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 OPEN 100 % SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FARABEL PANJAITAN NIM : 050401076

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 open 100 %” 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 ( T.R.Panjaitan ) dan Ibunda ( Alm.M.Sirait ) serta abangda ( Forhansen P. ) dan kakanda ( Fianty P,Febriani P,Fisher P ) 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. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik MesinUSU. 5. Kepada teman – teman satu tim/senasib sepenanggungan penulis ( Erikson, Lucky dan Marshal ) yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai. 6. Semua teman – teman seperjuangan stambuk 2005 di Departemen Teknik Mesin serta teman – teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Zp & Dolin, Ion, Maycold,Ady , Berry ) dirumah kontrakan pribadi 14E. 7. Keluarga besar penulis yang tinggal dikost gang saudara 48. 8. Semua teman-teman seperjuangan penulis di GmnI FT.USU Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis mengucapakan terima kasih. Penulis,

Farabel Panjaitan ( NIM: 05 0401 076 )

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

xi

DAFTAR GAMBAR

xii

DAFTAR NOTASI

xiv

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

1 2 3 3 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin-mesin Fluida 2.2 Pengertian Pompa 2.3 Klasifikasi Pompa 2.4 Unit penggerak pompa 2.5 Dasar-dasar pemilihan pompa 2.6 Head Pompa 2.7 Putaran Spesifik 2.8 Daya Pompa 2.9 Aliran Fluida 2.10 Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent 2.10.1 Proses Simulasi CFD 2.10.2 Metode Diskritasi CFD 2.10.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

5 5 5 14 15 15 17 18 18 19 20 25 25

Universitas Sumatera Utara

BAB III PERENCANAAN INSTALASI POMPA 3.1 Skema Instalasi Pompa yang Direncakan 3.2 Penentuan Kapasitas 3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi 3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ( ∆H P ) 3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ( ∆H V ) 3.3.3 Perbedaan Head Statis ( ∆HS ) 3.3.4 Kerugian Head 3.4 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan 3.5 Putaran Spesifik dan Tipe Impeller 3.6 Efisiensi Pompa pada Instalasi yang Dirancang 3.7 Daya Pompa pada Instalasi yang Dirancang 3.8 Spesifikasi Pompa yang Digunakan pada Instalasi 3.9 Ukuran Impeller dan Rumah Pompa 3.9.1 Bentuk dan Ukuran Impeller 3.9.2 Bentuk dan Ukuran Rumah Pompa 3.9.2.1 Bentuk Rumah Pompa 3.9.2.2 Luas Saluran keluar Volut 3.9.2.3 Penampang dan Jari – jari Volut 3.10 Pelaksanaan Perancangan 3.10.1 Diagram Alir Perancangan 3.10.2 Hasil Akhir dari Perancangan

28 31 31 32 32 34 34 42 43 44 47 48 49 49 58 58 59 60 63 64 65

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pendahuluan 66 4.2 Perhitungan Kapasitas Pompa setelah 66 4.3 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa 67 4.3.1 Tinggi Tekan Kecepatan 68 4.3.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 68 4.3.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 74 4.4 Analisa Kavitasi pada Pompa dengan Gate Valve closed 100% 75 4.4.1 NPSH ( Net Positive Suction Head ) 76 4.4.1.1 Net Positive Suction Head Available ( NPSH yang tersedia) 77 4.4.1.2 Net Positive Suction Head Required 78 ( NPSH yang dibutuhkan ) 4.5 Permodelan Geometri dan Hasil Analisa Numerik 80 4.5.1 Proses Permodelan Pompa Sentrifugal 83 4.5.2 Proses Permodelan Impeller Pompa Sentrifugal 86 4.5.3 Proses solving dan postprocessing geometri rumah pompa 89 4.6 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 91 4.6.1 Analisa Kemungkinan Kavitasi yang Terjadi 91 4.6.2 Analisa Performansi dari Pompa Sentrifugal 92 4.7 Perhitungan Tinggi Tekan ( Head ) Pompa Berdasarkan Hasil Fluent 94 4.7.1 Tinggi Tekan Kecepatan 94 4.7.2 Tinggi Tekan pada Pipa Isap 95 4.7.3 Tinggi Tekan pada Pipa Tekan 95

Universitas Sumatera Utara

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

99 99 105 108 108 112 113 113 117

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan 6.2 Saran

123 124

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 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 Systempada 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 Tabel 3.5

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. Gambar 4.14.

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 Distribusi vektor kecepatan 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 89

Universitas Sumatera Utara

Gambar 4.15. Gambar 4.16 Gambar 5.1 Gambar 5.2. Gambar 5.3. Gambar 5.4 Gambar 5.5 Gambar 5.6

Distribusi kecepatan fluida pada impeller Grafik tekanan fluida vs jarak posisi tekanan fluida Kerugian - kerugian hidrolis Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Perhitungan Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Percobaan Grafik Karakteristik Head Vs Kapasitas Berdasarkan Hasil Simulasi Grafik Karakteristik Perbandingan Efisiensi Pompa Grafik Karakteristik Perbandingan Daya Pompa

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 V Vo Vr1 Vr2

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 Kecepatan aliran pada pipa Kecepatan aliran masuk impeller Kecepatan radial masuk impeller Kecepatan radial 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 m/s m/s m/s m/s

Universitas Sumatera Utara

Vthr Z α β γ ηp υ π ρ τg σb ω

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 o o

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

Universitas Sumatera Utara