Studi Eksperimental Deteksi Fenomena Kavitasi Pada Pompa Sentrifugal Menggunakan Sinyal Getaran Untuk Condition Monitoring

(1)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL MENGGUNAKAN SINYAL

GETARAN UNTUK CONDITION MONITORING

TESIS

Oleh

IBNU HAJAR 077015003/MTM

PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

(2)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL MENGGUNAKAN SINYAL

GETARAN UNTUK CONDITION MONITORING

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Magister Teknik Mesin Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

OLEH

IBNU HAJAR 077015003/MTM

PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

(3)

Judul Tesis : STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA

KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL MENGGUNAKAN SINYAL GETARAN UNTUK CONDITION MONITORING

Nama Mahasiswa : Ibnu Hajar

Nomor Pokok : 077015003

Program Studi : Megister Teknik Mesin

Menyetujui Komisi Pembimbing

(Dr.-Ing. Ikhwansyah Isranuri)

Ketua

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)

Anggota

(Ir. Tugiman, MT)

Anggota

Ketua Program Studi,

(Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME)

Dekan

(4)

(5)

Telah diuji pada Tanggal : 18 Mei 2010

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr.–Ing. Ikhwansyah Isranuri

Anggota : 1. Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME 2. Ir. Tugiman, MT

(6)

ABSTRAK

Kavitasi merupakan fenomena perubahan phase uap dari zat cair pada fluida yang mengalir. Perubahan tersebut diakibatkan turunnya tekanan maupun naiknya temperatur fluida, turbulensi dan pulsasi pada pipa isap. Pada pompa sentrifugal kavitasi dapat terjadi pada

suction pompa, sudu pompa maupun di pipa. Indikasi kavitasi adalah timbulnya

gelembung-gelembung uap, getaran dan suara bising. Dampak kavitasi pada pompa adalah turunnya unjuk kerja (performance) dan kerusakan komponen pompa. Pada penelitian ini divariasikan tekanan isap untuk mendapatkan nilai NPSHAdengan pengaturan katub isap dan perubahan kapasitas untuk mengamati pola aliran. Untuk mengetahui terjadinya kavitasi parameter yang digunakan dengan mengukur perilaku getaran pompa, temperatur fluida dalam rumah pompa dan mengamati pola aliran dengan gambar dan vibrasi eksitasinya. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan vibrometer dengan arah pengukuran aksial, vertikal dan horizontal pada frequency domain dan time domain. Hasil penelitian menunjukkan intensitas sinyal getaran pada pompa semakin besar pada NPSHArendah dengan kenaikan amplitudo sinyal getaran pada masing-masing simpangan sebesar 1,80 × 10-6 m, 2,24 × 10-6 m dan 2,46 × 10-6m, kecepatan sebesar 1,38 × 10-5m/s, 1,66 × 10-5m/s dan 1,97 × 10-5m/s dan percepatan sebesar 1,04 × 10-4m/s2, 1,03 × 10-4m/s2dan 1,61 × 10-4m/s2, yang disebabkan oleh tekanan isap yang rendah dan perubahan temperatur fluida meningkat pada masing-masing kondisi operasi selama 5 jam sebesar 0,010oC,0,032oC dan 0,104oC. Secara visual pola aliran terjadi akibat perubahan kapasitas pompa dan kavitasi terdeteksi dengan naiknya amplitudo sinyal getaran simpangan terjauhnya sebesar 4,06 × 10-3 m/s pada bilangan Reynolds 17785,30 dengan kecepatan aliran 1,67 m/s.

(7)

ABSTRACT

Cavitation is a phenomenon of the change to vapor phase from liquid in flowing fluid. The change is caused by low pressure or high fluid temperature, turbulance and pulsation of the suction pipe. In centrifugal pump, cavitations may occur in its pump suction, pump impeller and also in pipe. The indication of cavitation is the existence of steam bubbles, vibration, and noise. The effects of cavitation on the pump is the drop of pump’s performance and damage to pump components. In this study, the suction pressure is varied to obtain NPSHA (Net Positive Suction Head Available)

value by regulating suction valve and capacity change to monitor flow patterns. To examine the phenomenon of cavitation, the parameters used are the measurement of pump vibration behavior, the temperature of fluid in pump casing, and the monitoring of flow pattern through its picture and exitation vibration. The measurement was conducted by vibrometer with axial, vertical, and horizontal directions at the frequency and time domains. The result of this study showed that the intensity of vibration signal in the pump become bigger at low NPSHAvalue with the increase of

vibration signal amplitude at each displacement 1.80 × 10-6 m, 2.24 × 10-6m and 2.46 × 10-6 m. The increase velocity of the amplitude at each 1.38 × 10-5m/s,1.66 × 10-5m/s and 1.97 × 10-5 m/s, and the increase acceleration of the amplitude at each 1.04 × 10-4m/s2, 1.03 × 10-4m/s2and 1.61 × 10-4m/s2, caused by the low suction pressure and the increasing fluid temperature change at each condition after 5 hours operation for 0.010 °C, 0.032 °C and 0.104 °C. Visually, the flow pattern occurs as a result of pump capacity change and cavitations phenomena can be detected by the increase of vibration signal amplitude with it’s the biggest deviation for 4.06 × 10-3m/s at the Reynolds number of 17785.30 with flow velocity of 1.67 m/s.

(8)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kita panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkat rahmat dan

hidayahNya, penulis dapat menyelesaikan penelitian tesis yang berjudul “Studi Eksperimental Deteksi Fenomena Kavitasi Pada Pompa Sentrifugal Menggunakan Sinyal Getaran Untuk Condition Monitoring”

Tesis ini merupakan hasil penelitian yang dilakukan di Pusat Riset

Noise/Vibration Control and Knowledge-Base in Engineering FT-USU. Penulisan

tesis ini terlaksana berkat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak terutama komisi

pembimbing dan melalui seminar upen/upro yang telah banyak memberi masukan

saran demi terlaksana penelitian ini. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan

ucapan terima kasih dan penghargaan yang sedalam-dalamnya kepada

Dr.Ing-Ikhwansyah Isranuri dan Prof.Dr.Ir.Bustami Syam,MSME serta Ir.Tugiman, MT,

selaku Ketua dan Anggota Komisi Pembimbing yang banyak memberikan petunjuk

dan arahan dalam penulisan dan langkah-langkah penelitian. Ucapan terima kasih dan

perhargaan juga ditujukan penulis kepada Prof.Dr.Ir.Armansyah Ginting,M.Eng,

selaku Dekan Fakultas Teknik USU, Prof.Dr.Ir. Bustami Syam, MSME dan

Dr.-Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri sebagai Ketua Program Studi dan Sekretaris Program Studi

Magister Teknik Mesin, yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas demi

(9)

Knowledge-Base in Ingineering pada Jurusan Teknik Mesin FT-USU, terima kasih

diucapkan atas segala fasilitas dan kemudahan yang telah diberikan sehingga

penelitian ini terlaksana dengan baik dan anggota tim riset terutama M.Halley serta

Asriel dan Andi yang banyak membantu dalam riset ini.

Juga penulis sampaikan ucapan terimakasih kepada Direktur Politeknik Bengkalis

Riau dan Ketua Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan kesempatan kepada

penulis untuk studi lanjut di Program Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera

Utara dan terima kasih yang tak terhingga penulis sampaikan kepada Ayahanda

(Alm) Abubakar Syam dan Ibunda tersayang (Alm) Siti Hajar yang telah melahirkan,

mengasuh, mendidik dan membesarkan peneliti. Juga kepada istri tercinta Martini

atas kesetiaan, dukungan dan keikhlasan serta dorongan moril dalam mendampingi

penulis untuk sukses dalam penelitian ini serta adik-adikku Alizar, Julidar, dan

Jumaidar, yang telah mendukung dan membantu penulis.

Ucapan terima kasih selanjutnya penulis sampaikan kepada Bapak-bapak Dosen

yang telah memberikan tanggapan dan saran perbaikan serta kepada Davit CL

Tobing, Yuhelson, Ukhri Handoko, Ari Wahyu Rismaputri, Melani, Sidik Rasidi dan

rekan-rekan lainnya yang namanya tidak tercamtum, yang telah membantu penulis.

Akhir kata penulis berharap semoga tesis ini dapat memberi manfaat kepada

(10)

Engkau ya Allah tempat hamba berlindung dan hanya Engkau tempat hamba

memohon petunjuk dan keampunanMu.

Medan, Mei 2010

Penulis,

(11)

RIWAYAT HIDUP

IBNU HAJAR Data Diri

Tempat/Tgl. Lahir : Meudang Ara, 10 Agustus 1971

Jenis Kelamin : Laki-laki

Pekerjaan : Kawin

Alamat : Jl. Sei Alam Komplek Perumahan

Politeknik Bengkalis No.3

Bengkalis- Riau

Telepon : +62 - 81365-501690

E-mail : ibnuh4j4r@yahoo.co.id

Warga Negara : Indonesia

Agama : Islam

Latar Belakang

Pendidikan _1978-1984 _{: SD Negeri No.1 Kuta Binjei, Aceh Timur}

1984-1987 : SMP Negeri 1, Kuta Binjei, Aceh Timur

1987-1990 : SMA Negeri 1, Kuta Binjei Aceh Timur

1990-1997 : Sekolah Tinggi Iskandar Thani Banda Aceh

(12)

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK... i

ABSTRACT... ii

KATA PENGANTAR... iii

RIWAYAT HIDUP... v

DAFTAR ISI... vi

DAFTAR TABEL... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR LAMPIRAN... xviii

DAFTAR ISTILAH... xix

1 PENDAHULUAN... 1

1.1. Latar Belakang Masalah... 1

1.2. Perumusan Masalah... 4

1.3. Tujuan Penelitian... 5

1.3.1. Tujuan Umum ... 5

1.3.2. Tujuan Khusus... 5

1.4. Manfaat Penelitian... 6

1.5. Ruang Lingkup Penelitian……… 7

2 . TINJAUAN PUSTAKA... 8

2.1. Kavitasi... 8

2.1.1. Penyebab Kavitasi pada Pompa Sentrifugal... 9

2.2. Net Positif Suction Head (NPSH)... 11

2.2.1. Net Positif Suction Head Available (NPSHA)... 12

2.2.2. Net Positif Suction Head Requared (NPSHR)... 14

2.3. Temperatur Fluida ... 16

(13)

2.4. Pola Aliran ... 18

2.4.1. Klasifikasi Pola Aliran ... 20

2.4.2. Pola Aliran Von Karman’s ... 22

2.5. Aliran Fluida ... 21

2.5.1. Aliran Laminar dan Turbulen... 22

2.6. Pompa... 24

2.6.1. Karakteristik Pompa... 25

2.6.2. Tinggi Tekan (Head) pompa... 26

2.6.3. Head Tekanan………... 27

2.6.4. HeadKecepatan………. 28

2.6.5. Head StatisTotal………... 28

2.7. Kerugian Head………. 29

2.7.1. KerugianHead Minor……….... 29

2.7.2. KerugianHead Mayor……….... 30

2.7.3. Total Losses ... 31

2.8. Getaran Mekanis………... 32 2.8.1. Karakteristik Getaran………... 33

2.8.2. Gerak Harmonik ………... 36

2.8.3. Gerak Periodik………... 38

2.8.4. Getaran Bebas (Free Vibration)………... 39

2.8.4. Getaran Paksa………. 40

2.9. Pengolahan Data Vibrasi……….. 43

2.9.1. Data Domain Waktu ( Time Domain)……… 43

2.9.2. Data Domain Frekuensi (Frequency Domain)……… 44

2.10. Standarisasi Vibrasi……… 46

(14)

3 METODE PENELITIAN... 49

3.1. Waktu dan Tempat... 49

3.2. Bahan, Peralatan dan Metode... 49

3.2.1. Bahan……… 49

3.2.2.Peralatan……… 51

3.2.3. Metode……… 57

3.3. Pengolahan Data... 64

3.4. Analisa Data... 64

3.5. Variabel yang diamati... 64

3.6. Pelaksanaan Penelitian... 65

4 . HASIL DAN PEMBAHASAN... 67

4.1. Pendahuluan………... 67

4.2. Perhitungan Tinggi Tekan (Head) Pompa………... 68

4.2.1. Tinggi tekan statik (head static)... 69

4.2.2. Kehilangan tinggi tekan pada pipa isap... 69

4.2.3. Kehilangan tinggi tekan pada pipa tekan... 73

4.3. Hubungan Bukaan katub dengan NPSHApada Pipa Isap... 76

4.4. Hubungan Bukaan katub dengan Manometer Isap... 78

4.5. Hubungan Tinggi Tekan (Head) dengan Manometer Tekan... 80

4.5.1. Hubungan variasi head dengan kapasitas pengisian tangki tekan dan putaran pompa... 82

4.6. Perhitungan Getaran Pompa... 89

4.6.1. Kecepatan sudut motor penggerak ... 90

4.6.2. Kecepatan sudut sistem yang bergerak... 90

4.7. Pengukuran Getaran Pompa dengan Variasi NPSHA... 92

(15)

4.7.2. Analisa karakteristik getaran pada NPSHA= 10,23 meter... 98

4.7.3. Analisa karakteristik getaran pada NPSHA= 10 meter... 102

4.7.4. Analisa karakteristik getaran pada NPSHA= 8,61 meter... 105

4.8. Verifikasi Data Karakteristik Getaran dengan Variasi NPSHA... 108

4.8.1. Verifikasi data simpangan pada berbagai NPSHA... 108

4.8.2. Verifikasi data kecepatan pada berbagai NPSHA... 115

4.8.3. Verifikasi data percepatan pada berbagai NPSHA... 121

4.9. Hubungan Karakteristik Getaran dengan NPSHApompa ... 126

4.9.1. Hubungan nilai NPSHA terhadap standarisasi vibrasi ... 128

4.10. Analisa Temperatur Fluida terhadap Kondisi Operasi... 129

4.11. Karakteristik Pola Aliran ... 136

4.11.1. Visualisasi Pola Aliran... 136

4.11.2. Perhitungan bilangan Reynolds... 139

4.12. Hubungan Bilangan Reynolds terhadap Perilaku Getaran... 141

4.12.1. Analisa perilaku getaran terhadap bilangan Reynolds... 141

4.12.2. Hubungan pola aliran dengan perilaku getaran... 145

5 . KESIMPULAN... 151

5.1. Kesimpulan... 151

5.2. Saran... 153

DAFTAR PUSTAKA... 154

(16)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

2.1 Sifat-sifat air (dibawah 1 Atm, air jenuh diatas 100oC)... 17

2.2 Karakteristik dan satuan getaran... 35

4.1 Hubungan bukaan katup dengan NPSHA………... 77

4.2 Hubungan bukaan katup isap dan tekanan pada manometer isap. 80 4.3 Hubungan variasi head dan tekanan pada manometer tekan... 82

4.4 Hubungan variasi tinggi tekan dengan kapasitas pengisian reservoir tekan dan putaran poros pompa... 83

4.5 Spesifikasi pompa……… 89

4.6 Data rata-rata pengukuran frequency domain... 93

4.7 Data rata-rata pengukuran time domain ... 93

4.8 Hasil perhitungant dan amplitudo pada frequency domain ... 95

4.9 Hasil perhitungant dan amplitudo pada time domain... 96

4.10 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada frequency domain. 96 4.11 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada time domain ... 96

4.12 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada frequency domain ... 97

4.13 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada time domain... 97

4.15 Data rata-rata pengukuran time domain... 99

(17)

4.18 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada frequency domain.. 100

4.19 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada time domain... 100

4.20 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada frequency domain... 101 4.21 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada time domain 101 4.22 Data rata-rata pengukuran frequency domain... 102

4.24 Hasil perhitungant dan amplitudo pada frequency domain... 103

4.26 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada frequency domain.. 103

4.27 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada time domain... 104

4.28 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada frequency domain... 104

4.29 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada time domain... 104

4.32 Hasil perhitungant dan amplitudo pada frequency domain... 106

4.34 Hasil perhitungan karakteristik getaran pada frequency domain... 107

(18)

4.36 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada frequency

domain... 107

4.37 Hasil perhitungan fungsi karakteristik getaran pada time

domain... 108

4.38 Perbandingan displacement pada arah aksial terhadap waktu

pada NPSHAyang bervariasi ... 109

4.39 Perbandingan displacement pada arah vertikal terhadap waktu

pada NPSHA yang bervariasi... 111

4.40 Perbandingan displacement pada arah horizontal terhadap waktu pada NPSHAyang

bervariasi...

113

4.41 Perbandingan velocity pada arah aksial terhadap waktu pada

NPSHAyang bervariasi... 115

4.42 Perbandingan velocity pada arah vertikal terhadap waktu pada

4.43 Perbandingan velocity pada arah horizontal terhadap waktu

4.44 Perbandingan acceleration pada arah aksial terhadap waktu

4.45 Perbandingan acceleration pada arah vertikal terhadap waktu

4.46 Perbandingan acceleration pada arah horizontal terhadap waktu pada NPSHA yang

bervariasi...

125

4.47 Rekapitulasi hasil pengukuran temperatur pada rumah pompa

untuk masing-masing kondisi operasi ... 129

4.48 Verifikasi data temperatur pada berbagai nilai NPSHAdan kondisi operasi...

(19)

4.49 Hasil perhitungan flow rate, velocity dan Renolds Number

pengujian pada penutupann katub isap 20%, 40%, 60%, 80% 140

4.50 Data rata-rata pengukuran frekwensi domain... 142

4.52 Hasil perhitungant dan amplitudo pada frekwensi domain

untuk bilangan Reynolds = 349373... 144

4.53 Hasil perhitungant dan amplitudo pada time domain untuk

bilangan Reynolds = 349373... 144

4.54 Hasil perhitungant dan amplitudo pada frequency domain

untuk bilangan Reynolds = 358774 ... 145

bilangan Reynolds = 358774 ... 145

untuk bilangan Reynolds = 430295 ... 145

4.57 Hasil perhitungant dan amplitudo pada frequency domain untuk bilangan Reynolds = 445462...

146

untuk bilangan Reynolds = 445462... 146

bilangan Reynolds = 445462... 146

4.60 Hubungan Pola aliran terhadap kenaikan sinyal getaran pompa

(20)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

2.1 Proses Kavitasi ... 9

2.2 Kerusakan Impeller akibat kavitasi... 11

2.3 Posisi pompa terletak diatas permukaan fluida yang diisap... 13

2.4 Posisi pompa terletak dibawah permukaan fluida yang diisap... 14

2.5 Pola aliran pada pipa horizontal... 20

2.6 Klasifikasi pola aliran berdasarkan bilangan Reynolds... 21

2.7 Daerah masuk aliran sedang berkembang dan aliran berkembang penuh didlam pipa ... 22

2.8 Aliran laminar dan Turbulen... ... 23

2.9 Profil impeller dan jenis pompa... 24

2.10 Kurva karakteristik pompa sentrifugal aquavane A32-160... 26

2.11 Sistem getaran sederhana... 34

2.12 Hubungan antara perpindahan, kecepatan dan percepatan ... 35

2.13 Gerak harmonik sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak pada lingkaran... 37

2.14 Gerak periodik gelombang sinyal segiempat dan gelombang pembentuknya dalam domain waktu... 38

2.15 Sistem pegas-massa dan diagram benda bebas... 39

2.16 Sistem yang teredam karena kekentalan dengan eksitasi harmonik... 41

(21)

2.18 Hubungan time domain dengan frequency domain... 45

2.19 Standart ISO 10816-3 untuk vibrasi... 46

2.20 Kerangka konsep... 48

3.1 Instalasi pompa dan pendukungnya... 49

3.2 Tampak depan dari sistem pemasangan pompa dan instalasinya.... 49

3.3 Tampak Atas dari Sistem Pemasangan Pompa dan Instalasinya... 51

3.4 Vibrometer analog VM-3314A,IMC Corporation, Japan... 54

3.5 Thermocouple Thermometer Tipe KW 06-278 Krisbow ……... 55

3.6 Profil digital photo contact tachometer... 56

3.7 Katub isap dan manometer vakum ... 58

3.8 Katub tekan dan flow meter... 58

3.9 Posisi reflective tape pada kopling dan pengukuran putaran... 59

3.10 Lokasi dan titik pengukuran sinyal getaran...……….. 60

3.11 Arah pengukuran getaran pada pompa... 60

3.12 Arah dan titik pengukuran temperatur fluida... 62

3.13 Pipa transparan (pipa acrylic)………... 63

3.14 Diagram aliran pelaksanaan penelitian... 66

4.1 Head statis pada sisi tekan dan head statis pada sisi isap... 69

4.2 Head statis pada sisi isap pompa... 77

4.3 Hubungan variasi bukaan katup isap dengan tekanan isap... 78

(22)

4.5 Hubungan tinggi tekan dan kapasitas untuk kondisi aktual

NPSHA= 10,30 m ... 84

4.6 Hubungan putaran poros pompa dan kapasitas untuk kondisi

aktual NPSHA= 10,30 m... 84

4.7 Hubungan tinggi tekan dan kapasitas untuk kondisi aktual

NPSHA= 10,23 m... 85

4.8 Hubungan putaran poros pompa dan kapasitas untuk kondisi aktual NPSHA= 10,23 m ...

85

4.9 Hubungan tinggi tekan pompa dan kapasitas untuk kondisi aktual

NPSHA= 10,23 m .... 86

aktual NPSHA= 10 m ... 86

4.11 Hubungan tinggi tekan pompa dan kapasitas untuk kondisi aktual NPSHA= 8,61 m ...

87

aktual NPSHA= 8,61 m ... 87

4.13 Hubungan head dan kapasitas pada masing-masing nilai NPSHA... 88

4.14 Perbandingan displacement pada arah aksial terhadap waktu

4.15 Laju pertambahan amplitudo simpangan terhadap NPSHA pada

arah aksial ... 110

4.16 Perbandingan displacement pada arah vertikal terhadap waktu

pada NPSHAyang bervariasi ……….. 111

4.17 Laju pertambahan amplitudo simpangan terhadap NPSHA pada

arah vertikal ... 112

4.18 Perbandingan displacement pada arah horizontal terhadap waktu

(23)

4.19 Laju pertambahan amplitudo simpangan terhadap NPSHApada

arah horizontal ... 114

4.20 Perbandingan velocity pada arah aksial terhadap waktu pada

NPSHAyang bervariasi ……….. 115

4.21 Laju pertambahan amplitudo kecepatan terhadap NPSHA pada

arah aksial ……….. 116

4.22 Perbandingan velocity pada arah vertikal terhadap waktu pada

arah vertikal………. 118

4.24 Perbandingan velocity pada arah horizontal terhadap waktu pada

NPSHAyang bervariasi ……….. 119

4.26 Perbandingan acceleration pada arah aksial terhadap waktu pada NPSHAyang bervariasi ...

121

4.27 Laju pertambahan amplitudo percepatan terhadap NPSHA pada

arah aksial ... 122

4.28 Perbandingan acceleration pada arah vertikal terhadap waktu

pada NPSHAyang bervariasi ……….. 123

arah vertikal ... 124

4.30 Perbandingan acceleration pada arah horizontal terhadap waktu

pada NPSHAyang bervariasi ………. 125

4.32 Perbandingan temperatur rumah pompa dengan NPSHA yang

(24)

bervariasi untuk kondisi operasi pompa selama 2 jam ... 131

bervariasi untuk kondisi operasi pompa selama 3 jam……… 132

bervariasi untuk kondisi operasi pompa selama 4 jam ... 133

bervariasi untuk kondisi operasi pompa selama 5 jam... 134

4.37 Verifikasi data temperatur pada berbagai nilai NPSHAterhadap

kondisi operasi... 135

4.38 Pola aliran laminar (Re= 1480,35 , Vf=1,39 m/s ) , closed valve

20%... 137 4.39 Pola aliran laminar (Re=1512,28 , Vf= 1,42 m/s) , closed valve

40%... 137

4.40 Pola aliran gelombang kecil (Re=16826 , Vf= 1,58 m/s) , closed

valve 60%...

137

4.41 Pola aliran gelombang berlapis (Re= 17785 , Vf= 1,67 m/s )

closed valve 80%……… 138

4.42 Hubungan bilangan Reynoldsdengan kecepatan aliran …………. 140

4.43 Hubungan pola aliran dan sinyal getaran pada Re = 1480,35

dengan kecepatan aliran (Va) = 1,39 m/s ………... 146

4.44 Hubungan pola aliran dan sinyal getaran pada Re = 1512,28

dengan kecepatan aliran (Va) = 1, 42 m/s ……….. 151

4.45 Hubungan pola aliran dan sinyal getaran pada Re = 16826

dengan kecepatan aliran (Va) = 1, 58 m/s ……….. 152

4.46 Hubungan pola aliran dan sinyal getaran pada Re = 17785

(25)

xx

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

1 Respon getaran pompa pada NPSHA= 10,30 m ………….. 156

2 Respon getaran pompa untuk NPSHA= 10,23 m ……….. 162

3 Respon getaran pompa untuk NPSHA= 10 m ……… 168

4 Respon getaran pompa untuk NPSHA= 8,61 m …………. 174

5 Tabel pengukuran getaran pompa pada NPSHA = 10,30 m

dengan arah pengukuran aksial, vertikal dan horizontal... 180

7 Tabel pengukuran getaran pompa pada NPSHA = 10 m

9 Tabel pengukuran temperatur fluida dalam rumah pompa

pada kondisi operasi 1 Jam ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 184

10 Tabel pengukuran temperatur fluida dalam rumah pompa

pada kondisi operasi 2 Jam ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 185

11 Tabel koefiesien faktor hambatan, dan diagram moody…. 186

12 Perhitungan NPSHApompa ……… 188

13 Jadwal pelaksanaan penelitian

...

194

(26)

xxi

DAFTAR NOTASI

Simbol Satuan

a Amplitude (m)

f Frequency (Hz)

fn Frequency 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)

t Time (s)

NPSHA Net positif suction head availabe (m)

NPSHR Net posistif suction head required (m)

P Tekanan (kgf/cm2)

Pv Tekanan uap jenuh (kgf/cm2)

(27)

xxii

w Berat (N)

Re Reynolds number

x Displacement (m)

x



Velocity (m/s)

x



Acceleration (m/s2)

τ Periode natural (s)

ρ Massa jenis fluida (kg/m3)

ω Kecepatan sudut (rad/s)

θ Sudut fase (rad)

μ Dynamic viscosity (N.s/m2)

υ Kinematic Viscosity (m2/s)

γ Berat jenis fluida (kgf/m3)

Q Kapasitas/Debit (m3/s)

Vf Kecepatan aliran (m/s)

V Volume (m3)

(28)

ABSTRAK

Kavitasi merupakan fenomena perubahan phase uap dari zat cair pada fluida yang mengalir. Perubahan tersebut diakibatkan turunnya tekanan maupun naiknya temperatur fluida, turbulensi dan pulsasi pada pipa isap. Pada pompa sentrifugal kavitasi dapat terjadi pada

suction pompa, sudu pompa maupun di pipa. Indikasi kavitasi adalah timbulnya

gelembung-gelembung uap, getaran dan suara bising. Dampak kavitasi pada pompa adalah turunnya unjuk kerja (performance) dan kerusakan komponen pompa. Pada penelitian ini divariasikan tekanan isap untuk mendapatkan nilai NPSHAdengan pengaturan katub isap dan perubahan kapasitas untuk mengamati pola aliran. Untuk mengetahui terjadinya kavitasi parameter yang digunakan dengan mengukur perilaku getaran pompa, temperatur fluida dalam rumah pompa dan mengamati pola aliran dengan gambar dan vibrasi eksitasinya. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan vibrometer dengan arah pengukuran aksial, vertikal dan horizontal pada frequency domain dan time domain. Hasil penelitian menunjukkan intensitas sinyal getaran pada pompa semakin besar pada NPSHArendah dengan kenaikan amplitudo sinyal getaran pada masing-masing simpangan sebesar 1,80 × 10-6 m, 2,24 × 10-6 m dan 2,46 × 10-6m, kecepatan sebesar 1,38 × 10-5m/s, 1,66 × 10-5m/s dan 1,97 × 10-5m/s dan percepatan sebesar 1,04 × 10-4m/s2, 1,03 × 10-4m/s2dan 1,61 × 10-4m/s2, yang disebabkan oleh tekanan isap yang rendah dan perubahan temperatur fluida meningkat pada masing-masing kondisi operasi selama 5 jam sebesar 0,010oC,0,032oC dan 0,104oC. Secara visual pola aliran terjadi akibat perubahan kapasitas pompa dan kavitasi terdeteksi dengan naiknya amplitudo sinyal getaran simpangan terjauhnya sebesar 4,06 × 10-3 m/s pada bilangan Reynolds 17785,30 dengan kecepatan aliran 1,67 m/s.

(29)

ABSTRACT

Cavitation is a phenomenon of the change to vapor phase from liquid in flowing fluid. The change is caused by low pressure or high fluid temperature, turbulance and pulsation of the suction pipe. In centrifugal pump, cavitations may occur in its pump suction, pump impeller and also in pipe. The indication of cavitation is the existence of steam bubbles, vibration, and noise. The effects of cavitation on the pump is the drop of pump’s performance and damage to pump components. In this study, the suction pressure is varied to obtain NPSHA (Net Positive Suction Head Available)

value by regulating suction valve and capacity change to monitor flow patterns. To examine the phenomenon of cavitation, the parameters used are the measurement of pump vibration behavior, the temperature of fluid in pump casing, and the monitoring of flow pattern through its picture and exitation vibration. The measurement was conducted by vibrometer with axial, vertical, and horizontal directions at the frequency and time domains. The result of this study showed that the intensity of vibration signal in the pump become bigger at low NPSHAvalue with the increase of

vibration signal amplitude at each displacement 1.80 × 10-6 m, 2.24 × 10-6m and 2.46 × 10-6 m. The increase velocity of the amplitude at each 1.38 × 10-5m/s,1.66 × 10-5m/s and 1.97 × 10-5 m/s, and the increase acceleration of the amplitude at each 1.04 × 10-4m/s2, 1.03 × 10-4m/s2and 1.61 × 10-4m/s2, caused by the low suction pressure and the increasing fluid temperature change at each condition after 5 hours operation for 0.010 °C, 0.032 °C and 0.104 °C. Visually, the flow pattern occurs as a result of pump capacity change and cavitations phenomena can be detected by the increase of vibration signal amplitude with it’s the biggest deviation for 4.06 × 10-3m/s at the Reynolds number of 17785.30 with flow velocity of 1.67 m/s.

(30)

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 mendapatkan hasilnya

seperti getaran dan temperatur.

Pompa sentrifugal adalah jenis pompa yang sangat banyak digunakan oleh

industri, khususnya industri pengolahan dan pendistribusian air. Beberapa

keunggulan pompa sentifugal adalah: konstruksinya sederhana, kapasitas dan tinggi

tekan (head) yang tinggi, mudah pemasangan maupun perawatan, ketahanan dan

kehandalan yang tinggi serta harganya yang lebih murah. Disamping keunggulan dan

ketahanan dari pompa sentrifugal tersebut, masih banyak ditemukan kegagalan yang

terjadi pada pengoperasian dilapangan. Kegagalan pada komponen pompa sentrifugal

yang sering tidak diperhatikan adalah kerusakan pada impeller dan casing, hal ini

terjadi akibat kavitasi.

Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam

(31)

jenuh cairan pada suhu operasi pompa. Pengaruh kavitasi yang terjadi pada pompa

sentrifugal sangatlah merugikan. Dalam hal kavitasi bagian pada pompa yang sering

mengalami kavitasi adalah sisi isap pompa, sudu pompa, maupun di saluran pipa.

Indikasi kavitasi adalah timbulnya gelembung-gelembung uap, suara-suara bising

(noise) dan getaran (vibrasi) serta kerusakan pada komponen pompa tatkala

gelembung-gelembung fluida tersebut pecah ketika melalui daerah yang lebih tinggi

tekanannya.

Pengukuran sinyal getaran dan temperatur fluida pada pompa merupakan salah

satu teknik dalam predictive maintenance, yaitu perawatan berbasis kondisi pompa

ketika beroperasi dengan diagnosis terhadap kinerja. Sinyal getaran dari suatu pompa

merupakan salah satu indikator yang akan menunjukkan kondisi mekanis dari suatu

pompa, apakah pompa itu beroperasi dalam keadaan baik atau tidak. Semakin kecil

nilai suatu vibrasi akan menjadi semakin baiklah peralatan itu, dan sebaliknya apabila

suatu peralatan yang beroperasi mempunyai getaran yang besar atau tinggi, maka

kondisi peralatan tersebut cukup rawan akan kerusakan. Keunggulan penggunaan

pengukuran karakteristik getaran sebagai indikator perawatan karena memberikan

kemudahan pengujian dan titik pengujian tepat pada gaya penggerak, respon getaran

memberikan informasi gejala maksimum dan pengujian dilakukan tanpa

menyambung dan mengganggu operasi peralatan tersebut.

Penyelidikan dan pengujian terhadap fenomena kavitasi pada pompa sentrifugal

(32)

aspek yang berbeda yaitu; J. Jeremi and K.Dayton (2000) dengan melakukan

penelitian tentang kavitasi pada pompa sentrifugal secara eksperimental dengan

menggunakan indicator noise untuk mendeteksi kavitasi. Hasil penelitian diperoleh

bahwa indikasi awal terjadinya kavitasi pada pompa dengan munculnya suara bising

dan metode ini bisa digunakan untuk mengetahui keausan ring (seal). M.Chaudina

(2002), melaporkan penelitian noise spectra yang timbul akibat kavitasi pada pompa

sentrifugal dengan kesimpulan bahwa noise spectra dapat digunakan untuk

menentukan NPSH yang diperlukan pada kondisi mendadak, mewakili batas atas

operasi pompa diizinkan tanpa kavitasi. Seyed Farshid C.Hassan (2005), melaporkan

penelitian yang timbul akibat kavitasi menggunakan spectrum sinyal kebisingan

(noise) dengan kesimpulan bahwa perbedaan tekanan bunyi pada beberapa frekuensi

dapat digunakan untuk pemantauan permulaan dari kavitasi di dalam pompa.

Demikian juga penelitian yang dilakukan Zulkifli (2006), dengan menyelidiki

pengaruh jenis bantalan, kapasitas dan head terhadap perilaku getaran pada pompa

sentrifugal dengan kesimpulan bahwa kapasitas fluida naik dan head pompa menurun

sesuai dengan turunnya beban pompa sehingga getaran pada bantalan menurun dan

sinyal getaran tertinggi terjadi pada frekuensi operasi 24 Hz untuk tiga jenis bantalan

yang berbeda. Selanjutnya, Suyanto,Irham (2007), melaporkan penelitian analisa

pada pompa sentrifugal menggunakan parameter angka Thoma dengan kesimpulan

menunjukkan bahwa kavitasi pada pompa sentrifugal intensitasnya semakin besar

(33)

temperatur fluida tinggi, dan putaran besar. Ni Yongyan Yuan Shouqi (2008),

melaporkan penelitian fenomena kavitasi pada pompa sentrifugal menggunakan

metode Higuchi dengan mengukur pergerakan sinyal frekuensi secara acak pada

frekuensi disekitar impeller dengan kesimpulan metode ini ternyata sukses

mendeteksi indikasi awal kavitasi pada pompa sentrifugal.

Sehubungan dengan majunya teknik perawatan peralatan yang ditandai dengan

digunakannya teknik perawatan predictive maintenance yang berdasarkan

pemantauan kondisi peralatan (condition monitoring) ketika sedang beroperasi,

sehingga keadaan mesin dapat terdeteksi sebelum terjadi kerusakan/kegagalan.

Dengan dilandasi pada latar belakang diatas peneliti memandang perlu dilakukan

suatu penelitian eksperimental dan analisa tentang fenomena kavitasi pada pompa

sentrifugal akibat berubahnya Net Positive Suction Head Available (NPSHA) dengan

mengukur perilaku sinyal getaran dan temperatur fluida dalam rumah pompa serta

mengamati pola aliran yang dapat dijadikan acuan memprediksi terjadinya kavitasi.

1.2. Perumusan Masalah

Secara konseptual kegiatan dalam perawatan prediktif berbasis pemantauan sinyal

getaran adalah berupa pengukuran sinyal getaran secara berkala pada suatu unit

pompa yang sedang beroperasi, menganalisis dan diagnosis serta meramalkan kapan

terjadinya kerusakan, maka pengujian getaran mekanik (vibrasi) sangat diperlukan

(34)

Persoalan kavitasi pada pompa sentrifugal yang diakibatkan oleh turunnya

tekanan operasi pompa sampai dibawah tekanan uap jenuh zat cair, turbulensi dan

pulsasi. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan pada komponen pompa dan akan

membawa dampak yang buruk bagi operasional pompa, yaitu turunnya unjuk kerja

(performance), timbulnya suara bising, getarannya tinggi dan kapasitas berkurang

serta pompa tidak mampu menaikkan head, dampak lanjutan dapat menimbulkan

lubang-lubang (pitting) pada dinding casing maupun permukaan sudu. Sehingga bila

kavitasi berlangsung secara terus-menerus dapat berakibat umur pakai pompa

berkurang. Oleh karena itu, kavitasi di dalam pompa, sebagai suatu gejala yang tak

dapat diterima, harus dihindarkan tentu saja. Dengan melihat dampak yang

diakibatkan oleh kavitasi, maka perlu dilakukan serangkaian pengujian untuk

mengetahui waktu permulaan kavitasi di dalam pompa dengan mengukur perilaku

sinyal getaran dan temperature fluida dalam rumah pompa serta mengamati pola

aliran pada pipa isap dan mengukur vibrasi eksitasinya, sehingga indikasi awal

kavitasi dapat deteksi, dianalisa dan direkomendasikan untuk segera dilakukan

perawatan pada pompa sentrifugal.

1.3. Tujuan Penelitian

1.3.1 Tujuan Umum

Sejalan dengan rumusan masalah yang diuraikan sebelumnya, tujuan yang ingin

(35)

pada pompa sentrifugal menggunakan sinyal getaran untuk condition monitoring

dengan metode studi eksperimental.

1.3.2. Tujuan Khusus

Sedangkan secara khusus tujuan yang ingin dicapai dalam kegiatan penelitian ini

adalah untuk :

1. Mencari hubungan tinggi tekan dan kapasitas terhadap NPSHA pada pompa

sentrifugal satu tingkat.

2. Mengetahui karakteristik getaran pada pompa akibat adanya perubahan

NPSHA.

3. Mengetahui perubahan temperatur fluida dalam rumah pompa terhadap

tekanan operasi.

4. Mengkaji karakteristik pola aliran terhadap perilaku getaran pada pompa

sentrifugal satu tingkat.

1.4. Manfaat Penelitian

Manfaat penelitian ini meliputi manfaat terhadap industri dan manfaat bagi

pendidikan atau pengembangan ilmu pengetahuan.

1.4.1. Manfaat Terhadap Dunia Industri

 Memberikan informasi tentang penggunaan sinyal getaran dan temperatur

fluida dalam rumah pompa sebagai indikator untuk mendeteksi indikasi

terjadinya kavitasi pada pompa sentrifugal satu tingkat.

(36)

tingkat keadaan pompa berdasarkan sinyal getaran.

1.4.2. Manfaat Terhadap Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan

Hasil penelitian ini diharapkan ikut memberikan konstribusi terhadap kemajuan

ilmu pengetahuan khususnya fluida dinamik dalam saluran tertutup, serta dapat

dijadikan acuan untuk penelitian berikutnya sebagai upaya pengembangan dan

pemanfaatan sinyal getaran dalam berbagai aplikasi dimasa yang akan datang.

1.5. Ruang Lingkup Penelitian

Penelitian dimaksud dilakukan melalui metode eksperimental dengan

menggunakan pompa sentrifugal Aquavane KSB Type A32-160 dengan kapasitas

3,5 liter/s dan putaran 1450 rpm. Pengukuran sinyal getaran pada pompa dan

pengukuran temperatur fluida dalam rumah pompa terhadap kavitasi dengan

pengaturan katub isap dan menvariasikan NPSHA. Instalasi pompa yang akan diuji

adalah instalasi pompa yang telah dibuat oleh peneliti sebelumnya (Zulkifli, 2006),

pada kasus ini ditambah alat ukur tekanan isap (manometer vacum) pada sisi pipa isap

sebagai parameter bukaan katub (perubahan tekanan isap). Selanjutnya pada pipa sisi

isap dan tekan dipasang pipa acrylic (pipa transparan) gunanya untuk mengamati pola

aliran. Untuk mendapatkan hasil analisa secara kuantitatif, hasil eksperimen secara

teoritis akan dihitung menggunakan persamaan fluida dinamik dan diplotkan pada

(37)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Kavitasi

Pada sistem pemipaan yang menggunakan pompa sentrifugal sangat mungkin

terjadi kavitasi yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan perbedaan penampang

yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan sampai turun di bawah tekanan uap

jenuhnya sehingga menyebabkan terjadinya fenomena yang disebut kavitasi. Kavitasi

adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam cairan yang

dipompa 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 dari pada tekanan uap jenuh

cairan. Pada daerah tersebut gelembung tersebut akan pecah dan akan menyebabkan

shock pada dinding dekatnya. Cairan akan masuk secara tiba-tiba ke ruangan yang

terbentuk akibat pecahnya gelembung uap tadi sehingga mengakibatkan tumbukan.

Gejala kavitasi yang timbul pada pompa biasanya ada suara berisik dan getaran,

unjuk kerjanya menjadi turun, kalau dioperasikan dalam jangka waktu lama akan

(38)

berlubang-lubang karena erosi kavitasi sebagai tumbukan gelembung-gelembung

yang pecah pada dinding secara terus-menerus dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Proses Kavitasi

2.1.1. Penyebab kavitasi pada pompa sentrifugal

Pompa sentrifugal mempunyai sifat-sifat teknis yang harus dipenuhi agar dapat

beroperasi dengan baik. Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada pompa tipe

ini adalah gagalnya pompa dalam proses priming, sehingga pompa tidak bisa

mengisap dan akhirnya gagal pemompaan serta menyebabkan kerusakan pada

bagian-bagian pompa.

Ada beberapa penyebab kavitasi pada pompa sentrifugal diantaranya, adalah :

(39)

2. Air Ingestion (masuknya udara luar ke dalam sistem)

3. Internal Recirculation (sirkulasi balik di dalam sistem)

4. Turbulance (pergolakan aliran)

5. Vane Passing Syndrome

Cara menghindari proses kavitasi yang paling tepat adalah dengan memasang

instalasi pompa dengan NPSH yang tersedia lebih besar dari pada NPSH yang

diperlukan. NPSH yang tersedia bisa diusahakan oleh pemakai pompa sehingga

nilainya lebih besar dari NPSH yang diperlukan. Berikut ini hal-hal yang diperlukan

untuk instalasi pompa.

1. Ketinggian letak pompa terhadap permukaan zat cair yang diisap harus dibuat

serendah mungkin agar head statis lebih rendah pula. Pipa isap harus dibuat

sependek mungkin. Jika terpaksa dipakai pipa isap yang panjang, sebaiknya

diambil pipa yang berdiameter satu nomor lebih besar untuk mengurangi

kerugian gesek.

2. Kecepatan aliran pada pipa isap tidak boleh terlalu besar (bagian yang

mempunyai kecepatan tinggi maka tekanannya akan rendah).

3. Tidak dibenarkan untuk mengurangi laju aliran dengan menghambat aliran

disisi isap.

4. Head total pompa harus ditentukan sedemikian hingga sesuai dengan yang

diperlukan pada kondisi operasi yang sesungguhnya.

5. Jika head pompa sangat berfluktuasi, maka pada keadaan head terendah harus

(40)

6. Menghindari instalasi perpipaan berupa belokan-belokan tajam, karena

belokan yang tajam kecepatan fluida akan meningkat sedangkan tekanan

fluida akan turun sehingga menjadi rawan terhadap kavitasi.

Gambar 2.2 Kerusakan impeller akibat kavitasi

2.2. Net Positive Suction Head (NPSH)

Gejala kavitasi terjadi apabila tekanan statis suatu aliran zat cair turun sampai

dibawah tekanan uap jenuhnya. Kavitasi banyak terjadi pada sisi isap pompa, untuk

mencegahnya nilai head aliran pada sisi hisap harus diatas nilai head pada tekanan

uap jenuh zat cair pada temperatur bersangkutan. Pengurangan head yang dimiliki zat

cair pada sisi isapnya dengan tekanan zat cair pada tempat tersebut dinamakan Net

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

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

(41)

Gejala kavitasi terjadi pada titik terdekat setelah sisi masuk sudu impeller di

dalam pompa. Di daerah tersebut, tekanan lebih rendah daripada tekanan pada lubang

isap pompa. Hal ini disebabkan zat cair mengalir melalui nozel isap sehingga

kecepatannya naik. Dengan kenaikan kecepatan, tekanan zat cair menjadi turun.

2.2.1. Net Positive Suction Head Available (NPSH yang tersedia)

NPSH yang tersedia adalah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa

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

yang menghisap zat cair dari tempat terbuka, maka besarnya NPSH yang tersedia

dapat dituliskan seperti persamaan (2.1) :

ls s

sv

h

Pv

Pa

h







(2.1)

Dimana:

hsv = NPSH yang tersedia

Pa = Tekanan atmosfir (kg/m2)

Pv = Tekanan uap jenuh (kg/m2)

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

hs = Head hisap statis (m), hsadalah positif (bertanda +) jika pompa terletak

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

(42)

Jika zat cair dihisap 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 menghisap zat cair dari tempat

terbuka, maka besarnya NPSH yang tersedia dapat dituliskan seperti persamaan (2.2):

ls s

sv

h





(2.2)

Harga hsadalah negatif (-) karena permukaan zat cair didalam tangki lebih tinggi dari

pada sisi hisap pompa. Pemasangan pompa semacam ini diperlukan untuk

[image:42.611.189.476.392.601.2]

mendapatkan harga NPSH (hsv) positif.

(43)

Gambar 2.4 Posisi pompa terletak dibawah permukaan fluida yang diisap

2.2.2.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 hisap pompa. Hal ini disebabkan oleh kerugian head dinosel

hisap, kenaikan kecepatan aliran karena luas penampang yang menyempit, dan

kenaikan kecepatan aliran karena tebal sudu setempat.

Agar tidak terjadi penguapan 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 atau Net Positive Suction Head Required (NPSHR).

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

(44)

Agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi, maka harus dipenuhi syarat

NPSH yang tersedia lebih besar dari pada NPSH yang diperlukan. Jadi untuk

menghindari kavitasi pada pompa harus dipenuhi persyaratan berikut:

NPSH tersedia > NPSH yang diperlukan

Harga NPSH yang diperlukan diperoleh dari pabrik pembuat pompa. Namun untuk

penaksiran secara kasar, NPSH yang diperlukan dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan (2.3).

N N sv

H





(2.3)

Dimana:

σ = Koefisien kavitasi Thoma

HsvN= NPSH yang diperlukan (m)

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

Kecepatan spesifik sisi hisap (S) dapat juga digunakan sebagai pengganti koefisien

kavitasi Thoma dalam menghitung NPSH yang diperlukan. Hubungannya dapat

dilihat pada persamaan (2.4).

3 / 2 3 / 4

)

(

_N

svN

Q

S

n

H



(2.4)

Dimana:

HsvN= NPSH yang diperlukan (m)

(45)

QN = Kapasitas pompa (m3/min)

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

2.3. Temperatur Fluida

Suhu merupakan variabel yang paling mudah dipantau. Hampir semua fenomena

alam akan mengakibatkan terjadinya perubahan suhu. Pengukuran suhu dapat

dilakukan baik secara kontak maupun non-kontak. Salah satu fenomena kavitasi pada

pompa sentrifugal adalah perubahan suhu fluida akibat proses penguapan pada

tekanan uap jenuh. Sebagian besar pengukuran suhu dengan metode kontak dilakukan

dengan menggunakan termometer atau termokopel. Sedangkan pengukuran

non-kontak menggunakan sensor infra merah (thermography) yang semakin banyak

dikembangkan dan mulai banyak digunakan. Jika kita mempertimbangkan pentingnya

pengukuran temperatur dan hubungannya dengan tekanan dan flow, maka dengan

mudah kita dapat melihat pada pompa yang mengalami kavitasi.

2.3.1. Hubungan tekanan uap jenuh dengan temperatur fluida

Fluida menguap bila tekanannya menjadi sangat rendah atau temperaturnya

menjadi sangat tinggi. Setiap perubahan karakteristik fluida tentu akan

mempengaruhi sistem pemompaan baik sisi suction maupun sisi discharge yang

(46)

hubungan tekanan atmosfer, tekanan uap jenuh fluida, massa jenis dan luas

penampang seperti ditunjukkan pada persamaan (2.5).

)

( hA

A

P

A

P

_u



_atm



(2.5)

Dimana:

Pu = Tekanan uap dalam Pa (Pascal)

Patm = Tekanan atmosfer

A = Luas penampang pipa (m2)

γ = Berat jenis cairan ( kg/m3)

Hubungan tekanan atmosfer dengan tekanan uap jenuh untuk fluida air dapat dilihat

pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Sifat-sifat air ( Air di bawah 1 atm, dan air jenuh diatas 100oC)

Temperatur (oC)

Kerapatan (kg/l)

Viscositas kinematik

(m2/s)

Tekanan uap jenuh (kgf/cm2) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,9998 1,000 0,9998 0,9983 0,9957 0,9923 0,9880 0,9832 0,9777 0,9716 0,9652

1,792 x 10-6 1,520 x 10-6 1,307 x 10-6 1,004 x 10-6 0,801 x 10-6 0,658 x 10-6 0,554 x 10-6 0,475 x 10-6 0,413 x 10-6 0,365 x 10-6 0,326 x 10-6

(47)

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 0,9581 0,9431 0,9261 0,9073 0,8869 0,8647 0,8403 0,814 0,784 0,751 0,712

0,295 x 10-6 0,244 x 10-6 0,211 x 10-6 0,186 x 10-6 0,168 x 10-6 0,155 x 10-6 0,150x 10-6 0,136 x 10-6 0,131 x 10-6 0,128 x 10-6 0,127 x 10-6

0,0332 0,0246 0,685 0,303 10,224 15,855 23,656 34,138 47,869 65,468 87,621 (Sumber : Pompa & Kompresor, Sularso, 2006)

2.4. Pola Aliran

Dalam berbagai industri sebagian besar fluidanya mengalir pada pipa-pipa saluran

tertutup (closed conduit flow). Masalah utama yang muncul antara lain:

1. Terjadinya gesekan pada dinding pipa.

2. Terjadinya turbulensi karena gerakan relatif dalam molekul fluida yang

dipengaruhi oleh viskositas fluida, kecepatan aliran dan bentuk pipa.

3. Terjadinya fluktuasi aliran akibat pemasangan belokan (elbow) dan

pengecilan saluran mendadak (sudden contraction).

Dalam suatu aliran yang melewati sistem atau instalasi pipa maka akan terjadi

hambatan aliran, hambatan tersebut diakibatkan oleh faktor- faktor bentuk instalasi.

Hambatan aliran akan menyebabkan turunnya energi dari fluida tersebut yang sering

disebut dengan kerugian tinggi tekan (head loss) atau penurunan tekanan (pressure

drop). Kedua faktor ini merupakan pengaruh yang ditimbulkan karena pengaruh

(48)

mengikuti bentuk saluran dan dindingnya. Ketika pipa utama dialiri fluida yang

bersifat turbulen, maka fluida dalam pipa akan mengalami pulsasi atau perubahan

pola aliran yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran meningkat dan tekanannya

menurun.

Salah satu besaran non-dimensional yang menggambarkan pola aliran fluida

adalah Bilangan Reynolds. Pada tahun 1883 Osborne Reynolds menunjukkan bahwa

penurunan tekanan tergantung pada parameter: kerapatan (ρ ), kecepatan (U), diameter

(D) dan viskositas (µ) absolute yang selanjutnya disebut dengan bilangan Reynolds.

Penurunan tekanan merupakan fungsi dari faktor gesekan (λ ) dan kekasaran relative

dari dinding pada (ε /D), sehingga persamaannya menjadi :

λ = f (Re ε /D) (2.6)

Menurut Henry Darcy (1857) yang melakukan eksperimen aliran dalam pipa,

menyatakan bahwa kekarasan mempunyai dampak terhadap pola aliran, sehingga

didapatkan faktor gesekan Darcy (λ ) dengan persamaan (2.7) :



 

g D

L h

V

f

2 2

/

 _(2.7)

Aliran fluida dalam pipa yang berbentuk lingkaran terbagi menjadi dua, yaitu

aliran laminar dan turbulen. Karakteristik antara kedua aliran tersebut berbeda-beda

dari segi kecepatan, debit dan massa jenisnya. Bilangan Reynolds dapat

(49)







UD



Re

(2.8)

Dimana:

ρ = Kerapatan massa fluida (kg/m3)

U = Kecepatan karakteristik (m/s)

d = Diameter saluran (m)

µ = Viskositas dinamik (kg/m.s)

2.4.1. Klasifikasi Pola Aliran

Pola aliran pada pipa horizontal, ada efek kekuatan gravitasi untuk menggantikan

cairan yang lebih berat mendekati pipa bagian bawah. Bentuk lain dari pola aliran

dapat bertambah karena efek ini, dimana aliran tersebut dibagi dua lapisan. Banyak

kriteria pola aliran yang kita perhatikan baik dari literature dan penelitian-penelitian,

tetapi maksud dan tujuannya adalah sama. Deskripsi pola aliran menurut Collier

(1980), dengan arah aliran horizontal adalah sebagai berikut:

 Aliran gelembung (Bubble flow)

 Aliran kantung gas atau sumbat cairan (Plug/Slug flow)

 Aliran acak (Churn flow)

 Aliran cicin kabut tetes cairan ( Wispy-Annular flow)

(50)

Aliran gelembung Aliran kantung gas Aliran srata licin

Aliran srata gelombang Aliran sumbat liquid Aliran cincin

Gambar 2.5 Pola aliran pada pipa horizontal

Gambar 2.6 Klasifikasi Pola aliran berdasarkan Reynolds Number ( Chi-2009)

2.5. Aliran Fluida

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

penting di dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa komponen dasar yang berkaitan

(51)

(fitting) yang digunakan untuk menyambung masing-masing pipa guna membentuk

sistem yang diinginkan, peralatan pengatur laju aliran (katup-katup) dan

pompa-pompa atau turbin-turbin yang menambah energi atau mengambil energi dari fluida.

Pada aliran fluida di dalam pipa, lapisan fluida pada dinding mempunyai kecepatan

nol. Lapisan fluida pada jarak yang semakin jauh dari dinding pipa mempunyai

kecepatan yang semakin besar, dengan kecepatan maksimum terbesar terjadi pada

pusat pipa.

Gambar 2.7 Daerah masuk aliran sedang berkembang dan aliran berkembang penuh

di dalam sebuah sistem pipa.

2.5.1. Aliran Laminar dan Turbulen

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

(52)





UD



Re

(2.9)

Dimana : U = Kecepatan rata-rata aliran (m/s)

D = Diameter pipa (m)

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

µ = Viscositas dinamik (m2/s)

Aliran fluida mengikuti bentuknya, sewaktu mengalir aliran fluida membentuk

suatu jenis/bentuk jenis dan bentuk dari pergerakan fluidanya. Dalam hal ini, jika

nilai Re kecil, partikel-partikel fluida bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus

atau lapisan-lapisan dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang

bersebelahan yang dikenal sebagai aliran laminar, sedangkan jika partikel-partikel

fluida bergerak secara acak (random) baik arahnya maupun kecepatannya tidak

terdapat garis edar tertentu yang dapat dilihat, aliran ini disebut aliran turbulen.

(a) (b)

Gambar 2.8 (a) Aliran laminer, (b) Aliran turbulen

Pada pipa:

 Aliran laminer terjadi jika Re < 2100

 Aliran transisi terjadi jika Re > 2100

(53)

2.6. Pompa

Pompa adalah suatu alat atau pompa yang digunakan untuk memindahkan cairan

dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui suatu media perpipaan dengan cara

menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan dan berlangsung secara terus

menerus. Salah satu jenis pompa pemindah non positif adalah pompa sentrifugal

yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi

potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pompa

sentrifugal umumnya dibagi ke dalam empat kelas, yaitu aliran sentrifugal atau radial,

campuran, aliran aksial dan turbin regenerative seperti pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Profil Impeller dan Jenis Pompa

Pompa sentrifugal merupakan jenis pompa yang paling banyak dipakai oleh

industri, terutama industri pengolahan dan pendistribusian air. Banyak pompa

sentrifugal di desain dengan cara memungkinkan pompa beroperasi secara terus

menerus untuk berbulan-bulan bahkan tahunan. Beberapa keunggulan pompa

(54)

pemasangan dan perawatan, kapasitas dan head yang tinggi, kehandalan dan

ketahanan yang tinggi.

2.6.1. Karakteristik pompa

Karakteristik pompa adalah prestasi pompa dalam bentuk grafik hubungan antara

parameter-parameter: head (H), daya (N) dan efisiensi (η ) terhadap debit (Q),

parameter-parameter ini menandai prestasi kerja dan biaya operasi pompa.

Karakteristik dari pompa sentrifugal merupakan cara dimana tinggi tekan tekanan

diferensial bervariasi dengan keluaran (output) pada kecepatan konstan. Untuk

mempertahankan pompa beroperasi pada kecepatan konstan, jumlah aliran yang

melalui pompa tergantung pada perbedaan tekanan atau head yang dihasilkan oleh

pompa. Karakteristik dapat juga menyertakan kurva efisiensi dan harga brake horse

power-nya. Kurva kapasitas tinggi tekan (Gambar 2.10) ditunjukkan sebagai

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

(55)

[image:55.611.123.521.121.421.2]

Gambar 2.10 Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal Aquavane A32-160

2.6.2. Tinggi tekan (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, ada tiga macam head (energi)

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

(56)

g

V

Z

P

H

2







(2.10)

Dimana: H = Head total pompa ( m)



P

= Head tekanan (m)

Z = Head statis total (m)

g

V

.

2

= Head kecepatan (m)

2.6.3. 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 persamaan (2.11) :



d s

P





(2.11)

Dimana:



P

= Head tekanan



d

P

(57)



s

P

= Head tekanan pada permukaan zat cair pada sisi hisap

2.6.4. 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 persamaan (2.12) :

g

V

g

V

H

d s

k

2

2 2





(2.12)

Dimana: Hk = Head kecepatan

g

V

_d

2

= Kecepatan zat cair pada saluran tekan

g

V

_s

2

= Kecepatan zat cair pada saluran isap

2.6.5. 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 persamaan (2.13) :

s

d

Z

(58)

Dimana:

Z = Head statis total

Zd = Head statis pada sisi tekan

Zs = Head 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. Kerugian Head

Kerugian head yang terjadi pada instalasi pompa terjadi pada pipa dan

perlengkapan pipa. Kerugian head pada pipa karena adanya turbulensi air dan

gesekan pada sepanjang pipa hal ini disebut sebagai kerugian mayor. Kerugian minor

terjadi pada perlengkapan pipa termasuk adanya belokan, penyempitan maupun

pembesaran penampang secara mendadak pada pipa, katup dan sambungan sehingga

menimbulkan turbulensi sepanjang pipa isap dan pipa tekan. Kerugian energi

persatuan berat fluida dalam pengaliran cairan dalam sistem perpipaan disebut

sebagai kerugian head (head losses). Head losses terdiri dari mayor head losses (hfs),

minor head losses (hm), dan total losses (htot)

(59)

Merupakan kerugian head pada fitting dan valve yang terdapat sepanjang sistem

perpipaan. Dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2.14) :

g

v

f

h

_m

.

2



(2.14)

Dimana: hm = Minor losses (m)

f = Koefisien kerugian dari elbow dan valve

Koefisien f tergantung pada bentuk belokan, penyempitan, katup dan

sambungannya. Namun, nilai k masih berupa nilai pendekatan, karena sangat

dipengaruhi oleh bahan, kehalusan membuat sambungan, serta umur sambungan itu

sendiri.

2.7.2. Kerugian head mayor ( Hfs)

Besarnya kerugian Head sepanjang pipa isap dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan (2.15), Darcy-Weisbach:

g

V

D

L

f

H

_f

2



(2.15)

Dimana: Hf = Mayor losses (m)

(60)

L = Panjang pipa (m)

V = Kecepatan aliran (m/s)

D = Diameter dalam pipa (m)

Pipa PVC adalah termasuk pipa licin (smooth) sehingga koefisien gesek untuk

pipa licin adalah :

2 / 1

316 , 0

e

R

f  (2.16)

Sedangkan besarnya Reynolds Number (Re) dapat dihitung dengan persamaan (2.17) :





VD



Re

(2.17)

Dimana: Re = Reynold Number



= Massa jenis fluida (air) ( kg/m3)

V

= Kecepatan rata-rata aliran (m/s)

D

= Diameter dalam pipa (m)



= Viscositas absolut cairan (N.s/m2)

Apabila aliran laminar (Re < 2000), faktor gesekan (f) dapat dicari dengan

pendekatan persamaan (2.18) :

Re

64



(61)

Apabila aliran turbulen (Re > 2000), faktor gesekan (f) dapat dicari dengan Moody

Diagram. Metode yang umum digunakan untuk menentukan kerugian-kerugian head

atau penurunan tekanan adalah dengan menentukan koefisien kerugian, Kt,

g

V

K

h

_L _L

2



(2.19)

2.7.3. Total losses

Total losses merupakan kerugian total sistem perpipaan dapat dihitung dengan

pendekatan persamaan (2.20).

m f

tot

h





(2.20)

atau

g

V

D

Le

f

h

_tot

2



(2.21)

Dimana: htot = Total losses (m)

hf = Total mayor losses (m)

hm = Total minor losses (m)

Le/D = Panjang ekivalen dari fitting dan valve ditambah panjang pipa

f = Faktor gesekan

(62)

Analisa getaran (vibration analysis) sudah dianggap sebagai suatu metode yang

handal untuk pemantuan kondisi (condition monitoring). Analisa getaran merupakan

salah satu alat yang sangat bermanfaat sebagai prediksi awal terhadap adanya

masalah pada mekanikal, elektrikal dan proses pada peralatan, mesin-mesin dan

sistem proses yang kontinu di pabrik atau industri. Indikator yang baik untuk

menentukan apakah suatu peralatan yang berputar dalam kondisi baik adalah vi