1 MESIN FLUIDA ANALISIS PERFORMANSI POMPA MULTISTAGE PENGISI AIR UMPAN KETEL YANG DIGERAKKAN OLEH TURBIN UAP DIBANDING DENGAN ELEKTROMOTOR SKRIPSI Skripsi ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik ASRIL HABIBI NASUTION 100421005 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
2 JURUSAN TEKNIK MESIN AGENDA : 279 /TS/2012 PROGRAM PENDIDIKAN EKSTENSI DITERIMA : / / FAKULTAS TEKNIK USU PARAF : MEDAN TUGAS SARJANA NAMA : ASRIL HABIBI NASUTION NIM. : 100421005 MATA PELAJARAN : MESIN FLUIDA SPESIFIKASI : Adakan Analisa Perbandingan Performansi Pompa Multistage Yang Digerakkan Oleh Turbin Uap dan Elektromotor - Head Pompa: 240 m - Kapasitas: 180 m 3 /jam Buat Kurva Karakteristik Pompa DIBERIKAN TANGGAL : 25 / 04 / 2012 SELESAI TANGGAL : 14 / 07/ 2012 KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, MEDAN 25 APRIL 2012 DOSEN PEMBIMBING, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tekad Sitepu NIP : 196412241992111001 NIP. 195212221978031002
3 ANALISIS PERBANDINGAN PERFORMANSI POMPA MULTISTAGE PENGISI AIR UMPAN KETEL YANG DIGERAKKAN OLEH TURBIN UAP DENGAN DIGERAKKAN OLEH ELEKTROMOTOR DI PT. PERKEBUNAN NUSANTARA II (PERSERO) PABRIK GULA SEI SEMAYANG DELI SERDANG ASRIL HABIBI NASUTION 100421005 Diketahui/Disyahkan: Ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik USU Ketua, Disetujui oleh: Dosen Pembimbing, Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Ir. Tekad Sitepu NIP : 196412241992111001 NIP. 195212221978031002
4 ANALISIS PERFORMANSI POMPA MULTISTAGE PENGISI AIR UMPAN KETEL YANG DIGERAKKAN OLEH TURBIN UAP DIBANDING DENGAN ELEKTROMOTOR ASRIL HABIBI NASUTION 100421005 Telah Disetujui dan Diperbaiki dari Hasil Seminar Skripsi Periode ke-182, pada Tanggal 21 Juli 2012 Dosen Pembanding I Dosen Pembanding II Ir. Alfian Hamsi, M.Sc. Ir. H. Abdul Halim Nasution, M.Sc. NIP. 195609109187011001 NIP. 195403201981021001
5 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas Rahmat dan Karunia yang diberikan-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini, mulai dari awal penyusunan hingga selesai karena untuk dapat menyelesaikan studi harus mengikuti dan melaksanakan persyaratan dan aturan yang berlaku di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Tugas Sarjana ini merupakan salah satu syarat yang harus dipenuhi mahasiswa untuk menyelesaikan studinya di Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, khususnya di Departemen Teknik Mesin Universitas sumatera Utara. Penulisan Tugas Sarjana ini penulis memilih Mesin Fluida, dengan judul spesifikasi tugas : Analisis Performansi Pompa Multistage Pengisi Air Umpan Ketel Yang Digerakkan Oleh Turbin Uap Dibanding Dengan Elektromotor. Dan dengan pembatasan masalah yang akan dibahas adalah analisa perbandingan performansi pompa multistage yang digerakkan oleh turbin uap dengan pompa multistage yang di gerakkan oleh elektromotor dan kurva karakteristik pompa. Dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini, penulis telah banyak mendapat bimbingan dan arahan dari berbagai pihak, baik berupa materi, spiritual, informasi maupun segi administrasi, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku Dosen Pembimbing Tugas Sarjana ini; 2. Bapak Ir. Alfian Hamsi, M.Sc. selaku Dosen Pembanding I: 3. Bapak Ir. H. Abdul Halim Nasution, M.Sc. selaku Dosen Pembanding II: 4. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku ketua Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik ; 5. Seluruh Staff Pengajar/Dosen dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin, dan Fakultas Teknik ; 6. Teristimewa kepada Orangtua penulis yaitu : Ayahanda Darman Nasution dan Ibunda Mashayati Hasibuan serta Abang Aswin Parhimpunan Nasution, Parni
6 Hadi Nasution, Adik Penulis Nurhasanah Nasution serta seluruh keluarga yang telah memberikan doa dan bimbingannya selama ini sehingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan; 7. Yang selalu memberi dorongan Listia Elmizar OK; 8. Semua teman-teman penulis, yang telah banyak memberikan bantuan motivasi semangat bagi penulis terima kasih atas dukungannya selama ini. Penulis menyadari bahwa Tugas Sarjana ini masih ada kekurangan. Untuk itu penulis mengharap kritik dan saran yang membangun dari para pembaca. Akhir kata penulis mengharapkan agar laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca pada umumnya dan bagi penulis khususnya. Medan, Juli 2012 Penulis, Asril Habibi Nasution NIM: 100421005
7 ABSTRAK Pompa adalah suatu mesin fluida yang berfungsi memindahkan fluida incompressible dari tempat/tekanan yang rendah ke tempat/tekanan yang lebih tinggi. Pada prinsipnya, pompa mengubah energi mekanis menjadi energi fluida. Pompa sentrifugal adalah termasuk kedalam jenis pompa tekanan dinamis, dimana pompa jenis ini memiliki impeller yang berfungsi untuk mengangkat fluida dari tempat yang rendah ketempat yang lebih tinggi atau dari tekanan yang lebih rendah ke tekanan yang lebih tinggi. Pada analisis ini pompa yang digunakan adalah pompa sentrifugal multistage yang digerakkan oleh turbin uap dan yang digerakkan oleh elektromotor sebagai pengisi air umpan ketel dengan kapasitas 180 m 3 /jam dan head 240 m. Dalam menganalisis performansi pompa tersebut diperlukan besaran-besaran seperti kapasitas, tinggi tekanan fluida, sifat atau keadaan disisi bagian isap dan buang, daya yang dibutuhkan untuk memutar pompa, kecepatan putar dan efisiensi. Dari hasil analisa diperoleh perbandingan performansi dan kurva karakteristik antara pompa multistage yang digerakkan oleh turbin uap dengan pompa multistage yang digerakkan oleh elektromotor yaitu pompa multistage yang digerakkan oleh turbin uap lebih efisien dibandingkan dengan elektromotor. Kata Kunci : Pompa multistage, Turbin Uap dan Elektromotor
8 ABSTRACT The pump is a fluid machinery that serves to move the fluid from the fluid incompressible / low pressure to the place / higher pressure. In principle, the pump convert mechanical energy into fluid energy. Centrifugal pump is included into the type of dynamic pressure pumps, which pump impeller type has a function to remove fluid from a low place to place a higher or lower than the pressure to higher pressure. In this analysis the pump used is a multistage centrifugal pump is driven by the steam turbines and driven by electromotor as boiler feed water filler with a capacity of 180 m 3 /hr and head 240 m. In analyzing the performance of the pump is necessary quantities such as capacity, high pressure fluid, the nature or state of the suction and exhaust side, the power needed to turn the pumps, rotary speed and efficiency. Analysis of the results obtained and the performance comparison between the characteristic curve multistage pump which is driven by steam turbines with a multistage pump which is driven by elektromotor the multistage pump which is driven by a steam turbine is more efficient than electromotor. Keywords: Multistage Pumps, Steam Turbines and Electromotor.
9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i SPESIFIKASI TUGAS... ii KATA PENGANTAR... iii ABSTRAK... v DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... x DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR NOTASI... xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Tujuan Penelitian... 2 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Sistematika Penulisan... 3 BAB II TINJAUAN PUSATAKA... 4 2.1 Mesin Fluida... 4 2.1.1 Definisi Fluida... 4 2.1.2 Angka Reynolds... 6 2.1.3 Persamaan Kontinuitas... 7 2.1.4 Tinggi-tekan Fluida... 8 2.1.5 Theorema Bernouli... 9 2.1.6 Kerugian Tinggi-tekan... 10 2.1.7 Tinggi-tekan Luar yang dibutuhkan Pompa... 11 2.2 Pengertian Pompa... 12 2.2.1 Prinsip Kerja Pompa... 13
10 2.2.2 Klasifikasi Pompa... 14 2.3 Pompa Sentrifugal... 24 2.3.1 Penggunaan Pompa Sentrifugal... 24 2.3.2 Bagian-bagian Utama Pompa Sentrifugal... 25 2.3.4 Komponen-komponen Pompa Sentrifugal... 27 2.4 Pompa Sentrifugal Multistage... 28 2.4.1 Konstruksi Pompa Multistage... 28 2.4.2 Pompa Multistage Yang Beruas-ruas... 30 2.4.3 Pompa Air Pengisi Ketel yang Bertingkat Banyak Dengan Rumah yang Berbentuk Tangki/Tabung... 31 2.4.4 Cara Kerja Pompa Sentrifugal Bertingkat Dan Bagian-bagian Pompa Multistage 3 tingkat... 32 2.5 Pompa Pengisi Air Umpan Ketel... 33 2.6 Performansi Pompa Sentrifugal... 34 2.6.1 Kecepatan Spesifik... 34 2.6.2 Kurva Karakteristik... 36 2.6.3 Head (Tinggi-tekan)... 38 2.6.4 Head Statis Total... 39 2.6.5 Kerja, Daya dan Efisiensi Pompa... 40 2.6.6 Kurva Head Kapasitas Pompa dan Sistem... 42 2.6.7 Kontrol Kapasitas Aliran... 45 2.8 Penggerak untuk Pompa Industri... 46 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 54 3.1 Metode Penelitian... 54 3.2 Tempat dan Waktu... 54 3.2.1 Tempat... 54 3.2.2 Waktu... 54
11 3.3 Alat... 54 3.4 Pengambilan Data... 58 3.5 Analisa Teoritis... 58 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 61 4.1 Gambar Instalasi Perpipaan Pompa Multistage Yang Digerakkan Oleh Turbin Uap dan Elektromotor... 61 4.2 Data Hasil Pengujian Pompa Multistage... 63 4.3 Analisa Data... 65 4.4 Tabel Data Hasil Perhitungan... 78 4.5 Grafik Hasil Perhitungan... 80 4.5.1 Grafik Hasil Pompa Multistage yang Digerakkan oleh Turbin Uap dan Elektromotor... 80 4.6 Pembahasan... 82 4.6.1 Pembahasan Pompa Multistage yang Digerakkan oleh Turbin Uap dan Elektromotor... 82 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 85 5.1 Kesimpulan... 85 5.2 Saran... 86 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
12 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Faktor cadangan daya dari motor penggerak... 41 Tabel 2.2 Efisiensi berbagai jenis transmisi... 41 Tabel 4.1 Data hasil penelitian pompa multistage yang digerakkan oleh turbin uap... 63 Tabel 4.2 Data hasil penelitian pompa multistage yang digerakkan oleh elektromotor... 64 Tabel 4.3 Hasil perhitungan performansi pompa multistage yang digerakkan oleh turbin uap... 78 Tabel 4.4 Hasil perhitungan performansi pompa multistage yang digerakkan oleh elektromotor... 79 Tabel 4.5 Hasil perhitungan koefisien rugi-rugi dan head losses sistem pada pompa multistage yang digerakkan oleh turbin uap... 79 Tabel 4.6 Hasil perhitungan koefisien rugi-rugi dan head losses sistem pada pompa multistage yang digerakkan oleh elektromotor... 80
13 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Perubahan Bentuk oleh Penerapan Gaya Geser yang Konstan... 5 Gambar 2.2. Persamaan Kontinuitas... 7 Gambar 2.3 Metode-metode Pengukuran berbagai Bentuk Tinggi Tekan (Head)... 9 Gambar 2.4 Tinggi Tekan Pada Sebuah Pompa... 11 Gambar 2.5 Instalasi Pompa... 12 Gambar 2.6 Proses Pemompaan... 13 Gambar 2.7 Perubahan Energi Zat Cair Pada Pompa... 14 Gambar 2.8 Klasifikasi Pompa Berdasarkan Kelasnya... 15 Gambar 2.9. (a) Pompa putar 2 cuping, (b) pompa putar 3 cuping, c) pompa putar cuping... 16 Gambar 2.10. Pompa bolak balik ( Reciprocating Pump )... 16 Gambar 2.11.(a) Pompa aliran radial, (b) Pompa aliran aksial, (c) Pompa aliran campuran... 18 Gambar 2.12. Pompa Satu Tingkat... 19 Gambar 2.13. Pompa Multistage (Bertingkat Banyak)... 19 Gambar 2.14. Pompa Single Suction... 20 Gambar 2.15. Pompa Double Suction... 21 Gambar 2.16 Impeller Tertutup... 21 Gambar 2.17 Impeller Setengah Terbuka... 22 Gambar 2.18 Impeller Terbuka... 22 Gambar 2.19 Bentuk Pompa Volut... 23 Gambar 2.20 Diffuser Mengubah Arah Aliran dan me#mbantu dalam Mengubah Kecepatan menjadi Tekanan... 23 Gambar 2.21 Konstruksi Pompa... 27 Gambar 2.22 Penampang memanjang dari susunan pompa sentrifugal Multistage... 29
14 Gambar 2.23 Pompa air pengisi ketel 4 tingkat dengan bentuk konstruksi yang beruas ruas... 30 Gambar 2.24 Pompa air pengisi ketel 4 tingkat dengan rumah berbentuk tabung/tangki Banyak... 31 Gambar 2.25 Bagian Pompa Bertingkat Banyak... 32 Gambar 2.26 Cara Kerja Pompa Bertingkat Banyak... 32 Gambar 2.27 Ukuran-ukuran Dasar Pompa... 34 Gambar 2.28 Harga ns dengan Bentuk Impeler dan Jenis Pompa... 36 Gambar 2.29 Grafik Karakteristik Pompa dengan ns kecil... 37 Gambar 2.30 Grafik Karakteristik Pompa dengan ns sedang... 37 Gambar 2.31 Grafik Karakteristik Pompa dengan ns besar... 38 Gambar 2.32 Head Statis Total... 39 Gambar 2.33 Head Statis Hisap [A] pompa di bawah tandon, [B] pompa diatas tandon... 40 Gambar 2.34 Pompa dan Penggerak Mula Motor Listrik... 42 Gambar 2.35 Grafik Kurva Head Kapasitas... 44 Gambar 2.36 Kurva Head Pompa dengan Variasi Head Statis... 44 Gambar 2.37 Kurva Head Pompa dengan Kenaikan Tahanan... 44 Gambar 2.38 Berbagai Macam Katup... 45 Gambar 2.39 Kurva Head Kapasitas dengan Pengaturan Katup... 46 Gambar 2.40 Jangka Penggunaan untuk berbagai motor a-c... 48 Gambar 2.41 Karakteristik kecepatan, momen gaya, dan daya motor d-c... 49 Gambar 2.42 Pompa dengan penggerak motor listrik... 50 Gambar 2.43 Turbin Uap Penggerak Mekanis untuk Penggerak Pompa... 51 Gambar 2.44 Kurva karakteristik yang diperoleh dari pompa yang sama tetapi dengan penggerak yang berbeda... 52 Gambar 2.45 Taksiran laju-laju aliran untuk turbin satu tingkat dengan diameter 25 in... 52 Gambar 3.1 Pompa Sentrifugal Multistage yang digerakkan oleh
15 Elektromotor... 55 Gambar 3.2 Pompa Sentrifugal Multistage yang digerakkan oleh Turbin uap... 56 Gambar 3.3 Water flow meter... 57 Gambar 3.4 Alat ukur tekanan (a) sisi air masuk (b) sisi air keluar... 57 Gambar 3.5 Tachometer... 58 Gambar 3.6 Bagan Alir Metode Eksperimen... 59 Gambar 4.1 Gambar instalasi perpipaan pompa multistage yang digerakkan oleh turbin uap dan elektromotor... 61 Gambar 4.2 Grafik kurva head vs kapasitas... 80 Gambar 4.3 Grafik kurva kapasitas vs daya hidrolis... 81 Gambar 4.4 Grafik kurva kapasitas vs kecepatan spesifk... 81 Gambar 4.5 Grafik kurva kapasitas vs efisiensi... 82
16 DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN A Luas penampang pipa m 2 D Diameter pipa m ε Kekasaran Pipa (roughness) m f Koefisien gesek - g Percepatan gravitasi bumi m/s 2 H Tinggi tekan m hl Head losses m hm Kerugian minor m Hp Head Total Pompa m l Panjang pipa m n Putaran Penggerak Pompa rpm Ns Kecepatan spesifik rpm η p Efisiensi pompa % ρ Massa jenis fluida kg/m 3 P Tekanan fluida kg/cm 2 Ph Daya hidrolis Kw Q Kapasitas aliran m 3 /s Re Bilangan Reynold - µ Kekentalan absolute fluida N-s/m 2 v Kecepatan aliran fluida m/s γ Bobot spesifk fluida N/m 3 Z Ketinggian permukaan air m