DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

PERANCANGAN INSTALASI POMPA SENTRIFUGAL DAN ANALISA NUMERIK MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER CFD FLUENT 6.1.22 PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN SUCTION GATE VALVE CLOSED 25 % SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik LUCKY I. SIANTURI NIM. 050401007 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2010

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 6.1.22. Pada Pompa Sentrifugal Dengan Suction Gate Valve closed 25%. 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 ( Ir.W.Sianturi ) dan Ibunda ( A.Kalesaran ) serta adinda ( Deny P.K.Sianturi dan Yessika Kalesaran ) 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. Kepada teman teman satu tim senasib sepenanggungan penulis ( Erikson, Marshall dan Farabel ) yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai. 5. Semua teman teman seperjuangan stambuk 2005 serta teman teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Zp & Dolin, Ion, Ady, Berry ) dirumah kontrakan pribadi 14E. 6. Semua rekan rekan CORNER Medan Club, MBC Crew dan Malas Pulang Group yang telah memberikan banyak bantuan moril kepada penulis. Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis mengucapakan terima kasih. Penulis, Lucky Imanuel Sianturi ( NIM: 050401007 )

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 6.1.22. 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.

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 xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Batasan Masalah 2 1.3 Maksud dan Tujuan 3 1.4 Metode Penulisan 3 1.5 Sistematika Penulisan 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Prinsip prinsip Pompa Sentrifugal 5 2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal 6 2.3 Bagian bagian Utama Pompa Sentrifugal 7 2.4 Unit Penggerak Pompa 9 2.5 Karakteristik Pompa Sentrifugal 9 2.6 Dasar dasar Pemilihan Pompa 10 2.7 Head Pompa 11 2.7.1 Head Tekanan 13 2.7.2 Head Kecepatan 14 2.7.3 Head Statis Total 14 2.7.4 Kerugian Head ( Head Loss ) 15 2.7.4.1 Mayor Head Loss 15

2.7.4.2 Minor Head Loss 16 2.7.4.3 Total Loss 16 2.8 Kecepatan Spesifik Pompa 16 2.9 Daya Pompa 17 2.10 Aliran Fluida 17 2.11 Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent 19 2.11.1 Metode Diskritisasi CFD 19 2.11.2 Proses Simulasi CFD 20 2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal 24 BAB III METODE PERENCANAAN 3.1 Skema Instalasi Pompa yang Direncakan 26 3.2 Penentuan Kapasitas 29 3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi 30 3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( H P ) 30 3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( H V ) 30 3.3.3 Perbedaan Head Statis ( H S ) 32 3.3.4 Kerugian Head 32 3.3.4.1 Kerugian head sepanjang pipa hisap 32 3.3.4.2 Kerugian head sepanjang pipa tekan 38 3.4 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan 40 3.5 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller 40 3.6 Efisiensi Pompa pada Instalasi yang Dirancang 41 3.7 Daya Pompa pada Instalasi yang Dirancang 44 3.8 Spesifikasi Pompa yang Digunakan pada Instalasi 45 3.9 Ukuran ukuran Utama Pompa 46 3.9.1 Bentuk dan ukuran impeller 46 3.9.1.1 Kecepatan dan sudut aliran fluida impeller 47 3.9.1.2 Melukis bentuk sudu 51 3.9.2 Bentuk dan ukuran rumah pompa 54 3.9.2.1 Bentuk rumah pompa 54 3.9.2.2 Luas saluran keluar ( throat ) volute 55 3.9.2.3 Penampang dan jari-jari volute 56 3.10 Pelaksanaan Perancangan 59 3.10.1 Diagram Alir Perancangan 59 3.10.2 Hasil Akhir dari Perancangan 60 BAB IV HASIL SIMULASI 4.1 Pendahuluan 62 4.2 Perhitungan Kapasitas Pompa Setelah Pengujian 62 4.3 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa 63 4.3.1 Tinggi Tekan Kecepatan 64 4.3.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 64 4.3.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 68

4.4 Analisa Kavitasi pada Pompa dengan Gate Valve closed 25% 69 4.4.1 NPSH ( Net Positive Suction Head ) 71 4.4.1.1 Net Positive Suction Head Available ( NPSH yang tersedia) 71 4.4.1.2 Net Positive Suction Head Required ( NPSH yang diperlukan ) 72 4.5 Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik 74 4.5.1 Proses Permodelan Pompa Sentrifugal 78 4.5.2 Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal 81 4.5.3 Proses Solving dan Postprocessing Geometri Rumah Pompa 85 4.6 Analisa Kavitasi dan Performansi dari Pompa Sentrifugal 87 4.6.1 Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 87 4.6.2 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 88 4.7 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Berdasarkan Hasil Fluent 90 4.7.1 Tinggi Tekan Kecepatan 90 4.7.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 91 4.7.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 91 BAB V KARAKTERISTIK POMPA 5.1 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 94 5.1.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 94 5.1.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 102 5.2 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan 104 5.2.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 104 5.2.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 109 5.3 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 110 5.3.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 110 5.3.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 115 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan 122 6.2 Saran 123 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

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 System pada Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 115 Tabel 5.6 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 116

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 4.13. Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada pompa sentrifugal 88

Gambar 4.14. Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada pompa sentrifugal 89 Gambar 4.15. Distribusi kecepatan fluida pada impeller 89 Gambar 4.17 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 Gambar 5.4 Hasil 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

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 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