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 75 %

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ERIKSON SILITONGA NIM. 050401072

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 75%“. 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 ( Alm. M. Silitonga ) dan Ibunda ( M. Br. Manalu ) serta adinda (Jakson Silitonga, Dewi M. Silitonga dan Jonner Silitonga ) dan juga kepada semua AmangTua, AmangUda, Tulang serta Abang dan Ito 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 serta seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 4. Kepada darL. Moncha Sianturi yang setia mendampingi penulis untuk terus memberikan dorongan semangat dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 5. Kepada teman – teman satu tim senasib sepenanggungan penulis ( appara Acel, Abel dan Lucky ) yang terus berjuang sampai tugas sarjana ini selesai. 6. Semua teman – teman seperjuangan stambuk 2005 serta teman – teman seperjuangan penulis ( Ginting & Eben, Zp & Dolin, Ady, Berry, Panda ST., Ion & Maycold ). 7. Semua rekan – rekan di kos G-22 ( Brother Leo, Rizal Poedan, Hendro Golda Simson Cupu, Bg Gops, Bg Tom, Bob, Donald Full, dan rekan lainnya ) yang telah memberikan banyak bantuan moril kepada penulis. Atas perhatian para pembaca sebelumnya, penulis mengucapakan terima kasih. Penulis, Erikson Silitonga ( NIM: 050401072 )

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

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 Dasar Pompa Sentrifugal 2.2 Aliran Fluida 2.3 Head Pompa 2.3.1 Head Tekanan 2.3.2 Head Kecepatan 2.3.3 Head Statis Total 2.3.4 Kerugian Head ( Head Loss ) 2.3.4.1 Mayor Head Loss 2.3.4.2 Minor Head Loss 2.3.4.3 Total Loss 2.4 Kecepatan Spesifik Pompa 2.5 Daya Pompa 2.6 Karakteristik Pompa Sentrifugal 2.7 Computational Fluid Dynamik ( CFD ) Fluent 2.7.1 Proses Simulasi CFD 2.7.2 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

5 6 7 9 9 10 10 10 11 11 12 12 13 13 14 15

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 3.3.4.1 Kerugian Head sepanjang pipa isap ( hls ) 3.3.4.1 Kerugian Head sepanjang pipa tekan ( hld ) 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 3.9.1.1 Kecepatan dan Sudut Aliran Fluida Impeller 3.9.1.2 Melukis Bentuk Sudu 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 BAB IV ANALISA 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 4.4 Analisa Kavitasi pada Pompa dengan Gate Valve closed 75% 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 dibutuhkan ) 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

17 19 20 20 20 22 22 22 28 30 30 31 34 35 36 36 37 41 44 44 45 46 49 49 50

52 53 54 54 55 57 59 60 61 62 63 67 70 73 75 75

Universitas Sumatera Utara

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

76 78 78 79 79

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

82 82 88 90 90 94 95 95 99

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 6.1 Kesimpulan 6.2 Saran

105 106

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Kekasaran Relative ( ε ) dalam Berbagai Bahan Pipa Tabel 3.2 Nilai Koefisien K untuk Tipe Screwed Tabel 3.3 Perhitungan nilai koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa isap Tabel 3.4 Perhitungan nilai koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa tekan Tabel 3.5 Klasifikasi Impeler Menurut Putaran Spesifik Tabel 3.6 Hubungan antara Kecepatan Spesifik dengan Efisiensi Hidrolis Tabel 3.7 Perhitungan Kecepatan Spesifik dengan Efisiensi Hidrolis Tabel 3.8 Hubungan antara Kecepatan Spesifik Impeller dengan Efisiensi Volimetris Tabel 3.9 Perhitungan Kecepatan Spesifik Impeller dengan Efisiensi Volimetris Tabel 3.10 Jari - jari Busur Sudu Impeler Tabel 3.11 Jari – jari dan Luas Volut 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 4.3 Perhitungan nilai koefisien kerugian pipa isap Tabel 4.3 Perhitungan nilai koefisien kerugian pipa tekan 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 HasilPerhitungan 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

24 27 28 29 31 32 32 33 33 42 42 56 56 57 58

88 90

94 94

98 99

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Skema Instalasi Pompa Gambar 2.2 Hasil Simulasi untuk Vektor - vektor Kecepatan yang Terjadi Gambar 2.3 Hasil Simulasi untuk Distribusi Tekanan yang Terjadi Gambar 3.1 Skema Perencanaan Instalasi Pompa Gambar 3.2 Diagram Moody Gambar 3.3 Pompa Sentrifugal Gambar 3.4 Bentuk impeler dan sudu yang digunakan dalam pompa Gambar 3.5 Ukuran – ukuran utama pada impeler Gambar 3.6 Segitiga Kecepatan pada sisi masuk Gambar 3.7 Segitiga kecepatan pada sisi keluar Gambar 3.8 Bentuk dan Sudu impeler Gambar 3.9 Perbandingan Kecepatan pada Kerongkongan Rumah Keong Gambar 3.10 Grafik Penentuan Sudut Volut Gambar 3.11 Rumah pompa Gambar 3.12 Diagram Alir Pelaksanaan Perancangan Gambar 3.13 Pandangan Depan Instalasi Pompa Gambar 3.14 Pandangan Samping Instalasi Pompa Gambar 4.1 Stopwach Gambar 4.2 Meteran Gambar 4.3 Kerusakan pada Permukaan Sudu Impeller akibat Kavitasi Gambar 4.4 Grafik hubungan antara kecepatan spesifik, efesiensi Hidrolis serta koefisien kavitasiThoma Gambar 4.5 Diagram Alir Simulasi pada GAMBIT Gambar 4.6 Diagram Alir Simulasi pada FLUENT Gambar 4.7 Tampilan Hasil setelah memasukan titik-titiknya Gambar 4.8 Tampilan hasil dari substract face dan shaded Gambar 4.9 Tampilan hasil mesh Gambar 4.10 Tampilan hasil boundary condition Gambar 4.11 Kurva residual iterasi Gambar 4.12 Rumah pompa dalam GAMBIT Gambar 4.13 Kurva residual iterasi Gambar 4.14 Distribusi tekanan fluida pada rumah pompa sentrifugal Gambar 4.15 Distribusi energi turbulensi yang terjadi pada pompa sentrifugal Gambar 4.16 Distribusi vektor kecepatan yang terjadi pada pompa sentrifugal Gambar 4.17 Distribusi kecepatan fluida pada impeller Gambar 4.18 Grafik tekanan fluida vs jarak posisi tekanan fluida Gambar 5.1 Kerugian - kerugian hidrolis

8 5 16 19 25 35 36 36 38 41 43 44 46 48 49 51 52 52 53 60 63 65 66 67 68 68 69 73 74 74 75 76 77 77 78 84

Universitas Sumatera Utara

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

99 101 102 103 103

Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI

SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

A b1 b2 b3 Dis Ds Dh D1 D2 g HL Hp Hs Hthz hf hm K Kt L Np n ns P Q R Re t U1 U2 V Vo Vr1 Vr2 Vthr Z α β γ ηp υ π ρ ω

Luas Penampang Pipa 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 Gravitasi Head Losses sepanjang pipa Head pompa Head statis Head Teoritis Kerugian Head mayor Kerugian head minor Kerugian akibat kelengkapan pipa Faktor Koreksi pembebanan Panjang pipa Daya Pompa Putaran Pompa Putaran Spesifik Tekanan Pada pompa Kapasitas Pompa Jari – Jari sudu lingkaran impeller Bilangan Reynold 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 Kecepatan pada kerongkongan rumah keong Jumlah sudu Sudut Aliran masuk Sudut tangensial Berat jenis fluida Efisiensi pompa Viskositas Kinematik konstanta (phi) Kerapatan fluida Kecepatan sudut

m2 mm mm mm mm mm mm mm mm m/s2 m m m m m m m kW rpm rpm Pa m3/s mm mm m/s m/s m/s m/s m/s m/s m/s o o

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

Universitas Sumatera Utara