SKRIPSI
PERANCANGAN
IMPELLER POMPA SENTRIFUGAL
DENGAN FLUIDA KERJA AIR GAMBUT
Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Meraih Gelar Sarjana Teknik Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Riau
Oleh :
SIMON PETRUS F
NIM : 1207113636
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN S1
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS RIAU
2016
i
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul :
“PERANCANGAN IMPELLER POMPA SENTRIFUGAL DENGAN FLUIDA KERJA AIR GAMBUT”
Yang dipersiapkan dan disusun oleh : Simon Petrus F
NIM. 12077113636
Program Studi Teknik Mesin S1, Fakultas Teknik Universitas Riau, Telah berhasil dipertahankan dihadapan Tim Penguji dan diterima sebagai Bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada tanggal - Menyetujui, Pembimbing Utama IWAN KURNIAWAN ,S.T.,M.T NIP 19790524 200501 1 002 Mengetahui,
Program Studi Teknik Mesin S1 Ketua,
FEBLIL HUDA ,S.T.,M.T.,Ph.D NIP 19800219 200312 1 001
ii
PERNYATAAN
Dengan ini menyatakan bahwa:
1. Karya tulis saya, kertas skripsi ini, adalah asli dan belum pernah diajukan untuk mendapatkan gelar akademik Sarjana, baik Universitas Riau maupun perguruan tinggi lainnya.
2. Karya tulis ini murni gagasan, rumusan dan penelitian saya sendiri, tanpa bantuan pihak lain dalam penulisannya, kecuali arahan Tim Pembimbing. 3. Dalam karya tulis ini tidak terdapat karya atau pendapat yang telah ditulis
atau dipublikasikan orang lain, kecuali secara tertulis dengan jelas dan dicantumkan sebagai acuan dalam naskah dengan disebutkan nama pengarang dan dicantumkan dalam daftar pustaka.
4. Pernyataan ini saya buat dengan sesungguhnya dan apabila dikemudian hari terdapat penyimpangan dan ketidakbenaran dalam pernyataan ini, maka saya bersedia menerima sanksi akademik berupa pencabutan gelar yang telah diperoleh karena karya tulis ini, serta sanksi lainnya sesuai dengan norma yang berlaku di perguruan tinggi ini.
Pekanbaru, 31 Agustus 2016 Yang membuat pernyataan,
Simon Petrus F 1207113636
iii PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nya, penulis dapat menyelesaikan Skripsi ini. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Riau.
Skripsi ini berisi tentang Perancangan Impeler Pompa Sentrifugal dengan Fluida Kerja Air Gambut. Penelitian ini adalah sebagai syarat untuk menyelesaikan studi sarjana oleh penulis.
Penulis menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan Skripsi ini, sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikannya. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Iwan Kurniawan, ST., MT selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir. 2. Bapak Heri Siswanto, ST., MT selaku Dosen Pembimbing Akademis. 3. Bapak Nazaruddin, ST., MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin
4. Bapak Feblil Huda, ST., MT., Ph.D selaku koordinator program studi sarjana teknik mesin
5. Tim Dosen Pembanding Seminar Proposal, Seminar Hasil dan Tim Penguji Sidang Sarjana.
6. Kepala Laboratorium, Staf Dosen dan Teknisi Jurusan Teknik Mesin Universitas Riau.
7. Kedua orang tua penulis, Bapak Aiptu O J Sinaga, S.E dan Ibu Dyah Wangkah.W,S.pd.,M.pd yang telah memberikan baik moril maupun materil.
8. Kepada sahabat saya Arie Julianto yang menjadi rekan kerja saya dalam pelaksanaan penelitian ini.
9. Keluarga Besar Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin Universitas Riau. 10. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin angkatan 2012.
iv
11. Semua pihak yang telah membantu sampai terselesaikannya laporan ini yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan pada penulisan Skripsi ini. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan laporan Tugas Akhir ini. Atas perhatiannya penulis mengucapkan terima kasih.
Pekanbaru, 31 Agustus 2016
v
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademik Universitas Riau, saya yang bertanda tangan dibawah ini:
Nama : Simon Petrus F
NIM : 1207113636
Program Studi : Sarjana
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Jenis karya : Skripsi
Demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada Universitas Riau Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty-Free
Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul:
Perancangan Impeller Pompa Sentrifugal dengan Fluida Kerja Air Gambut. Dengan Hak Bebas Royalti Noneksklusif ini Universitas Riau berhak menyimpan, mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat, dan mempublikasikan Tugas Akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis/ pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Pekanbaru Pada tanggal: 31 Agustus 2016 Yang menyatakan
vi
PERANCANGAN IMPELLER POMPA SENTRIFUGAL DENGAN FLUIDA KERJA AIR GAMBUT
Simon Petrus F1, Iwan Kurniawan2
Laboratorium Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Riau
ABSTRAK
Pompa merupakan suatu alat yang digunakan untuk memindahkan fluida dari tempat bertekanan rendah menuju tempat bertekanan tinggi. Salah satu jenis pompa adalah pompa sentrifugal. Pompa sentrifugal secara luas digunakan untuk berbagai jenis keperluan, salah satunya adalah pemompaan air gambut pada PDAM (Perusahaan Daerah Air Minum) Tirta Siak yang selanjutnya akan diolah menjadi air bersih yang layak digunakan masyarakat. Impeller merupakan komponen yang sangat mempengaruhi kinerja air gambut seperti menaikkan kecepatan dan mempertinggi head dari pompa tersebut dan impeller tersebut merupakan pokok utama pembahasan pada perancangan ini. Perancangan impeller pompa sentrifugal dilakukan untuk mengatasi perbedaan fluida kerja tersebut. Air gambut memiliki viskositas yang berbeda dengan air. Dimana viskositas tersebut akan mempengaruhi head yang pasti berhubungan dengan penurunan tekanan. Viskositas mengakibatkan slip factor dimana menyebabkan turunnya kecepatan absolut dalam komponen tangensial, maka fenomena ini menyebabkan terjadinya pengecilan sudut keluaran fluida pada sudu impeller (β2). Fenomena-fenomena ini
dapat menyebabkan turunnya head, dan tekanan pompa sentrifugal. Berdasarkan itu, akan dilakukan perancangan impeller pompa sentrifugal yang akan digunakan untuk memompakan fluida kerja air gambut.
vii
PERANCANGAN IMPELLER POMPA SENTRIFUGAL DENGAN FLUIDA KERJA AIR GAMBUT
Simon Petrus F1, Iwan Kurniawan2
Conversion Energy Laboratory, Departement of Mechanical Engineering Faculty of Engineering, University of Riau
ABSTRACT
Pump is a machine that can be used to transporting of fluids from a low pressure to the high pressure. One of the kinds of pump is the centrifugal pump. The centrifugal pump is widely used to any purposes in any company. PDAM Tirta Siak is a company that produces clean water for people. PDAM in their distribution operation uses centrifugal pump. That centrifugal pump has some important component that is named as impeller.The impeller is a component of centrifugal pump that has most influence performance of centrifugal pump such as the head. Design of impeller and volute of centrifugal pump is for handling a different fluid.Peat water has a different viscosity value to clean water. The viscosity cause a phenomenas like decreases absolute velocity in tangential component, therefore this phenomena caused fluid out the pump with larger angle. Based on it, in this research we want to design the impeller that can handling peat water with viscosity as the center point.
viii
DAFTAR PUSTAKA
Halaman
HALAMAN PENGESAHAN ... i
PRAKATA ... iii
DAFTAR PUSTAKA ... viii
DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR TABEL ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Rumusan Masalah ... 3 1.3. Tujuan ... 3 1.4. Batasan Masalah... 4 1.5. Manfaat ... 4 1.6. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1. Prinsip Dasar Pompa ... 6
2.2. Cara Kerja Pompa Sentrifugal ... 7
2.3. Bagian – Bagian Utama Pompa Sentrifugal... 7
2.4. Klasifikasi Pompa Sentrifugal... 9
2.5. Head ... 10
2.6. Hukum Dasar Hidrolika ... 14
2.7. Segitiga Kecepatan ... 17
2.8. Kecepatan Spesifik ... 23
2.9. Efisiensi Pompa ... 24
ix
2.11. Sisi Masuk Impeller ... 26
2.12. Sisi Keluar Impeller ... 29
2.13. Melukis Kelengkungan Sudu ... 31
2.14. Volute Casing ... 32
2.15. Fenomena Aliran Pada Pompa ... 38
BAB III METODOLOGI ... 40
3.1. Penetapan Spesifikasi Pompa Dengan Fluida Kerja Air Bersih (Clean Water) ... 40
3.2. Penetapan Spesifikasi Pompa Dengan Fluida Kerja Air Gambut (Peat Water) ... 49
3.3. Perhitungan Dimensi-Dimensi Utama Impeller Pompa Sentrifugal dengan Fluida Kerja Air Bersih (Clean Water) ... 53
3.4. Perhitungan Dimensi-Dimensi Utama Impeller Pompa Sentrifugal dengan Fluida Kerja Air Gambut (Peat Water) ... 70
BAB IV HASIL dan PEMBAHASAN ... 84
4.1. Spesifikasi Pompa ... 84
4.2. Dimensi Impeller ... 86
4.3. Segitiga Kecepatan dan Tekanan ... 87
BAB V SIMPULAN dan SARAN ... 95
5.1. Simpulan ... 95
5.2. Saran ... 97
DAFTAR PUSTAKA ... 98
x
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2. 1 Prinsip Dasar Pompa Sentrifugal ... 6
Gambar 2. 2 Komponen-komponen Pompa Sentrifugal ... 7
Gambar 2. 3 Bentuk Kontstruksi Impeller ... 10
Gambar 2. 4 Head Pompa ... 11
Gambar 2. 5 Diagram Moody... 13
Gambar 2. 6 Hukum Kontinuitas ... 14
Gambar 2. 7 Impeller Dua Dimensi ... 17
Gambar 2. 8 Segitiga Kecepatan pada Impeller ... 17
Gambar 2. 9 Beberapa Jenis Impeller ... 18
Gambar 2. 10 Aliran Dalam Impeller ... 19
Gambar 2. 11 Komponen Kecepatan Fluida ... 20
Gambar 2. 12 Komponen Kecepatan Fluida ... 20
Gambar 2. 13 Komponen Kecepatan Fluida ... 21
Gambar 2. 14 Analogi Kecepatan Relatif ... 22
Gambar 2. 15 Hubungan Kecepatan Spesifik dan Jenis Impeller ... 23
Gambar 2. 16 Segitiga Kecepatan masuk impeller (β1) ... 28
Gambar 2. 17 Berbagai Bentuk Casing Volute ... 33
Gambar 2. 18 Diffuser Pump ... 33
Gambar 2. 19 Bentuk- bentuk Penampang Volute ... 34
Gambar 2. 20 Skematik Spiral Casing Pada Outlet ... 35
Gambar 2. 21 Lebar Volute ... 38
Gambar 2. 22 Pengaruh Faktor Slip pada Segitiga Kecepatan ... 39
Gambar 3. 1 Sistem Pemompaan Air Gambut ... 41
Gambar 3. 2 Diagram Moody ... 43
Gambar 3. 3 Transmisi Kopling Tetap Pada Pompa ... 47
xi
Gambar 3. 5 Kcm vs nsq ... 55
Gambar 3. 6 Segitiga Kecepatan Sisi Masuk Impeller ... 58
Gambar 3. 7 Segitiga Kecepatan Sisi Keluaran Impeller Air Bersih ... 63
Gambar 3. 8 Kelengkungan Sudu Impeller Air Bersih ... 67
Gambar 3. 9 Lebar Volute Pada Setiap Sudut ... 69
Gambar 3. 10 Segitiga Kecepatan Sisi masuk Air Gambut ... 73
Gambar 3. 11 Segitiga Kecepatan Sisi Keluar air Gambut ... 78
Gambar 3. 12 Kelengkungan Sudu Air Gambut ... 81
Gambar 3. 13 Gambar Lebar Volute Tiap Sudut ... 83
Gambar 4. 1 (a) Segitiga Kecepatan Keluar Air Bersih (b) Segitiga Kecepatan Keluar Air Gambut ... 89
Gambar 4. 2 Kecepatan vs Jari-Jari Kelengkungan Air Bersih ... 90
Gambar 4. 3 Kecepatan vs Jari-Jari Kelengkungan Air Gambut ... 90
Gambar 4. 4 Debit vs Jari-Jari Kelengkungan Air Bersih ... 91
Gambar 4. 5 Debit vs Jari-Jari Kelengkungan Air Gambut ... 91
Gambar 4. 6 Kenaikan Tekanan Setiap Jari-Jari Impeller Air Bersih ... 92
xii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3. 1 Data Pipa Hisap ... 42
Tabel 3. 2 Data Pipa Keluar ... 45
Tabel 3. 3 Putaran Sinkron Motor Listrik ... 46
Tabel 3. 5 Data Perhitungan Segitiga Kecepatan Sisi Masuk ... 57
Tabel 3. 6 Iterasi Sisi Keluaran Impeller ... 60
Tabel 3. 7 Iterasi Sisi Keluaran Impeller 2 ... 60
Tabel 3. 8 Data Perhitungan Sisi Keluaran Impeller ... 63
Tabel 3. 9 Perhitungan Kelengkungan Sudu ... 66
Tabel 3. 10 Perhitungan Rumah Pompa ... 68
Tabel 3. 11 Lebar Volute tiap Sudut... 69
Tabel 3. 12 Data Perhitungan Segitiga Kecepatan Sisi Masuk ... 72
Tabel 3. 13 Iterasi Sisi Keluar Impeller Air Gambut ... 74
Tabel 3. 14 Iterasi sisi Keluar Impeller air Gambut (2) ... 75
Tabel 3. 15 Data Perhitungan Sisi Keluar Impeller Air Gambut ... 77
Tabel 3. 16 Data Perhitungan Kelengkungan Sudu Air Gambut ... 80
Tabel 3. 17 Data Perhitungan Rumah Pompa Sentrifugal air Gambut ... 82
Tabel 3. 18 Lebar Volute Tiap Sudut ... 83
Tabel 4. 1 Spesifikasi Pompa ... 84
Tabel 4. 2 Dimensi Impeller ... 86
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Pompa adalah mesin yang digunakan untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui suatu media perpipaan dengan cara menambahkan energi pada fluida yang dipindahkan dan berlangsung secara terus menerus. Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Pompa berfungsi mengubah energi mekanik dari suatu sumber penggerak menjadi energi kinetik (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada disepanjang pengaliran.
Salah satu jenis pompa adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetik (kecepatan) fluida menjadi energi potensial (dinamik) melalui suatu impeller yang berputar didalam volute. Impeller tersebut merupakan komponen dari pompa sentrifugal yang berfungsi untuk merubah energi mekanik dari pompa menjadi energi kinetik pada fluida yang dipompakan secara terus menerus, sehingga fluida pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan fluida yang masuk sebelumnya, sehingga impeller tersebut merupakan komponen yang paling penting pada pompa dalam hal pemompaan fluida dari bagian isap menuju bagian tekan.
PDAM Tirta Siak dalam pengerjaan pemompaan air, menggunakan pompa sentrifugal EBARA tipe 100 x 80 FSJA dengan jenis impeller yaitu closed
impeller. Dalam hal ini, akan dilakukan perancangan impeller pompa sentrifugal
tersebut dengan fluida kerja air gambut.
Untuk merancang impeller pompa sentrifugal dengan fluida yang berbeda telah banyak dilakukan penelitian seperti oli, darah, urin dan fluida-fluida lain, tetapi yang menarik disini adalah belum ada penelitian tentang perancangan
impeller yang dirancang untuk fluida kerja air gambut, sedangkan untuk daerah di
2 setelah Papua dan yang terakhir merupakan Kalimantan berdasarkan BB Litbang SDLP pada tahun 2008. Parameter yang berpengaruh pada fluida dalam hal merancang impeller sangat banyak, seperti temperatur, viskositas, kandungan kimia didalamnya dan lain lain. Dalam hal ini perhatian dititik pusatkan pada pengaruh viskositas dari fluida kerja pompa tersebut.
Pompa sentrifugal yang dirancang untuk air, jika digunakan untuk fluida kerja yang berbeda, Head pompa sentrifugal akan mengalami penurunan atau peningkatan. Karena, viskositas yang lebih tinggi dapat menurunkan head pompa hal ini dikarenakan semakin besar nilai viskositas suatu fluida maka gaya gesek yang dibutuhkan oleh fluida tersebut untuk mengalir dalam suatu laluan semakin besar sehingga menyebabkan kecepatan alirannya menjadi berkurang akibat hambatan gesekan tersebut dan begitu juga sebaliknya jika viskositas fluida tersebut lebih rendah.
Vini Citra dan juga Wen Guang Li dalam perancangan impeller pompa sentrifugal menyebutkan bahwa viskositas mengakibatkan slip factor dimana menyebabkan turunnya kecepatan absolut dalam komponen tangensial, hal ini menyebabkan fluida meninggalkan impeller dengan sudut yang lebih kecil daripada sudut keluaran impeller, jika fluida meninggalkan impeller dengan sudut yang lebih kecil maka head pompa akan menurun dimana jika head menurun maka tekanan keluaran pompa tersebut juga akan turun dan ada jika hal tersebut terjadi ada kemungkinan bahwa prinsip dasar pompa tidak tercapai yaitu dalam hal menaikkan tekanan. Berdasarkan hal ini, maka dalam perancangan impeller dimana terdapat pengaruh dari viskositas tersebut, dibutuhkan sudut keluaran
impeller yang lebih besar. Dalam menganalisa dapat menggunakan dua
pendekatan, yang pertama adalah dari segitiga kecepatan pada impeller outlet dan yang kedua adalah dengan impeller theoretical head of 3D turbulent viscous fluid. Faktor tersebut secara signifikan juga tergantung pada seberapa besar flow rate fluida kerjanya. Dalam hal ini akan menggunakan cara dengan menggunakan segitiga kecepatan.
Berdasarkan tinjauan diatas, maka akan dilakukan perancangan ulang
3 viskositas fluida yang akan dipompakan, dalam hal ini adalah air gambut yang memiliki viskositas yang berbeda dengan air . Viskositas air gambut itu sendiri didapatkan melalui proses pengujian di Lab Kimia, hasil pengujian tersebut telah dilampirkan pada lampiran, Dapat dilihat disitu bahwa viskositas air gambut memiliki nilai yang lebih rendah daripada air bersih. Berdasarkan Rotaridynamic
Pump (Centrifugal and Axial) oleh K.M.Srinivasan impeller merupakan
komponen yang harus dirancang terlebih dahulu untuk merancang volute, karena
volute merupakan fungsi dari impeller tersebut, sehingga dengan kata lain bahwa
setiap bentuk impeller memiliki volute nya masing-masing, dalam perancangan ini
volute atau rumah pompa sentrifugal juga dirancang pada impeller air bersih
maupun air gambut untuk selanjutnya dapat disimulasikan oleh tim perancang berikutnya untuk dapat melihat karakteristik aliran didalam pompa dalam pendekatan yang aktual. Setelah merancang impeller pompa sentrifugal tersebut, hasilnya akan mendapatkan dimensi-dimensi impeller dan menganalisa seberapa besar head dan tekanan yang dihasilkan akibat perubahan viskositas itu yang dipengaruhi oleh nilai kecepatan dan nilai flow rate aliran tersebut.
1.2. Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dalam penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Berapa nilai dimensi utama impeller dan volute pompa sentrifugal untuk memompakan air gambut pada pompa sentrifugal di PT. PDAM Tirta Siak? 2. Berapa head dan tekanan yang dihasilkan setelah dan sebelum perancangan
ulang impeller pada pompa sentrifugal perancangan untuk memompakan air gambut?
1.3. Tujuan
Adapun tujuan penelitian tugas akhir yang akan dicapai adalah untuk merancang impeller dan volute pompa sentrifugal untuk mampu bekerja pada air gambut dengan mempertimbangkan sisi viskositasnya dengan melihat head yang
4 dihasilkan dan tentunya juga harus memenuhi prinsip kerja pompa dalam hal menaikkan tekanan.
1.4. Batasan Masalah
Adapun batasan masalah pada penelitian tugas akhir yang ditentukan adalah sebagai berikut :
1. Impeller dan volute Pompa yang dirancang ulang merupakan impeller dan
volute dengan pompa acuan sebagai pembanding yaitu pompa EBARA 100
x 80 FSJA pada PDAM Tirta Siak.
2. Objek penelitian dari air gambut merupakan viskositas. 3. Pemilihan jenis impeller berdasarkan kecepatan spesifik.
4. Material impeller dan poros berdasarkan material dan dimensi pompa acuan. 5. Analisa hasil perhitungan dilakukan hanya pada impeller yaitu pada kecepatan, debit dan tekanan pada laluan tiap-tiap jari-jari sudu impeller dan untuk perancangan volute dilakukan sebagai parameter dalam simulasi pada penelitian yang lain dalam tim perancang.
1.5. Manfaat
Adapun manfaat pada penelitian tugas akhir yang ditentukan adalah mendapatkan dimensi-dimensi utama impeller pompa sentrifugal dan dapat menganalisa perbedaan head dan kenaikan tekanan yang dihasilkan tersebut akibat perbedaan nilai viskositas.
1.6. Sistematika Penulisan
Secara garis besar sistematika penulisan skripsi ini dibagi menjadi 5 bab, yakni :
BAB I PENDAHULUAN
Menjelaskan tentang latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat dan sistematika penulisan.
5 Menjelaskan tentang teori-teori dasar yang mendukung penelitian.Teori yang dibahas berupa teori-teori dasar pompa dan air gambut.
BAB III METODOLOGI
Menjelaskan tentang perhitungan dan metode penelitian yang digunakan. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Menjelaskan tentang hasil perhitungan dan menganalisa data berdasarkan hasil perhitungan yang telah diperoleh.
BAB V SIMPULAN DAN SARAN
Menjelaskan tentang kesimpulan dari seluruh proses dan hasil perhitungan yang telah dilakukan yaitu dalam bentuk dimensi-dimensi yang telah didapatkan dan juga analisa terhadap hasil perhitungan tersebut.
6 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Prinsip Dasar Pompa
Pompa adalah mesin atau peralatan mekanis yang digunakan untuk menaikkan fluida dari suatu tempat ke tempat yang lain, dengan kata lain pompa adalah suatu peralatan yang digunakan untuk mengalirkan fluida dengan cara menaikkan tekanan fluidanya. Hal ini dapat dicapai dengan membuat suatu tekanan rendah pada sisi masuk (suction) dan tkanan tinggi pada sisi keluar (discharge) pada pompa.
Pompa juga dapat digunakan pada proses – proses yang membutuhkan tekanan hidrolik yang besar. Hal ini biasa dijumpai antara lain pada peralatan – peralatan berat. Dalam operasi, mesin – mesin peralatan berat membutuhkan tekanan discharge yang besar dan tekanan hisap yang rendah. Akibat tekanan yang rendah pada sisi isap pompa maka fluida akan naik dari kedalaman tertentu, sedangkan akibat tekanan yang tinggi pada sisi discharge akan memaksa fluida untuk naik pada ketinggian yang diinginkan. Hal ini dapat dilihat pada gambar dibawah.
(Sumber : Google.com)
7 2.2. Cara Kerja Pompa Sentrifugal
Fluida dating pada saluran hisap pompa setelah mengalir melalui pipa hisap. Fluida yang masuk harus memiliki energi yang cukup sehingga pompa dapat bekerja dengan energi yang dibawa oleh zat cair tersebut. Pompa tidak begitu saja dapat menghisap atau menarik fluida masuk kedalamnya (rumah pompa).
Pompa sentrifugal juga membutuhkan fluida yang tersedia pada saluran hisapnya dengan kandungan energi yang cukup sehingga fluida dapat masuk pada rumah pompa. Prinsip dasar pada pompa sentrifugal adalah pada rumah pompa (volute) dan impeller (Gambar 2. 1).
Impeller tersambung pada poros. Poros berputar karena mendapat daya
oleh suatu penggerak, bias berupa motor ataupun driver yang terambung pada puli atau sabuk transmisi. Fluida masuk melalui pusat impeller dan kemudian terjebak diantara sudu impeller. Sudu impeller yang berisi fluida tersebut memberikan kecepatan pada fluida yang bergerak dari pusat impeller ke diameter luar impeller. Saat fluida mengalami percepatan, menimbulkan daerah yang bertekanan rendah disekitaran pusat impeller, sesuai dengan prinsip Bernoulli, saat kecepatan naik, tekanan menurun. Hal inilah yang menjadi alas an mengapa fluida yang masuk ke dalam pompa harus memiliki energi yang cukup.
2.3. Bagian – Bagian Utama Pompa Sentrifugal
Ada beberapa bagian-bagian utama pompa sentrifugal (Gambar 2. 2 ) dan penjelasannya adalah sebagai berikut :
(Sumber: Google.com)
8
1. Stuffing Box
Stuffing box berfungsi untuk mencegah kebocoran pada daerah dimana
poros pompa menembus casing.
2. Packing
Packing digunakan untuk mencegah dan mengurangi bocoran dari casing pompa melalui poros. Biasanya terbuat dari asbes atau Teflon.
3. Shaft
Shaft atau poros berfungsi untuk meneruskan momen punter dari
penggerak selama beroprasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian yang 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
Vane merupakan sudu dari impeller yaitu sebagai tempat berlalunya
fluida pada impeller.
6. Casing
Casing merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi
sebagai pelindung elemen yang berputar, tempat kedudukan diffusor (guide
vane), inlet, dan outle nozzle serta tempat memberikan arah aliran dari impeller dan mengkonversikan energi kecepatan fluida menjadi energi
dinamik (single stage).
7. Eye of Impeller
Eye of impeller merupakan bagian sisi masuk pada arah hisap impeller.
8. Impeller
Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanik dari pompa
menjadi energi kecepatan pada fuida yang dipompakan secara kuntiniu, sehingga fluida pada sisi hisap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan dari fluida yang masuk sebelumnya.
9
Impeller merupakan cakram bulat dari logam dengan lintasan untuk
aliran fluida yang sudah terpasang. Impeller biasanya terbuat dari perunggu, polikarbonat, besi tuang atau stainless steel, namun bahan-bahan lainnya juga digunakan. Sebagaimana kinerja pompa tergantung pada jenis impeller nya, maka penting untuk memilih rancangan yang cocok dan mendapatkan
impeller dalam kondisi yang baik. Jumlah impeller menentukan jumlah
tahapan pompa. Pompa satu tahap memiliki satu impeller dan sangat cocok untuk layanan head (tekanan) rendah. Pompa dua tahap memiliki dua
impeller yang terpasang secara seri untuk layanan head sedang. Pompa
multitahap memiliki tiga impeller atau lebih terpasang seri untuk layanan
head yang tinggi.
2.4. Klasifikasi Pompa Sentrifugal
Pompa sentrifugal diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, antara lain :
1. Bentuk arah aliran yang terjadi di impeller
Aliran fluida dalam impeller dapat beupa aliran aksial, aliran campuran, dan aliran radial
2. Berdasarkan kapasitasnya
Kapasitas rendah : <20 m3/jam
Kapasitas menengah : 20 – 60 m3/jam
Kapasitas tinggi : >60 m3/jam
3. Bentuk konstruksi impeller
Impeller yang digunakan dalam pompa sentrifugal dapat berupa open impeller, semi-open impeller, atau closed impeller.Klasifikasi berdasarkan
10 (Sumber : Google.com)
Gambar 2. 3 Bentuk Kontstruksi Impeller 4. Banyaknya jumlah suction inlet
Beberapa pompa sentrifugal memiliki suction inlet lebih dari dua buah. Pompa yang memiliki satu suction inlet disebut single-suction pump sedangkan pompa yang memiliki dua suction inlet disebut double suction
pump.
5. Banyaknya impeller
Pompa sentrifugal khusus memiliki beberapa impeller bersusun. Pompa yang memiliki satu impeller dalam satu casing disebut single-stage pump sedangkan pompa yang memiliki lebih dari satu impeller tersusun seri dalam satu casing disebut multi-stage pump. Beberapa impeller yang tersusun
parallel dalam satu casing adalah multi impeller dan kombinasi dari multi impeller dan multi stage.
2.5. Head
2.5.1. Head Total Pompa
Head total pompa yang harus disediakan untuk mengalirkan jumlah air
11 pompa seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 2. 4. Head total pompa dapat ditentukan menggunakan persamaan 2.1
2 2. s p l Vd h h H h g (2.1) Keterangan : H : Head (m) hs : Head statis (m) p h
: Head perbedaan tekanan (m)
hl : Head losses (m)
Vd : Kecepatan keluar fluida (m/s)
g : Percepatan gravitasi (m/s2)
Dalam hal pompa menerima energi dari aliran yang masuk ke sisi hisapnya, seperti pada pompa penguat (pompa booster), maka head pompa dapat dihitung menggunakan persamaan 2.2.
2 2 1 ( ) 2. p l a h V H h h Vd s g (2.2) Keterangan :
Vs : Kecepatan masuk fluida (m/s)
(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso,2000)
12 2.5.2. Head Kerugian
Head kerugian merupakan Kerugian energi per satuan berat fluida dalam
pengairan cairan dalam system perpipaan, Head loss atau head kerugian dibagi menjadi 2, yaitu head loss minor dan head loss mayor :
1. Mayor Head Loss
Mayor head loss merupakan kerugian energi disepanjang saluran pipa,
adapun mayor head loss dapat dihitung dengan persamaan 2.3
2 . . 2. lp L V H f D g (2.3) Keterangan :
Hlp : Mayor head losses (m) f : Faktor gesekan
L : Panjang pipa (m)
D : Diameter pipa (m) V : Kecepatan aliran fluida (m/s)
Harga f didapat dari diagram Moody pada Gambar 2. 5 sebagai fungsi dari angka Reynolds dan kekasaran relatif (Relative Roughness), yang nilainya dapat dilihat pada grafik sebagai fungsi dari nominal diameter pipa dan kekasaran permukaan dalam pipa yang tergantung dari jenis material pipa. Jika jenis aliran merupakan aliran laminar (Re < 2000) maka faktor
gesekan dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut : 64 Re f (2.4) Keterangan : Re : Bilangan Reynold . e . R V D µ (2.5) Keterangan :
13 μ : Viskositas kinematik fluida (m2/s)
(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso,2000) Gambar 2. 5 Diagram Moody
2. Minor head loss
Minor Head loss merupakan kerugian head pada fitting dan valve yang
terdapat disepanjang sistem perpipaan. Minor head loss dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:
2 . . 2. lf V H n k g (2.6) Keterangan :
Hlf : Minor head loss (m)
n : Jumlah kerugian k : konstanta kerugian
14 Dalam menghitung kerugian pada fitting dan valve dapat menggunakan tabel. Besaran ini menyatakan kerugian pada fitting dan valve dalam ukuran panjang ekivalen dari pipa lurus.
2.6. Hukum Dasar Hidrolika
2.6.1. Hukum Kontinuitas
Hukum Kontinuitas menyatakan bahwa laju aliran massa (m) adalah konstan untuk jenis aliran yang beroperasi didalam keadaan steady yang melalui sebuah volume, dapat dilihat pada Gambar 2. 6. Hal ini dapat ditunjukkan didalam persamaan 2.7
(Sumber : Perancangan Impeller Pompa Sentrifugal tipe 50x40 FSA dengan Metode Reverse Engineering, Vini Citra, 2009)
Gambar 2. 6 Hukum Kontinuitas
ṁ = ρ1 . A1 . C1 = ρ2 . A2 . C2 (2.7)
Keterangan :
ṁ : Laju aliran massa (kg/s)
A1 : Luas penampang masuk aliran fluida (m2)
A2 : Luas penampang keluar aliran fluida (m2)
C1 : Kecepatan aliran fluida masuk (m/s)
15 Dimana vektor kecepatan C tegak lurus dengan luas penampang A. Untuk aliran inkompresibel (massa jenis konstan) : A1 x C1 = A2 x C2. Bentuk ini
menunjukkan bahwa aliran massa yang masuk maupun keluar memiliki nilai yang sama untuk control volume yang diberikan pada kondisi operasi steady.
2.6.2. Persamaan Bernoulli
Dalam teorema Bernoulli menyebutkan bahwa energi fluida yang mengalir pada pengaruh gravitasi adalah jumlah dari energi potensial, energi kinetik dan energi tekanan.
ET = EP + Ek + EH (2.8)
Keterangan :
ET : Energi fluida yang mengalir
Ep : Energi Potensial
Ek : Energi kinetik
EH : Energi tekanan
Persamaan Bernoulli merupakan persamaan energi untuk jenis aliran inkompresibel yang ideal, fluida non viscous, steady, tidak ada kerja dan dalam satu garis arus. Persamaan bernaulli dapat dilihat pada persamaan 6.9
2 2 1 1 2 2 1 2 . 2. 2. . g P C P C Z g Z g g (2.9) Keterangan :
P1 : Tekanan masuk fluida (Pa)
P2 : Tekanan keluar fluida (Pa)
Z1 : Ketinggian sisi hisap (m)
Z2 : Ketinggian sisi tekan (m)
16 2.6.3. Persamaan Euler
Persamaan Euler menyatakan bahwa tingkat energi pada suatu titik pada fluida dengan tingkat energi pada titik lainnya didalam ruang sudu antar impeller, dengan menggunakan asumsi sebagai berikut :
1. Proses adalah adiabatik, sehingga tidak ada kalor yang masuk maupun keluar selama fluida berada didalam impeller dengan pertimbangan- pertimbangan, yaitu : kondisi operasi sistem merupakan steady, waktu yang sangat singkat, perubahan energi kalor tidak dapat langsung menjadi energi poros.
2. Fluida adalah ideal dan non viscous, sehingga tidak ada gesekan antara fluida dengan impeller, maupun antara fluida dengan fluida. 3. Jumlah sudu adalah tak berhingga, sehingga fluida dianggap tetap
dan dapat mengalir diantaranya, aliran fluida dapat tepat mengikuti bentuk lengkungan sudu impellernya.
4. Dimensi memiliki nilai yang relatif kecil sehingga dapat diabaikan. Berdasarkan asumsi diatas, untuk impeller ideal dengan menganggap jumlah sudu tak berhingga seperti pada Gambar 2.7, maka dapat diturunkan persamaan euler sebagai berikut :
2 2 1 1 (U C. u ) (U C. u ) H g (2.10) Keterangan :
U2 : Kecepatan sudu keluar (m/s)
U1 : Kecepatan sudu masuk (m/s)
Cu2 : Kecepatan tangensial keluar (m/s)
Cu1 : Kecepatan tangensial masuk (m/s)
17 Gambar 2. 7 Impeller Dua Dimensi
2.7. Segitiga Kecepatan
Fluida mengalir kedalam pompa karena terhisap oleh impeller yang berputar, dengan menganggap aliran fluida dalam bentuk aliran dua dimensi, dan bahwa fluida mengikuti sudu-sudu impeller dengan tepat. Kecepatan masuk dan keluar untuk suatu impeller yang mempunyai sudu-sudu mengarah kebelakang seperti ditunjukkan dalam Gambar 2. 8, maka u merupakan kecepatan suatu titik pada impeller relatif terhadap tanah, w adalah kecepatan aliran fluida relatif terhadap impeller, c adalah kecepatan absolut partikel fluida yang mengalir relatif terhadap tanah. C merupakan penjumlahan secara vector antara u dan w.
(Sumber : Rotodynamic pump (Centrifugal Pump). K.M. Srinivasan . 2008. Rotodynamic pump (Centrifugal Pump). Coimbatore. New Age International Publisher. Coimbatore. New Age International Publisher.)
Gambar 2. 8 Segitiga Kecepatan pada Impeller
β1 merupakan sudut diameter luar daripada eye impeller, Ut merupakan
kecepatan peripheral daripada sudu impeller, Cm1 merupakan kecepatan
18 Segitiga kecepatan merupakan salah satu dari komponen prinsip
Turbomachinary. Prinsip Turbomachinary itu sendiri merupakan alat yang sangat
mendasar dalam merancang ketiga bentuk impeller tang ditunjukkan pada Gambar 2.9, yaitu adalah pompa aksial, pompa sentrifugal dan turbin pelton. Ketiga nya dapat dirancang menggunakan prinsip turbomachinary yang sama dan kita juga dapat memprediksi peforma ketiganya dari dasar-dasar turbomachinary yang sama.
(Sumber : LearnEngineering.com)
Gambar 2. 9 Beberapa Jenis Impeller
Untuk dapat memahami ataupun mengembangkan dasar-dasar
turbomachinary, kita harus membayangkan bahwa fluida mengalir didalam suatu
jalur aliran seperti diperlihatkan pada Gambar 2.10. Kecepatan fluida berubah dari V1 pada bagian masuk menjadi V2 pada bagian keluarannya
19 (Sumber : LearnEngineering.com)
Gambar 2. 10 Aliran Dalam Impeller
Kecepatan fluida tersebut dapat dibagi menjadi komponen radial dan komponen tangensial seperti diperlihatkan pada Gambar 2.11. Untuk membuat fluida mengalir, harus ada torsi eksternal yang bekerja pada aliran tersebut. Torsi tersebut kita dapatkan dari turunan Hukum Newton kedua mengenai gerak, yang mana adalah persamaan dasar dari turbomachinary atau yang disebut juga sebagai persamaan euler (Euler Turbomachinary Equation).
T = ṁ (R2 . Vθ2 – R1 . Vθ1) (2.11)
Keterangan :
T : Torsi (kg m2/s2)
R1 : Jari-Jari dalam Impeller (m)
R2 : Jari-jari luar Impeller (m)
Vθ1 : Cu1 = Kecepatan tangensial sisi masuk Impeller (m/s)
20 (Sumber : LearnEngineering.com)
Gambar 2. 11 Komponen Kecepatan Fluida
Jika impeller tersebut berputar dengan kecepatan angular ω daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan aliran tersebut dapat menggunakan persamaan 2.12 berikut.
Preq = ṁ (R2 . Vθ2 – R1 . Vθ1) x ω (2.12)
Keterangan :
Preq : Daya yang dibutuhkan (kW)
ω : Kecepatan angular (rad/s)
(Sumber : LearnEngineering.com)
21 Jika kita mengalikan kecepatan angular kepada radius maka kita akan mendapatkan kecepatan sudu U. Maka dengan kata lain daya yang dibutuhkan untuk mengalirkan fluida tersebut adalah dengan persamaan 2.13 berikut.
Preq = ṁ (U2 . Vθ2 – U1 . Vθ1) (2.13)
Keterangan :
U1 : Kecepatan sudu dalam impeller (m/s)
U2 : Kecepatan sudu luar impeller (m/s)
Vθ memiliki nilai yang positif jika mempunyai arah yang sama dengan
kecepatan sudu U dan sebaliknya. Jika kita membagi daya dengan berat jenis dari fluida yang mengalir maka kita akan dapat menghitung head pompa tersebut. Persamaannya adalah sebagai berikut.
H = 1
𝑔 (U2 . Vθ2 – U1 . Vθ1) (2.14)
Jika daya yang dihasilkan besar daripada nol (Preq > 0), berarti fluida yang
mengalir menyerap energi dan bekerja sebagai kompresor. Sebaliknya jika daya yang dihasilkan lebih kecil daripada nol (Preq > 0), berarti fluida yang mengalir
melepaskan energi dan bekerja sebagai turbin. Kecepatan tangensial Vθ
merupakan komponen dari kecepatan fluida V dimana Vθ parallel terhadap
kecepatan fluida U seperti diperlihatkan pada Gambar 2.13.
(Sumber : LearnEngineering.com)
22 Untuk memahami kecepatan relatif dianalogikan seperti ini, Bayangkan anda berdiri pada impeller yang berputar seperti diperlihatkan pada gambar berikut, anda merupakan fluida yang digerakkan oleh impeller. Kecepatan fluida yang dialami oleh impeller yang berputar disebut kecepatan relatif, kecepatan relatif memiliki arah yang parallel terhadap sudut keluaran impeller seperti diperlihatkan pada Gambar 2.14.
(Sumber : LearnEngineering.com)
Gambar 2. 14 Analogi Kecepatan Relatif
Kita dapat memprediksi peforma pompa sentrifugal melalui segitiga kecepatan yang diperlihatkan pada Gambar 2.7. Komponen radial dari kecepatan aliran menentukan seberapa banyak debit yang meninggalkan impeller, sehingga kita dapat menentukan kecepatan radial bagian keluaran dari persamaan 2.15 berikut.
Q = 2.π.R2.b2.Vr2 (2.15)
Keterangan :
b2 : Lebar laluan sudu keluaran Impeller (m)
Maka, dapat juga mengetahui komponen tangensial dari kecepatan aliran dari bagian masukan. Pada bagian masukan pompa sentrifugal, kecepatan aliran adalah radial jadi komponen tangensial dari kecepatan aliran adalah nol. Sehingga dapat diasumsikan sebagai pendekatan perancangan bahwa sudut masuk fluida adalah 90o.
23 2.8. Kecepatan Spesifik
Kecepatan spesifik (ns) merupakan kecepatan secara geometrik yang
sama pada pompa yang mengkonsumsi 1 (metric) hp dan menghasilkan 1 m dari tital head. Secara umum kecepatan spesifik merupakan suatu istilah untuk memberikan klasifikasi impeller berdasarkan prestasi dn proporsi tanpa memperhatikan ukuran actual dan kecepatan dimana impeller tersebut beroprasi. Karena kecepatan spesifik merupakan fungsi proporsi dari impeller, maka kecepatan spesifik memiliki nilai konstan untuk impeller- impeller yang mempunyai sudut – sudut dan proporsi yang sama (homogen).
(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso, 2000)
Gambar 2. 15 Hubungan Kecepatan Spesifik dan Jenis Impeller
Kecepatan spesifik dapat juga digunakan untuk menentukan jenis impeller yang digunakan, ditunjukkan dalam gambar 2.7 hubungan antara kecepatan spesifik dan bentuk jenis impeller. Kecepatan spesifik dibagi dalam dua jenis, yaitu kecepatan spesifik kinematic dan kecepatan spesifik dinamik, dan dapat dilihat dalam persamaan 2.16 dan 2.17 berikut.
Kecepatan spesifik kinematic (Nsq) = 3/ 4
n Q
H (2.16)
Kecepatan spesifik dinamik (Nsp) = 3/2
75 . . n H Q (2.17)
24 Keterangan :
n : Kecepatan putaran (rpm) Q : Laju aliran volume (m3/s)
2.9. Efisiensi Pompa
Efisiensi pompa dapat dibagi menjadi tiga, yaitu : 1. Efisiensi hidrolik
Efisiensi hidrolik merupakan perbandingan antara head aktual dan head teoritis, dapat ditunjukkan dalam persamaan dibawah ini :
ΔH =HthHa (2.18) η h = a th a 1 th th a th th H H H H H H H H H H (2.19) Keterangan :
ΔH : Selisih head aktual dan head teoritis pompa sentrifugal (m) Hth : Head teoritis (m)
Ha : Head aktual (m) η h : Efisiensi hidrolik
2. Efisiensi Volumetrik
Efisiensi volumetrik merupakan perbandingan antara Q aktual dan Q teoritis pompa ΔQ = Qth - Qa (2.20) η v = a th a 1 th th a th th Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q (2.21) Keterangan :
ΔQ : Selisih Qa aktual dan Qth pompa sentrifugal (m3/s) Qth : Laju aliran volume teoritis (m3/s)
Qa : Laju aliran volume aktual (m3/s) η v : Efisiensi volumetrik
25 3. Efisiensi Mekanik
Efisiensi mekanik merupakan perbandingan antara daya aktual dan daya teoritis pompa. ΔN = Nth - Na (2.22) η m= a th a 1 th th a th th N N N N N N N N N N (2.23) Keterangan :
ΔN : Selisih daya aktual dan daya teoritis pompa sentrifugal (kW)
Nth : Daya teoritis (kW)
Na : Daya aktual (kW)
ηm : Efisiensi mekanik
Adapun total dari efisiensi pompa ditunjukkan dalam persamaan 2.19
η = η th . η v . η m (2.24)
Keterangan :
η : Efesiensi total pompa
2.10. Daya
Daya dapat didefinisikan sebagai jumlah energi yang digunakan untuk menaikkan energi fluida yang mengalir melewati pompa dari bagian masuk (inlet) menuju bagian keluaran (outlet).
N =W H. . .
C C
Q H
(2.25)
Dimana W = γ 𝑥 𝑄 dalam bentuk satuan kgf, konstan bernilai 102, dan jika digunakan dalam bentuk Newton konstan bernilai 1.000 untuk mendapatkan daya dalam satuan kW.
26 2.11. Sisi Masuk Impeller
2.11.1. Diameter Eye Sisi Masuk Impeller (ds)
Untuk menentukan diameter eye sisi masuk (ds) pertama-tama perlu
dihitung diameter poros (dsh). Perhitungan diameter poros tergantung pada nilai
daya yang ditransmisikan oleh motor penggerak pompa. Kemudian harga putaran kritis dan defleksi maksimum yang masih diijinkan dalam daerah kerja poros.
Tentunya poros hasil rancangan harus mampu menahan beban-beban yang mungkin diterima pada saat pengoperasiannya. Suatu poros biasanya akan menerima satu atau lebih dari beban-beban dibawah ini :
1. Beban torsi. Beban ini disebabkan oleh putaran motor penggerak, sehingga besar kecinya sangat tergantung dari daya yang diberikan dan kecepatan motor penggerak
2. Beban lengkung. Beban ini biasanya berupa beban mati dari poros itu sendiri, massa impeller serta bagian-bagian lain yang membebani poros, serta akibat gaya radial yang lain seperti gaya yang timbul akibat ketidakseimbangan massa yang berputar.
3. Gaya aksial. Beban ini diakibatkan oleh berat poros itu sendiri, jika poros dipasang vertikal serta dorongan dalam arah aksial dari fluida yang dipompakan akibat perbedaan tekanan fluida, namun pada umumnya beban jenis ini relatif kecil jadi untuk pompa dengan daerah operasi yang tidak terlalu berat, gaya aksial dapat diabaikan Dengan asumsi kondisi pembebanan yang terjadi hanya pembebanan torsi murni. Bahan poros pompa EBARA tipe 100 x 80 FSJA adalah 403 St. Steel (lampiran)
2.11.2. Kecepatan Aliran Masuk Impeller (Co)
Kecepatan aliran masuk arah aksial (Co) pada pompa berkisar antara 1,5 –
1,6 m/s, akan tetapi harga kecepatan ini bisa mencapai 12 m/s untuk pompa yang mempunyai head positif yang tinggi pada sisi hisapnya. Besar harga Co ditentukan
27 2.11.3. Sudut masuk (β1) dan Lebar Sudu pada Sisi Masuk (b1)
Setelah diameter masuk (do) ditentukan maka menentukan besar diameter
d1 sesuai dengan posisi dan bentuk dari tepi sisi masuk sudu. Kecepatan
tangensial (U1) untuk harga do yang telah diketahui dapat dihitung dengan
persamaan 2.26. U1 = . 60 . o n d m/s (2.26) Keterangan : do : Diameter masuk (m)
Dengan mengasumsikan harga sudut masuk fluida menuju eye pompa sentrifugal (α1) adalah sebesar 90o, maka dapat ditentukan besar sudut masuk menggunakan
persamaan 2.27. tan β1 = 1 1 m C u (2.27) Keterangan :
β1 : Sudut sisi masuk sudu (o)
Akan tetapi pada pompa sentrifugal menunjukkan bahwa nilai Q optimal pada efisiensi tertinggi selalu lebih kecil jika kita mengambil sudut masuk β1.
Oleh karena itu perlu penambahan besar sudut masuk dengan sudut serang (angle
of attack / incidence) δ1 = 2o ~ 6o (Gambar 2. 16), sehingga didapat sudut
kemiringan dari sudu yang dipilih menggunakan persamaan 2.28.
β1 = β1 + δ1 (2.28)
Keterangan :
28 (Sumber : Perancangan Impeller Pompa
Sentrifugal tipe 50x40 FSA dengan Metode Reverse Engineering, Vini Citra, 2009)
Gambar 2. 16 Segitiga Kecepatan masuk impeller (β1) Luas daerah sisi masuk sudu dapat ditentukan dengan persamaan 2.29.
A1 = 1 1. m Q C (2.29) Keterangan :
φ1 : koefisien penyempitan sudu
φ1 adalah koefisien konstriksi (penyempitan) yang dihitung sebagai
kompensasi dari ketebalan sudu. Setelah itu kita dapat menghitung lebar sisi masuk sudu dengan persamaan 2.30 berikut :
b1 = 1 1 . A d (2.30) Keterangan :
A1 : Luas sisi masuk impeller (m)
d1 : Diameter sisi masuk impeller (m)
Lebar d1 adalah diemeter lingkaran yang berada pada pusat tepi masuk sudu dan
29 2.12. Sisi Keluar Impeller
2.12.1. Kecepatan Meridian (Cm2) dan Sudut Keluar (β2)
Kecepatan meridian pada sisi keluar diambil lebih kecil dibanding kecepatan meridian pada sisi masuk, dapat ditentukan menggunakan persamaan 2.31
Cm2 = (0,7 ~ 0,75) Cm1 (2.31)
Keterangan :
Cm1 : Kecepatan meridional sisi masuk impeller (m/s)
Cm2 : Kecepatan meridional sisi keluar impeller (m/s)
Besar-besar sudut keluar β2 diasumsikan diantara harga batas 15o ~ 35o
dan biasanya dipilih 25o. Harga β2 semakin kecil digunakan didalam pompa maka
akan menghasilkan nilai kecepatan spesifik yang semakin tinggi.
2.12.2. Kecepatan Tangensial (U2) dan Diameter Luar Impeller (d2)
Kecepatan tangensial U2 dihitung dengan persamaan dasar (dari persamaan
Euler) pada pompa impeller dalam bentuk umum yang ditunjukkan dalam persamaan 2.32.
Hth = 1
𝑔 (U2 . Cu2 – U1 . Cu1) (2.32)
Dari segitiga kecepatan didapat persamaan 2.33. 2 2 2 2 tan m u C C U (2.33)
Jika persamaan 2.32 dimasukkan kedalam persamaan 2.33 maka diperoleh persamaan 2.34. 2 2 2 2 1 1 . . . tan m th u C H U U U C (2.34)
30 Atau dapat juga ditulis dengan persamaan 2.35.
2 2 2 2 2. . 1. 1 tan m th u C U U g H U C (2.35)
Sehingga didapatkan persamaan 2.36.
U2 = 𝐶𝑚2 2 .𝑡𝑎𝑛𝛽2± √𝑔 . 𝐻𝑡ℎ+ 𝑈1𝐶𝑢1+ 2 2 2 2. tan m C (2.36)
Hanya harga positif yang diambil dari kedua hasil tersebut. Jika dianggap αo = 90o maka U
1.Cu1 = 0 dan besar U2 dapat ditentukan dalam persamaan 2.37.
U2 = 2 2 2. tan m C ± √𝑔 . 𝐻𝑡ℎ+ 2 2 2 2. tan m C (2.37)
Masukkan pada persamaan 2.32 kedalam persamaan Hth = Hth (1 + Cp),
kita dapatkan persamaan 2.38.
U2 = 2 2 2. tan m C ± √𝑔 𝑥 𝐻𝑡ℎ . (1 + 𝐶𝑝) + 2 2 2 2. tan m C (2.38)
Setelah didapat U2 maka d2 juga dapat ditentukan berdasarkan nilai
kecepatan putar yang telah diasumsikan terlebih dahulu menggunakan persamaan 2.39. 2 2 60. . U d n (2.39) 2.12.3. Lebar Impeller (b2)
Untuk menghitung lebar impeller pada sisi keluar b2 maka terlebih dahulu
dihitung luas selimut sisi keluar impeller dengan cara yang sama seperti sisi masuk impeller (b1).
31 2 2 2 m A Q C (2.40)
Dimana φ2 merupakan koefisien konstriksi (penyempitan) pada sisi keluar.
Lebar sisi keluar impeller diperoleh dengan persamaan berikut :
2 2 2 . A b d (2.41)
Transmisi dari b1 ke b2 haruslah diusahakan bertahap sehingga Cm1
berubah dengan halus tanpa terjadi lompatan-lompatan.
2.13. Melukis Kelengkungan Sudu
Untuk melukis kelengkungan dan bentuk sudu terdapat dua cara yang umum digunakan yaitu :
1. Metode circular arc / arcus tangent 2. Metode point by point / koordinat polar
Dari kedua metode diatas, maka untuk perencanaan ini dipilih metode
circular arc / arcus tangent, dengan pertimbangan bahwa cara tersebut lebih
akurat dan lebih efisien. Dimana dengan metode ini impeller dibagi menjadi beberapa lingkaran yang konsentris diantara jari-jari r1 dan r2 dengan ra, rb, rc, rd,
re, rf, rg, rh, ri, rj, dan rk, dapat diperoleh dengan persamaan 2.42 berikut :
∆𝑟 = r2 r1
i
(2.42)
Keterangan :
i : jumlah lingkaran yang konsentris
Untuk perhitungan perubahan besar sudut kelengkungan sudu (∆𝛽) menggunakan persamaan 2.43.
∆𝛽 = 2 1
i
32 Keterangan :
𝛽1 : sudut tangensial masuk (o) 𝛽2 : sudut tangensial keluar (o)
Sehingga jari-jari kelengkungan sudu dapat dicari dengan persamaan 2.44 berikut : 𝜌 = 2 2 2 ( .cos b .cos a) rb ra rb ra (2.44) Keterangan :
ra : menyatakan lingkaran terdekat dengan pusat poros rb : menyatakan lingkaran terjauh dengan pusat poros
2.14. Volute Casing
2.14.1. Hal-hal Penting Mengenai Spiral Casing
Volute Casing merupakan saluran yang menghubungkan sisi hisap pada inlet impeller menuju sisi tekan pada outlet impeller. Lintasan saluran tersebut
dapat berbentuk vaneless (tak bersudu) dan ada juga yang berbentuk vaned (bersudu) atau bias juga disebut diffuser seperti dapat dilihat pada gambar 2.17.
Dalam merancang volute casing atau diffuser perancang harus memastikan beberapa poin berikut.
a. Distribusi kecepatan yang sama pada aliran.
b. Dalam mengkonversikan energi kinetik yang keluar dari outlet
impeller menuju energi tekanan yang digunakan harus seragam dan
efisien.
c. Momentum pada outlet impeller harus semuanya terkonversi pada
volute casing dan momentum pada outlet casing harus memiliki nilai
nol. Pada casing volute biasanya sekitar 25% energi kinetik terkonversi menjadi energi tekanan.
33 (Sumber : Rotodynamic pump (Centrifugal Pump). K.M.
Srinivasan. 2008. Coimbatore. New Age International Publisher.)
Gambar 2. 17 Berbagai Bentuk Casing Volute
(Sumber : Rotodynamic pump (Centrifugal Pump). K.M. Srinivasan.
2008. Coimbatore. New Age International Publisher.)
Gambar 2. 18 Diffuser Pump
2.14.2. Volute Casing Pada Outlet Impeller
Persamaan head dinamik yang tersedia ditunjukkan pada persamaan 2.45 berikut. (1 ). dy H H (2.45) 2 2 . 2. dy g H H U (2.46) Keterangan : ρ : koefisien reaksi
34 Jika koefisien reaksi tinggi, energy kinetik akan makin tinggi pada outlet
impeller. Casing harus dirancang secara tepat untuk energi kinetik yang tinggi ini
menjadi energi tekanan yang berguna.
Ada dua jenis volute casing pada outlet impeller. a. Bentuk spiral, vaneless.
b. Diffuser, vaned.
(Sumber : Rotodynamic pump (Centrifugal Pump). K.M. Srinivasan. 2008. Coimbatore. New Age International Publisher.)
35 (Sumber : Rotodynamic pump (Centrifugal Pump). K.M.
Srinivasan. 2008. Coimbatore. New Age International Publisher.) Gambar 2. 20 Skematik Spiral Casing Pada Outlet
Spiral casing pada outlet berbentuk spiral pada saluran 2’4’68 pada
gambar 2.20. Casing volute tidak hanya mengumpulkan fluida dari sekeliling
impeller, tetapi juga mengkonversikan 75% energi kinetik menjadi energi tekanan. Casing juga berperan penting dalam meningkatkan efisiensi hidrolik pompa
sentrifugal tersebut. Luas penampang volute casing naik secara bertahap disepanjang arah aliran untuk menaikkan tekanan secara bertahap juga menuju keluaran. Penelitian secara eksperimental, penampang yang memiliki bentuk
trapezoidal seperti dapat dilihat pada gambar 2.19 memberikan efisiensi hidrolik
yang lebih tinggi pada kecepatan spesifik tinggi dan sebaliknya pada kecepatan spesifik rendah.
Percobaan-percobaan juga menunjukkan bahwa spiral casing memberikan efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang memiliki diffuser pada sebagian kondisi kecepatan aliran tinggi dan rendah daripada kondisi operasi optimum. Jika pompa bekerja selalu pada kondisi operasi optimum, efisiensi tinggi akan dihasilkan jika menggunakan diffuser. Spiral casing digunakan untuk
36
single impeller sedangkan impeller digunakan untuk pompa sentrifugal multistage pump dimana juga bertujuan untuk mengurangi beban daya pompa.
2.14.3. Metode Perhitungan Spiral Casing
Total energi harus dipertahankan sama pada saat melewati impeller dan juga pada saat aliran melewati casing ataupun diffuser. Terdapat 2 metode yang dapat digunakan dalam merancang volute, yaitu :
a. Kecepatan aliran berubah berdasarkan pada pola aliran vortex ketika mengalir melewati casing.
b. Kecepatan aliran konstan.
Pada aktualnya ditentukan bahwa perancangan dengan menggunakan kecepatan konstan menghasilkan efisiensi hidrolik yang lebih besar dibandingkan perancangan dengan menggunakan kecepatan aliran berubah untuk pompa sentrifugal, dan sebaliknya jika ingin merancang turbin, lebih efisien hasil yang dihasilkan dengan menggunakan metode kecepatan aliran yang berubah.
Rumah pompa berbentuk spiral bertujuan merubah kecepatan head dari fluida yang meninggalkan impeller menjadi head tekanan seefisien mungkin, adapun beberapa parameter dalam merancangnya, yaitu :
a. Jari-jari kelengkungan volute bagian dalam.
r3 = (1,02 – 1,05) . r2 (2.47)
b. Lebar Volute Pada Lidah Casing.
b3 = b2 + (0,0025 . r2) (2.48)
c. Jari-jari Lingkaran Penampang Volute. pv = x 3 2.. R (2.49) Keterangan :
37 Pada perancangan ini diambil sudut interval sekeliling spiral casing adalah 45o sehingga untuk merancang diameternya terdapat 11 titik perhitungan yang nantinya akan dihubungkan menjadi satu kesatuan spiral casing yang utuh.
d. Jari-jari volute bagian luar
ra = r3 + pv (2.50)
Keterangan :
pv = selisih jarak antara r3 dan ra (mm)
e. Sudut lidah Volute
Øl = 3 2 2 132. tan R Log R (2.51)
Untuk sudut lidah volute tersebut dilakukan perhitungan walaupun untuk beberapa perancangan yang ada sebagian memulainya pada sudut 0o. hal ini
dilakukan karena pada fakta aktualnya noise yang diikuti oleh vibrasi oleh fluida yang melewati gap antara impeller dan volute pada posisi 0o pada kecepatan tinggi
memiliki persentase lebih tinggi jika dibandingkan dengan lidah volute yang dimulai setelah 0o. Biasa perancang mengambil sudut 10-13o. Pada gambar 2.21 terdapat metode untuk menggambar penampang trapezoidal, dimana penampang jenis ini digunakan untuk penelitian ini, karena penampang ini memiliki beberapa keuntungan karena penampang jenis ini memiliki ujung yang lebih runcing, ujung runcing mengakibatkan tidak terdapat aliran yang mengalir pada ujung-ujungnya dan dapat meningkatkan kerugian hidrolik, sehingga kecepatanaliran juga berkurang, jika kecepatan aliran berjurang, maka kemungkinan terjadinya noise dan vibrasi dapat dikurangi.
38 (Sumber : Rotodynamic pump (Centrifugal Pump). K.M. Srinivasan. 2008. Coimbatore. New Age International Publisher.)
Gambar 2. 21 Lebar Volute
2.15. Fenomena Aliran Pada Pompa
Ada 2 fenomena aliran pada pompa yang diperhitungkan dalam perancangan impeller pompa sentrifugal karena kedua fenomena tersebut dapat mempengaruhi besar sudut keluaran impeller, yaitu :
2.15.1. Faktor Slip
Faktor Slip digunakan untuk menentukan pengaruh slip aliran pada bagian keluaran impeller pompa sentrifugal dan merupakan parameter penting untuk menentukan head teoritis yang dihasilkan oleh impeller.
39 (Sumber : W-G, Li. 2000. Effect of viscousity
of fluids on centrifugal pump performance and flow pattern in the impeller. China.
International Journal of Heat and Fluid Flow.)
Gambar 2. 22 Pengaruh Faktor Slip pada Segitiga Kecepatan
Berdasarkan Gambar 2.22 diatas, terdapat pembesaran sudut keluaran
impeller (β2b) yang diakibatkan oleh adanya faktor slip dan juga karena adanya
pengaruh jumlah sudu dan aliran pusar, ini dapat mengakibatkan menurunnya kecepatan absolut dalam arah tangensial.
2.15.2. Kavitasi
Kavitasi merupakan fenomena dimana terbentuknya dan pecahnya gelembung-gelembung uap pada fluida cair. Kavitasi terjadi saat pompa beroprasi mendekati nilai minimum NPSH nya. Ketika kavitasi terjadi, beberapa bagian dari fluida cair akan berubah phasa menjadi uap. Jika ini terjadi pada suction line, gelembung uap tersebut akan terbawa masuk kedalam impeller. Didaerah yang bertekanan tinggi disekitaran rumah pompa, gelembung-gelembung tersebut akan pecah kembali karena tekanan pada daerah tersebut akan lebih tinggi daripada nilai tekanan saturasinya. Pecahnya gelembung uap ini akan mengakibatkan ketidak beraturan pada pergerakan fluida cair sehingga menghasilkan gaya yang mampu melepaskan partikel-partikel metal pada permukaan yang dilalui oleh fluida tersebut. Pecahnya gelembung uap dengan gaya yang begitu besar ini menyebabkan suara keras didalam pompa, yang dapat menjadi indikator terjadinya kavitasi didalam pompa. Untuk menghindari kavitasi NPSH pompa harus ditingkatkan.
40 BAB III
METODOLOGI
3.1. Penetapan Spesifikasi Pompa Dengan Fluida Kerja Air Bersih (Clean
Water)
3.1.1. Penentuan Diameter Pipa Hisap dan Pipa Tekan
Dalam penentuan spesifikasi pompa, pertama menentukan nilai dari diameter pipa tekan dan pipa hisap. Penentuan nilai diameter pipa ini berdasarkan jenis fluida yang dialirkan, yaitu air. Diameter pipa ini akan berpengaruh kepada kecepatan aliran fluida, jika semakin kecil diameter pipa maka kecepatan aliran fluida akan semakin tinggi dan sebaliknya jika diameter pipa semakin besar maka kecepatan fluida yang mengalir didalamnya akan semakin rendah. Laju aliran tersebut juga akan berpengaruh kepada factor gesekan pada permukaan dalam pipa dimana factor gesekan ini akan mengurangi kecepatan aliran fluida.
Pertama-tama yang harus dilakukan ialah menghitung parameter awal untuk menentukan luas penampang pipa hisap, yaitu debit (Q) yaitu direncanakan 0,04 m3/s dan kecepatan aliran dalam pipa (V
s) ( kecepatan yang diizinkan dalam
pipa hisap adalah 1,2 – 5,4 m/s). Dalam perancangan ini kecepatan aliran dalam pipa hisap direncanakan 5,4 m/s.
As = s Q V = 3 0, 04 / 5, 4 / m s m s = 0,0074 m2 Ds = 4.As
= 4.0, 0074 = 0,09714 m = 97,14 mm
Berdasarkan standar pipa pada tabel system pemipaan (data lampiran), maka dalam perencangan ini diameter pipa yang dipilih adalah :
41 Diameter dalam (Dd) = 102,26 mm = 4,026 inch
Diameter luar (Dl) = 114,3 mm = 4,5 inch
Diameter pipa hisap dan pipa tekan direncanakan sama. Maka laju aliran fluida sebenarnya adalah :
V = 4. 2 . Q d = 3 2 4.0, 04 / .(0,10226 ) m s m = 4,8728 m/s 3.1.2. Head
Head adalah suatu kerugian-kerugian yang terjadi pada bagian-bagian
pompa karena adanya fluida yang mengalir. Untuk perencanaan suatu pompa maka perlu diperhitungkan kerugian-kerugian (head) pada setiap bagian-bagian pompa.
(Sumber : PDAM Tirta Siak Tampan)
42 3.1.2.1. Head Statis (Hs)
Direncanakan head statis pada system pompa sentrifugal tersebut merupakan 40 m
3.1.2.2. Head Perbedaan Tekanan (Hp)
Hp = . a v P P g NPSHa = 4 4 1, 029.10 8,9271.10 996, 6 . 9,81 = -8 m
3.1.2.3. Perhitungan Head Losses (hl) Pada Pipa Hisap dan Pipa Tekan
a. Head kerugian pada pipa hisap (hi)
1. Head kerugian gesek dalam pipa Tabel 3. 1 Data Pipa Hisap
NO ITEM Jumlah Satuan 1. Pipa 40 Meter
2. Gate valve 1 Buah
3. Elbow 1 Buah
Dari data pipa hisap yang ditunjukkan pada tabel 3.1 maka dapat ditentukan head loses yang terjadi di sepanjang pipa hisap dengan menggunakan persamaan 2.3.
Untuk mendapatkan harga f didapat dari diagram Moody yang ditunjukkan pada gambar 3.1. Maka data yang diperlukan sebelumnya adalah bilangan Reynolds dengan persamaan 2.5.
43 Viskositas dinamik untuk fluida air pada temperatur 27oC ialah 0,000074 kg/m.s dengan densitas 996,6 kg/m3 (lampiran). Maka selanjutnya menentukan nilai dari viskositas kinematik.
3 0, 000074 / . 996, 6 / kg m s v kg m = 7,227 . 10-7 m2/s 7 2 4,8728 / .0,10226 7, 227.10 / e m s m R m s = 669.087 (aliran Turbulen)
Gambar 3. 2 Diagram Moody
Dari diagram Moody diatas didapat nilai faktor gesekan (f) sebesar 0,017. Maka head losses akibat gesekan adalah :
Hf = 2 2 40 (4,8728 / ) 0, 017. . 0,10226 2.9,81 / m m s m m s = 8,0474 m
44 2. Head loses pada saat memasuki pipa (hm)
Hm = 2 . 2. V r g
r = Koefisien gesek untuk berbagai bentuk ujung masuk pipa = 0,5 (Uji Winarmo, 2007, Perancangan Impeller Pompa
Sentrifugal Untuk Kapasitas Rumah Tangga) Hm = 2 2 (4,8728 / ) 0,5. 2.9,81 / m s m s = 0,6051 m
3. Head loses akibat adanya gate valve Hg = 2 . . 2. g V g n g
g = koefisien kerugian adanya gate valve
= 0,16 (terbuka penuh) (Uji Winarmo, 2007, Perancangan
Impeller Pompa Sentrifugal Untuk Kapasitas Rumah Tangga)
ng = jumlah katup = 1 buah (tabel 3.1) Hg = 2 2 (4,8728 / ) 0,16. .1 2.9,81 / m s m s = 0,1936
Maka head kerugian pada pipa hisap adalah : Hi = Hf + Hm + Hg
= 8,0474 m + 0,6051 m + 0,1936 m = 8,84 m
