STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN SINYAL SPEKTRUM GETARAN

(1)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI

PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN

SINYAL SPEKTRUM GETARAN

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

BAYU SYAHPUTRA NIM.100401097

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2014

(2)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI

PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN

SINYAL SPEKTRUM GETARAN

BAYU SYAHPUTRA

NIM.100401097

Diketahui Oleh :

KETUA

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 1964 1224 1992 111001 NIP. 1964 1224 1992 111001

(3)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI

PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN

SINYAL SPEKTRUM GETARAN

OLEH:

BAYU SYAHPUTRA

NIM.100401097

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar skripsi Periode ke-697, Pada tanggal 11 Oktober 2014

DOSEN PEMBANDING I, DOSEN PEMBANDING II,

Ir. A.Halim Nasution, MSc Dr. Ir. Muhammad Sabri, MT NIP.195403201981022001 NIP.196306231989021001

(4)

STUDI EKSPERIMENTAL DETEKSI FENOMENA KAVITASI

PADA POMPA DISTILASI DENGAN MENGGUNAKAN

SINYAL SPEKTRUM GETARAN

OLEH:

BAYU SYAHPUTRA

NIM.100401097

Telah diperiksa dan disetujui dari hasil seminar skripsi Periode ke-697, Pada tanggal 11 Oktober 2014

Diketahui Oleh : Dosen Pembimbing,

Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri NIP. 1964 1224 1992 111001

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

i

ABSTRAK

Kavitasi merupakan fenomena perubahan phase uap zat cair pada fluida yang mengalir. Perubahan tersebut dapat diakibatkan turunnya tekanan maupun naiknya temperatur fluida, turbulensi dan pulsasi pada pipa isap. 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 perubahan kapasitas untuk mengamati sirkulasi balik didalam sistem (Internal re-circulation) yang merupakan penyebab terjadinya kavitasi.Untuk mengetahui terjadinya kavitasi parameter yang digunakan dengan mengukur perilaku getaran pompa.Pengukuran dilakukan

dengan menggunakanaccelerometerDI-440 SKF dengan arah pengukuran aksial,

vertikal dan horizontal pada frequensi domain dan time domain. Hasil penelitian ini menujukan sinyal spektrum getaran pada pompa semakin besar pada kapasitas terendah (70%) dan kapasitas tertinggi (100%) ditandai dengan semakin besarnya amlitudo. Karakteristik spektrum getaran fenomena kavitasi berada di rentang frekunsi 100.000 CPM-200.000 CPM, serta rekomdasi kapasitas pengoprasian pompa mulai rentang 0,00205 m3/s -0,002500 m3/s.

Kata Kunci_{: Pompa Distilasi, Kavitasi , Resirkulasi,}_{accelerometer}_{, Spektrum}

getaran

(11)

ii

ABSTRACT

Cavitation is a phenomenon of liquid substance vapor phase change in

flowing fluid. The change is caused by the lower pressure or the higher

fluid temperature, turbulence and pulsation on suction pipe. The

indication of cavitation is the existence of steam bubbles, vibration and

nois. The effect of cavitation on pump is the drop of pump’s performance

and damage to pump components. In this research the capacity changing

is varied to observe feed circulation inside system (Internal re-circulation)

that appear cavitation occurred. To detect the cavitation the used

parameter is by measuring pump vibration behavior. Measurement is

conducted by using accelerometer DI-440 SKF with axial, vertical and

horizontal measurement on frequency domain and time domain. This

research result indicate vibration spectrum signal on pump is getting

bigger on the lowest capacity (70%) and the highest capacity (100%)

signed by the bigger amplitude. Vibration spectrum characteristic of

cavitation phenomena in the frequency range of 100.000 CPM- 200.000

CPM, and the cavitation recommendation of pump operation start range

of 0,00205 m3/s -0,002500 m3/s.

Keywords :Distillation pump, cavitation, recirculation, accelerometer, vibration spectrum.

(12)

iii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis ucapkan kepada Allah Yang Maha Esa, atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian skripsi yang

berjudul “Studi Eksperimental Deteksi Fenomena Kavitasi Pada Pompa Distilasi

Dengan Menggunakan Sinyal Spektrum Getaran”.

Secara khusus pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Pembimbing yang telah menuntun dan membimbing hingga skripsi ini dapat disajikan sekarang.

Demikian pula penulis menyampaikan terima kasih kepada Abi Awwabin, Toto Wibowo, Purwatmo, Afrijal Nurfi, Nazwir Fahmi Damanik, Irwan Rosadi, Yogi Aldiansyah, Andika Noveri, Sigit Putra, Fadhlan Yazid dan rekan-rekan angkatan ’10 Departemen Teknik Mesin yang telah membantu dan mendukung penulis.

Ucapan terima kasih selanjutnya penulis sampaikan kepada Bapak Zuhri

Lubis, Bapak Wahab dan Abangda Fadly khususnya mengenai sharing dan

supportnyadalam penyelesaian skripsi ini.

Tidak lupa penulis menyampaikan terima kasih kepada kedua orang tua yang selalu mendukung dalam doa, yang selalu memberikan semangat sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat memberi manfaat kepada siapa saja yang membaca dan mempelajarinya. Amin ya Rabbal’alamin. Hanya engkau ya Allah tempat hamba berlindung dan hanya engkaulah tempat hamba memohon petunjuk dan keampunanMu.

Medan, September 2014 Penulis,

Bayu Syahpura

(13)

iv

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK_{... i}

KATA PENGANTAR_{... iii}

DAFTAR ISI _{... iv}

DAFTAR TABEL_{... vii}

DAFTAR GAMBAR_{... viii}

DAFTAR NOTASI_{... xii}

I. PENDAHULUAN_{... 1}

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 4

1.3. Batasan Masalah... 4

1.4. Tujuan Penelitian ... 4

1.4.1. Tujuan Umum Penelitian ... 5

1.4.2. Tujuan Khusus Penelitian ... 5

1.5. Manfaat Penelitian ... 5

II. TINJAUAN PUSTAKA_{... 6}

2.1. Analisa Getaran ... 6

2.1.1. Karakteristik Getaran ... 7

2.1.2. Gerak Harmonik ... 9

2.1.3. Gerak Periodik ... 10

2.1.4. Getaran Bebas (Free Vibration) ... 12

2.1.5. Getaran Paksa (Force Vibration)... 16

2.1.6. Penentuan Indikator ... 17

2.1.7. Standart Pengukuran Getaran ... 18

2.2. Pompa... 21

2.2.1. Karakteristik Pompa... 22

2.2.2.Blade pass frequency(BPF)... 24

(14)

v

2.2.3. Kavitasi ... 28

2.2.4.Net Positive Suction Head(NPSH)... 29

2.2.5. Temperatur Fluida... 31

2.2.6. Pola Aliran ... 32

2.2.2. Menentukan Kapasitas Minimum Pengoprasian Pompa ... 33

2.3. Pengolahan Data Vibrasi... 34

2.3.1. Time Domain... 34

2.3.2. Frequensi Domain... 35

III. METODE PENELITIAN _{... 37}

3.1. Tempat dan Waktu ... 37

3.2. Peralatan ... 37

3.2.1. Peralatan Subjek Penelitian... 37

3.2.2. Peralatan pengujian dan pengukuran ... 39

3.3. Metodologi ... 41

3.4. Pengolahan dan Analisa Data ... 43

3.5. Kerangka Konsep Penelitian ... 44

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN_{... 46}

4.1. Pendahuluan... 46

4.2. Perhitungan Getaran Pompa ... 46

4.2.1. Frekuensi motor penggerak ... 47

4.2.2. Kecepatan sudut sistem yang bergerak... 48

4.3. Tinggi Tekan (Head) sistem ... 49

4.3.1. Tinggi Tekan Statis(Head Static) ... 49

4.3.2.Head lossesyang terjadi pada pipa Isap ... 50

4.3.3.Head lossesyang terjadi pada Pipa Tekan ... 52

4.4. Hubungan Tekanan Tanki Suction dengan NPSHA ...54

4.5. Hubungan Karakteristik Pompa dengan Karakteristik Sistem ... 56

4.6. Verifikasi Data Karakteristik Impeler dengan Aliran Resirkulasi... 57

4.7. Karakteristik Getaran pada Pompa dengan Variasi Kapasitas ... 59

(15)

vi

4.7.1. Karakteristik getaran pada kapasitas 100% dan tekanan

tanki 1 bar Abs ... 60

4.7.2. Karakteristik getaran pada kapasitas 90% dan tekanan tanki 1 bar Abs ... 62

4.8. Verifikasi Karakteristik Time Domain Getran dengan Variasi Kapasitas... 66

4.8.1. Getarantime domain arah axial ... 66

4.8.2. Getarantime domain arah vertikal... 73

4.8.3. Getarantime domain arah horizontal... 79

4.9. Verifikasi Karakteristik Akselerasi Spektrum Getaran dengan Variasi Kapasitas... 86

4.9.1. Spektrum getaran arah aksial... 86

4.9.2. Spektrum getaran arah vertikal... 89

4.9.3. Spektrum getaran arah horizontal... 92

4.9.4. Verivikasi hasil data spektrum getaran dengan variasi Kapasitas ... 94

V. KESMPULAN DAN SARAN_{... 96}

5.1. Kesimpulan ... 96

5.2. Saran ... 96 DAFTAR KEPUSTAKAAN

LAMPIRAN

(16)

vii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Satuan yang Digunakan Tiap Karakteristik ... 9

Tabel 2.2 Panduan Pemilihan Parameter Pengukuran ... 17

Tabel 2.3 Tipe Kavitasi dan Penyebabnya ... 28

Tabel 3.1 Spesifikasi Pompa Sentrifugal ... 37

Tabel 4.1 Spesifikasi pompa ... 47

Tabel 4.2 Verivikasi Variasi Kapasitas terhadap NPSHA ...55

Tabel.4.3 Hubungan variasihead, tekanan pada manometer tekan dan kapasitas... 56

Tabel 4.4 Karakteristik hasil pengukuranimpeler ...58

Tabel 4.5 Data pengukurantime domain ...60

Tabel 4.6 Hasil perhitungan dan amplitudo ... 61

Tabel 4.7 Karakteristik getaran padatime domain...61

Tabel 4.8 Fungsi karakteristik getaran padatimedomain... 62

Tabe 4.9 Data pengukurantime domain ...62

Tabel 4.10 Hasil perhitungan dan amplitude... 62

Tabel 4.11 Karakteristik getaran padatimedomain...63

Tabel 4.12 Fungsi karakteristik getaran padatime domain ...63

Tabe 4.13 Data pengukurantime domain ...63

Tabel 4.15 Karakteristik getaran padatimedomain ... 64

Tabe 4.17 Data pengukurantimedomain ...65

Tabel 4.19 Karakteristik getaran padatimedomain...66

Tabel 4.21 Perbandingan Displesmen pada arah axial terhadap waktu dengan kapasitas yang bervarias ... 66 Tabel 4.22 Perbandingan velositi pada arah axial terhadap waktu

(17)

viii

dengan kapasitas yang bervarias ... 68 Tabel 4.23 Perbandingan akselerasi pada arah axial terhadap waktu dengan

kapasitas yang bervarias... 70 Tabel 4.24 Perbandingan Displesmen pada arah vertikal terhadap waktu

dengan kapasitas yang bervarias ... 73 Tabel 4.25 Perbandingan velositi pada arah vertikal terhadap waktu dengan .

kapasitas yang bervarias... 75 Tabel 4.26 Perbandingan akselerasi pada arah vertikal terhadap waktu

dengan kapasitas yang bervarias ... 77 Tabel 4.27 Perbandingan Displesmen pada arah horizontall terhadap waktu

dengankapasitas yang bervariasi ... 79 Tabel 4.28 Perbandingan velositi pada arah horizontal terhadap waktu

dengan kapasitas yang bervarias ... 81 Tabel 4.29 Perbandingan akselerasi pada arah horizontal terhadap waktu

dengan kapasitas yang bervarias ... 83 Tabel 4.30 Perbandingan akselerasi pada arah horizontal terhadap waktu

dengan kapasitas yang bervarias ... 95

(18)

ix

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Sistem Getaran Sederhana... 7

Gambar 2.2 Hubungan antara Perpindahan, Kecepatan dan Percepatan Getaran ... 8

Gambar 2.3 Skematik Phase Getaran... 8

Gambar 2.4 Gerak Periodik Gelombang Sinyal Segiempat dan Gelombang Pembentukannya Dalam DomainWaktu ... 11

Gambar 2.5 Pegas Linier... 12

Gambar 2.6 Benda Tegar ... 12

Gambar 2.7 Redaman... 13

Gambar 2.8 Sistem 1 DOF Tanpa Redaman... 13

Gambar 2.9 Sistem Pegas Massa dan Diagram Benda Bebas ... 14

Gambar 2.10 Sistem Tereksitasi Akibat Gaya Tanpa Redaman ... 16

Gambar 2.11 Sistem Tereksitasi Akibat Gaya Dengan Redaman ... 16

Gambar 2.12 ISO 10816-3Vibration... 19

Gambar 2.13 Ilustrasi Spektrum Untuk Aerodinamis dan Hidrolik ... 20

Gambar 2.14 Ilustrasi Spektrum Untuk Kavitasi ... 20

Gambar 2.15 Pompa Sentrifugal ... 21

Gambar 2.16 Komponen Pompa Sentrifugal ... 21

Gambar 2.17 Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal ... 23

Gambar 2.18. Blade pass frequency...25

Gambar 2.19 Membagi Spectrum ke Wilayah Signifikan ... 25

Gambar 2.20 Proses Kavitasi ... 26

Gambar 2.21 Pitting Akibat Kavitasi padaImpellerdanDiffuser...27

Gambar 2.22 Impelleryang Rusak Akibat Kavitasi ... 27

Gambar 2.23 Grafik Kinerja Pompa Akibat Kavitasi ... 28

Gambar 2.24. Kurva Koefisien Kavitasi ... 31

Gambar 2.25 Karakteristikimpeler...33

Gambar 2.26 Karaktristik Sinyal Statik dan Dinamik ... 35

(19)

x

Gambar 2.27 HubunganTimeDomain dengan Frekuensi Domain ... 36

Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal ... 38

Gambar 3.2 Pompa dan Instalasinya... 38

Gambar 3.3 DI-440 SKF... 40

Gambar 3.4 USB Cable... 41

Gambar 3.5 Set uppompa dan instalasi pompa ... 42

Gambar 3.6 Posisi Pengambilan data...43

Gambar 3.17 Diagram Alir Penelitian ... 45

Gambar 4.1 Head Statis pada sisi tekan ... 50

Gambar 4.2 Grafik Hubungan Karakteristik Pompa dan Karakteristik Sistem... 57

Gambar 4.3 Perbandingan displesmen pada arah axial terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ... 68

Gambar 4.4 Perbandingan velositi pada arah axial terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ... 70

Gambar 4.5 Perbandingan akselerasi pada arah axial terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ... 72

Gambar 4.6 Perbandingan displesmen pada arah verikal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ... 75

Gambar 4.7 Perbandingan velosicity pada arah verikal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ... 77

Gambar 4.8 Perbandingan akselerasi pada arah verikal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ... 79

Gambar 4.9 Perbandingan displesmen pada arah horizontal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ... 81

Gambar 4.10 Perbandingan velocity pada arah horizontal terhadap waktu pada kapasitas yang bervariasi ... 83

(20)

xi

Gambar 4.11 Perbandingan akselerasi pada arah horizontal terhadap waktu pada

kapasitas yang bervariasi ... 85

Gambar 4.12 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 100% ... 86

Gambar 4.16 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 100%... 90

Gambar 4.17 Spectrum getaran pada variasi kapasitas 90%... 90

(21)

xii

DAFTAR NOTASI

Simbol Satuan

A Amplitudo (m)

a Percepatan (m/s2)

B Koefisien induksimagnetic

c Redaman /damping (N/(m/s))

Koefisien redaman kritis

D Diameter saluran (m)

e Tegangan outputjerksensor (Volt)

F Gaya (N)

f Frekuensi (Hz)

Frekuensi getar objek ukur (Hz)

G Koefisien kopling elektro mekanis

Percepatan gravitasi (m/s2₎

h Totalheadpompa (m)

hf Headloss mayor (m)

hm Headloss minor (m)

hs Headisap statis (m)

hls Headlossis pipa isap (m)

hsv NPSH yang tersedia (m)

HN Headtotal pompa (m)

HsvN NPSH yang diperlukan (m)

(22)

xiii

H(s) Frekuensi karakteristik (Hz)

i Kuat arus (Ampere)

k Kekakuan /stiffness (N/m)

L Panjang pipa / kawat konduktor (m)

m Massa (kg)

n Putaran pompa (rpm)

N Daya W

Efisiensi (%)

NPSHA NPSH yang tersedia (m)

NPSHR NPSH yang diperlukan (m)

Pa Tekanan pada permukaan cairan (kg/m2)

Pv Tekanan uap jenuh (kg/m2)

QN Kapasitas pompa (m3/s)

RC resistor diferensial dan kapasitor

Re Reynolds number

s Kecepatan spesifik sisi isap (m/s)

t Waktu (s)

Perioda (s)

Tegangan output (Volt)

Tegangan input (Volt)

V Kecepatan fluida (m/s)

Kecepatan sudut (rad/s)

w Berat (N)

Frekuensi natural (rad/s)

Perpindahan /displacement (m)

̇ Kecepatan /velocity (m/s)

(23)

xiv

̈ Percepatan /acceleration (m/s2)

Z Headstatis total (m)

Rasio redaman

beda fase simpangan (o)

Berat jenis fluida (N/kg)

Tingkat kesalahan

Viskositas dinamik (kg/ms)

Viskositas kinematik (m2_/s)

Massa jenis fluida (kg/m3)

Koefisien kavitasi / angka Thoma