digilib.uns.ac.id 23 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Validasi Permodelan Validasi permodelan impeller pompa sentrifugal ini berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Rajendran dan Purushothaman. Dalam penelitiannya, Rajendran dan Purushothaman memodelkan impeller dengan ANSYS-CFX untuk mengetahui distribusi tekanan pada impeller. Dengan spesifikasi pompa sebagai berikut, Tabel 4.1 Spesifikasi pompa Blade width, b 20 mm Inlet diameter, D1 150 mm Outlet diameter, D2 280 mm Pump head, H 10 m Outlet blade angle, β2 20 Speed of the impeller, N 925 rpm Flow rate, Q 0.0125 m 3 /sec Number of Blades 6 Validasi ini bertujuan untuk memastikan bahwa penulis mampu untuk menyelesaikan permodelan impeller pompa sentrifugal. Validasi dimulai dengan membuat model impeller yang sama dengan model pada jurnal dan selanjutnya melakukan meshing pada model impeller. Tabel 4.2 Data hasil meshing No Mesh Information Rajendran dan Purushothaman Penulis 1 Number of nodes 805234 78880 2 Number of tetrahedral 3415244 392519 3 Number of elements 3572269 392519
digilib.uns.ac.id 24 (a) (b) Gambar 4.1 Meshing permodelan impeller (a) Rajendran dan Purushothaman; (b) penulis Pada permodelan impeller dengan ANSYS CFX menggunakan beberapa pengaturan kondisi batas (boundary condition), diantaranya : 1. Inlet Boundary type : Inlet dan Static pressure 2. Outlet Boundary type : Outlet dan Bulk Mass Flow Rate 3. Blade boundary type : Wall (a) (b) Gambar 4.2 Hasil permodelan distribusi tekanan (a) Rajendran dan Purushothaman; (b) penulis Gambar 4.2 menunjukkan perbandingan hasil permodelan berupa distribusi tekanan antara jurnal dengan penulis. Dengan nilai batas atas dan nilai batas bawah yang sama, Contour yang muncul dari pusat hingga sisi luar impeller menunjukan hasil yang hampir sama.
digilib.uns.ac.id 25 Head pompa menurut spesifikasi adalah sebesar 10 m dan melalui simulasi didapatkan hasil sebesar 9,93 m, dengan perhitungan sebagai berikut Ǟสž = Ԗ璜 Ԗ璜. Ǟสž = 97454,1 5 1000. 9,81 = 9,93 Sedangkan perhitungan besarnya nilai error adalah sebagai berikut, ǒ = Ǟสž N Ǟสž 枀 ᗐ Ǟสž N ༮ 100% ǒ = 10 9,93 10 ༮ 100% = 0,7% Hasil ini menunjukkan bahwa terdapat perbedaan dalam nilai head antara spesifikasi pompa asli dengan hasil simulasi penulis sebesar 0,7%. Error yang hanya sebesar 0,7 % dan juga visualisasi distribusi tekanan pada impeller yang hampir sama menunjukkan bahwa penulis mampu untuk melakukan permodelan impeller menggunakan ANSYS CFX.
digilib.uns.ac.id 26 4.2 Simulasi Impeller Tanpa dan Dengan Splitter pada sisi luar Permodelan impeller pompa sentrifugal dengan penambahan splitter ini memiliki beberapa variasi. Variasi panjang splitter dan juga variasi penempatan splitter (pada daerah hisap dan sisi luar impeller). Proses pemompaan diteliti pada kondisi aliran 0.5 Qbep, 0.8 Qbep, Qbep, serta 1.2 Qbep. berikut : Fluida yang digunakan adalah air pada suhu 25 o C dengan properties sebagai Density 1000 kg/m 3 Dynamic Viscosity 0.001 kg/ m.s Kecepatan putar 2760 rpm Fasa 100% cair Pompa sentrifugal menciptakan perbedaan tekanan pada daerah hisap dan buang untuk mengalirkan fluida, dalam hal ini impeller memiliki peranan penting dalam menciptakan perbedaan tekanan. Proses pemompaan diteliti pada kondisi aliran 0.5 Qbep, 0.8 Qbep, Qbep, serta 1.2 Qbep. Tabel 4.3 Spesifikasi impeller Blade width, b Blade length, L Inlet diameter, D1 Outlet diameter, D2 Flow rate at best efficiency point (bep), Qbep 3 mm 123 mm 38 mm 120 mm 3.02.10-3 m 3 /sec Number of Blades 3 Dari permodelan impeller dengan penambahan splitter pada sisi luar impeller didapat hasil sebagai berikut : a. Tanpa penambahan splitter Tabel 4.4 Data hasil simulasi impeller tanpa splitter Q. 10-3 Ps Pd C1 C2 putaran ρ g H 1,51-4745 114457 5,02 14,34 2760 1000 9,81 21,346 2,42-6727 115165 3,81 13,34 2760 1000 9,81 20,752 3,02-7677 110959 3,73 12,23 2760 1000 9,81 19,011 3,63-6222 101486 4,20 commit 11,20 to user 2760 1000 9,81 16,471
digilib.uns.ac.id 27 b. Penambahan splitter 0.25 L sudu asli Tabel 4.5 Data hasil simulasi impeller dengan splitter 0.25 L sudu asli Q. 10-3 Ps Pd C1 C2 putaran ρ g H 1,51-1806 114001 5,28 15,14 2760 1000 9,81 22,073 2,42-7566 116072 3,54 13,99 2760 1000 9,81 21,943 3,02-6821 111176 3,85 12,45 2760 1000 9,81 19,179 3,63-7026 106967 4,31 11,87 2760 1000 9,81 17,856 c. Penambahan splitter 0.375 L sudu asli Tabel 4.6 Data hasil simulasi impeller dengan splitter 0.375 L sudu asli Q. 10-3 Ps Pd C1 C2 putaran ρ g H 1,51-3924 112687 5,24 14,03 2760 1000 9,81 20,522 2,42-6877 116234 3,47 14,21 2760 1000 9,81 22,230 3,02-6225 113105 3,84 13,50 2760 1000 9,81 20,700 3,63-7321 109963 4,03 12,77 2760 1000 9,81 19,434 d. Penambahan splitter 0.5 L sudu asli Tabel 4.7 Data hasil simulasi impeller dengan splitter 0.5 L sudu asli Q. 10-3 Ps Pd C1 C2 putaran ρ g H 1,51-5385 111874 3,83 14,19 2760 1000 9,81 21,467 2,42-5302 119978 3,69 14,23 2760 1000 9,81 22,391 3,02-5367 117646 3,81 13,80 2760 1000 9,81 21,511 3,63-5305 114234 4,29 13,18 2760 1000 9,81 20,104
digilib.uns.ac.id 28 24,000 23,000 22,000 Head (m) 21,000 20,000 19,000 18,000 17,000 Tanpa Splitter Splitter 0.5L Splitter 0.375L Splitter 0.25L 16,000 0,5 0,8 1,0 1,2 Q/Qbep Gambar 4.3 Grafik hubungan laju aliran dengan head Gambar 4.3 menunjukkan kurva unjuk kerja pompa sentrifugal dimana head yang akan cenderung menurun seiring dengan peningkatan laju aliran fluida. Penambahan splitter pada sisi luar impeller meningkatkan head pompa pada tiaptiap kondisi aliran yang diteliti. Variasi panjang splitter yang ditambahkan pada impeller pompa sentrifugal pun mempengaruhi peningkatan head yang dihasilkan. Penambahan splitter dengan panjang 0.5 panjang sudu asli menghasilkan head paling besar dibandingkan dengan splitter 0.375 serta 0.25 panjang sudu asli. Pada kondisi aliran 0.8 Qbep terjadi peningkatan nilai head seiring dengan bertambahnya debit aliran, hal ini menandakan pergeseran kondisi optimal pada impeller yang telah ditambahkan dengan splitter.
digilib.uns.ac.id 29 25,000 20,000 Head (m) 15,000 10,000 Tanpa 0.25L 0.375L 0.5L 5,000 0,000 Splitter Gambar 4.4 Grafik perbandingan pengaruh panjang splitter dengan head yang dihasilkan pada kondisi 1.2 Qbep Dapat dilihat dari gambar diatas bahwa panjang splitter yang ditambahkan memberikan pengaruh terhadap head pompa yang dihasilkan. Pada saat impeller asli bekerja pada kondisi aliran 1.2 Qbep, impeller menghasilkan head pompa sebesar 16,471m. Selanjutnya impeller dimodifikasi dengan penambahan splitter, dimana splitter memiliki kesamaan bentuk dengan sudu asli namun panjang berbeda. Splitter dengan panjang 0.25 panjang sudu asli, 0.375 panjang sudu asli serta 0.5 panjang sudu asli menghasilkan head pompa sebesar 17.856 m, 19.434 m, serta 20.104 m secara berturut-turut.
digilib.uns.ac.id 30 (a) (b) (c) (d) Gambar 4.5 Distribusi tekanan pada 1.2 Qbep (a) tanpa splitter; (b) 0.25 L sudu asli; (c) 0.375 L sudu asli; (d) 0.5 L sudu asli Gambar 4.5 menunjukan distribusi tekanan pada impeller saat beroperasi pada debit aliran 1.2 Qbep. Tekanan meningkat dari daerah inlet menuju daerah outlet secara bertahap. Pada kondisi aliran 1.2 Qbep, pengaruh penambahan splitter sangat jelas terlihat, ditandai dengan distribusi warna merah yang memenuhi daerah outlet. Perbandingan contour warna pada daerah outlet antara gambar 4.5(a) dengan gambar 4.5(b) menunjukkan adanya peningkatan tekanan, terdapat contour dengan warna merah pada gambar 4.5(b) sedangkan pada gambar 4.5(a) tidak muncul. Gambar 4.5(b), gambar 4.5(c) serta gambar 4.5(d) menunjukan bahwa semakin panjang splitter yang ditambahkan pada impeller maka semakin luas contour warna merah yang muncul pada daerah outlet.
digilib.uns.ac.id 31 Tabel 4.8 Persentase kenaikan head Debit aliran persentase kenaikan head (%) 0.25 splitter 0.375 splitter 0.5 splitter 0.5 Qbep 3,407-3,859 0,568 0.8 Qbep 5,742 7,126 7,901 Qbep 0,884 8,888 13,151 1.2 Qbep 8,410 17,985 22,056 rata-rata kenaikan head 4,611 7,535 10,919 Tabel 4.8 menunjukkan bahwa splitter meningkatkan head pada setiap variasi debit aliran fluida. Peningkatan nilai head tertinggi terjadi pada variasi debit aliran fluida 1.2 Qbep. Disamping itu juga, tabel 4.8 menunjukkan bahwa variasi panjang splitter mempengaruhi peningkatan head yang dihasilkan. Semakin panjang splitter yang ditambahkan akan meningkatkan head yang semakin besar. Hal ini ditunjukkan dengan persentase kenaikan head sebesar 10,919 % pada splitter dengan panjang 0.5 sudu asli. Impeller dengan penambahan jumlah sudu akan meningkatkan tekanan total pada daerah aliran secara kontinyu. Head pompa sentrifugal akan meningkat seiring dengan penambahan jumlah sudu dan peningkatan tekanan total (Chakraborty dan Pandey, 2011).
digilib.uns.ac.id 32 (a) (b) Gambar 4.6 Vektor absolut (merah) dan relatif (biru) pada outlet sudu asli saat kondisi 1.2 Qbep (a) tanpa splitter; (b) 0.5 L sudu asli Gambar 4.6 menunjukkan bahwa terdapat perubahan nilai vektor pada dua titik sampling yang ditinjau. Dengan menggunakan fungsi calculator pada software ANSYS CFX didapatkan beberapa data vektor. Kecepatan absolut dan relatif pada outlet sudu impeller asli didapatkan nilai sebesar 12,97 m/s dan 4,21 m/s sedangkan pada outlet sudu impeller dengan penambahan splitter 0.5 panjang sudu asli didapatkan nilai sebesar 14,17 m/s dan 2,99 m/s. 4.3 Simulasi Impeller Tanpa dan Dengan Splitter pada sisi hisap Dari permodelan impeller dengan penambahan splitter pada sisi hisap impeller didapat hasil sebagai berikut : e. Tanpa penambahan splitter Tabel 4.9 Data hasil simulasi impeller tanpa splitter Q. 10-3 Ps Pd C1 C2 putaran ρ g H 1,51-4745 114457 5,02 14,34 2760 1000 9,81 21,346 2,42-6727 115165 3,81 13,34 2760 1000 9,81 20,752 3,02-7677 110959 3,73 12,23 2760 1000 9,81 19,011 3,63-6222 101486 4,20 11,20 2760 1000 9,81 16,471
digilib.uns.ac.id 33 f. Penambahan splitter 0.25 L sudu asli Tabel 4.10 Data hasil simulasi impeller dengan splitter 0.25 L sudu asli Q. 10-3 Ps Pd C1 C2 putaran ρ g H 1,51-7337 115872 5,04 14,37 2760 1000 9,81 21,795 2,42-8626 114011 4,59 13,16 2760 1000 9,81 20,250 3,02-6891 105030 5,12 12,40 2760 1000 9,81 17,915 3,63-12146 97956 5,56 11,80 2760 1000 9,81 16,742 g. Penambahan splitter 0.375 L sudu asli Tabel 4.11 Data hasil simulasi impeller dengan splitter 0.375 L sudu asli Q. 10-3 Ps Pd C1 C2 putaran ρ g H 1,51-6155 116256 4,43 14,16 2760 1000 9,81 21,692 2,42-8334 114564 4,57 13,21 2760 1000 9,81 20,353 3,02-8747 107228 4,93 12,33 2760 1000 9,81 18,335 3,63-10904 99015 5,47 11,64 2760 1000 9,81 16,585 h. Penambahan splitter 0.5 L sudu asli Tabel 4.12 Data hasil simulasi impeller dengan splitter 0.5 L sudu asli Q. 10-3 Ps Pd C1 C2 putaran ρ g H 1,51-7337 115872 5,04 14,37 2760 1000 9,81 21,795 2,42-8626 114011 4,59 13,16 2760 1000 9,81 20,250 3,02-6891 105030 5,12 12,40 2760 1000 9,81 17,915 3,63-12146 97956 5,56 11,80 2760 1000 9,81 16,742
digilib.uns.ac.id 34 22,000 21,500 21,000 20,500 20,000 Head (m) 19,500 19,000 18,500 18,000 17,500 Tanpa Splitter Splitter 0.5L Splitter 0.375L Splitter 0.25L 17,000 16,500 16,000 0,5 0,8 1,0 1,2 Q/Qbep Gambar 4.7 Grafik hubungan laju aliran dengan head Gambar 4.7 menunjukkan kurva performa pompa dimana head yang akan cenderung menurun seiring dengan peningkatan laju aliran fluida. Penambahan splitter pada sisi hisap impeller cenderung tidak begitu berpengaruh dalam meningkatkan maupun mengurangi head pompa. Head pompa dengan penambahan splitter pada sisi hisap impeller meningkat pada kondisi aliran 0.5 Qbep dan 1.2 Qbep sebesar 1% namun akan menurunkan sekitar 1-4% pada kondisi aliran 0.8Qbep dan Qbep.
digilib.uns.ac.id 35 (a) (b) (c) (d) Gambar 4.8 Distribusi tekanan pada 1.2 Qbep (a) tanpa splitter; (b) 0.25 L sudu asli; (c) 0.375 L sudu asli; (d) 0.5 L sudu asli Gambar 4.8 menunjukan distribusi tekanan pada impeller saat beroperasi pada debit aliran 1.2 Qbep. Penambahan splitter pada daerah suction cenderung menurunkan tekanan yang dihasilkan pada daerah outlet, terlihat dari contour warna merah yang terus berkurang seiring bertambahnya panjang splitter. Sedangkan tekanan pada daerah inlet cenderung mengalami penurunan tekanan yang cukup nyata, hal ini terlihat dari semakin luasnya daerah berwarna biru.
digilib.uns.ac.id 36 Tabel 4.13 Persentase kenaikan dan penurunan head Debit Aliran persentase perubahan head (%) 0.25 splitter 0.375 splitter 0.5 splitter 0.5 Qbep -0,248 1,624 2,106 0.8 Qbep -0,877-1,919-2,419 Qbep -2,308-3,557-5,762 1.2 Qbep 2,569 0,692 1,645 rata-rata kenaikan / penurunan head -0,216-0,790-1,108 Tabel 4.13 menunjukkan bahwa penambahan splitter pada daerah suction akan meningkatkan head pompa saat beroperasi pada debit aliran 0.5 Qbep namun saat beroperasi pada debit aliran 0.8 Qbep, Qbep,dan 1.2 Qbep akan cenderung menurunkan head pompa. Semakin panjang splitter yang ditambahkan pada daerah suction, cenderung semakin besar pula penurunan head pompa yang dihasilkan. Dapat terlihat pada kondisi debit aliran Qbep dimana penurunan nilai head pompa pada splitter 0.25 panjang sudu asli adalah 0,216%, splitter 0.375 panjang sudu asli adalah 0,79%, dan splitter dengan panjang 0.5 panjang sudu asli adalah 1,108%. (a) (b) Gambar 4.9 Vektor absolut (merah) dan relatif (biru) pada outlet sudu asli saat kondisi 1.2 Qbep (a) tanpa splitter; (b) 0.5 L sudu asli Gambar 4.9 menunjukan vektor absolut dan relatif pada outlet sudu asli. Kecepatan absolut dan relatif pada outlet sudu asli didapatkan nilai sebesar 12,97 m/s dan 4,21 m/s untuk impeller asli sedangkan pada impeller dengan penambahan splitter 0.5 panjang sudu asli didapatkan 13,64 m/s dan 3,95 m/s.