persamaan:

Hpompa = ∆HP + ∆HV + HS + HL

Dimana:

∆HP = perbedaan head tekanan ( m )

∆HV = perbedaan head kecepatan ( m )

HS = head statis ( m )

3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆HP )

Head tekanan merupakan energy yang dibutuhkan untuk mengatasi

perbedaan tekanan pada sisi isap dengan sisi tekan. Dalam system kerja ini

tekanan air memasuki pompa adalah sama dengan tekanan keluar yaitu 1 atmosfir,

maka beda head tekanan pada sistem ini adalah nol.

3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆Hv )

Dalam menentukan perbedaan head kecepatan aliran maka terlebih dahulu

dicari besarnya kecepatan aliran dalam pipa. Diameter pipa isapnya biasanya

ditentukan sedemikian sehingga kecepatan alirannya 2 m/s sampai 3 m/s [Soufyan

M. Noerbambang, hal 98]. Untuk memperoleh kecepatan aliran dan diameter pipa

isap yang sesuai, perhitungan awal sementara diambil batas kecepatan rata – rata 3

m/s.

Dari persamaan kontinuitas diperoleh:

QP = VS AS

Dimana:

QP = kapasitas pompa = 90 ltr/mnt = 10 3 2

3 ₋

× m3 / s VS = kecepatan Aliran dalam pipa isap ( m/s )

AS = π/4 ( dis )2 = luas bidang aliran ( m2 )

dis = diameter dalam pipa ( m )

sehingga diameter pipa isap adalah:

dis = s p V Q π 4 = 3 10 2 3 4 3 × × × −

π m

= 0,02523 m

Berdasarkan ukuran pipa standart ANSI B.36.10 Schedule 40, maka pipa

nominal 1 inchi dengan dimensi pipa:

− Diameter dalam ( dis ) = 1,049 in = 0,0266 m

− Diameter luar ( dos ) = 1,318 in = 0,0335 m

Dengan ukuran pipa standart pipa tersebut, maka kecepatan aliran yang

sebenarnya sesuai dengan persamaan kontinuitas adalah:

VS = S P

A Q

=

( )

2

4 is P d Q π =

(

)

2

3 0266 , 0 10 2 3 4 π − × ×

m / s

= 2,6992 m /s

Diperoleh kecepatan aliran fluida masih sesuai.

Maka Head kecepatan aliran adalah:

HV = g V 2 2 =

(

)

81 . 9 2 6992 , 2 2

× m

= 0,3713 m

Perbedaan Head Kecepatan aliran adalah nol oleh karena besarnya head kecepatan

pada sisi isap dan sisi tekan sama yaitu 0,3713 m.

3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆Hs )

Head statis adalah perbedaan ketinggian permukaan air pada reservoir atas

dengan reservoir bawah seperti yang tampak pada gambar 3.1 diatas.

Dalam perencanaan ini, besarnya head statis adalah:

Hs = 2 m

Nilai head statis ini diasumsikan bahwa tinggi air pada permukaan ground

3.3.4 Kerugian Head

Kerugian head sepanjang pipa terbagi atas 2, yaitu kerugian akibat gesekan

sepanjang pipa / kerugian mayor ( hf ) dan kerugian akibat adanya kelengkapan

pada instalasi pipa / kerugian minor ( hm ). Kerugian akibat gesekan tergantung

pada kekasaran dalam pipa dan panjang pipa. Kerugian akibat kelengkapan adalah

kerugian akibat adanya perubahan arah aliran dan kecepatan aliran.

3.3.4.1 Kerugian Head sepanjang Pipa Isap ( hls )

a Kerugian Head Akibat Gesekan Pada Pipa Isap ( hfs )

Besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa isap menurut

Darcy-Weishbach dapat diperoleh dengan persamaan berikut [ Sularso, Haruo Tahara,

hal 28 ]:

hfs = f

g V d

L _s is

s

2 2 ×

Dimana:

hfs = kerugian karena gesekan ( m )

f = factor gesekan ( diperoleh dari diagram Moody )

Ls = panjang pipa hisap = 1,08 m

dis = diameter dalam pipa = 0,0266 m

Vs = kecepatan aliran fluida = 2,6992 m/s

Untuk menentukan factor gesekan ( f ) terlebih dahulu ditentukan alirannya

apakah laminar atau turbulen dengan mencari harga bilangan Reynold ( Re ),

[Pump Handbook, hal 131 ] dimana:

υ

is sd V

=

Dengan:

Re = Reynold number

υ = viskositas kinematik, dimana harganya 1,02 x 10-6 m2/s untuk

tekanan 1 atm pada suhu 200C

Sehingga diperoleh:

Re = ₆

10 02 , 1 0266 , 0 6992 , 2 − ××

= 70390,9 ≥ 4000

Maka aliran yang terjadi adalah “ Turbulen “

Bahan pipa isap yang direncanakan adalah Galvanized Iron dimana bahan

pipa yang direncanakan tersebut mempunyai kekasaran sebesar 0,00015 m sesuai

[image:49.595.107.515.466.721.2]

dengan table 3.1 dibawah.

Table 3.1 Kekasaran relative (ε) dalam berbagai bahan pipa Pipeline Material Absolute Rougness (ε)

Ft mm

Glass and varicus plastic

( e.g, PVC and PE pipes )

0

( hydraulically smooth )

0

( hydraulically smooth )

Drawn tubings ( e.g.

coper or aluminium pipes

or tubings )

5 x 10-6 1.5 x 10-6

Comersial steel or

wrought iron

1.5 x 10-4 4.6 x 10-2

Cast iron with asphalt

lining

4 x 10-4 0.12

Cast iron 8.5 x 10-4 0.25

Wood stave 6 x 10-4 ÷ 3 x 10-3 0.18 ÷ 0.9

Concrete 1 x 10-3 ÷ 1 x 10-2 0.3 ÷ 3.0

Riveted steel 3 x 10-3 ÷ 3 x 10-2 0.9 ÷ 9.0

Pump Handbook, Igor J. Karsik, William C. Krutzsc, Waren H. Frase, Joseph Messina

Maka kekasaran relative (ε/dis ) adalah:

is

d ε ₌

0266 , 0

00015 , 0

= 0,005639

Selanjutnya dicari harga faktor gesekan dengan menggunakan diagram moody.

0 x 37,5 mm

Gambar 3.4 Diagram moody

Friction factor ( f

0,04

0,03 f

15 mm

0

5 mm 0,006 = - 2,2218

e/dis = 0,005639 = -2,2487

0,004 = - 2,3979 5,75 mm

y

0

Posisi Re = 70390,9 didalam garis horisontal diagram moody dapat

dihitung dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga

diperoleh:

0,15 =

x = 31,78 mm

Nilai kekasaran relative didalam garis vertikal diagram moody dapat

diperoleh dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga

diperoleh:

0,1527 =

y = 5 mm

Nilai koefisien gesek didalam garis vertikal diagram moody dapat

diperoleh dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga

diperoleh:

log =

f = 0,033

Dari diagram moody untuk bilangan Reynold = 70390,9 dan e/ dis =

0,005639 dengan cara interpolasi maka akan diperoleh factor gesek ( f ) = 0,033,

sehingga besarnya kerugian gesek sepanjang pipa isap menurut Darcy-Weishbach

adalah:

hfs = 0,033

(

)

81 , 9 2 2,6992 0,0266

08 ,

1 2

= 0,4975 m

b Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi ( hms )

Besarnya kerugian akibat adanya kelengkapan pipa dapat diperoleh

dengan persamaan [ Pump Handbook, hal 152 ]:

hms =

g V nk s

2 2

∑

Dimana:

hms = kerugian head akibat kelengkapan pipa sepanjang jalur pipa isap

n = jumlah kelengkapan pipa

k = koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa

Untuk mengetahui berapa besarnya kerugian head yang terjadi akibat

adanya kelengkapan pipa yang digunakan sepanjang jalur pipa isap, maka perlu

diketehui terlebih dahulu jenis kelengkapan pipa yang digunakan sepanjang jalur

pipa isap. Adapun jenis dan jumlah kelengkapan tersebut adalah sebagai berikut: − Gate valve 1 buah

− Elbow 90o long regular 1 buah

Tabel 3.2 Nilai koefisien K untuk tipe screwed

Nominal Screwed

Diameter,in ½ 1 2 4

Valve (fully open):

Globe 14 8,2 6,9 5,7

Gate 0,30 0,24 0,16 0,11

Swing check 5,1 2,9 2,1 2,0

Angle 9,0 4,7 2,0 1,0

Elbows

450 regular 0.39 0.32 0.30 0.29

900 long radius 1.0 0.72 0.41 0.23

1800 regular 2.0 1.5 0.95 0.64

Bruce R.Munson ,Fundamental Of Fluid Mechanics 5Th Edition

Sesuai data dari table diatas maka koefisien kerugian ( k ) dari gate valve

dan elbows 90o untuk jenis screwed dengan diameter nominal pipa 1 inci adalah

sebagai berikut:

Jenis perlengkapan Jumlah ( n ) K Nk

Mulut isap 1 0.4 ÷ 0.5 0.45

Gate valve 1 0.24 0.24

Elbow 90o regular 1 1.5 1.5

Total koefisien kerugian 2.19

Maka besarnya kerugian head akibat kelengkapan pipa pada pipa isap adalah

sebesar:

hms =

(

)

81 , 9 2

6992 , 2 2,19

2

× m

= 0,813 m

Dengan demikian diperoleh besar kerugian head sepanjang jalur pipa isap pompa

sebesar:

hls = hfs + hms

= 0,4975 m + 0,813 m

3.3.4.2 Kerugian Head sepanjang Pipa Tekan ( hld ) a Kerugian Head Akibat Gesekan Pipa Tekan ( hfd )

Pipa tekan dari pompa menuju roof tank direncanakan menggunakan

ukuran pipa standart ANSI B.36.10 Shcedule 40 dengan ukuran pipa nominal 1

inci dan bahan pipa adalah Galvanized iron yang sama dengan pipa hisap.

Ukuran pipa tersebut adalah:

− Diameter Dalam ( dis ) = 1,049 inci = 0,0266 m

− Diameter Luar ( dos ) = 1,318 inci = 0,0335 m

Karena bahan dan diameter pipa tekan ini sama dengan pipa hisap, maka

bilangan Reynold ( Re ) adalah 70390,9 dan factor gesekan ( f ) = 0,033 serta

panjang pipa tekan adalah 4,6 m, maka besarnya kerugian head akibat gesekan

pada pipa tekan adalah:

hfd = 0,033

(

)

81 , 9 2 6992 , 2 0266 , 0 6 , 4 2 × ×

= 2,1191 m

b Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi pada pipa tekan ( hmd) Dari gambar instalasi sebelumnya telah tertera bahwa perlengkapan yang

diperlukan adalah elbow 900 regular sebanyak 5 buah.

Oleh karena jenis elbow pipa tekan sama dengan jenis elbow pada pipa

isap maka besarnya koefisien kerugian ( k ) dari instalasi pipa tekan seperti pada

tabel dibawah:

Jenis perlengkapan Jumlah ( n ) K nk

Elbow 90o regular 5 1.5 7.5

Pipa keluar 1 1 1

Maka harga kerugian head akibat perlengkapan instalasi pipa tekan adalah:

hmd =

g V nk s 2 2

∑

=

(

)

81 , 9 2 6992 , 2 5 , 8 2 ×

× m

= 3,156 m

Dengan demikian kerugian head pada pipa tekan ini adalah:

hld =hfd + hmd

= 2,1191 m + 3,156 m

= 5,2751 m

Maka kerugian head gesekan total adalah:

hL = hls + hld

= 1,3105 m + 5,2751 m

= 6,5856 m

Dari perhitungan sebelumnya maka dapat ditentukan head total yang

dibutuhkan untuk melayani instalasi pemipaan:

Htotal = ∆HP + ∆HV + ∆HS +∆HL

= 0 + 0 + 2 m + 6,5856 m

= 8,5856 m

Namun untuk pemakainnya dalam jangka waktu yang lama maka perlu

diperhatikan hal – hal sebagai berikut:

− Kondisi permukaan p ipa yang dalam waktu jangka panjang akan semakin kasar, sehingga nantinya akan memperbesar kerugian yang terjadi.

− Kondisi – kondisi lain yang dapat mempengaruhi operasional pompa.

Maka dalam perencanaannya head pompa perlu ditambah ( 10 ÷ 25 ) %

[pump handbook, hal 248]. Dalam perencanaan ini dipilih 15 %, maka besarnya

head pompa yang akan dirancang:

Htotal = 8,5856 m x ( 1 + 0,15 )

= 9,87 m

3.4 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan

Pada dasarnya pompa memerlukan penggerak mula untuk menggerakkan/

mengoperasikan pompa tersebut. Ada beberapa jenis alat penggerak motor yang

akan digunakan untuk menggerakkan pompa, antara lain: turbin uap, motor bakar,

dan motor listrik.

Dalam perencanaan ini telah ditentukan motor penggerak yang dipakai

adalah motor listrik dengan putaran motor 2850 rpm.

3.5 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller

Impeller adalah roda atau rotor yang dilengkapi dengan sudu – sudu,

dimana sudu – sudu ini berguna untuk memindahkan mekanis poros menjadi

energy fluida. Tipe impeller suatu pompa ditentukan berdasarkan putaran spesifik

pompa tersebut [ Khetagurov, hal 205 ]:

ns = 4 3

P P

H Q n

Dimana:

ns = putaran spesifik ( rpm )

nP = putaran pompa ( rpm )

HP = head pompa ( ft ) = 9,87 m = 32,373 ft

Sehingga:

ns =

(

)

(

_32,373

)

34

778 , 23 2850

= 1023,989 rpm

= 1024 rpm

Dari table dibawah diketahui bahwa untuk putaran spesifik, ns = 1024 rpm

maka jenis impeller yang sesuai adalah jenis Radial flow.

Tabel 3.3 Klasifikasi impeler menurut putaran spesifik

Jenis impeller ns

Radial flow 500 – 3000

Francis 1500 – 4500

Aliran campur 4500 – 8000

Aliran aksial 8000 ke atas

pump selection book, C.P Beaton, G.T Meiklejohn

3.6 Efisiensi Pompa Pada Instalasi Yang Dirancang

Efisiensi merupakan parameter yang sangat penting dalam merencanakan

pompa. Dengan kondisi sistem yang ada pompa harus dirancang sedemikian

hingga menghasilkan efisiensi yang optimal. Efisiensi pompa merupakan

perbandingan daya yang diberikan pompa kepada fluida dengan daya yang

diberikan motor listrik kepada pompa. Efisiensi total pompa dipengaruhi oleh

1. Efisiensi Hidrolis

Efisiensi hidrolis merupakan perbandingan antara head pompa sebenarnya

dengan head pompa teoritis dengan jumlah sudu tak berhingga. Besarnya efisiensi

hidrolis dapat ditentukan dengan cara interpolasi dari data dibawah ini:

Tabel 3.4 hubungan antara kecepatan spesifik dengan efisiensi hidrolis q

n ( 1 menit ) 10 15 20 30 50 100

h

η 0.86 0.91 0.94 0.96 0.97 0.98

Sumber: Turbin, Pompa dan Compresor. Fritz diesel hal: 258

Besarnya kecepatan spesifik dapat dicari dengan menggunakan persamaan

[Turbin, Pompa dan Compresor. Fritz diesel hal: 248 ]:

1 4 3 − = menit H Q n n_q Dimana: q

n = kecepatan spesifik ( 1menit ) Q = kapasitas pompa ( m3 s ) n = kecepatan kerja / putar pompa

sehingga didapat:

( )

1

4 _9,87 3 0015 . 0 2850 − = menit n_q

= 19,82 1menit

Maka akan didapat nilai efisiensi hidrolis sebesar:

q

n ( 1 menit ) 15 19.82 20

h

η 0.91 η_h 0.94

(

) (

)

91 , 0 94 , 0 94 , 0 15 20 82 , 19 20 −− = −

h

η = 0,9389

2. Efisiensi Volumetris

Kerugian volumetris disebabkan adanya kebocoran aliran setelah melalui

impeler, yaitu adanya aliran balik menuju sisi isap. Efisiensi volumetris dapat

ditentukan berdasarkan interpolasi antara kecepatan spesifik impeller:

Table 3.5 hubungan antara kecepatan spesifik impeller dengan efisiensi volimetris

s

n 60 to 100 100 to 150 150 to 220

v

η 0.94 to 0.97 0.97 to 0.99 0.98 to 995

( sumber: Marine Auxiliary Machinery and System,. M. Khetagurov. Hal: 253 )

Kecepatan spesifik impeller dapat dicari dengan menggunkan persamaan

(Marine AuxiliaryMachinery and System,. M. Khetagurov. Hal: 205 ):

4 3 65 , 3 H Q n s = η Dimana:

n = kecepatan impeller pompa ( rpm )

s

n = kecepatan spesifik impeler Maka: 4 3 87 , 9 0015 , 0 2850 65 , 3 = s η = 72,35

Dengan menginterpolasikan harga dibawah ini, maka akan didapat:

s

n 60 72,35 100

v

(

) (

)

94 , 0 97 , 0 97 , 0 60 100 35 , 72 100 −− = −

− ηv

η_v = 0,94926

3. Efisiensi Mekanis

Besarnya efisiensi mekanis sangat dipengaruhi oleh kerugian mekanis

yang terjadi yang disebabkan oleh gesekan pada bantalan, gesekan pada cakra dan

gesekan pada paking. Besarnya efisiensi mekanis menurut M. Khetagurov

berkisar antara 0.9 – 0.97. Dalam perancangan ini diambil harga efisiensi mekanis

0.935.

Dari perhitungan diatas didapat nilai efisiensi total pompa pada instalasi

adalah:

total

η = ηh ηv ηm

= 0,9389×0,94926×0,935

= 0,833

3.7 Daya Pompa Pada Instalasi yang Di