PERANCANGAN POMPA SUBMERSIBEL UNTUK KEPERLUAN PENYEDIAAN AIR DI ISTANA BUSINESS CENTER MEDAN BERKAPASITAS 19,5 M 3 /JAM DENGAN HEAD TOTAL 42 M SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik FADLI POHAN NIM : 08 0401 116 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2012
ABSTRAK Pompa adalah mesin yang digunakan untuk memindahkan fluida cair dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi, atau dari daerah bertekanan rendah ke daerah bertekanan tinggi, atau melewati saluran dengan tahanan hidrolik tinggi. Salah satu dari sekian jenis pompa adalah pompa sentrifugal. Salah satu tujuan penggunaan pompa terutama pompa sentrifugal adalah untuk penyediaan air bagi berbagai keperluan. Untuk memperoleh sumber untuk penyediaan air, penggunaan sumur penggunaan sumur adalah salah satu alternatif yang sering dipakai. Pompa submersibel tipe sentrifugal menjadi pilihan yang sesuai untuk sumur yang dalam yang memerlukan tinggi-tekan pengangkatan ( suction lift ) yang cukup besar. Pada skripsi ini direncanakan sebuah pompa submersibel lima tingkat dengan poros vertikal untuk kebutuhan persediaan air di Business Center Medan. dengan kapasitas 19,5 m 3 /jam dengan tinggi tekan total 42 m. Penggerak yang digunakan adalah motor submersibel dengan daya 5,5 kw pada putaran 2875 rpm. Perancangan elemen-elemen pompa terdiri dari perancangan impeller, difuser, poros, kopling, bantalan serta komponen-komponen pelengkap lainnya. Kata kunci : Pompa submersible, head total, elemen pompa
KATA PENGANTAR Ucapan terimakasih serta syukur kehadirhat Allah SWT karena rahmat dan karunianya yang maha besar akhirnya skripsi ini dapat selesai. Skripsi ini ditulis guna melengkapi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Judul dari Skripsi ini adalah PERANCANGAN POMPA SUBMERSIBEL UNTUK KEPERLUAN PENYEDIAAN AIR DI ISTANA BUSINESS CENTER MEDAN BERKAPASITAS 19,5 M 3 /JAM DENGAN HEAD TOTAL 42 M. Tak dapat dipungkiri skripsi ini dapat selesai berkat bantuan, semangat, bimbingan, dan dorongan dari berbagai pihak, langsung maupun tidak langsung dan selayaknya Penulis menghaturkan terimakasih dan rasa hormat yang besar kepada : 1. Bapak Ir.H. A.Halim Nasution M.Sc, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 2. Bapak DR.ING.Ir.Ikhwansyah Iranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Bapak / Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Kedua orang tua saya Ayahanda, Bustamam Pohan dan Ibunda Lindawati serta kakak saya Fitri Anika Pohan, Melda Mestika Pohan dan adik saya Nicco Satria Pohan, serta kekasihku Rina Hastarita, S.Pd. yang terus membimbing dan mengarahkan saya. 5. Seluruh rekan-rekan mahasiswa teknik mesin stambuk 2006 yang tidak dapat saya sebutkan namanya satu persatu, Solidarity Forever.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini belumlah sempurna, untuk itu mohon maaf dan semoga dapat bermanfaat bagi kita semua yang membacanya, sebelum dan sesudahnya saya ucapkan banyak terima kasih. Medan, April 2012 Penulis, Fadli Pohan
DAFTAR ISI Abstrak... i Kata Pengantar... ii Daftar Isi... iv Daftar Gambar... vii Daftar Tabel... x Daftar Notasi... xi BAB I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Penulisan... 2 1.3 Metodologi... 2 1.4 Batasan Masalah... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II Tinjauan Pustaka 2.1 Klasifikasi dan Penggunaan Pompa... 5 2.1.1 Reciprocating Pump... 6 2.1.2 Pompa Putar... 8 2.1.3 Pompa Sentrifugal... 10 2.2 Dasar Pemilihan Pompa... 14 2.3 Pra-Rancangan Submersibel Pump... 19 2.3.1 Wellhead... 21 2.3.2. Junction Box... 21 2.3.3 Switchboard... 21 2.3.4 Transformer... 22
2.3.5 Motor Listrik Mampu Benam... 22 2.3.6 Kabel Daya... 22 2.3.7 Pompa Sentrifugal... 23 2.3.8 Pipa Kolom... 25 2.3.9 Well Casing... 25 BAB III PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA 3.1 Head Total dan Kapasitas Pompa... 27 3.2 Tinjauan Jumlah Tingkat... 32 3.3 Pemilihan Bahan Komponen Pompa... 33 3.4 Daya Pompa... 35 3.5 Pemilihan Motor Listrik Submersibel... 35 BAB IV PERENCANAAN KOMPONEN UTAMA POMPA 3.1 Perencanaan Impeler... 38 3.2 Perencanaan Difuser... 64 3.3 Perencanaan Poros... 71 3.4 Perencanaan Bantalan... 76 3.5 Perencanaan Kopling... 80 3.6 Perencanaan Baut... 84 BAB V EFISIENSI, KAVITASI, DAN KARAKTERISTIK POMPA 4.1 Efisiensi Pompa... 87 4.1.1 Efisiensi Volumetrik... 87 4.1.2 Efisiensi Hidrolik... 88 4.1.3 Efisiensi Mekanis... 89
4.1.4 Efisiensi Total... 90 4.2 Kavitasi Pompa... 91 4.3 Karakteristik Pompa... 92 BAB V I Kesimpulan dan Saran 5.1 kesimpulan... 101 5.2 Saran... 104 Daftar Pustaka Lampiran
DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1 Klasifikasi Pompa Gambar 2. 2 Jenis-jenis Pompa Resiprok Gambar 2. 3 Jenis-jenis Pompa Putar Gambar 2. 4 Jenis-jenis Aliran dalam Impeler Gambar 2. 5 Pompa Turbin-Regeneratif Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 3.1 Diagram pemilihan jenis pompa Shaft Driven Pump Instalasi Pompa Submersibel Contoh konstruksi submersible pump Skema Instalasi Perancangan Pompa Gambar 3.2 Koefisien Gesekan pada Elbow 90 0 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Koefisien Gesekan pada Gate Valve Koefisien Gesekan pada Check Valve Grafik Efisiensi pompa sebagai fungsi kapasitas dan Kecepatan Spesifik Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Grafik 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Diagram Kecepatan Masuk dan Keluar Suatu Impeler Diagram Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar Bentuk dan Jenis Impeler Berdasarkan Kecepatan Spesifik Profil impeler double curvature dan segitiga kecepatannya Grafik hubungan antara K cm1 dan K cm2 dengan n sq Sudu Sisi Outlet Gambar awal impeler Penggambaran garis alir
Gambar 4.9 Penggambaran garis alir rancangan Gambar 4.10 Rancangan tip impeler Gambar 4.11 Pembagian segmen s dan jari-jari r Gambar 4.12 Segitiga kecepatan pada sisi masuk Gambar 4.13 Segitiga kecepatan di sisi keluar impeler Gambar 4.14 Dimensi Difuse ring Gambar 4.15 Grafik Hubungan Kcv = f(ns) Gambar 4.16 Profil Diffuser yang direncanakan Gambar 4.17 Diagram gaya aksial Gambar 4.18 Poros yang direncanakan Gambar 4.19 Diametral clearance minimum yang diijinkan antara journal dengan bantalan berdasarkan diameter journal dan putaran Gambar 4.20 Tata Nama dan Profil Involute SP Line Gambar 4.21 Kopling yang Direncanakan Gambar 5.1 Gambar 5.2 Gambar 5.3 Kerugian kerugian Hidrolis Grafik Head - Kapasitas Pompa Grafik Efisiensi - Kapasitas Pompa
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Tabel 4.1 Pemilihan Bahan Konstruksi Pompa Sifat Fisik Cast Iron Nodular
DAFTAR NOTASI u = kecepatan suatu titik pada impeler tersebut relatif terhadap tanah ( m/s ) w = kecepatan partikel fluida relatif terhadap impeler ( m/s ) c = kecepatan absolut partikel fluida yang mengalir melalui impeler relatif terhadap tanah ( m/s ) = sudut antara c dan u ( º ) = sudut antara w dan perpanjangan u ( º ). m = laju aliran massa fluida ( kg/s ) P = daya ( Watt ) = kecepatan sudut ( rad/s ) H th = head teoritis pompa ( m ) = berat Jenis fluida ( N/m 3 ) g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s 2 n = kecepatan putar poros pompa ( rpm ) Q = kapasitas pompa [ SI ( m 3 /s ), British ( gpm ) ] H = tinggi tekan pompa [ SI ( m ), British ( ft ) ] n sq = kecepatan spesifik kinematik ( rpm ) n sp = kecepatan spesifik dinamik ( rpm ) = massa jenis fluida ( kg/m 3 ) n sf = bilangan bentuk = berat jenis fluida (N/m 3 ) P sh = daya poros yang dibutuhkan pompa ( Watt )
η t = efisiensi total pompa σ u = kekuatan tarik material ( MPa ) σ y = batas elastis ( ksi atau MPa ) τ a = tegangan geser poros yang diijinkan ( MPa ) Kt Cb = faktor koreksi momen puntir jika terjadi tumbukan / kejutan = faktor koreksi jika terjadi pembebanan lentur. d sh = diameter poros ( mm ) d h = diameter untuk hub depan impeler ( mm ) d h = diameter untuk hub belakang impeler ( mm ) K cm1 = koefisien kecepatan pada sisi masuk impeler c m1 = kecepatan meridian fluida ( m/s ) φ 1 = koefisien penyempitan ( constriction coefficient) pada sisi masuk A o = luas penampang sisi masuk impeler ( m 2 ) c o = kecepatan fluida masuk impeler ( m/s ) A o = luas penampang masuk total ( m 2 ) d o = diameter impeler pada sisi masuk ( mm ) H th = tinggi tekan teoritis untuk impeler dengan jumlah sudu terbatas ( m ) c m2 = kecepatan meridian pada sisi keluar ( m/s ) β 2 C p = sudut sisi keluar = koefisien Pfleiderer untuk impeler dengan jumlah sudu terbatas H η h = head pompa per tingkat = efisiensi hidrolis
d 2 = diameter sisi keluar impeler ( m ) A 2 φ 2 = luas penampang sisi keluar impeler yang telah dikoreksi = koefisien kontraksi pada sisi keluar impeler Q = kapasitas fluida yang melewati impeler t 2 s u2 z = lebar pitch pada sisi keluar sudu (mm) = ketebalan sudu pada sisi keluar dalam arah keliling (mm) = jumlah sudu d 2 = diameter sisi keluar impeler ( mm ) s u1 = tebal sudu pada sisi masuk dalam arah keliling ( mm ) s 2 = tebal sudu pada sisi keluar impeler ( mm ) M st = momen statis pada garis alir tengah ( A1A2 ) ( mm 2 ) e = panjang garis alir tengah ( A1A2 ) ( mm ) s 1 = tebal sudu pada sisi inlet ( mm ) t 1 = lebar pitch pada sisi masuk impeler ( mm ) λ 1 = sudut antara tip dengan garis alir A1A2 ( º ) r 2 = jari-jari lingkaran terluar impeler ( mm ) ψ' = koefisien untuk menentukan C p u 1A = kecepatan tangensial sudu pada titik A1 ( m/s ) u 1B = kecepatan tangensial sudu pada titik B1 ( m/s ) u 1C = kecepatan tangensial sudu pada titik C1 ( m/s ) Q L = kebocoran aliran ( m 3 /s ) e H L = Clearance = perbedaan tinggi-tekan antara sisi-sisi cincin υ = sudut overlap ( º )
d 4 = diameter sisi masuk difuser ( mm ) s 4 = tebal awal sudu difuser ( mm ) b 3 = lebar awal difuser ( mm ) K 3 = koefisien untuk menghitung rugi-rugi akibat tidak seragamnya kecepatan, dan adanya arus sekunder antara impeler dan cincin difuser jumlah sudu difuser z d A d = luas total sisi masuk difuser ring ( m 2 ) c d = kecepatan aliran fluida rata-rata pada inlet difuser ( m/s ) r B = radius Sisi Masuk Difuser ( mm ) l = panjang laluan pada cincin difuser ( mm ) d 5 = diameter terluar difuser ( mm ) δ = Sudut Divergensi ( º ) c 5 = kecepatan fluida keluar dari cincin difuser ( m/s ) z R = jumlah sudu pengarah balik b 7 = lebar sudu pengarah balik pada sisi masuk ( mm ) s 7 = tebal awal sudu pengarah balik ( mm ) α 7 = maka sudut inklinasi pada sisi masuk pengarah balik ( º ) K 7 T a T 1 T 2 = koefisien untuk memperhitungkan gesekan pada U-turns = resultan gaya aksial (kg) = gaya yang disebabkan tekanan pada dinding impeler (kg) = gaya yang disebabkan perubahan momentum fluida (kg) G = modulus geser elastis ( MPa ) J = momen inersia polar ( m 4 ) θ = deformasi Puntir ( º )
p = kapasitas beban bantalan luncur ( N ) V = kecepatan linear operasi pada bantalan luncur ( m/s ) f = koefisien gesek bantalan σ c = tegangan desak ( MPa ) σ ca = tegangan desak yang diijinkan ( MPa ) E = modulus elastisitas ( MPa ) q = tegangan kontak pada permukaan ulir ( MPa ) q a = tegangan kontak yang diijinkan ( MPa ) η v η h η m η tot = efisiensi volumetris = efisiensi hidrolis = efisiensi mekanis = efisiensi total NPSH = Net Positif Suction Head ( m ) H th = head Euler ( m ) H th = head teoritis ( m ) H act = head aktual ( m ) h h = rugi-rugi hidrolis selama pemompaan ( m ) h s = kerugian hidrolis karena adanya shock loss atau turbulence los( m ) h fd = friction and diffusion loss ( m )