PERUBAHAN JUMLAH SUDU IMPELER DAN SUDUT SUDU KELUAR IMPELER (β2) MENGGUNAKAN SIMULASI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS
Thoharudin1, Arif Setyo Nugroho2, Stefanus Unjanto3 1,2,3Jurusan Teknik Mesin, Akademi Teknologi Warga Surakarta
e-mail :1thoharudin@gmail.com,2arif.snug@yahoo.co.id, 3stefanusunjanto@yahoo.com, ABSTRACT
Centrifugal pump was used in many kinds of industial application. The product development of centrifugal pump was to obtain high efficiency so it used low power to operate. The aims of this research were to improve head and efficiency of centrifugal pump by changing the number of impeller blades and the blade exit angeles of centrifugal pump so it obtained the optimum head and efficiency. This research was conducted by using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation modelled in three dimensional geometry on steady state condition. The wall was assumed to be smooth surface. The number of blades impeller pump were varied 6, 7, 8, and 9 while the blade exit angeles were varied 36,5o, 46,5o, 56,5o and 66,6o. The results of this research showed that the more number of impeller
blades the higher head and efficiency of centrifugal pump so the 9 blades centrifugal pump was the highest head and efficiency. By changing angeles ofβ2have not changed head of centrifugal pump significantly but they obtained significant improvement of efficiency onβ2=36,5o namely 54,42%. The high exit angle of blade produced high speed area in the water flow between blades which has impact to low efficiency of centrifugal pump.
Kata kunci :centrifugal pump, computational fluid dynamics, efficiency, head
PENDAHULUAN
Pompa sentrifugal merupakan peralatan yang banyak digunakan pada berbagai macam aplikasi industri dan beberapa sektor lain. Pompa bekerja dengan mengonversi energi mekanik menjadi tekanan dan atau energi kenetik.Tekanan pada pompa meningkat dengan menghasilkan bagian dengan tekanan rendah (lebih rendah dari tekanan atmosfer) pada bagian sisi hisap pompa dan tekanan tinggi pada bagian keluaran pompa.Oleh karena rendahnya tekanan hisap maka fluida mengalir ke pompa dari reservoir.Fluida masuk secara axial melalui lubang hisap pada tengah pompa kemudian fluida tersebut berputar bersama dengan putaran sudu/impeler pompa.
Kaitannya mengenai desain dan prediksi unjuk kerjanya, masih merupakan hal yang perlu dikembangkan dan diteliti karena pada pompa sentrifugal terdapat banyak parameter geometri bebas. disisi lain jika didesain dan diteliti secara eksperimental akan membutuhkan waktu yang lama dan biaya yang signifikan karena dengan sedikit perubahan pada impeler berdampak pada perubahan head maupun efisiensi pompa tersebut.
Atas beberapa pertimbangan tersebut maka beberapa desainer mengembangkan penelitian secara simulasi numerik yang sering disebut sebagai Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD dapat menghasilkan informasi yang akurat pada kondisi fluida yang berada di dalam mesin, dan juga dapat membantu desainer mendapatkan evaluasi unjuk kerja secara teliti pada obyek sehingga dengan penelitian menggunakan CFD pada pompa sentrifugal dapat diketahui unjuk kerja pompa baik head maupun efisiensinya.
Head dan efisiensi pompa diperngaruhi oleh beberapa faktor antara lain jumlah impeler dan
sudut impelernya khususnya sudut β2. Sudut β2 merupakan sudut yang dibentuk dari garis tangensial
impeler terhadap garis tangensial radius impeler seperti terlihat pada Gambar 1. Sudut β2 berpengaruh
pada head pompa seperti terlihat pada persamaan 1 dimana µ merupakan faktor slip, hH merupakan
efisiensi hidrolik, u2 merupakan kecapatan periperal pada bagian keluar impeler, dan cm3 merupakan
kecepatan meridian pada lintasan keluar impeler (Bacharoudis et al., 2008).
Jafarzadeh et al.(Jafarzadeh et al., 2011) meneliti tentang pengaruh jumlah impeler dengan variasi 5, 6, dan 7 impeler terhadap head coeffcient dan efisiensi pada pompa sentrifugal. Dari penelitian tersebut didapatkan bahwa pada head coefficient terbesar didapat pada pompa sentrifugal dengan jumlah impeler 7. Sementara itu, efisiensi optimal didapat dengan jumlah impeler 5 dan 7. Hasil yang hampir sama juga diungkapkan oleh Houlin et al. (Houlin et al., 2010) dimana pompa sentrifugal dengan variasi jumlah impeler 4, 5, 6, dan 7 memiliki head dan efisiensi tertinggi pada jumlah impeler 7.
Gambar 1. Sketsa impeler pompa sentrifugal (Anagnostopoulos, 2009). ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = 2 2 3 2 2 1 cotβ μη u c g u H m H (1)
Pengaruh sudut β2 terhadap head dan efisiensi pompa sentrifugal diteliti oleh Bacharoudis et
al. (Bacharoudis et al., 2008). Penelitian tersebut melibatkan tiga impeler dengan sudut β2 = 20 o, 30 o,
dan 50o. Dari ketiga variasi sudut tersebut, pompa sentrifugal dengan sudut β
2 = 50o memiliki head
paling tinggi sementara efisiensi terbesar diperoleh pada β2 = 20 o. Dengan pertimbangan beberapa
referensi tersebut maka pada makalah ini akan disajikan optimasi head dan efisiensi pompa sentrifugal
dengan perubahan variasi jumlah impeler dan perubahan sudut β2 sudu impeler.
METODE PENELITIAN
Optimasi head dan efisiensi pompa dilakukan dengan metode CFD model tiga dimensi pada kondisi tunak. Model turbulensi menggunakan k-e seperti yang disarankan oleh Singh & Nataraj(Singh & Nataraj, 2012). Desain pompa diadopsi dari penelitian secara eksperimen oleh Damor et al (Damor et al., 2013) pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi pompa
Spesifikasi Ukuran
Diameter luar impeler 111 mm
Diameter inlet impeler 52 mm
Sudut inlet sudu impeler β1 73,5o
Sudut outlet sudu impeler β2 56,5o
Ketebalan sudu impeler 3 mm
Jumlah sudu 7
Diameter shaft 14 mm
Head/ tinggi tekan pompa (H) dihitung dengan persamaan 2. g P H ⋅ Δ = ρ (2)
Dimana ∆P merupakan beda tekanan masuk dan keluar pompa (Pa), ρ merupakan densitas air
(kg/m3), g merupakan percepatan gravitasi (m/s2). Efisiensi (h) dihitung dengan persamaan 3.
N Q H g⋅ ⋅ ⋅ = ρ η (3)
Dimana Q merupakan debit aliran (m3/dt) dan N merupakan daya putaran shaft pompa yang
dapat diperoleh dari persamaan 4. 60
2 T n
N = ⋅ ⋅π⋅ (4)
Dimana T merupakan torsi shaft (Nm) dan n merupakan besarnya putaran shaft (rpm).
Untuk menguji keakuratan, pemodelan divalidasi dengan data unjuk kerja pompa hasil eksperimen. Ekperimen dilakukan dengan menguji karakteristik pompa pada debit air antara 0-8,78 L/dt dengan putaran sudu impeler dari 2842-2918 rpm. Selanjutnya proses optimasi unjuk kerja pompa dilakukan menggunakan simulasi CFD pada putaran konstan 2800 rpm dengan mengubah
lain: 6, 7, 8, 9 impeler sebagai mana terlihat pada model Gambar 2. Setelah diperoleh nilai unjuk kerja
optimum pada jumlah impeler, selanjutnya sudut sudu impelernya divariasi 36,5o, 46,5o, 56,5o, dan
66,5o. Dari kedua variasi tersebut dibuat grafik head dan efisiensi terhadap debit air yang dipompakan
dari 2-10 L/dt.
a b c d Gambar 2. Pompa setrifugal; a. 6 sudu impeler, b. 7 sudu impeler, c. 8 sudu impeler, d. 9 sudu
impeler PEMBAHASAN
Validasi Model
Validasi dilakukan untuk membandingkan model dengan eksperimen sehingga model yang dibuat memiliki hasil yang akurat. Unjuk kerja pompa sentrifugal yang diperoleh dari data eksperimen dan simulasi ditampilkan pada Gambar 3. Secara umum terlihat bahwa antara hasil pemodelan dan eksperimen memiliki pola yang hampir sama. Dengan semakin besarnya debit aliran air yang dipompa maka semakin kecil tinggi tekan/ head yang dihasilkan baik pada hasil pemodelan maupun eksperimen. Hal ini karena dengan semakin besar debit air maka semakin rendah beda tekanan antara masuk dan keluar pompa yang mengakibatkan rendahnya head pompa.
Sementara itu, efisiensi pompa memiliki nilai optimum pada debit air tertentu, semakin besar debit air mengakibatkan efisiensi cenderung menurun, begitu pula dengan semakin kecil debit air yang dipompakan, semakin kecil pula efisiensi pompa baik pada hasil pemodelan maupun eksperimen. Efisiensi optimum pada hasil pemodelan terjadi pada debit air 5,3 L/dt yaitu sebesar 43,78% sementara pada eksterimen efisiensi optimum pada debit 6,25 L/dt yaitu sebesar 43,64%. Perbedaan antara hasil pemodelan dan eksperimen pada nilai optimum tersebut tidak signifikan, kurang dari 2,5% dan masih memiliki pola efisiensi yang sama sehingga pemodelan dengan CFD masih dapat dikatakan akurat.
Gambar 3. Validasi model dengan eksperimen
Pengaruh Perubahan Jumlah Sudu Impeler
Head atau tinggi tekan pompa sentrifugal dipengaruhi oleh jumlah sudu impeler pompa. Secara umum dengan semakin banyaknya jumlah sudu impeler pompa maka semakin tinggi head pompa yang dihasilkan seperti terlihat pada Gambar 4. Peningkatan head tersebut disebabkan oleh perubahan torsi yang dihasilkan oleh sudu impeler. Dengan semakin banyaknya sudu impeler maka
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Efisiensi Head (m) Debit air (L/dt) H-eksperimen H-simulasi Eff-eksperimen Eff-simulasi
semakin besar torsi sudu impeler yang dihasilkan sehingga dengan besarnya torsi tersebut maka energi yang digunakan untuk memindahkan fluida semakin besar yang ditandai dengan besarnya beda tekanan antara saluran masuk dan keluar pompa. Dengan besarnya beda tekanan tersebut maka
semakin besar pula head yang dihasilkan pompa. Besarnya torsi pompa sentrifugal dengan jumlah
sudu impeler 6, 7, 8, dan 9 pada debit 6 L/dt masing-masing sebesar 4,25, 4,48, 4,63, dan 4,85 Nm.
Gambar 4. Pengaruh jumlah sudu impeler terhadap Head
Gambar 5 memperlihatkan hubungan antara debit air dengan efisiensi pompa pada tiap variasi pompa dengan jumlah impeler yang berbeda. Pada gambar tersebut terlihat bahwa efisiensi tertinggi dari pompa dimiliki oleh pompa dengan jumlah sudu impeler 9 kemudian diikuti oleh jumlah sudu impeler 8, 7, dan 6. Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa dengan semakin besar jumlah sudu
impeler maka semakin besar pula efisiensi pompa yang dihasilkan. Hal ini dipengaruhi oleh head
yang dihasilkan, sementara daya shaft pompa tidak terjadi perubahan yang signifikan sehingga dengan
semakin besar head maka semakin besar pula efisiensi pompa yang dihasilkan.
Gambar 5. Pengaruh jumlah sudu impeler terhadap efisiensi Pengaruh Perubahan Sudut β2 Sudu Impeler
Berdasarkan pembahasan pengaruh jumlah sudu impeler pompa, pompa dengan jumlah sudu
impeler 9 memiliki head dan efisiensi paling tinggi dari pompa lain. Sehingga optimasi unjuk kerja
pompa dengan perubahan sudut sudu impeler dilakukan pada pompa sentrifugal dengan jumlah sudu
impeler 9. Sudut keluar impeler (β2) memiliki pengaruh pada head dan efisiensi pompa. Gambar 6
memperlihatkan pengaruh sudut sudu keluar impeler pompa terhadap head pompa. Pada gambar
tersebut terlihat bahwa sudut sudu keluar impeler pompa 46,5o memiliki head yang paling tinggi pada
debit aliran alir 10 L/dt akan tetapi untuk debit aliran air antara 2-8 L/dt antara pompa dengan sudut
sudu impeler 36,5o, 46,5o, 56,5o tidak terjadi perubahan head pompa yang sigifikan. Berbeda dengan
pompa yang memiliki sudut sudu impeler β2 = 66,5o yang mana pada sudut tersebut pompa memiliki
head paling rendah. Hal ini karena beda tekanan masuk dan keluar pompa sentrifugal dengan sudut β2
= 66,5o lebih rendah dibanding pompa dengan sudut sudu impeler yang lain walaupun memiliki torsi
paling tinggi sehingga berdampak pada rendahnya efisiensi seperti terlihat pada Gambar 7. Torsi shaft
pompa dengan sudut β2 = 36,5o, 46,5o, 56,5o, dan 66,5o berturut-turut sebesar 3,87, 4,34, 4,84, dan
5,04 Nm pada debit aliran air 6 L/dt. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 2 4 6 8 10 Head (m) Debit (L/dt) 6 impeler 7 impeler 8 impeler 9 impeler 0% 10% 20% 30% 40% 50% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Efisiensi Debit air (L/dt) 6 impeler 7 impeler 8 impeler 9 impeler
Gambar 6. Pengaruh sudut sudu keluar pompa (β2) terhadap head pompa
Pengaruh sudut keluar sudu impeler terhadap efisiensi ditampilkan pada Gambar 7Error! Reference source not found.. Pada gambar tersebut terlihat bahwa dengan semakin rendah sudut
keluar (β2)sudu impeler maka semakin besar efisiensi pompa yang dihasilkan. Efisiensi pompa
sentrifugal dengan sudut β2 = 36,5o, 46,5o, 56,5o, dan 66,5o berturut-turut sebesar 54,42%, 49,72%,
44,97%, dan 39,96%. Hal ini karena dengan semakin besar sudut β2berpengaruh terhadap pola aliran
air dalam pompa. Pompa sentrifugal megalirkan air dari pusat putaran menuju diameter luar impeler sehingga dalam impeler tersebut terdapat arah aliran air radial dan sentrifugal. Semakin besarnya sudut mengakibatkan semakin besar aliran air dengan arah radial sehingga terjadi tumbukan arah antara radial dan sentrifugal yang berakibat pada munculnya arah aliran yang membentuk seperti
kurva seperti terlihat pada Gambar 8. Selain itu, dengan semakin besar sudut β2 juga terlihat area
berkecepatan tinggi pada sisi hisap impeler. Dengan pola aliran yang berbentuk seperti kurva dan terdapat area berkecepatan tinggi berakibat pada tingginya turbulensi. Turbulensi yang tinggi mengakibatkan tingginya rugi tekanan sehingga walaupun impeler pompa memiliki torsi yang besar
akan tetapi diperoleh head yang rendah sehingga efisiensi pompa rendah. Hal inilah yang
dimungkinkan menjadi penyebab turunnya efisiensi dengan semakin besarnya sudut β2.
Gambar 7. Pengaruh sudut sudu keluar pompa (β2) terhadap efisiensi pompa
0 2 4 6 8 10 12 14 16 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Head (m) Debit Air (L/dt) B2=66,5 deg B2=56,5 deg B2=46,5 deg B2=36,5 deg 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Efisiensi Debit (L/dt) B2=66,5 deg B2=56,5 deg B2=46,5 deg B2=36,5 deg
β2 = 36,5o β2 = 46,5o
β2 = 56,5o β2 = 66,5o
Gambar 8. Pola kecepatan aliran air dalam pompa pada debit 6 L/dt KESIMPULAN
Tinggi tekan dan efisiensi pompa dipengaruhi oleh jumlah sudu impeler dan sudut sudu keluar impeler pompa. Dengan semakin besar jumlah sudu impeler maka semakin besar tinggi tekan dan efisiensi pompa yaitu pada pompa dengan jumlah sudu impler 9. Selain itu, perubahan sudut sudu keluar impeler juga berpengaruh pada tinggi tekan dan efisiensi pompa. Dengan perubahan sudut
tersebut terjadi perubahan head yang tidak signifikan. Akan tetapi dengan perubahan sudut tersebut
berdampak cukup besar pada efisiensi. Dengan semakin kecil sudut sudu keluar impeler maka
semakin besar efisiensi pompa yang dihasilkan dengan nilai optimumnya 54,42% pada β2 = 36,5o.
Dengan perubahan sudut sudu keluar impeler berdampak pada perubahan pola aliran air dalam pompa
khususnya pada turbulensi aliran. Dari penelitian ini pompa terjadi peningkatan baik head mapupun
efisiensi pompa, pompa sentrifugal awalnya memiliki 7 sudu impeler dengan tinggi tekan dan efisiensi sebesar 12,01 m dan 43,03% pada debit air 6 L/dt dapat ditingkatkan menjadi 13,1 m dan 54,42%
dengan mengubah jumlah impeler pompa menjadi 9 dan sudut sudu keluar impelernya 35,6o.
DAFTAR PUSTAKA
Anagnostopoulos, J.S., 2009. A Fast Numerical Method for Fow Analysis and Blade Design in Centrifugal Pump Impellers. Computers & Fluids, pp.284–89.
Bacharoudis, E.C., Filios, A.E., Mentzos, M.D. & Margaris, D.P., 2008. Parametric Study of a Centrifugal Pump Impeller by Varying the Outlet. The Open Mechanical Engineering Journal, pp.75-83.
Damor, J.J., Patel, D.S., Thakkar, K.H. & Brahmbhatt, P.K., 2013. Experimental and CFD Analysis Of Centrifugal Pump Impeller- A Case Study. International Journal of Engineering Research & Technology .
Houlin, L. et al., 2010. Effects of Blade Number on Characteristics of Centrifugal Pumps .
Chinese Journal of Mechanical Engineering , pp.1-6.
Jafarzadeh, B., Hajari, A., Alishahi, M.M. & Akbari, M.H., 2011. The Fow Simulation of A Low-Specific-Speed High-Speed Centrifugal Pump. Applied Mathematical Modelling, pp.242–49.
Singh, R.R. & Nataraj, 2012. Parametric Study and Optimization of Centrifugal Pump Impeller by The Design Parameter Using Computational Fluid Dynamics: Part I. Journal of Mechanical and Production Engineering, pp.87-97.
Pola aliran berkecepatan tinggi
Pola aliran berkecepatan tinggi Pola aliran berkecepatan tinggi
