Yogyakarta, 15 November 014 OPTIMASI TINGGI TEKAN DAN EFISIENSI POMPA SENTRIFUGAL DENGAN PERUBAHAN JUMLAH SUDU IMPELER DAN SUDUT SUDU KELUAR IMPELER (β ) MENGGUNAKAN SIMULASI COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS Thoharudin 1, Arif Setyo Nugroho, Stefanus Unjanto 3 1,,3 Jurusan Teknik Mesin, Akademi Teknologi Warga Surakarta e-mail : 1 thoharudin@gmail.com, arif.snug@yahoo.co.id, 3 stefanusunjanto@yahoo.com, ABSTRACT Centrifugal pump was used in many kinds of industial application. The product development of centrifugal pump was to obtain high efficiency so it used low power to operate. The aims of this research were to improve head and efficiency of centrifugal pump by changing the number of impeller blades and the blade exit angeles of centrifugal pump so it obtained the optimum head and efficiency. This research was conducted by using Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation modelled in three dimensional geometry on steady state condition. The wall was assumed to be smooth surface. The number of blades impeller pump were varied, 7, 8, and 9 while the blade exit angeles were varied 3,5 o, 4,5 o, 5,5 o and, o. The results of this research showed that the more number of impeller blades the higher head and efficiency of centrifugal pump so the 9 blades centrifugal pump was the highest head and efficiency. By changing angeles ofβ have not changed head of centrifugal pump significantly but they obtained significant improvement of efficiency onβ =3,5 o namely 54,4%. The high exit angle of blade produced high speed area in the water flow between blades which has impact to low efficiency of centrifugal pump. Kata kunci :centrifugal pump, computational fluid dynamics, efficiency, head PENDAHULUAN Pompa sentrifugal merupakan peralatan yang banyak digunakan pada berbagai macam aplikasi industri dan beberapa sektor lain. Pompa bekerja dengan mengonversi energi mekanik menjadi tekanan dan atau energi kenetik.tekanan pada pompa meningkat dengan menghasilkan bagian dengan tekanan rendah (lebih rendah dari tekanan atmosfer) pada bagian sisi hisap pompa dan tekanan tinggi pada bagian keluaran pompa.oleh karena rendahnya tekanan hisap maka fluida mengalir ke pompa dari reservoir.fluida masuk secara axial melalui lubang hisap pada tengah pompa kemudian fluida tersebut berputar bersama dengan putaran sudu/impeler pompa. Kaitannya mengenai desain dan prediksi unjuk kerjanya, masih merupakan hal yang perlu dikembangkan dan diteliti karena pada pompa sentrifugal terdapat banyak parameter geometri bebas. disisi lain jika didesain dan diteliti secara eksperimental akan membutuhkan waktu yang lama dan biaya yang signifikan karena dengan sedikit perubahan pada impeler berdampak pada perubahan head maupun efisiensi pompa tersebut. Atas beberapa pertimbangan tersebut maka beberapa desainer mengembangkan penelitian secara simulasi numerik yang sering disebut sebagai Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD dapat menghasilkan informasi yang akurat pada kondisi fluida yang berada di dalam mesin, dan juga dapat membantu desainer mendapatkan evaluasi unjuk kerja secara teliti pada obyek sehingga dengan penelitian menggunakan CFD pada pompa sentrifugal dapat diketahui unjuk kerja pompa baik head maupun efisiensinya. Head dan efisiensi pompa diperngaruhi oleh beberapa faktor antara lain jumlah impeler dan sudut impelernya khususnya sudut β. Sudut β merupakan sudut yang dibentuk dari garis tangensial impeler terhadap garis tangensial radius impeler seperti terlihat pada Gambar 1. Sudut β berpengaruh pada head pompa seperti terlihat pada persamaan 1 dimana µ merupakan faktor slip, h H merupakan efisiensi hidrolik, u merupakan kecapatan periperal pada bagian keluar impeler, dan cm3 merupakan kecepatan meridian pada lintasan keluar impeler (Bacharoudis et al., 008). Jafarzadeh et al.(jafarzadeh et al., 011) meneliti tentang pengaruh jumlah impeler dengan variasi 5,, dan 7 impeler terhadap head coeffcient dan efisiensi pada pompa sentrifugal. Dari penelitian tersebut didapatkan bahwa pada head coefficient terbesar didapat pada pompa sentrifugal dengan jumlah impeler 7. Sementara itu, efisiensi optimal didapat dengan jumlah impeler 5 dan 7. Hasil yang hampir sama juga diungkapkan oleh Houlin et al. (Houlin et al., 010) dimana pompa sentrifugal dengan variasi jumlah impeler 4, 5,, dan 7 memiliki head dan efisiensi tertinggi pada jumlah impeler 7. B-35
Yogyakarta, 15 November 014 H Gambar 1. Sketsa impeler pompa sentrifugal (Anagnostopoulos, 009). u c m3 1 cot β g u = μη H Pengaruh sudut β terhadap head dan efisiensi pompa sentrifugal diteliti oleh Bacharoudis et al. (Bacharoudis et al., 008). Penelitian tersebut melibatkan tiga impeler dengan sudut β = 0 o, 30 o, dan 50 o. Dari ketiga variasi sudut tersebut, pompa sentrifugal dengan sudut β = 50 o memiliki head paling tinggi sementara efisiensi terbesar diperoleh pada β = 0 o. Dengan pertimbangan beberapa referensi tersebut maka pada makalah ini akan disajikan optimasi head dan efisiensi pompa sentrifugal dengan perubahan variasi jumlah impeler dan perubahan sudut β sudu impeler. METODE PENELITIAN Optimasi head dan efisiensi pompa dilakukan dengan metode CFD model tiga dimensi pada kondisi tunak. Model turbulensi menggunakan k-e seperti yang disarankan oleh Singh & Nataraj(Singh & Nataraj, 01). Desain pompa diadopsi dari penelitian secara eksperimen oleh Damor et al (Damor et al., 013) pada Tabel 1. Tabel 1. Spesifikasi pompa Spesifikasi Ukuran Diameter luar impeler 111 mm Diameter inlet impeler 5 mm Sudut inlet sudu impeler β 1 73,5 o Sudut outlet sudu impeler β 5,5 o Ketebalan sudu impeler 3 mm Jumlah sudu 7 Diameter shaft 14 mm Head/ tinggi tekan pompa (H) dihitung dengan persamaan. P H = Δ ρ g () Dimana P merupakan beda tekanan masuk dan keluar pompa (Pa), ρ merupakan densitas air (kg/m 3 ), g merupakan percepatan gravitasi (m/s ). Efisiensi (h) dihitung dengan persamaan 3. g H Q η = ρ N (3) Dimana Q merupakan debit aliran (m 3 /dt) dan N merupakan daya putaran shaft pompa yang dapat diperoleh dari persamaan 4. T π n N = 0 (4) Dimana T merupakan torsi shaft (Nm) dan n merupakan besarnya putaran shaft (rpm). Untuk menguji keakuratan, pemodelan divalidasi dengan data unjuk kerja pompa hasil eksperimen. Ekperimen dilakukan dengan menguji karakteristik pompa pada debit air antara 0-8,78 L/dt dengan putaran sudu impeler dari 84-918 rpm. Selanjutnya proses optimasi unjuk kerja pompa dilakukan menggunakan simulasi CFD pada putaran konstan 800 rpm dengan mengubah B-3 (1)
Yogyakarta, 15 November 014 jumlah dan bentuk impeler dengan mengubah sudut β. Variasi jumlah impeler yang digunakan antara lain:, 7, 8, 9 impeler sebagai mana terlihat pada model Gambar. Setelah diperoleh nilai unjuk kerja optimum pada jumlah impeler, selanjutnya sudut sudu impelernya divariasi 3,5 o, 4,5 o, 5,5 o, dan,5 o. Dari kedua variasi tersebut dibuat grafik head dan efisiensi terhadap debit air yang dipompakan dari -10 L/dt. a b c d Gambar. Pompa setrifugal; a. sudu impeler, b. 7 sudu impeler, c. 8 sudu impeler, d. 9 sudu impeler PEMBAHASAN Validasi Model Validasi dilakukan untuk membandingkan model dengan eksperimen sehingga model yang dibuat memiliki hasil yang akurat. Unjuk kerja pompa sentrifugal yang diperoleh dari data eksperimen dan simulasi ditampilkan pada Gambar 3. Secara umum terlihat bahwa antara hasil pemodelan dan eksperimen memiliki pola yang hampir sama. Dengan semakin besarnya debit aliran air yang dipompa maka semakin kecil tinggi tekan/ head yang dihasilkan baik pada hasil pemodelan maupun eksperimen. Hal ini karena dengan semakin besar debit air maka semakin rendah beda tekanan antara masuk dan keluar pompa yang mengakibatkan rendahnya head pompa. Sementara itu, efisiensi pompa memiliki nilai optimum pada debit air tertentu, semakin besar debit air mengakibatkan efisiensi cenderung menurun, begitu pula dengan semakin kecil debit air yang dipompakan, semakin kecil pula efisiensi pompa baik pada hasil pemodelan maupun eksperimen. Efisiensi optimum pada hasil pemodelan terjadi pada debit air 5,3 L/dt yaitu sebesar 43,78% sementara pada eksterimen efisiensi optimum pada debit,5 L/dt yaitu sebesar 43,4%. Perbedaan antara hasil pemodelan dan eksperimen pada nilai optimum tersebut tidak signifikan, kurang dari,5% dan masih memiliki pola efisiensi yang sama sehingga pemodelan dengan CFD masih dapat dikatakan akurat. Head (m) 18 1 14 1 10 8 4 0 H-eksperimen Eff-eksperimen H-simulasi Eff-simulasi 0 1 3 4 5 7 8 9 Debit air (L/dt) Gambar 3. Validasi model dengan eksperimen 50% 45% 40% 35% 30% 5% 0% 15% 10% 5% 0% Efisiensi Pengaruh Perubahan Jumlah Sudu Impeler Head atau tinggi tekan pompa sentrifugal dipengaruhi oleh jumlah sudu impeler pompa. Secara umum dengan semakin banyaknya jumlah sudu impeler pompa maka semakin tinggi head pompa yang dihasilkan seperti terlihat pada Gambar 4. Peningkatan head tersebut disebabkan oleh perubahan torsi yang dihasilkan oleh sudu impeler. Dengan semakin banyaknya sudu impeler maka B-37
Yogyakarta, 15 November 014 semakin besar torsi sudu impeler yang dihasilkan sehingga dengan besarnya torsi tersebut maka energi yang digunakan untuk memindahkan fluida semakin besar yang ditandai dengan besarnya beda tekanan antara saluran masuk dan keluar pompa. Dengan besarnya beda tekanan tersebut maka semakin besar pula head yang dihasilkan pompa. Besarnya torsi pompa sentrifugal dengan jumlah sudu impeler, 7, 8, dan 9 pada debit L/dt masing-masing sebesar 4,5, 4,48, 4,3, dan 4,85 Nm. 1 14 1 10 8 impeler 7 impeler 4 8 impeler 9 impeler 0 4 Debit (L/dt) 8 10 Gambar 4. Pengaruh jumlah sudu impeler terhadap Head Head (m) Gambar 5 memperlihatkan hubungan antara debit air dengan efisiensi pompa pada tiap variasi pompa dengan jumlah impeler yang berbeda. Pada gambar tersebut terlihat bahwa efisiensi tertinggi dari pompa dimiliki oleh pompa dengan jumlah sudu impeler 9 kemudian diikuti oleh jumlah sudu impeler 8, 7, dan. Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa dengan semakin besar jumlah sudu impeler maka semakin besar pula efisiensi pompa yang dihasilkan. Hal ini dipengaruhi oleh head yang dihasilkan, sementara daya shaft pompa tidak terjadi perubahan yang signifikan sehingga dengan semakin besar head maka semakin besar pula efisiensi pompa yang dihasilkan. 50% 40% Efisiensi 30% 0% 10% impeler 7 impeler 8 impeler 9 impeler 0% 3 4 5Debit air (L/dt) 7 8 9 10 Gambar 5. Pengaruh jumlah sudu impeler terhadap efisiensi Pengaruh Perubahan Sudut β Sudu Impeler Berdasarkan pembahasan pengaruh jumlah sudu impeler pompa, pompa dengan jumlah sudu impeler 9 memiliki head dan efisiensi paling tinggi dari pompa lain. Sehingga optimasi unjuk kerja pompa dengan perubahan sudut sudu impeler dilakukan pada pompa sentrifugal dengan jumlah sudu impeler 9. Sudut keluar impeler (β ) memiliki pengaruh pada head dan efisiensi pompa. Gambar memperlihatkan pengaruh sudut sudu keluar impeler pompa terhadap head pompa. Pada gambar tersebut terlihat bahwa sudut sudu keluar impeler pompa 4,5 o memiliki head yang paling tinggi pada debit aliran alir 10 L/dt akan tetapi untuk debit aliran air antara -8 L/dt antara pompa dengan sudut sudu impeler 3,5 o, 4,5 o, 5,5 o tidak terjadi perubahan head pompa yang sigifikan. Berbeda dengan pompa yang memiliki sudut sudu impeler β =,5 o yang mana pada sudut tersebut pompa memiliki head paling rendah. Hal ini karena beda tekanan masuk dan keluar pompa sentrifugal dengan sudut β =,5 o lebih rendah dibanding pompa dengan sudut sudu impeler yang lain walaupun memiliki torsi paling tinggi sehingga berdampak pada rendahnya efisiensi seperti terlihat pada Gambar 7. Torsi shaft pompa dengan sudut β = 3,5 o, 4,5 o, 5,5 o, dan,5 o berturut-turut sebesar 3,87, 4,34, 4,84, dan 5,04 Nm pada debit aliran air L/dt. B-38
Yogyakarta, 15 November 014 1 14 1 10 8 4 B=,5 deg B=5,5 deg B=4,5 deg B=3,5 deg 0 3 4 5Debit Air (L/dt) 7 8 9 10 Gambar. Pengaruh sudut sudu keluar pompa (β ) terhadap head pompa Head (m) Pengaruh sudut keluar sudu impeler terhadap efisiensi ditampilkan pada Gambar 7Error! Reference source not found.. Pada gambar tersebut terlihat bahwa dengan semakin rendah sudut keluar (β )sudu impeler maka semakin besar efisiensi pompa yang dihasilkan. Efisiensi pompa sentrifugal dengan sudut β = 3,5 o, 4,5 o, 5,5 o, dan,5 o berturut-turut sebesar 54,4%, 49,7%, 44,97%, dan 39,9%. Hal ini karena dengan semakin besar sudut β berpengaruh terhadap pola aliran air dalam pompa. Pompa sentrifugal megalirkan air dari pusat putaran menuju diameter luar impeler sehingga dalam impeler tersebut terdapat arah aliran air radial dan sentrifugal. Semakin besarnya sudut mengakibatkan semakin besar aliran air dengan arah radial sehingga terjadi tumbukan arah antara radial dan sentrifugal yang berakibat pada munculnya arah aliran yang membentuk seperti kurva seperti terlihat pada Gambar 8. Selain itu, dengan semakin besar sudut β juga terlihat area berkecepatan tinggi pada sisi hisap impeler. Dengan pola aliran yang berbentuk seperti kurva dan terdapat area berkecepatan tinggi berakibat pada tingginya turbulensi. Turbulensi yang tinggi mengakibatkan tingginya rugi tekanan sehingga walaupun impeler pompa memiliki torsi yang besar akan tetapi diperoleh head yang rendah sehingga efisiensi pompa rendah. Hal inilah yang dimungkinkan menjadi penyebab turunnya efisiensi dengan semakin besarnya sudut β. 0% 55% 50% 45% 40% 35% 30% 5% 0% 15% B=,5 deg B=5,5 deg 10% B=4,5 deg B=3,5 deg 5% 0% 3 4 5 Debit (L/dt) 7 8 9 10 Gambar 7. Pengaruh sudut sudu keluar pompa (β ) terhadap efisiensi pompa Efisiensi B-39
Yogyakarta, 15 November 014 Pola aliran berkecepatan tinggi β = 3,5 o β = 4,5 o Pola aliran berkecepatan tinggi Pola aliran berkecepatan tinggi β = 5,5 o β =,5 o Gambar 8. Pola kecepatan aliran air dalam pompa pada debit L/dt KESIMPULAN Tinggi tekan dan efisiensi pompa dipengaruhi oleh jumlah sudu impeler dan sudut sudu keluar impeler pompa. Dengan semakin besar jumlah sudu impeler maka semakin besar tinggi tekan dan efisiensi pompa yaitu pada pompa dengan jumlah sudu impler 9. Selain itu, perubahan sudut sudu keluar impeler juga berpengaruh pada tinggi tekan dan efisiensi pompa. Dengan perubahan sudut tersebut terjadi perubahan head yang tidak signifikan. Akan tetapi dengan perubahan sudut tersebut berdampak cukup besar pada efisiensi. Dengan semakin kecil sudut sudu keluar impeler maka semakin besar efisiensi pompa yang dihasilkan dengan nilai optimumnya 54,4% pada β = 3,5 o. Dengan perubahan sudut sudu keluar impeler berdampak pada perubahan pola aliran air dalam pompa khususnya pada turbulensi aliran. Dari penelitian ini pompa terjadi peningkatan baik head mapupun efisiensi pompa, pompa sentrifugal awalnya memiliki 7 sudu impeler dengan tinggi tekan dan efisiensi sebesar 1,01 m dan 43,03% pada debit air L/dt dapat ditingkatkan menjadi 13,1 m dan 54,4% dengan mengubah jumlah impeler pompa menjadi 9 dan sudut sudu keluar impelernya 35, o. DAFTAR PUSTAKA Anagnostopoulos, J.S., 009. A Fast Numerical Method for Fow Analysis and Blade Design in Centrifugal Pump Impellers. Computers & Fluids, pp.84 89. Bacharoudis, E.C., Filios, A.E., Mentzos, M.D. & Margaris, D.P., 008. Parametric Study of a Centrifugal Pump Impeller by Varying the Outlet. The Open Mechanical Engineering Journal, pp.75-83. Damor, J.J., Patel, D.S., Thakkar, K.H. & Brahmbhatt, P.K., 013. Experimental and CFD Analysis Of Centrifugal Pump Impeller- A Case Study. International Journal of Engineering Research & Technology. Houlin, L. et al., 010. Effects of Blade Number on Characteristics of Centrifugal Pumps. Chinese Journal of Mechanical Engineering, pp.1-. Jafarzadeh, B., Hajari, A., Alishahi, M.M. & Akbari, M.H., 011. The Fow Simulation of A Low-Specific-Speed High-Speed Centrifugal Pump. Applied Mathematical Modelling, pp.4 49. Singh, R.R. & Nataraj, 01. Parametric Study and Optimization of Centrifugal Pump Impeller by The Design Parameter Using Computational Fluid Dynamics: Part I. Journal of Mechanical and Production Engineering, pp.87-97. B-40