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

Universitas Sumatera Utara

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 )

Universitas Sumatera Utara

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.

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL

i

LEMBAR PENGESAHAN

ii

LEMBAR PERSETUJUAN

iii

SPESIFIKASI TUGAS

iv

LEMBARAN EVALUASI

v

KATA PENGANTAR

vi

ABSTRAK

vii

DAFTAR ISI

viii

DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR

xi xii

DAFTAR NOTASI

xvi

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Batasan Masalah 1.3 Maksud dan Tujuan 1.4 Metode Penulisan 1.5 Sistematika Penulisan

1 2 3 3 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Prinsip – prinsip Pompa Sentrifugal 2.2 Klasifikasi Pompa Sentrifugal 2.3 Bagian – bagian Utama Pompa Sentrifugal 2.4 Unit Penggerak Pompa 2.5 Karakteristik Pompa Sentrifugal 2.6 Dasar – dasar Pemilihan Pompa 2.7 Head Pompa 2.7.1 Head Tekanan 2.7.2 Head Kecepatan 2.7.3 Head Statis Total 2.7.4 Kerugian Head ( Head Loss ) 2.7.4.1 Mayor Head Loss

5 6 7 9 9 10 11 13 14 14 15 15

Universitas Sumatera Utara

2.7.4.2 Minor Head Loss 2.7.4.3 Total Loss 2.8 Kecepatan Spesifik Pompa 2.9 Daya Pompa 2.10 Aliran Fluida 2.11 Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent 2.11.1 Metode Diskritisasi CFD 2.11.2 Proses Simulasi CFD 2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

16 16 16 17 17 19 19 20 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 30 3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆H P ) 3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆H V ) 30 32 3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆HS ) 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 4.2 Perhitungan Kapasitas Pompa Setelah Pengujian 4.3 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa 4.3.1 Tinggi Tekan Kecepatan 4.3.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 4.3.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan

62 62 63 64 64 68

Universitas Sumatera Utara

4.4 Analisa Kavitasi pada Pompa dengan Gate Valve closed 25% 4.4.1 NPSH ( Net Positive Suction Head ) 4.4.1.1 Net Positive Suction Head Available ( NPSH yang tersedia) 4.4.1.2 Net Positive Suction Head Required ( NPSH yang diperlukan ) 4.5 Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik 4.5.1 Proses Permodelan Pompa Sentrifugal 4.5.2 Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal 4.5.3 Proses Solving dan Postprocessing Geometri Rumah Pompa 4.6 Analisa Kavitasi dan Performansi dari Pompa Sentrifugal 4.6.1 Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 4.6.2 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 4.7 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Berdasarkan Hasil Fluent 4.7.1 Tinggi Tekan Kecepatan 4.7.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 4.7.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan

69 71 71 72 74 78 81 85 87 87 88 90 90 91 91

BAB V KARAKTERISTIK POMPA 5.1 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan 5.1.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 5.1.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 5.2 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan 5.2.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 5.2.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa 5.3 Karakteristik Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi 5.3.1 Hubungan Head Euler dengan Kapasitas Pompa 5.3.2 Hubungan Efisiesnsi dan Daya dengan Kapasitas Pompa

94 94 102 104 104 109 110 110 115

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan 6.2 Saran

122 123

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL Kekasaran Relative ( ε ) dalam Berbagai Bahan Pipa Nilai Koefisien K untuk Tipe Screwed Klasifikasi Impeler Menurut Putaran Spesifik Hubungan antara Kecepatan Spesifik dengan Efisiensi Hidrolis Tabel 3.5 Hubungan antara Kecepatan Spesifik Impeller dengan Efisiensi Volimetris Tabel 3.6 Jari-jari Busur Sudu Impeler Tabel 3.7 Jari-jari dan luas volute untuk setiap penampang Tabel 4.1 Kenaikan Kehilangan Tinggi Tekan dengan Tipe Bukaan Katup Tabel 4.2 Nilai Koefisien Kopen untuk Tipe Screwed Valve Tabel 5.1 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Berbagai Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan Tabel 5.2 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Hasil Perhitungan Tabel 5.3 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Berbagai Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Percobaan. Tabel 5.4. Hubungan kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Percobaan Tabel 5.5 Hasil Perhitungan Head Euler, Head Teoritis, Head Actual, dan Head System pada Kapasitas Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi Tabel 5.6 Hubungan Kapasitas dengan Efisiensi dan Daya Pompa Berdasarkan Hasil Simulasi Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 3.3 Tabel 3.4

34 37 41 42 43 52

66 67

101

104

109 110

115 116

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Gambar 3.10 Gambar 3.11 Gambar 3.12 Gambar 3.13 Gambar 3.14 Gambar 3.15 Gambar 3.16 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12 Gambar 4.13.

Rumah Pompa Sentrifugal Kurva Pompa Aquavane Skema Instalasi Pompa Diagram alir algoritma numerik volume hingga dengan metode SIMPLE Elemen fluida pada persamaan kekekalan massa Elemen fluida pada persamaan momentum Hasil Simulasi untuk Vektor - vektor Kecepatan yang Terjadi Hasil Simulasi untuk Distribusi Tekanan yang Terjadi Skema Perencanaan Instalasi Pompa Stopwatch Meteran Diagram Moody Pompa Sentrifugal Bentuk impeler dan sudu yang digunakan dalam pompa Ukuran – ukuran utama pada impeler Segitiga Kecepatan pada sisi masuk ( Skala 1 cm : 1 m/s ) Segitiga kecepatan pada sisi keluar Bentuk Sudu impeler Perbandingan kecepatan pada kerongkongan rumah keong Grafik penentuan sudut volute Rumah Pompa Diagram Alir Pelaksanaan Perancangan Pandangan Depan Instalasi Pompa Pandangan Samping Instalasi Pompa Kerusakan pada Permukaan Sudu Impeller akibat Kavitasi Grafik hubungan antara kecepatan spesifik, efesiensi hidrolis serta koefisien kavitasiThoma Diagram alir simulasi pada GAMBIT Diagram alir simulasi pada FLUENT Tampilan Hasil setelah memasukan titik-titiknya Tampilan hasil dari substract face dan shaded Tampilan hasil mesh Tampilan hasil boundary condition Kurva residual iterasi Rumah pompa dalam GAMBIT Kurva residual iterasi Distribusi tekanan fluida pada rumah pompa sentrifugal Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada pompa sentrifugal

7 10 12 21 22 23 25 25 28 29 29 35 45 46 46 48 51 53 54 56 58 59 60 61 70 73 76 77 78 79 80 80 85 86 86 87 88

Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.14. Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada pompa sentrifugal Gambar 4.15. Distribusi kecepatan fluida pada impeller Gambar 4.17 Grafik tekanan fluida vs jarak posisi tekanan fluida Gambar 5.1 Kerugian - kerugian hidrolis Gambar 5.2. Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Perhitungan Gambar 5.3. Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Percobaan Gambar 5.4 Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Simulasi Gambar 5.5 Grafik Karakteristik Perbandingan Efisiensi Pompa Gambar 5.6 Grafik Karakteristik Perbandingan Daya Pompa

89 89 90 97 116 118 119 120 120

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI

SIMBOL

KETERANGAN

A b b1 b2 b3 Dis Ds Dh D1 D2 fc g HL Hp Hs Hthz hf hm h K Kt k L Mt M Nm Np n ns P Q R Re S Sf1 Sf2 t U1 U2

Luas Penampang Pipa Lebar Pasak Lebar impeller pada sisi masuk Lebar impeler pada sisi keluar Lebar Penampang masuk saluran throat Diameter dalam pipa Diameter poros Diameter hub Diameter sisi masuk impeller Diameter sisi keluar impeller Faktor koreksi Gravitasi Head Losses sepanjang pipa Head pompa Head statis Head Teoritis Kerugian Head mayor Kerugian head minor Tinggi pasak Kerugian akibat kelengkapan pipa Faktor Koreksi pembebanan Konstanta Hidrolik Panjang pipa Momen torsi Massa Daya Motor Listrik Daya Pompa Putaran Pompa Putaran Spesifik Tekanan Pada pompa Kapasitas Pompa Jari – Jari sudu lingkaran impeller Bilangan Reynold Jarak antara sudu Faktor keamanan kelelahan puntir Faktor Keamanan alur bahan Tebal sudu impeller Kecepatan tangensial sisi masuk impeller Kecepatan tangensial sisi keluar impeller

SATUAN m2 mm mm mm mm mm mm mm mm mm m/s2 m m m m m m mm m kgmm Kg kW kW rpm rpm Pa m3/s mm mm mm m/s m/s

Universitas Sumatera Utara

V Vo Vr1 Vr2 Vthr Z α β γ ηp υ π ρ τg σb ω

Kecepatan aliran pada pipa Kecepatan aliran masuk impeller Kecepatan radial masuk impeller Kecepatan radial keluar impeller Kecepatan pada kerongkongan rumah keong Jumlah sudu Sudut Aliran masuk Sudut tangensial Berat jenis fluida Efisiensi pompa Viskositas Kinematik konstanta (phi) Kerapatan fluida Tegangan Geser Kekuatan Tarik Bahan Kecepatan sudut

m/s m/s m/s m/s m/s o o

N/m3 % m2/s kg/m3 kg/m2 kg/m2 rad/s

Universitas Sumatera Utara