DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

Transkripsi

1 PERANCANGAN INSTALASI POMPA SENTRIFUGAL DAN ANALISA NUMERIK MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD FLUENT PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN SUCTION GATE VALVE CLOSED 75 % SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik ERIKSON SILITONGA NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan dihadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan kasih serta penyertaan-nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Adapun yang menjadi pembahasan dalam tugas sarjana ini adalah mengenai Perancangan Instalasi Pompa Sentrifugal dan Analisa Numerik Menggunakan Program Komputer CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal Dengan Suction Gate Valve closed 75%. Berbagai ilmu yang berkaitan dengan sub program studi konversi energy seperti mesin fluida, mekanika fluida dan pompa kompresor diaplikasikan dalam menyelesaikan perencanaan instalasi, percobaaan dan simulasi pompa sentrifugal yang digunakan. Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan dalam tugas sarjana ini, dan penulis mengharapkan kritik konstruksi dari pembaca demi kesempurnaan dimasa mendatang. Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak menerima bimbingan dan dorongan berupa pemikiran, tenaga, semangat serta waktu dari berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Ayahanda ( Alm. M. Silitonga ) dan Ibunda ( M. Br. Manalu ) serta adinda (Jakson Silitonga, Dewi M. Silitonga dan Jonner Silitonga ) dan juga kepada semua AmangTua, AmangUda, Tulang serta Abang dan Ito yang telah banyak memberikan berbagai macam bantuan moril maupun materi hingga akhirnya tulisan ini dapat diselesaikan. 2. Bapak Ir. H. A. Halim Nasution, Msc. selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan bimbingan serta masukan kepada penulis. 3. Bapak Dr. Ing. Ikhwansyah Isranuri dan Bapak Tulus Burhanuddin, ST, MT. selaku Ketua dan Sekretaris serta seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 4. Kepada darl. Moncha Sianturi yang setia mendampingi penulis untuk terus memberikan dorongan semangat dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 5. Kepada teman teman satu tim senasib sepenanggungan penulis ( appara Acel, Abel dan Lucky ) yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai. 6. Semua teman teman seperjuangan stambuk 2005 serta teman teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Zp & Dolin, Ady, Berry, Panda ST., Ion & Maycold ). 7. Semua rekan rekan di kos G-22 ( Brother Leo, Rizal Poedan, Hendro Golda Simson Cupu, Bg Gops, Bg Tom, Bob, Donald Full, dan rekan lainnya ) yang telah memberikan banyak bantuan moril kepada penulis. Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis mengucapakan terima kasih. Penulis, Erikson Silitonga ( NIM: )

3 ABSTRAK Untuk mengalir air dari reservoir bawah ke reservoir atas maka dibutuhkan sebuah pompa untuk memindahkannya.pompa akan bekerja secara optimal jika pompa tersebut memiliki instalasi yang sesuai dengan kemampuan pompa itu bekerja.yang menjadi pedoman dalam membuat instalasi pompa adalah kapasitas ( Q ) dan Tinggi Tekan ( H ) yang dibutuhkan dalam memompakan air tersebut. Dalam mengoperasaikan pompa perlu diperhatikan suction gate valve open untuk dapat menganalisa kemampuan kerja pompa. Pada setiap suction gate valve open akan memiliki kapasitas dan head yang berbeda - beda. Nilai-nilai kapasitas dan head yang telah didapat dari percobaan akan disimulasikan dengan menggunakan CFD FLUENT Program ini akan mempermudah menganalisa performansi dari pompa tersebut. Hasil simulasi akan dibandingkan hasil percobaan dan hasil perencanaan / perhitungan. Hasil perbandingannya dibuat dalam karakteristik pompa berupa grafik karakteristik. Berdasarkan karakteristik akan diperoleh bahwa semakin besar suction gate valve open maka kapasitas akan semakin besar pula dan head simulasi lebih besar dari pada head percobaan.

4 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN LEMBAR PERSETUJUAN SPESIFIKASI TUGAS LEMBARAN EVALUASI KATA PENGANTAR ABSTRAK DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR NOTASI i ii iii iv v vi vii viii xi xii xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Batasan Masalah Maksud dan Tujuan Metode Penulisan Sistematika Penulisan 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Prinsip prinsip Dasar Pompa Sentrifugal Aliran Fluida Head Pompa Head Tekanan Head Kecepatan Head Statis Total Kerugian Head ( Head Loss ) Mayor Head Loss Minor Head Loss Total Loss Kecepatan Spesifik Pompa Daya Pompa Karakteristik Pompa Sentrifugal Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent Proses Simulasi CFD Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal 15

5 BAB III PERENCANAAN INSTALASI POMPA 3.1 Skema Instalasi Pompa yang Direncakan Penentuan Kapasitas Penentuan Head Pompa pada Instalasi Perbedaan Head Tekanan ( H P ) Perbedaan Head Kecepatan ( H V ) Perbedaan Head Statis ( H S ) Kerugian Head Kerugian Head sepanjang pipa isap ( h ls ) Kerugian Head sepanjang pipa tekan ( h ld ) Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan digunakan Putaran Spesifik dan Tipe Impeller Efisiensi Pompa pada Instalasi yang Dirancang Daya Pompa pada Instalasi yang Dirancang Spesifikasi Pompa yang Digunakan pada Instalasi Ukuran Impeller dan Rumah Pompa Bentuk dan Ukuran Impeller Kecepatan dan Sudut Aliran Fluida Impeller Melukis Bentuk Sudu Bentuk dan Ukuran Rumah Pompa Bentuk Rumah Pompa Luas Saluran keluar Volut Penampang dan Jari jari Volut Pelaksanaan Perancangan Diagram Alir Perancangan Hasil Akhir dari Perancangan 50 BAB IV ANALISA SIMULASI 4.1 Pendahuluan Perhitungan Kapasitas Pompa setelah Pengujian Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Tinggi Tekan Kecepatan Tinggi Tekan pada Pipa Isap Tinggi Tekan pada Pipa Tekan Analisa Kavitasi pada Pompa dengan Gate Valve closed 75% NPSH ( Net Positive Suction Head ) Net Positive Suction Head Available ( NPSH yang tersedia) Net Positive Suction Head Required ( NPSH yang dibutuhkan ) Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik Proses Permodelan Pompa Sentrifugal Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal Proses solving dan postprocessing geometri rumah pompa Analisa Kavitasi dan Performansi dari Pompa Sentrifugal Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 75

6 4.6.2 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Berdasarkan Hasil Fluent Tinggi Tekan Kecepatan Tinggi Tekan pada Pipa Isap Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 79 BAB V KARAKTERISTIK POMPA 5.1 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 99 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan Saran 106 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

7 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Kekasaran Relative (ε ) dalam Berbagai Bahan Pipa 24 Tabel 3.2 Nilai Koefisien K untuk Tipe Screwed 27 Tabel 3.3 Perhitungan nilai koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa isap 28 Tabel 3.4 Perhitungan nilai koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa tekan 29 Tabel 3.5 Klasifikasi Impeler Menurut Putaran Spesifik 31 Tabel 3.6 Hubungan antara Kecepatan Spesifik dengan Efisiensi Hidrolis 32 Tabel 3.7 Perhitungan Kecepatan Spesifik dengan Efisiensi Hidrolis 32 Tabel 3.8 Hubungan antara Kecepatan Spesifik Impeller dengan Efisiensi Volimetris 33 Tabel 3.9 Perhitungan Kecepatan Spesifik Impeller dengan Efisiensi Volimetris 33 Tabel 3.10 Jari - jari Busur Sudu Impeler 42 Tabel 3.11 Jari jari dan Luas Volut untuk setiap penampang 42 Tabel 4.1 Kenaikan Kehilangan Tinggi Tekan dengan Tipe Bukaan Katup 56 Tabel 4.2 Nilai Koefisien K open untuk Tipe Screwed Valve 56 Tabel 4.3 Perhitungan nilai koefisien kerugian pipa isap 57 Tabel 4.3 Perhitungan nilai koefisien kerugian pipa tekan 58 Tabel 5.1 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Berbagai Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 88 Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan HasilPerhitungan 90 Tabel 5.3 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Berbagai Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan. 94 Tabel 5.4. Hubungan kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Percobaan 94 Tabel 5.5 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 98 Tabel 5.6 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 99

8 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema Instalasi Pompa 8 Gambar 2.2 Hasil Simulasi untuk Vektor - vektor Kecepatan yang Terjadi 5 Gambar 2.3 Hasil Simulasi untuk Distribusi Tekanan yang Terjadi 16 Gambar 3.1 Skema Perencanaan Instalasi Pompa 19 Gambar 3.2 Diagram Moody 25 Gambar 3.3 Pompa Sentrifugal 35 Gambar 3.4 Bentuk impeler dan sudu yang digunakan dalam pompa 36 Gambar 3.5 Ukuran ukuran utama pada impeler 36 Gambar 3.6 Segitiga Kecepatan pada sisi masuk 38 Gambar 3.7 Segitiga kecepatan pada sisi keluar 41 Gambar 3.8 Bentuk dan Sudu impeler 43 Gambar 3.9 Perbandingan Kecepatan pada Kerongkongan Rumah Keong 44 Gambar 3.10 Grafik Penentuan Sudut Volut 46 Gambar 3.11 Rumah pompa 48 Gambar 3.12 Diagram Alir Pelaksanaan Perancangan 49 Gambar 3.13 Pandangan Depan Instalasi Pompa 51 Gambar 3.14 Pandangan Samping Instalasi Pompa 52 Gambar 4.1 Stopwach 52 Gambar 4.2 Meteran 53 Gambar 4.3 Kerusakan pada Permukaan Sudu Impeller akibat Kavitasi 60 Gambar 4.4 Grafik hubungan antara kecepatan spesifik, efesiensi Hidrolis serta koefisien kavitasithoma 63 Gambar 4.5 Diagram Alir Simulasi pada GAMBIT 65 Gambar 4.6 Diagram Alir Simulasi pada FLUENT 66 Gambar 4.7 Tampilan Hasil setelah memasukan titik-titiknya 67 Gambar 4.8 Tampilan hasil dari substract face dan shaded 68 Gambar 4.9 Tampilan hasil mesh 68 Gambar 4.10 Tampilan hasil boundary condition 69 Gambar 4.11 Kurva residual iterasi 73 Gambar 4.12 Rumah pompa dalam GAMBIT 74 Gambar 4.13 Kurva residual iterasi 74 Gambar 4.14 Distribusi tekanan fluida pada rumah pompa sentrifugal 75 Gambar 4.15 Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada pompa sentrifugal 76 Gambar 4.16 Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada pompa sentrifugal 77 Gambar 4.17 Distribusi kecepatan fluida pada impeller 77 Gambar 4.18 Grafik tekanan fluida vs jarak posisi tekanan fluida 78 Gambar 5.1 Kerugian - kerugian hidrolis 84

9 Gambar 5.2 Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Perhitungan 99 Gambar 5.3 Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Percobaan 101 Gambar 5.4 Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Simulasi 102 Gambar 5.5 Grafik Karakteristik Perbandingan Efisiensi Pompa 103 Gambar 5.6 Grafik Karakteristik Perbandingan Daya Pompa 103

10 DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN A Luas Penampang Pipa m 2 b 1 Lebar impeller pada sisi masuk mm b 2 Lebar impeler pada sisi keluar mm b 3 Lebar Penampang masuk saluran throat mm D is Diameter dalam pipa mm D s Diameter poros mm D h Diameter hub mm D 1 Diameter sisi masuk impeller mm D 2 Diameter sisi keluar impeller mm g Gravitasi m/s 2 H L Head Losses sepanjang pipa m Hp Head pompa m H s Head statis m H thz Head Teoritis m h f Kerugian Head mayor m h m Kerugian head minor m K Kerugian akibat kelengkapan pipa - K t Faktor Koreksi pembebanan - L Panjang pipa m Np Daya Pompa kw n Putaran Pompa rpm n s Putaran Spesifik rpm P Tekanan Pada pompa Pa Q Kapasitas Pompa m 3 /s R Jari Jari sudu lingkaran impeller mm Re Bilangan Reynold - t Tebal sudu impeller mm U 1 Kecepatan tangensial sisi masuk impeller m/s U 2 Kecepatan tangensial sisi keluar impeller m/s V Kecepatan aliran pada pipa m/s V o Kecepatan aliran masuk impeller m/s Vr 1 Kecepatan radial masuk impeller m/s Vr 2 Kecepatan radial keluar impeller m/s Vthr Kecepatan pada kerongkongan rumah keong m/s Z Jumlah sudu - α Sudut Aliran masuk o β Sudut tangensial o γ Berat jenis fluida N/m 3 ηp Efisiensi pompa % υ Viskositas Kinematik m 2 /s π konstanta (phi) - ρ Kerapatan fluida kg/m 3 ω Kecepatan sudut rad/s