SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD FLUENT

Transkripsi

1 ix SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD FLUENT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik EBEN HAEZAR L. TOBING NIM : DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

2 x SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD FLUENT SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik EBEN HAEZAR L. TOBING NIM : DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

3 xi SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD FLUENT EBEN HAEZAR L. TOBING NIM : Diketahui / Disahkan : Disetujui oleh : Departemen Teknik Mesin Dosen Pembimbing, Fakultas Teknik USU Ketua, DR. Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Mulfi Hazwi, MSc. NIP NIP

4 xii SIMULASI PERANCANGAN POMPA SENTRIFUGAL PADA INSTALASI HOTEL ARYADUTA MEDAN DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD FLUENT EBEN HAEZAR L. TOBING NIM : Telah disetujui dari hasil Seminar Skripsi Periode ke pada tanggal 20 Februari 2010 Pembanding I, Pembanding II, DR.Ing.Ir.Ikhwansyah Isranuri Ir. Zamanhuri, MT NIP : NIP :

5 xiii KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa yang atas berkat dan kasih serta penyertaan-nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Adapun yang menjadi pembahasan dalam tugas sarjana ini adalah mengenai Simulasi Perancangan Pompa Sentrifugal pada Instalasi Hotel Aryaduta Medan dengan Menggunakan Program Komputer CFD FLUENT versi Berbagai ilmu yang berkaitan dengan sub program studi konversi energy seperti mesin fluida, mekanika fluida dan pompa kompresor diaplikasikan dalam merencanakan Pompa Sentrifugal jenis aliran radial yang digunakan pada hotel bertingkat. Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak menerima bimbingan dan dorongan berupa pemikiran, tenaga, semangat serta waktu dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ayahanda ( P.L. Tobing ) dan ibunda ( T.Pandiangan ) serta kakanda ( Novita Hotmaria ) dan juga adinda ( Elvan Haezar L. Tobing ) yang telah banyak memberikan berbagai macam bantuan moril maupun materi hingga akhirnya tulisan ini dapat diselesaikan. 2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, 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 Burhanudin, ST,MT., selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 4. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU 5. Semua teman teman seperjuangan stambuk 2005 di Departemen Teknik Mesin serta teman - teman seperjuangan penulis ( Berry,Abel,Erik,Aykel,ZP,Dolin,Marshall, dan Lucky ) di Pasar Malam pribadi 14E dan juga Ion,Maycold dan Adi. 6. Semua rekan rekan tim Bola basket Fakultas Teknik USU(Tandem awak Egi,Dita,Annuy), tim Bola Basket USU(Armando,Hery,Areng,Tieto), dan Tim Bola Basket Angsapura(B bentho,b Jaswan) yang telah memberikan banyak bantuan moril kepada penulis. Penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari kesempurnaan, karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Untuk itu penulis sangat mengharapkan masukan yang konstruktif dari pembaca agar tulisan ini lebih sempurna lagi. Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis ucapkan terima kasih. Penulis, Eben Haezar L. Tobing

6 xiv ABSTRAK Gedung bertingkat dapat dipakai sebagai sarana tempat tinggal, hotel, pusat-pusat perbelanjaan dan lain-lain. Gedung-gedung ini tentu memerlukan berbagai sarana pendukung diantaranya adalah sarana penyediaan sumber air yang dapat dilayani oleh sebuah pompa. Dalam hal ini akan dirancang sebuah pompa yang akan digunakan untuk melayani gedung bertingkat. Sumber air yang digunakan pada hotel Aryaduta Medan ini adalah air dari perusahaan air minum PDAM dan air bawah tanah ( dari pompa sumur dalam ). Air ini terlebih dahulu ditampung pada reservoir bawah dan kemudian dikirim ke reservoir atas. Pompa adalah mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Menurut beberapa literatur terdapat beberapa jenis pompa, namun yang biasa digunakan pada hotel ialah jenis pompa sentrifugal. Pompa yang dirancang ini akan dimodelkan dan disimulasikan dengan menggunakan CFD FLUENT v yang kemudian akan dibandingkan dengan performansi yang dihasilkan secara perhitungan manual. Dalam hal ini CFD FLUENT sangat mempermudah untuk menyesuaikan sesuai dengan kondisi nyata. Lalu kesimpulannya Berdasarkan dari hasil karakteristik pompa yang telah dibuat dengan bentuk impeler dan putaran pompa yang sama, dapat disimpulkan bahwa besar Kapasitas ( Q ) berbanding terbalik dengan besar Tinggi tekan ( H ). Semakin besar kapasitas maka semakin kecil tinggi tekannya, atau sebaliknya semakin kecil kapasitas maka semakin besar tinggi tekannya dan kemampuan head yang mampu dilayani pompa berdasarkan simulasi lebih besar dari hasil perhitungan. Kata kunci : Perancangan Pompa Sentrifugal, CFD, Perfomansi pompa ABSTRACT Storey buildings are usually used as residences, hotels, shopping centers, and other functions. These buildings surely required various supporting facilities. One of most important is the water supply system which can be served by pumps. A pump that will be able to fulfill water supply for the entire buildings will be designed in this research. Water supply that currently used by Aryaduta Hotel Medan is provided by PDAM Tirtanadi and also underground water from inside well s pump. Firstly, the water will be collected into the down reservoir to be transported later to the upper reservoir. Pump is a machine that converts mechanical energy into pressure energy. Based on some literatures, there are some classification of pumps. The one that usually used at hotels are the kind of centrifugal pumps. The designed pumps will be modeled and simulated by using CFD Fluent version and is going to be compared later with performance that resulted with manual calculation. In this case, CFD Fluent simply make the adaptation with the actual condition easier. Based on the result of the made pump s characteristic, it can be concluded that the amount of capacity (Q) is inversely proportioned with the amount of head (H). The higher the capacity, the smaller the head is. On the contrary, the smaller the capacity, the higher the head is, so head s ability that able to be provided by pumps according to simulation will be higher than the result of manual calculation. Keywords : Centrifugal pump design, CFD, Pump Performance

7 xv DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBARAN PENGESAHAN LEMBARAN PERSETUJUAN SPESIFIKASI TUGAS LEMBARAN EVALUASI KATA PENGANTAR ABSTRAK DAFTAR ISI DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR NOTASI i ii iii iv vi ix x xi xiv xv xvii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Batasan Masalah Maksud dan Tujuan Manfaat Perancangan Sistematika Penulisan 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin Mesin Fluida Pengertian Pompa Klasifikasi Pompa Pompa Tekanan Statis Pompa Tekanan Dinamis Unit Penggerak Pompa Dasar Dasar Pemilihan Pompa Head Pompa Putaran Spesifik Daya Pompa Aliran Fluida Kavitasi Computational Fluid Dynamic (CFD) FLUENT Metode Diskritisasi CFD 26

8 xvi Proses Simulasi CFD Penggunaan CFD FLUENT Pada Pompa Sentrifugal 31 BAB III PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA 3.1 Kapasitas Aliran Perhitungan Jumlah unit alat plambing pada lantai P4 ( Parking floor ) Perhitungan Jumlah Unit alat Plambing pada lantai 1 Hotel ( 1 st floor hotel ) Perhitungan Jumlah Unit alat Plambing Pada lantai 2 hotel ( 2 nd floor hotel ) Perhitungan Jumlah unit Alat Plambing Pada lantai 3 hotel ( 3 rd floor hotel ) Perhitungan Jumlah unit alat plambing Pada lantai teratas hotel ( roof floor ) Kapasitas Pompa Head Pompa Perbedaan Head Tekanan Perbedaan Head Kecepatan Perbedaan Head Statis Kerugian Head Kerugian Head sepanjang pipa hisap Kerugian Head sepanjang pipa tekan Pemilihan Jenis Pompa Perhitungan Motor Penggerak Putaran Spesifik dan tipe Impeler Efisiensi Pompa Daya Pompa dan Daya Penggerak Spesifikasi hasil perencanaan 62 BAB IV UKURAN UKURAN UTAMA POMPA 4.1 Perencanaan poros pompa Perencanaan pasak Pemeriksaan terhadap tegangan geser Pemeriksaan terhadap tegangan tumbuk Perencanaan impeller Perencanaan ukuran impeller Diameter hub impeller Diameter mata impeller Diameter Sisi masuk impeller Diameter sisi keluar impeller Lebar impeller pada sisi masuk Lebar impeller pada sisi keluar Kecepatan dan sudut aliran fluida masuk impeller Kecepatan aliran absolute Kecepatan Tangensial Sudut Tangensial Kecepatan dan sudut aliran fluida keluar impeller 76

9 xvii Kecepatan radial aliran Kecepatan Tangensial Sudut Tangensial keluar impeller Kecepatan sudut absolute tangensial Sudut absolute keluar impeller Kecepatan Sudut absolute keluar impeller Kecepatan absolute aliran keluar Perencanaan Sudu impeller Jumlah Sudu Jarak Antara sudu impeller Tebal sudu Melukis Bentuk sudu Ukuran Ukuran Utama impeller Rumah Pompa Perencanaan Bentuk rumah pompa Lebar Saluran Keluar volute Jari jari lingkaran rumah volute Penampang dan jari jari volute Tebal dinding rumah pompa Ukuran ukuran utama pompa 94 BAB V PERMODELAN GEOMETRI DAN ANALISA NUMERIK 5.1 Pendahuluan Proses Permodelan pompa sentrifugal yang telah Direncanakan Proses permodelan impeller pompa sentrifugal Proses Solving dan postprocessing geometri Rumah pompa sentrifugal Analisa kavitasi dan performansi dari pompa sentrifugal Analisa kemungkinan kavitasi yang terjadi Analisa Performansi dari pompa sentrifugal Head berdasarkan hasil simulasi Karakteristik Pompa Karakteristik pompa berdasarkan hasil perhitungan Karakteristik Pompa berdasarkan hasil simulasi 158 BAB VI KESIMPULAN 6.1 Kesimpulan dari Perencanaan 169 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

10 xviii DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Unit Alat Plambing ( fixture unit ) untuk penyediaan air bersih 33 Tabel 3.2 Permintaan air bersih berdasarkan jumlah Unit alat plambing 35 Tabel 3.3 Jumlah Unit alat Plambing pada lantai P4 38 Tabel 3.4 Jumlah unit alat plambing pada lantai 1 hotel 39 Tabel 3.5 Jumlah unit alat plambing pada lantai 2 hotel 40 Tabel 3.6 Jumlah Unit Alat Plambing Pada lantai 3 hotel 41 Tabel 3.7 Kekasaran relative dalam berbagai bahan pipa 49 Tabel 3.8 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap 50 Tabel 3.9 Koefisien Kerugian kelengkapan pipa tekan 52 Tabel 3.10 Harga Putaran dan Kutubnya 55 Tabel 3.11 Klasifikasi Impeler menurut putaran spesifiknya 56 Tabel 3.12 Hubungan antara Kecepatan spesifik dengan Tabel 3.13 Efisiensi Hidrolis 57 Hubungan antara kecepatan spesifik dengan Efisiensi volumetric 58 Tabel 4.1 Faktor Koreksi Daya 65 Tabel 4.2 Jari Jari besar sudu impeller 84 Tabel 4.3 Jari jari dan luas volut untuk setiap penampang 92 Tabel 5.1 Hasil perhitungan head system dan head aktual pada berbagai kapasitas pompa 141 Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan efisiensi dan daya pompa 143 Tabel 5.3 Tabel 5.4 Hasil perhitungan Head system dan Head actual pada berbagai kapasitas pompa hasil simulasi 148 Hubungan Kapasitas dengan efisiensi dan daya pompa Hasil simulasi 150

11 xix DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Pompa Roda Gigi dan Ulir 6 Gambar 2.2 Pompa Diafragma 7 Gambar 2.3 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal 8 Gambar 2.4 Pompa Sentrifugal 8 Gambar 2.5 Pompa Aliran campur 9 Gambar 2.6 Pompa Aliran Aksial 10 Gambar 2.7 Pompa Diffuser 10 Gambar 2.8 Pompa Vortex 11 Gambar 2.9 Pompa Bertingkat banyak 12 Gambar 2.10 Pompa Aliran Campur Poros Tegak 12 Gambar 2.11 Pompa Jenis Belahan Mendatar 13 Gambar 2.12 Pompa Isapan Ganda 14 Gambar 2.13 Prinsip Hukum Bernoulli 16 Gambar 2.14 Hasil Simulasi Untuk Kecepatan Vektor Yang Terjadi 21 Gambar 2.15 Hasil Simulasi Unuk Distribusi Tekanan Yang Terjadi 22 Gambar 3.1 Instalasi Pompa 45 Gambar 3.2 Daerah Kerja Beberapa Jenis Konstruksi Pompa Sentrifugal 55 Gambar 4.1 Pasak 69 Gambar 4.2 Ukuran-Ukuran Utama Impeler 82 Gambar 4.3 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Masuk 82 Gambar 4.4 Segitiga Kecepatan Pada Sisi Keluar 83 Gambar 4.5 Sudu Impeler 89 Gambar 4.6 Perbandingan Kecepatan Pada Kerongkongan Rumah Keong 92 Gambar 4.7 Rumah Pompa 96 Gambar 5.1 Tampilan Awal Gambit 98 Gambar 5.2 Tampilan Awal Fluent 99 Gambar 5.3 Kotak dialog Create Real Vertex 99 Gambar 5.4 Tampilan Hasil Setelah Memasukkan Tititknya 102 Gambar 5.5 Kotak dialog Untuk Membuat Dh 102 Gambar 5.6 Kotak dialog Untuk Membuat D2 102 Gambar 5.7 Tampilan Hasil Pembuatan Lingkaran Dh dan D2 103 Gambar 5.8 Tampilan Dari Hasil Substratc Face 103 Gambar 5.9 Kotak Dialog Pada Mesh Face 103 Gambar 5.10 Tampilan Hasil Mesh 103 Gambar 5.11 Kotak Dialog Spesial Display Attributes 105 Gambar 5.12 Kotak Dialog Pada Specify Boundari Types 105 Gambar 5.13 Tampilan Hasil Boundary Condition 106 Gambar 5.14 Kotak Dialog Untuk Eksport Mesh File 106 Gambar 5.15 Tampilan Hasil File Meshnya 107 Gambar 5.16 Tampilan Hasil Grid check 108 Gambar 5.17 Tampilan Hasil Grid Scale 109 Gambar 5.18 Tampilan Hasil Smooth / Swap Grid 109 Gambar 5.19 Kotak Dialog Server 110 Gambar 5.20 Kotak Dialog Energi 111 Gambar 5.21 Kotak Dialog Viscous Model 111

12 xx Gambar 5.22 Kotak Dialog Material 112 Gambar 5.23 Kotak Dialog Unit 113 Gambar 5.24 Kotak Dialog Boundary Condition 113 Gambar 5.25 Kotak Dialog Fluid 113 Gambar 5.26 Kotak Dialog Zona Inet 115 Gambar 5.27 Kotak Dialog Zona Outlet 115 Gambar 5.28 Kotak Dialog Zona Wall 116 Gambar 5.29 Kotak Dialog Solution Control 117 Gambar 5.30 Kotak Dialog Solution Initialization 117 Gambar 5.31 Kotak Dialog Residual Monitors 118 Gambar 5.32 Kotak Panel Iterasi 118 Gambar 5.33 Kotak Residual Iterasi 119 Gambar 5.34 Tampilan Hasil File Mesh Rumah Pompa 120 Gambar 5.35 Tampilan Hasil Gridcheck Rumah Pompa 121 Gambar 5.36 Tampilan Hasil Gridscale Rumah Pompa 121 Gambar 5.37 Tampilan Hasil Smoot / Swap Grid Rumah Pompa 122 Gambar 5.38 Kotak Dialog Solver Rumah Pompa 122 Gambar 5.39 Kotak Dialog Viscous Model Rumah Pompa 123 Gambar 5.40 Kotak Dialog Energy Rumah Pompa 123 Gambar 5.41 Kotak Dialog Material Rumah Pompa 124 Gambar 5.42 Kotak Dialog Unit Rumah Pompa 125 Gambar 5.43 Kotak Dialog Boundary Condition Rumah Pompa 125 Gambar 5.44 Kotak Dialog Fluid Rumah Pompa 125 Gambar 5.45 Kotak Dialog Zona Inlet 127 Gambar 5.46 Kotak Dialog Zona Outlet 127 Gambar 5.47 Kotak Dialog Zona Impeller 128 Gambar 5.48 Kotak Dialog Zona Wall 128 Gambar 5.49 Kotak Dialog Solution Control 129 Gambar 5.50 Kotak Dialog Solution Initialzation 129 Gambar 5.51 Kotak Dialog Residual Monitors 129 Gambar 5.52 Kotak Panel Iterasi 130 Gambar 5.53 Kotak Hasil Residual Iterasi 131 Gambar 5.54 Kerusakan Pada Permukaan Sudu Impeler Akibat Kavitasi 131 Gambar 5.55 Distribusi Tekanan Fluida Pada pompa Sentrifugal 131 Gambar 5.56 Distribusi Energi Turbulensi Yang Terjadi Pada pompa 133 Gambar 5.57 Distribusi Kecepatan Fluida Pada Impeller 133 Gambar 5.58 Grafik Tekanan Fluida vs Jarak Posisi Tekanan Fluida 134 Gambar 5.59 Distribusi Vektor Kecepatan Yang Terjadi Pada pompa 135 Gambar 5.60 Kerugian -Kerugian Hidrolis 139 Gambar 5.61 Grafik Kharakteristik Pompa Hasil perhitungan 152 Gambar 5.62 Grafik Kharakteristik Pompa Hasil Simulasi 153 Gambar 5.63 Grafik Perbandingan Head Actual Pompa 153 Gambar 5.64 Grafik Perbandingan Efisiensi Pompa 154 Gambar 5.65 Grafik Perbandingan Daya Pompa 154

13 xxi DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN A Luas Penampang Pipa m 2 b Lebar Pasak mm 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 f c Faktor koreksi - 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 h Tinggi pasak mm K Kerugian akibat kelengkapan pipa - K t Faktor Koreksi pembebanan - k Konstanta Hidrolik - L Panjang pipa m Mt Momen torsi kgmm M Massa Kg Nm Daya Motor Listrik kw 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 - S Jarak antara sudu mm Sf 1 Faktor keamanan kelelahan puntir - Sf 2 Faktor Keamanan alur bahan - 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

14 xxii 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 τ g Tegangan Geser kg/m 2 σb Kekuatan Tarik Bahan kg/m 2 ω Kecepatan sudut rad/s