Pengaruh Jarak Concentric dan Eccentric reducer Pada Sisi Isap Pompa Sentrifugal Terhadap Gejala Kavitasi

Transkripsi

1 Pengaruh Jarak Concentric dan Eccentric reducer Pada Sisi Isap Pompa Sentrifugal Terhadap Gejala Kavitasi Khairil Anwar1, a *, Basri2,b dan Syahrir3 1,2,3 Jurusan Teknik Mesin Univeristas Tadulako, Palu, Sulteng - Indonesia a kh41ril@yahoo.com, bbasrist@yahoo.com Abstrak Penelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh jarak peletakan sambungan concentric dan eccentric reducer (A/B) pada sisi isap pompa sentrifugal serta membandingkan sambungan concentric dan eccentric reducer tehadap gejala kavitasi yang terjadi. Kavitasi merupakan gangguan pada sistem pemompaan sebagai akibat menguapnya zat cair ketika dipompa karena tekanan di dalam pompa turun di bawah tekanan uap jenuh fluida yang dipompakan. Hal ini menyebabkan timbulnya gelembung-gelembung uap yang akan terbawa oleh aliran fluida dan masuk pada daerah yang bertekanan lebih tinggi, sehingga gelembung akan pecah dan menimbulkan getaran dan menurunkan performansi pompa. Terjadinya kavitasi mempunyai kaitan dengan kondisi pompa pada sisi isap, disebabkan oleh banyak faktor, antara lain karena adanya separasi atau kontraksi pada aliran fluida di dalam pompa. Penelitian ini dilakukan secara eksperimental pada sebuah instalasi menggunakan pompa sentrifugal transparan, dengan memvariasikan jarak peletakan sambungan reducer concentric dan eccentric A dan B 0,2 m, 0,4m, 0,6 m, 0,8m dan 1 m dari sisi isap pompa, serta dengan variasi putaran pompa 1275 rpm, 2300 rpm dan 2875 rpm. Penelitian ini dilakukan dengan membandingkan nilai NPSH berdasarkan tekanan pada pada sisi isap, sebagai parameter perbandingan antara tekanan sebenarnya cairan dalam pipa dan tekanan uap cairan pada suhu tertentu, di mana nilai dari NPSHa berpengaruh terhadap kavitasi yang terjadi pada pompa. Selain itu, pengukuran frekuensi getaran pada pompa sebagai salah satu parameter indikasi terjadinya kavitasi, serta visualisasi aliran di dalam pompa, yang dapat menunjukkan adanya gejala kavitasi yang dapat terlihat dari gelembung uap air di bagian impeller pompa. Hasil penelitian yang diperoleh menunjukkan bahwa, jenis sambungan dan jarak peletakan reducer dengan gejala kavitasi terkecil pada sambungan eccentric B, dengan jarak 0,4-0,6 m dari sisi isap pompa. Hal ini berdasarkan perbandingan nilai NPSHa dan NPSHr, frekuensi getaran yang lebih kecil serta hasil visualisasi aliran di dalam pompa dengan gelembung uap yang lebih sedikit pada sisi impeller pompa, dibandingkan dengan pemasangan sambungan concentric dan eccentric tube A, pada jarak peletakan dan putaran pompa yang sama. Kata kunci : Pompa sentrifugal, Reducer, Concentric, Eccentric, Kavitasi, NPSH, getaran. yang lebih tinggi. Hal ini menyebabkan turunnya kurva head kapasitas dan efesiensi, dan apabila terjadi secara terus menerus akan dapat merusak permukaan logam dari bahan pompa. Perubahan fase dari zat cair berubah menjadi uap disebabkan oleh turunnya tekanan absolut zat cair sampai dibawah tekanan uap jenuhnya. Tekanan absolut akan mengalami penurunan diakibatkan oleh beberapa hal antara lain: bertambahnya ketinggian pompa dari fluida atau turunnya permukaan fluida yang dipompa sehingga menaikkan static lift, turunnya tekanan atmosfer karena posisi ketinggian pompa dari Pendahuluan Kavitasi merupakan fenomena perubahan fase uap dari zat cair pada fluida yang dipompa. Perubahan tersebut dapat disebabkan karena turunnya tekanan ataupun naiknya temperatur. Terjadinya kavitasi mempunyai kaitan dengan kondisi pompa pada sisi isap, terutama akan terjadi pada bagian sisi masuk sudu impeller. Indikasi kavitasi adalah timbulnya gelembunggelembung uap, suara berisik dan getaran yang disebabkan oleh pecahnya gelembunggelembung uap secara tiba-tiba ketika memasuki daerah yang memiliki tekanan

2 permukaan laut, turunnya tekanan absolut sistem antara lain karena fluida dihisap dari tangki yang tertutup, bertambahnya kecepatan aliran yang disebabkan karena bertambahnya putaran pompa, naiknya temperatur fluida yang dipompa, adanya kontraksi atau separasi pada aliran dan adanya persimpangan garis aliran karena belokan ataupun gangguangangguan lainnya [1]. Kavitasi dipengaruhi oleh perubahan NPSH yang tersedia yang nilainya harus lebih besar daripada NPSH yang diperlukan yang sudah dirancang dari pabrik. Perubahan tekanan pada bagian sisi isap pompa akan mempengaruhi perubahan NPSH yang tersedia. Bila NPSH yang tersedia mengalami penurunan, maka performansi pompa juga akan mengalami penurunan. Dan ini merupakan kerugian dalam merancang pompa yang harus dihindari [2] Beberapa penelitian terkait dengan fenomena kavitasi dan penyebabnya antara lain diperoleh bahwa fenomena kavitasi ditandai dengan peningkatan frekuensi getaran ditunjukkan dengan peningkatan amplitudo tertinggi di sisi horisontal pompa. Semakin tinggi putaran pompa menyebabkan semakin rendahnya tekanan di suction pompa dan berbanding lurus dengan intensitas kavitasi yang dihasilkan [3]. Penurunan kerugian head pada belokan pipa dengan Peletakan tube bundle, di mana aliran fluida yang mengalir melalui belokan pipa menyebabkan terjadinya separasi. Separasi mengakibatkan terjadinya vortex, getaran, dan kavitasi, dimana kerugian tersebut mengakibatkan kerugian head meningkat dan berpotensi merusak instalasi pipa sehingga separasi perlu dihilangkan. Separasi ini ditandai dengan penurunan tekanan yang besar pada bagian hilir belokan pipa. Untuk memperkecil penurunan tekanan pada belokan pipa diperlukan suatu alat pengkondisi aliran (flow conditioner) berupa tube bundle (gabungan pipa). Pemasangan Tube bundle rata-rata dapat menurunkan kerugian tekanan sebesar 32,5% dari kerugian tekanan belokan tanpa tube bundle. Semakin jauh jarak peletakan tube bundle terhadap sisi keluaran pada belokan pipa maka beda tekanan yang terjadi semakin besar. Perbedaan tekanan yang lebih besar tersebut dikarenakan semakin jauh peletakan tube bundle maka kesempatan terbentuknya separasi semakin lama, sehingga kerugian tekanannya juga semakin besar. [4] Suatu sistem pemompaan dalam aplikasinya terdapat berbagai macam asesories sistem perpipaan seperti sambungan, belokan, percabangan, katup, expander, reducer dan lain-lain, sesuai dengan kebutuhan dalam sebuah instalasi. Penggunaan reducer digunakan ketika ukuran inlet nozzle pompa lebih kecil dibandingkan dengan ukuran suction linenya, di mana yang umum digunakan dalam sebuah sistem perpipaan adalah tipe eccentric. Namun terdapat beberapa aplikasi menggunakan tipe eccentric, misalnya pada pengeboran dan produksi di sumur vertikal dan horizontal [5]. Penggunaan reducer terutama pada suction pompa akan menyebabkan kontraksi pada aliran yang dapat memicu terjadinya penurunan tekanan yang kemungkinan dapat menyebabkan terjadinya kavitasi pada bagian impeller pompa.[6] Penelitian ini akan mengkaji secara eksperimental penggunaan sambungan concentric dan eccentric reducer serta pengaruh peletakan atau jaraknya pada sisi isap pompa sentrifugal terhadap gejala kavitasi yang mungkin terjadi. Metode Penelitian Penelitian dilakukan secara eksperimental di Laboratorium Mesin konversi Energi Jurusan Teknik Mesin Universitas Tadulako. Bahan dan peralatan yang digunakan adalah : 1). Bahan Fluida kerja yang digunakan adalah air 2). Peralatan a). Pompa Sentrifugal Pompa yang digunakan adalah pompa sentrifugal dengan rumah pompa transparan, kapasitas debit pompa 0,001 m3/s dan frekuensi maksimum 60 Hz. b). Pengatur putaran pompa Perangkat elektronik untuk mengatur kecepatan putaran motor pompa. c). Pipa + asesories

3 Pipa yang digunakan dalam instalasi adalah pipa jenis PVC dengan diameter ¾ inchi dan 1 inchi. Asesories seperti sambungan, belokan dan katup sesuai kebutuhan instalasi. d). Reservoir e). Concentric dan Eccentric reducer Sambungan concentric dan eccentric dibuat dari bahan resin dengan terlebih dahulu membuat cetakan dari kayu sesuai dengan dimensi yang telah ditentukan. Untuk sambungan eccentric digunakan 2 tipe peletakan, yaitu posisi A (bagian datar di sisi bawah / bottom flat) dan posisi B (bagian datar disisi atas / top flat), seperti pada gambar 1. Gambar 2. Skema instalasi alat uji Sambungan eccentric dan concentric (A dan B) diletakkan pada sisi isap pompa dengan variasi jarak 0.2 m, 0.4 m, 0.6 m, 0.8 m, dan 1 m seperti terlihat pada gambar 2. Pengujian dilakukan pada 3 variasi putaran pompa, yaitu putaran 1725 rpm, 2300 rpm dan 2875 rpm. Data yang diperoleh meliputi tekanan, debit aliran, temperatur fluida dan data terukur pada vibrasi meter yaitu: kecepatan, percepatan dan amplitudo. Dari hasil pengujian secara eksperimental dilakukan perhitungan teoritis, dengan membandingkan nilai NPSH berdasarkan tekanan pada sisi isap, sebagai parameter perbandingan antara tekanan sebenarnya cairan dalam pipa dan tekanan uap cairan pada suhu tertentu, serts head losses.nilai NPSHa ini berpengaruh terhadap kavitasi yang terjadi pada pompa. Kemudian dibandingkan dengan pengukuran frekuensi getaran pada pompa sebagai salah satu parameter indikasi kavitasi, serta visualisasi aliran di dalam pompa, yang dapat menunjukkan adanya gejala kavitasi yang dapat terlihat dari gelembuang uap air di bagian impeller pompa. Gambar 1. Sambungan concentric dan eccentric (A dan B) f). Alat ukur Alat ukur yang digunakan meliputi: Alat ukur tekanan, alat ukur aliran, alat ukur getaran dan termometer. Hasil dan Pembahasan Hasil perhitungan yang telah dilakukan dengan dengan variasi jarak penempatan concentric dan eccentric reducer, dengan membandingkan NPSH yang tersedia dan yang diperlukan, tekanan, serta frekuensi getaran. Parameter NPSH adalah perbandingan antara tekanan sebenarnya cairan dalam pipa dan tekanan uap cairan

4 pada suhu tertentu. Besar kecilnya nilai dari NPSHa tersedia berpengaruh terhadap kavitasi yang terjadi pada pompa. [7] yang terjadi di pengaruhi oleh rendahnya NPSH tersedia dibandingkan dengan NPSH yang diperlukan (NPSHr). Pada dasarnya aliran fluida pada sistem perpipaan akan mengalami penurunan tekanan (pressure drop). Hal ini dapat disebabkan karena beberap hal, diantaranya adalah aliran fluida yang mengalir pada perpipaan akan mengalami gesekan di sepanjang permukaan pipa, dan juga ketika aliran melewati beberapa sambungan pipa, belokan, katup, dll. [8] Selisih tekanan masuk di sisi suction pipa isap sebelum dan setelah reducer concentric dan eccentric (A dan B) dengan membandingkan jarak yang telah di tentukan dapat dilihat pada gambar berikut. Gambar 3. NPSHa vs jarak penempatan conccentric dan eccentrric tube Pada gambar 3 diatas terlihat bahwa nilai NPSHa terhadap jarak penempatan reducer yang lebih tinggi pada eccentric B, pada jarak 0,8 m dan 0,6 m, kemudian pada penempatan reducer eccentric A, dan paling terendah adalah pada concentric. Dari jarak 1 m, nilai dari NPSHa terus meningkat pada reducer eccentric A dan B, dan hampir konstan pada posisi 0,8-0,4 m kemudian menurun pada jarak 0,2 m. Gambar ini menunjukan nilai NPSHa eccentric B jarak 1 m adalah 12,98 m, dan mengalami peningkatan 13,15m di penempatan 0,8m, hampir kosntan pada jarak 0,6-0,4 m yaitu 13,1m dan 13,09 m, nilai NPSHa eccentric A di jarak 1 m adalah 12,98 meningkat di jarak penempatan 0,8m dengan nilai NPSHa 13,04 m dan di jarak 0,6-0,2m konstan yaitu 12,9m pada putaran yang sama 2875 RPM. Dari putaran pompa yang sama, dihasilkan juga nilai NPSH dari penempatan coccentric tube di jarak 1 m adalah 10,28m, dan konstan pada posisi 0,8-0,2 dengan nilai NPSH tersedianya adalah 10,29m. Nilai NPSHa tersedia di pengaruhi oleh beberapa faktor yaitu kondisi tekanan sisi isap terhadap tekanan atmosfer, kerugian aliran pada sisi isap, dan besar kecepatan aliran. Jarak peletakan dan bentuk sambungan akan berkontribusi terhadap kerugian penurunan tekanan yang terjadi pada aliran sebelum masuk ke dalam pompa. Sedangkan pengaruh kecepatan aliran yang semakin besar berdampak pada semakin besar nilai NPSH tersedia yang di dapatkan. Indikasi kavitasi Gambar 4. selisih tekanan masuk vs Jarak Dari gambar 4 memperlihatkan pada peletakan jarak 0,2 m mengalami penurunan selisih tekanan, akan tetapi tidak terlalu besar sampai pada jarak 0,4 m kemudian cenderung meningkat dari 0,4-1m atau ke jarak penempatan terjauh. Selisih penurunan tekanan terbesar pada putaran 2875 RPM sambungan concentric jarak 1 m sebesar 4,8 kpa dan yang rendah selisih tekanan masuknya adalah pada sambungan eccentric B 0,2 m sebesar 0,2 kpa, semakin besar putaran pompa semakin besar juga selisih penurunan tekanan yang di hasilkan dan semakin besar pula intensitas kavitasi akibat penurunan tekanan tersebut.

5 Untuk melihat secara langsung efek kavitasi yang terjadi, dilakukan pengamatan langsung pada bagian impeller melalui casing pompa transparan untuk setiap variabel penelitian yang dilakukan. Gambar 5. Frekuensi getaran pompa terhadap penempatan concentric dan eccentric reducer Dari gambar 5 diatas terlihat bahwa untuk putaran pompa yang sama frekuensi getaran yang paling besar terjadi pada sambungan concentric, kemudian eccentric A dan yang terendah pada eccentric B. Frekuensi getaran yang paling besar 26,5/s terjadi pada pada penempatan concentric 1 m, sedangkan yang terendah di dapatkan pada penempatan reducer eccentric B 3,4/ s pada jarak 0,2 m. Frekuensi getaran meningkat seiring dengan putaran pompa. Pada putaran 2300 RPM, posisi jarak 1 m concentric yang paling tinggi frekuensi getaranya cenderung meningkat dari jarak 0,2-1 m. Pada eccentric A dan B selisih frekuensi getarnya tidak banyak berbeda dan dari jarak 0,2 0,4 m dan mengalami peningkatan pada jarak 1 m. Frekuensi getaran pada putaran 1275 RPM pada penempatan reducer concentric dan eccentric, cenderung mengalami peningkatan dari jarak terdekat hingga pada penempatan yang terjauh, kecuali pada posisi 0,2 m pada eccentric B mengalami penurunan 3,18 /s kemudian terus mengalami peningkatan jumlah frekuensi getarannya. Dari gambar 5 di atas terlihat semakin besar putaran pompa, semakin besar pula vibrasi yang terjadi, hal ini dipengaruhi salah satunya oleh karena efek putaran motor yang semakin meningkat, dan ikut memberikan dampak pada getaran pada pompa. Namun pada putaran yang sama, frekuensi getaran yang ditimbulkan lebih besar pada sambungan concentric, kemudian eccentric A, dan terendah pada eccentric B. Pengamatan gejala kavitasi Gambar 6. Pengamatan kavitasi dengan variasi jarak sambungan pada concentric reducer, putaran 2875 rpm Dari gambar 6 terlihat, untuk putaran dan jenis sambungan yang sama, kavitasi muncul pada semua jarak peletakan reducer, namun dengan intensitas yang berbeda di mana pada jarak terdekat dan terjauh dari suction pompa intensitas kavitasi terbanyak dibandingkan pada peletakan 0,4 0,6 m. Dari gambar terlihat intensitas kavitasi terbanyak pada peletakan terjauh yaitu 1 m. Pada jarak terdekat, kontraksi aliran yang keluar dari reducer belum berkembang sepenuhnya namun telah masuk ke dalam pompa. Sedangkan pada jarak terjauh lebih karena dipengaruhi oleh kerugian gesekan akibat panjang pipa dengan diameter pipa yang lebih kecil. Gambar 7. Pengamatan kavitasi variasi sambungan pada putaran 2300 rpm jarak 1m Dari gambar 7 untuk putaran dan jarak peletakan reducer yang sama, terlihat bahwa intensitas kavitasi terbanyak dengan gelembung uap yang terlihat jelas pada

6 sambungan concentric reducer, kemudian eccentric A dan yang terkecil pada sambungan eccentric B. Secara umum penggunaan reducer menyebabkan aliran menjadi tertahan yang dapat menyebakan terjadinya kontraksi dan separasi pada bagian ujung reducer. Adanya kontraksi aliran ini dapat menyebabkan penurunan tekanan pada sisi isap pompa sentrifugal yang bisa menjadi salah satu pemicu terjadinya efek kavitasi. Pada sambungan concentric, aliran akan menyempit pada semua sisi, menyebabkan kontraksi yang lebih besar dibandingan pada sambungan eccentric yang hanya pada sebagian sisi. Untuk posisi eccentric yang diletakkan pada dua posisi yaitu posisi A dengan bagian datar pada sisi bawah (bottom flat), dan posisi B diletakkan terbalik atau bagian datar di sisi atas (top flat), maka kontraksi aliran yang terjadi akan lebih rendah pada posisi B oleh karena efek gravitasi pada posisi bagian bawah reducer dibandingan pada posisi eccentric A. Sambungan reducer concentric dan eccentric A berpotensi menimbulkan bubble atau vapor yang akan terperangkap pada sisi atas. Sedangkan pada concentric B hal ini dapat dicegah karena pengaruh densitas fluida. Namun hal ini akan berbeda untuk aplikasi di mana posisi pompa berada di bawah sumber termasuk pada aliran steam di mana untuk mencegah akumulasi kondensat pada sisi bawah maka posisi eccentric A atau bottom flat lebih sesuai.[9] Secara ringkas, hasil pengamatan gejala kavitasi yang timbul pada pompa sentrifugal transparan dari indikasi adanya gelembung uap air pada bagian impeller pompa, dapat dilihat pada tabel 1 berikut ini : Tabel 1. Matriks pengamatan kavitasi pada impeller pompa Dari pengamatan secara keseluruhan pada matriks di atas, terlihat bahwa intensitas kavitasi terkecil pada sambungan reducer eccentric B dengan putaran pompa 1275 rpm dan jarak peletakan 0,4 06 m dari sisi isap pompa sentrifugal. Secara visualisasi aliran air yang ada pada pompa sentrifugal ini jauh lebih baik, atau hampir tidak mengalami kavitasi di bandingkan dengan penempatan jarak yang lain, serta perbandingan beberapa parameter yang telah di jelaskan sebelumnya seperti NPSHa tersedia, besar perbedaan tekanan pada suction pipa di sisi masuk reducer dan keluar, serta frekuensi getaran yang terjadi. Kesimpulan Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa: 1) Peletakan concentric dan eccentric tube A, pada jarak 1-06 m di dapatkan efek kavitasi yang lebih besar, dan pada jarak 0,4-0,2 m efek kavitasi yang terjadi lebih rendah sedangkan pada peletakan Eccentric posisi B kavitasi yang terjadi dari jarak 1-0,8 m lebih sedikit, dan pada penempatan jarak 0,6-0,2 m hampir tidak terjadi kavitasi.

7 2) Jenis sambungan dengan efek kavitasi yang lebih sedikit adalah eccentric tube posisi B dengan nilai NPSHa yang lebih besar, selisih tekanan dan frekuensi getaran yang relatif kecil, dan dan hasil visualisasi aliran di dalam pompa dengan gelembung uap yang lebih sedikit pada sisi impeller pompa. Dinamis, Volume 3, No.3 Desember (2012), [9] Information on le/ /eccentric-reducers-and-straightruns-of-pipe-at-pump-suction.html Referensi [1] Christopher Earls Brennen, Cavitation and Bubble Dynamics, Oxford University Press [2] Aurora, Simulasi pengaruh NPSH terhadap Terbentuknya kavitasi pada pompa sentrifugal dengan mengunakan program komputer computational fluid dynamic fluent, (2012), USU. [3] Wijianto, Marwan Efendi, Aplikasi response getaran untuk menganalisis fenomena kavitasi pada instalasi pompa sentrifugal, Jurnal penelitian Sains & Teknologi, Vol. 11, No. 2 (2010), [4] Pratikto, Slamet Wahyudi, Penurunan Kerugian Head pada Belokan Pipa dengan Peletakan Tube Bundle, Jurnal Teknik mesin Vol. 12, No. 1 April (2010), hal [5] Nuha Hussein Ebrahim, Noaman ElKhatib, Mariyamni Awang, Numerical Solution of Power-law Fluid Flow through Eccentric Annular Geometry, American Journal of Numerical Analysis, Vol. 1, No. 1 (2013), 1-7. [6] Bayard E. Bosserman, Amzad Ali, Irving M. Schuraytz, Butterfly Valves: Torque, Head Loss, and Cavitation Analysis, AWWA MANUAL M49 2nd Edition, American Water Works Association.2012 [7] Siregar, Studi eksperimental karakteristik bubble sebagai indikasi awal terjadinya fenomena kavitasi dengan mengunakan sinyal vibrasi pada pompa sentrifugal, Jurnal edinamis, Volume I, No.1 Juni (2012), [8] Juhari Malau, Tekad Sitepu, Analisa pressure drop pada sistem perpipaan fuel oil boiler pada PT.PLN Pembangkit Sumatatra bagian utara Sincang Belawan dengan menggunakan pipe flow expert Jurnal e