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 OPEN 100 % SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik FARABEL PANJAITAN 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 open 100 % 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 ( T.R.Panjaitan ) dan Ibunda ( Alm.M.Sirait ) serta abangda ( Forhansen P. ) dan kakanda ( Fianty P,Febriani P,Fisher P ) 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 Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 4. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik MesinUSU. 5. Kepada teman teman satu tim/senasib sepenanggungan penulis ( Erikson, Lucky dan Marshal ) yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai. 6. Semua teman teman seperjuangan stambuk 2005 di Departemen Teknik Mesin serta teman teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Zp & Dolin, Ion, Maycold,Ady, Berry ) dirumah kontrakan pribadi 14E. 7. Keluarga besar penulis yang tinggal dikost gang saudara Semua teman-teman seperjuangan penulis di GmnI FT.USU Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis mengucapakan terima kasih. Penulis, Farabel Panjaitan ( 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 xiv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan dan Batasan Masalah Maksud dan Tujuan Perencanaan Metode Penulisan Sistematika Penulisan 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin-mesin Fluida Pengertian Pompa Klasifikasi Pompa Unit penggerak pompa Dasar-dasar pemilihan pompa Head Pompa Putaran Spesifik Daya Pompa Aliran Fluida Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent Proses Simulasi CFD Metode Diskritasi CFD Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal 25

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 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 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 65 BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pendahuluan Perhitungan Kapasitas Pompa setelah 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 100% NPSH ( Net Positive Suction Head ) Net Positive Suction Head Available ( NPSH yang tersedia) Net Positive Suction Head Required 78 ( NPSH yang dibutuhkan ) 4.5 Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik Proses Permodelan Pompa Sentrifugal Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal Proses solving dan postprocessing geometri rumah pompa Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 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 95

6 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 117 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan Saran 124 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

7 DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Kekasaran Relative ( ε ) dalam Berbagai Bahan Pipa 34 Tabel 3.2 Nilai Koefisien K untuk Tipe Screwed 37 Tabel 3.3 Klasifikasi Impeler Menurut Putaran Spesifik 41 Tabel 3.4 Hubungan antara Kecepatan Spesifik dengan Efisiensi Hidrolis 42 Tabel 3.5 Hubungan antara Kecepatan Spesifik Impeller dengan Efisiensi Volimetris 43 Tabel 3.6 Jari-jari Busur Sudu Impeler 52 Tabel 3.7 Jari-jari dan luas volute untuk setiap penampang Tabel 4.1 Kenaikan Kehilangan Tinggi Tekan dengan Tipe Bukaan Katup 66 Tabel 4.2 Nilai Koefisien K open untuk Tipe Screwed Valve 67 Tabel 5.1 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Berbagai Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 101 Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 104 Tabel 5.3 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Berbagai Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan. 109 Tabel 5.4. Hubungan kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Percobaan 110 Tabel 5.5 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head Systempada Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 115 Tabel 5.6 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa 116 Berdasarkan Hasil Simulasi

8 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Rumah Pompa Sentrifugal 7 Gambar 2.2 Kurva Pompa Aquavane 10 Gambar 2.3 Skema Instalasi Pompa 12 Gambar 2.4 Diagram alir algoritma numerik volume hingga dengan metode SIMPLE 21 Gambar 2.5 Elemen fluida pada persamaan kekekalan massa 22 Gambar 2.6 Elemen fluida pada persamaan momentum 23 Gambar 2.7 Hasil Simulasi untuk Vektor - vektor Kecepatan yang Terjadi 25 Gambar 2.8 Hasil Simulasi untuk Distribusi Tekanan yang Terjadi 25 Gambar 3.1 Skema Perencanaan Instalasi Pompa 28 Gambar 3.2 Stopwatch 29 Gambar 3.3 Meteran 29 Gambar 3.4 Diagram Moody 35 Gambar 3.5 Pompa Sentrifugal 45 Gambar 3.6 Bentuk impeler dan sudu yang digunakan dalam pompa 46 Gambar 3.7 Ukuran ukuran utama pada impeler 46 Gambar 3.8 Segitiga Kecepatan pada sisi masuk ( Skala 1 cm : 1 m/s ) 48 Gambar 3.9 Segitiga kecepatan pada sisi keluar 51 Gambar 3.10 Bentuk Sudu impeler 53 Gambar 3.11 Perbandingan kecepatan pada kerongkongan rumah keong 54 Gambar 3.12 Grafik penentuan sudut volute 56 Gambar 3.13 Rumah Pompa 58 Gambar 3.14 Diagram Alir Pelaksanaan Perancangan 59 Gambar 3.15 Pandangan Depan Instalasi Pompa 60 Gambar 3.16 Pandangan Samping Instalasi Pompa 61 Gambar 4.1 Kerusakan pada Permukaan Sudu Impeller akibat Kavitasi 70 Gambar 4.2 Grafik hubungan antara kecepatan spesifik, efesiensi hidrolis serta koefisien kavitasithoma 73 Gambar 4.3 Diagram alir simulasi pada GAMBIT 76 Gambar 4.4 Diagram alir simulasi pada FLUENT 77 Gambar 4.5 Tampilan Hasil setelah memasukan titik-titiknya 78 Gambar 4.6 Tampilan hasil dari substract face dan shaded 79 Gambar 4.7 Tampilan hasil mesh 80 Gambar 4.8 Tampilan hasil boundary condition 80 Gambar 4.9 Kurva residual iterasi 85 Gambar 4.10 Rumah pompa dalam GAMBIT 86 Gambar 4.11 Kurva residual iterasi 86 Gambar 4.12 Distribusi tekanan fluida pada rumah pompa sentrifugal 87 Gambar Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada pompa sentrifugal 88 Gambar Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada pompa sentrifugal 89

9 Gambar Distribusi kecepatan fluida pada impeller 89 Gambar 4.16 Grafik tekanan fluida vs jarak posisi tekanan fluida 90 Gambar 5.1 Kerugian - kerugian hidrolis 97 Gambar 5.2. Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Perhitungan 116 Gambar 5.3. Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Gambar 5.4 Percobaan 118 Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Simulasi 119 Gambar 5.5 Grafik Karakteristik Perbandingan Efisiensi Pompa 120 Gambar 5.6 Grafik Karakteristik Perbandingan Daya Pompa 120

10 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

11 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