SIMULASI PENGARUH NPSH TERHADAP TERBENTUKNYA KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER COMPUTATIONAL FLUID DYANAMIC FLUENT Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik AURORA PUSPITA SARI NIM. 05 0401 030 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
ABSTRAK Salah satu kegagalan yang terjadi pada pengoperasian pompa sentrifugal dilapangan adalah kavitasi. Kavitasi merupakan peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap didalam cairan yang sedang mengalir. Fenomena ini terjadi akibat turunnya tekanan fluida sampai di bawah tekanan uap jenuh fluida dan turbulensi (pulsasi). Pada pompa sentrifugal, kavitasi dapat terjadi pada suction pompa maupun pada pipa aliran fluida. Indikasi kavitasi adalah timbulnya gelembunggelembung uap, getaran dan suara bising pada pompa. Dampak kavitasi pada pompa adalah kerusakan pada sudu pompa dan performansi pompa menurun. 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 pernurunan, maka performansi pompa juga akan mengalami penurunan. Dan ini merupakan kerugian dalam merancang pompa yang harus dihindari. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data-data, gambar-gambar, atau kurva-kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinu (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga). Kata kunci: kavitasi, Tekanan, NPSH, performansi pompa, CFD.
KATA PENGANTAR Bismillahirrohmanirrohim Assalamu alaikum Wr. Wb. Puji dan syukur kehadirat Allah Swt atas berkat dan rahmat-nya yang telah memberikan penulis kesehatan jasmani dan rohani sehingga dapat menyelesaikan Skripsi ini. Adapun Skripsi ini dibuat untuk melengkapi syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik dengan judul: SIMULASI PENGARUH NPSH TERHADAP TERBENTUKNYA KAVITASI PADA POMPA SENTRIFUGAL DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM KOMPUTER COMPUTATIONAL FLUID DYANAMIC FLUENT. Selama penulisaan laporan ini penulis banyak mendapat bimbingan dan pengarahan, saran dan bantuaan baik berupa tenaga, materi maupun dorongan semangat dari berbagai pihak yang sangat bermanfaat bagi penulis. Pada kesempatan ini, penulis ingin menyampaikan banyak terima kasih kepada : 1. Kepada kedua orang tua penulis, Ayahanda Mukharram Fauruzai dan Ibunda Runta Puspita, yang telah begitu berjasa membimbing dan memberi semangat. 2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi MSc, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan saran dan pengetahuan. 3. Bapak Dr.Ing.Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin USU dan sebagai dosen pembanding yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini dan memberikan arahan serta bimbingan dalam mengerjakan tugas akhir ini. 4. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT., selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin USU dan sebagai dosen pembanding yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini memberikan arahan serta bimbingan dalam mengerjakan tugas akhir ini 5. Bapak Ir. Tugiman K, MT. Selaku Koordinator Skripsi yang telah memberikan waktu dan pikirannya dalam penyelesaian skripsi ini 6. Ibu Ir. Farida Ariani, MT. Selaku koordinator kerja praktek yang telah memberikan banyak waktu dan pikiran diwaktu penulis melakukan kerja praktek. 7. Seluruh pegawai Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara 8. Seluruh pegawai laboratorium Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
9. Seluruh Asisten Laboratorium Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang telah memberi bimbingan selama praktikum berlangsung. 10. Seluruh teman-teman Teknik Mesin USU stambuk 2005,2006, dan 2007 Solidarity Forever. 11. Seluruh teman-teman, pengurus, Keluarga Besar HMI Komisariat FT. USU yang selalu memberikan dukungan satu persatu, semoga selalu menjadi jiwa yang selalu menolong. 12. Kepengurusan HMI Cabang Medan Periode 2011-2012 yang telah mensupport perjuangan selama ini 13. Rekan-rekan Instruktur HMI Cabang Medan yang telah memberikan semangat untuk menyelesaikan semua tanggung jawab untuk mencerdaskan para kader HMI dan terima kasih atas kebersamaannya. Penulis menyadari masih banyak kelemahan dan kekurangan dalam penyelesaian skripsi ini. Untuk itu Segala kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan penulis guna kesempurnaan skripsi ini. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi siapapun yang membacanya. Wassalamu alaikum Wr. Wb Medan, Februari 2012 Penulis, Aurora Puspita Sari NIM : 050401-030
DAFTAR ISI ABSTRAK KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL DAFTAR NOTASI Hal i ii iv vii x xi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Tujuan Simulasi 1 2 1.3 Batasan Masalah 2 1.4 Metodologi Penulisan 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin- mesin Fluida 5 2.2 Pengertian Pompa 5 2.3 Pompa Sentrifugal 2.3.1 Sejarah dan Perkembangan Pompa Sentrifugal 2.3.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal 6 7 8 2.4 Komponen-komponen Pompa 9 2.5 Prinsip Kerja Pompa 10 2.6 Head (Tinggi Tekan) Pompa 11 2.6.1 Head Statis Total 2.6.2 Head Kerugian 2.6.3 Head Total Pompa 12 13 15 2.7 Performansi Pompa 15 2.7.1 Kapasitas Pompa Sentrifugal 15 2.7.2 Kecepatan Spesifik 16 2.7.3Hubungan antara Kapasitas dengan efesiensi pompa 16 sentrifugal 2.7.4 Daya Pompa 18
2.8 Kavitasi Pompa 19 2.8.1 Tekanan Uap Zat Cair 19 2.8.2 Proses Terjadinya Kavitasi 19 2.8.3 Faktor Penyebab Terjadinya Kavitasi 21 2.8.4 Akibat Terjadinya Kavitasi 23 2.8.5 Pencegahan Kavitasi 25 2.9 Nett Posstive Suction Head ( NPSH ) sebagai parameter 25 Kavitasi 2.9.1 NPSH yang Tersedia 25 2.9.2 NPSH yang Diperlukan 28 2.10 NPSH dan Performansi Pompa 29 2.11 Computational Fluid Dynamics (CFD) 30 2.11.1 Pengertian Umum CFD 30 2.11.2 Penggunaan CFD 31 2.11.3 Manfaat CFD 32 2.11.4 Proses Simulasi CFD 32 2.11.5 Metode Diskritisisasi CFD 33 2.12 Pengenalan Fluent 34 2.12.1 Struktur Program Fluent 35 2.12.2 Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain 34 Masalah Menggunakan FLUENT BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Bahan dan Alat 37 3.1.1 Bahan 37 3.1.2 Alat 37 3.2 Variabel riset 37 3.3 Prosedur Simulasi 38 BAB IV PERMODELAN DAN SIMULASI POMPA 4.1 Pendahuluan 42 4.2 Proses Permodelan pompa sentrifugal 43 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN
5.1 Kapasitas Pompa 5.2 Head Pompa 5.3 Efisiensi Pompa 5.4 Daya Pompa dan Motor Penggerak 5.5 Nett Possitive Suction Head 5.5.1 NPSH yang Tersedia 5.5.2 NPSH yang diperlukan 5.6 Hasil Simulasi Pompa dengan Program CFD Fluent 6.3.26 5.6.1 Analisa Simulasi Variasi Bukaan Katup 5.6.2 Analisa Hasil Simulasi Pada Program CFD Fluent 6.3.26 55 57 63 65 66 66 68 66 70 77 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 80 5.2 Saran 81 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Instalasi Pompa Sentrifugal 6 Gambar 2.2 Pompa sentrifugal saat pertama dibuat 7 Gambar 2.3 Kontruksi pompa 9 Gambar 2.4 Konstruksi Pompa 10 Gambar 2.5 Proses pemompaan 10 Gambar 2.6 penampang impeller 11 Gambar 2.7 perubahan energi pompa 11 Gambar 2.8 head statis total 12 Gambar 2.9 instalasi pompa dan head total 15 Gambar 2.10 proses kavitasi pada pompa 18 Gambar 2.11 proses kavitasi pada pompa 19 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 2.14 Gambar 2.15 Gambar 2.16 Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas permukaan cairan isap Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah permukaan cairan isap Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah tangki isap tertutup Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas tangki isap tertutup Hubungan antara koefisien kavitasi dan kecepatan spesifik Gambar 2.17 Gambar 2.18 Struktur Komponen Program FLUENT Diagram Alir Prosedur Simulasi 34 36 Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Skripsi 38 Gambar 3.2 Pompa Sentrifugal 39 Gambar 3.3 Diagram Alir Pengerjaan Pemodelan Menggunakan 40 ANSYS FLUENT 6.3 Gambar 4.1 Tampilan awal GAMBIT 43 Gambar 4.2 Tampilan awal FLUENT 43 Gambar 4.3 Diagram alir simulasi 44 Gambar 4.4 Tampilan hasil file meshnya 45 25 24 25 26 28
Gambar 4.5 Tampilan hasil grid check 46 Gambar 4.6 Tampilan hasil Grid scale 46 Gambar 4.7 Tampilan hasil smooth/swap grid 47 Gambar 4.8 Kotak dialog solver 47 Gambar 4.9 Kotak dialog viscous model 48 Gambar 4.10 Kotak dialog energy 48 Gambar 4.11 Kotak dialog material 49 Gambar 4.12 Kotak dialog unit 49 Gambar 4.13 Kotak dialog boundary condition 50 Gambar 4.14 Kotak dialog fluid 50 Gambar 4.15 Kotak dialog Zona inlet 51 Gambar 4.16 Kotak Dialog Zona Outlet 51 Gambar 4.17 Kotak dialog zona wall 52 Gambar 4.18 Kotak dialog solution control 52 Gambar 4.19 Kotak dialog solution initialization 52 Gambar 4.20 Kotak dialog residual monitors 53 Gambar 4.21 Kotak dialog Surface Monitors 53 Gambar 4.22 Kotak panel iterasi 54 Gambar 4.23 Kurva residual iterasi 54 Gambar 4.24 Kurva residual iterasi 54 Gambar 5.1 Skema instalasi pompa yang digunakan 55 Gambar 5.2 Gambar 5.3 Gambar 5.4 Gambar 5.5 Gambar 5.6 Gambar 5.7 Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan head total pompa secara teoritis Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan efisiensi total pompa secara teoritis Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan daya pompa secara teoritis Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan NPSHa teoritis Grafik hubungan antara Head total pompa dengan NPSHr teoritis Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan Head total Pompa hasil simulasi 64 67 68 70 71 74
Gambar 5.8 Gambar 5.9 Gambar 5.10 Gambar 5.11 Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan efisiensi total Pompa hasil simulasi Grafik hubungan antara kapasitas pompa dengan daya pompa hasil simulasi Grafik Hubungan Kapasitas pompa dengan NPSHa secara simulasi Grafik Hubungan antara Head total pompa dengan NPSHr simulasi 76 78 79 80
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 5.1 Kapasitas pompa berdasarkan pembukaan katup 56 Tabel 5.2 Perhitungan kecepatan aliran berdasarkan kapasitas dan bukaan katup 56 Tabel 5.3 Perhitungan head kecepatan sesuai dengan kecepatan aliran 58 Tabel 5.4 Koefisien kerugian kelengkapan pipa hisap 60 Tabel 5.5 Hasil Perhitungan Bilangan Reynold, faktor gesek,dan head kerugian sepanjang pipa hisap (h ls ) Tabel 5.6 Koefisien kerugian kelengkapan pipa 61 Tabel 5.7 Hasil Perhitungan head kerugian sepanjang pipa tekan (h ld ) 61 Tabel 5.8 Hasil Perhitungan total Head Kerugian 62 Tabel 5.9 Hasil Perhitungan Head total Pompa 62 Tabel 5.10 Hasil Perhitungan Efisiensi pompa 64 Tabel 5.11 Perhitungan antara Kapasitas, head pompa, dan efisiensi terhadap 65 daya pompa Tabel 5.12 Hubungan antara Kapasitas, kerugian head dalam pipa isap 67 terhadap NPSHa Tabel 5.13 Hubungan antara Head total Pompa, bilangan Kavitaasi Thoma 69 terhadap NPSHr Tabel 5.14 Data Hasil Simulasi 71 Tabel 5.15 Head Total Hasil Simulasi 71 Tabel 5.16 efisiensi pompa hasil simulasi 72 Tabel 5.17 Daya pompa hasil simulasi 74 Tabel 5.18 NPSHa Simulasi 75 Tabel 5.19 NPSHr Hasil Simulasi 76 Tabel 5.20 Tekanan statis aliran Fluida pada masing-masing bukaan katup isap 78
DAFTAR NOTASI Simbol Arti Satuan A S luas bidang aliran m 2 d is diameter dalam pipa m g Percepatan gravitasi m/s 2 H Head m h l kerugian head pompa m h s head statis total m h p head tekan pompa m h v head kecepatan m n Putaran rpm N p daya pompa kw P Tekanan kgf/cm 2 P a Tekanan atmosfer Pa P v Tekanan uap jenuh kgf/cm 2 Q Kapasitas pompa m 3/ s V s kecepatan aliran fluida m/s Simbol Yunani Koefisien kavitasi Thoma γ berat zat cair N/m 3 ρ Massa Jenis kg/m 3