Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
ISSN
Simulasi Karakteristik Bubble Sebagai Indikasi Awal Terjadinya Fenomena Kavitasi Dengan Menggunakan Sinyal Vibrasi Pada Pompa Sentrifugal Dengan Menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamic) Rahman 1, Ikhwansyah Isranuri2 1,2
Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU Jl. Almamater, Kampus Padang Bulan, 20155 Medan, Sumatera Utara Abstract Cavitation is one indication decline in pump performance. Indication of cavitation in pumps is the occurrence of high vibration and noise and damage to the pump impeller. One cause of the vibration occurs is due to the emergence of bubble. In this research, observation was done to determine the vibration characteristics and the characteristics of the bubble that occurred. After observing the characteristics of bubble that arisc by varying the capacity to observe the flow patterns that occurred, then performed simulations using Computational Fluid Dynamics or CFD which aims to simulate the fluid flow in centripugal pumps performed by varying its flow capacity. From the results of simulation that was done, the lowest pressure of the fluid in the impeller region continued to decline, namely, 6084.42 3745.33 Pa Pa, Pa 3250.17, 524.53 Pa along with the smaller capacity of fluid flow. Along with the smaller capacity is also accompanied by increasing the top speed of fluid flow, namely, 27,62 m/s, 31,59 m/s, 31,95 m/s, 75,76 m/s. Key words: Centrifugal, pump cavitation, suction pipe, pressure distribution, the distribution of speeds, the flow pattern.
I.
Pendahuluan Pompa merupakan salah satu mesin aliran fluida hidrolik yang berfungsi untuk memindahkan fluida tak mampat (incompressible fluids) dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan fluida yang dipindahkan tersebut. Pompa memiliki dua kegunaan utama diantara pemindahan fluida cair dari satu tempat ke tempat lainnya (misalnya air dari bawah tanah ke tangki penyimpan air) dan untuk sirkulasikan fluida sekitar sistem (misalnya air pendingin atau pelumas yang melewati mesin-mesin dan peralatan). Pompa itu sendiri juga merupakan mesin yang mengkonversikan energi mekanik menjadi energi tekanan. Pompa akan memberikan energi mekanis pada fluida kerjanya, dan energi yang diterima fluida digunakan untuk menaikkan tekanan dan melawan tahanan-tahanan yang terdapat pada saluran-saluran instalasi pompa.
Pompa sentrifugal adalah jenis pompa yang sangat banyak dipakai oleh industri terutama pengolahan dan pendistribusian air bekerja dengan prinsip putaran impeller sebagai elemen pemindah fluida yang digerakkan oleh suatu penggerak mula. Zat cair akan berputar akibat dorongan sudu-sudu dan menimbulkan gaya sentrifugal yang menyebabkan cairan mengalir dari tengah impeller dan keluar melalui saluran sudusudu dan meninggalkan impeller dengan kecepatan tinggi. Cairan dengan kecepatan tinggi ini dilewatkan saluran yang penampangnya makin membesar sehingga terjadi perubahan head (tinggi tekan) kecepatan menjadi head tekanan. Setelah cairan dilemparkan oleh impeller, ruang diantara sudu-sudu menjadi vacuum, menyebabkan cairan akan terhisap masuk sehingga terjadi proses pengisapan [1].
1
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
Turunnya performansi pompa secara tiba-tiba dan ketidakstabilan dalam operasi akan menjadi masalah, indikasi penyebab turunnya performansi pompa adalah salah satunya disebabkan oleh kavitasi (cavitation). Kavitasi didefinisikan sebagai pembentukan rongga kosong dalam suatu cairan dan kemudian pecah, kavitasi ini terjadi ketika cairan tersebut berada pada daerah yang mengalami perubahan tekanan dengan cepat. Fenomema ini sangat berbahaya dan diketahui sebagai fenomena yang bersifat merusak pada bagian-bagian penting instrument pompa dan menurunkan performansi dari pompa itu sendiri. Dalam hal kavitasi ini bagian pompa yang sering mengalami kavitasi adalah sisi isap pompa. Hal ini terjadi jika tekanan isap pompa terlalu rendah hingga dibawah tekanan uap jenuh. Berdasarkan penelitian tentang bubble dari penelitian-penelitian yang sudah dilakukan oleh beberapa peneliti Tujuan dari penelitian ini adalah terjadinya bubble dan getaran spesifik yang terjadi sebagai prediksi awal terjadinya kavitasi, diantaranya: (1) Menganalisa distribusi tekanan yang terjadi pada impeller dan pipa masuk dengan menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamics).
II.
Studi Literatur
Penelitian dan Pengujian terhadap kavitasi pada pompa sangat menarik sehingga telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti dan balai pengujian untuk menguji dan beberapa beberapa penyebab dari aspek yang berbeda diantaranya adalah : J. Jeremi and K.Dayton [2] yang mendeteksi kavitasi dimana eksperimen dilakukan pada sebuah pompa sentrifugal, fenomena kavitasi di deteksi dengan pemantauan tekanan masuk dinamik pada inlet. Penelitian ini dapat dijadikan indikasi awal terjadinya kavitasi pada pompa dengan munculnya suara bising dan metode ini bisa digunakan untuk mengetahui keausan ring (seal).
ISSN
terdahulu, penulis mencoba melakukan penelitian terhadap bubble dengan melakukan pengamatan terjadinya bubble dan getaran yang ditimbulkan dengan menganalisa distribusi tekanan dan kecepatan pada impeller secara numerik dengan menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamics). Dengan dilakukannya simulasi peristiwa terjadinya bubble yang terjadi didaerah impeller pompa dapat diketahui dengan melihat distribusi tekanan yang terjadi pada daerah impeller. Karena peristiwa terjadinya bubble pada impeller tidak dapat dilihat langsung, maka simulasi ini diharapkan dapat mengidenntifikasi terjadinya bubble pada daerah impeller. Simulasi aliran fluida pada pompa sentripugal dilakukan dengan memvariasikan bukaan katup pada pipa masuk dan dengan menggunakan CFD penganmatan distribusi tekanan dan kecepatan serta pola aliran untuk identifikasi bubble. (2) Menganalisa distribusi kecepatan yang terjadi pada impeller dan pipa masuk dengan menggunakan CFD (Computational Fluid Dynamics). (3) Menganalisa fenomena kavitasi yang terjadi pada impeller dengan metode simulasi CFD (Computational Fluid Dynamics).
Theodorus Bayu Hanandoko [3] melakukan kajian terhadap gejala-gejala yang muncul terhadap proses terjadinya kavitasi, penelitian ini memaparkan parameter yang terdiri dari suara berisik, getaran, turunnya performansi dan terjadinya kerusakan impeller sebagai akibat terjadinya kavitasi. Gultom D [4] telah meneliti tentang pengaruh tekanan dan temperatur terhadap kavitasi. Penelitian ini menggambarkan adanya pengaruh tekanan dan temperatur. Suyanto, Irham [5] melakukan penelitian kaji eksperimental fenomena kavitasi pada sudu pompa sentrifugal. Pada penelitian ini parameter yang digunakan untuk mengamati adalah angka Thoma (σ), dan hasil yang diperoleh bahwa kavitasi pada sudu pompa
2
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
sentrifugal intensitasnya semakin besar pada angka kavitasi rendah yang disebabkan oleh tekanan isap yang rendah, temperatur fluida tinggi, kapasitas dan putaran besar. Bruno Schiavello dan Frank C.Visser [6] telah melakukakan penelitian terhadap pengaruh NPSHR dan NPSHA mengakibatkan terjadinya kavitasi, dalam penelitian ini digambarkan adanya pengaruh NPSHR dan NPSHA terhadap umur dari impeller. Penelitian yang dilakukan oleh Ibnu Hajar [7] dengan melakukan studi experimen deteksi fenomena kavitasi pada pompa sentrifugal menggunakan sinyal getaran untuk condition monitoring dengan kesimpulan bahwa karakteristik getaran pompa sentrifugal berupa simpangan,kecepatan dan percepatan dapat diidentifikasi untuk mendeteksi permulaan kavitasi didalam pompa sentrifugal dan hasil visualisasi pola aliran dengan kamera digital menunjukan bahwa perubahan pola aliran dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan perubahan kapasitas, sedangkan peningkatan sinyal getaran terjadi pda bilangan reynolds = 16826,8 yang menunjukan kenaikan amplitudo getaran sebesar 4,4 x 10-4 m dan simpangan terjauhnya sebesar 4,06 x 10-3 m sehingga kondisi tersebut diidentifikasi permulaan terjadinya kavitasi didalam pompa satu tingkat. Demikian juga penelitian yang dilakukan oleh Richmond [8] dengan melakukan pengujian terhadap pompa sentripugal dengan kondisi operasional yang berbeda yang diamati adalah getaran yang diukur dengan arah yang berbeda, dan yang diamati adalah gelembung udara yang ditimbulkan.
III.
Perumusan Masalah
Untuk mendapatkan tujuan-tujuan pada tugas ini dilakukan analysis pada masalah yang akan dibahas dilakukan pengamatan tekananyang terjadi pada simulasi untuk mendeteksi fenomena
ISSN
kavitasi, kemudian membandingkannya dengan tekanan uap jenuh yaitu 3700 Pa. Untuk mengetahui kecepatan aliran fluida masuk pada pompa dilakukan simulasi pada pipa hisap pada setiap bukaan katup 100%, 75%, 50% dan 25%, selanjutnya kecepatan aliran fluida yang keluar dari pipa hisap pada setiap bukaan katup digunkan sebagai data awal kecepatan aliran fluida yang masuk kedalam pompa. Untuk mempermudah penelitian maka dilakukan pembatasan-pembatasan masalah dan asumsi-asumsi, pembatasan masalah dan asumsi tersebut adalah : Persamaan Navier - Stokes sebagai persamaan dasar, dan disederhanakan dengan persamaan kontinuitas, Fluida yang mengalir dalam pipa bersifat berkembang penuh dan tidak terjadi kebocoran pada rangkaian sehingga volume dianggap konstan, Fluida yang yang digunakan adalah air, Membahas masalah viskositas, Fluida tak mampu mampat (incompressible), Fluida dianggap fluida newtonian, Kecepatan tidak tergantung waktu (aliran tunak), Pada proses simulasi dibatasi pada penggunaan persamaan-persamaan pembentuk aliran (governing equations) [9]. a. Persamaan kontinuitas b. Persamaan momentum
c. Persamaan energy
Adapun kondisi batas yang diberlakukan dalam simulasi adalah : 1) Kondisi batas inlet dan outlet : - Velocity inlet ; kondisi batas ini digunakan untuk mendefinisikan kecepatan aliran dan besaran skalar lainnya pada sisi masuk aliran. - Environment Pressure ; kondisi batas ini memberikan besaran harga tekanan di daerah keluar aliran. 2).
3
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
Kondisi batas wall - Specifying Stationary Walls : saat kita memasukkan data putaran maka hal tersbebut diasumsikan bahwa semua dinding model adalah berputar, maka diperlukan pemilihan dinding yang dijadikan sebagai stator. IV.
Metode Numerik
Persamaan pembentuk aliran (governing equations) akan didiskritisasi dengan menggunakan teknik volume atur (disebut grid). Perhitungan (iterasi) akan dihentikan jika kriteria konvergen telah dipenuhi atau berapapun iterasi yang dilakukan simulasi akan berhenti jika hasil rata-rata tidak berubah lagi. Pada simulasi pipa saluran masuk ukuran grid dibuat seragam karena aliran fluida memiliki kecepatan yang sama pada sisi masuk. Bentuk grid yang digunakan adalah segi empat. Grid pada daerah impeller dibuat lebih rapat karena terdapat perbedaan kecepatan dan tekanan pada fluida yang mengalir.
Gambar 1 Grid pada pipa hisap
Gambar 2 Grid pada Casing pompa Jumlah grid yang sesuai pada pipa hisap adalah 19000 telah dilakukan perbandingan hasil simulasi pada bukaan 100% dengan jumlah grid 5000. 15000. 19000 dan 25000. Dengan kecepatan aliran fluida masuk 2.3 m/s diperoleh
ISSN
kecepatan fluida keluar 0.8 m/s. 1 m/s. 1.59 m/s dan 1.61 m/s maka dipilih jumlah grid 19000 karena pada bukaan 100% katup tidak menghambat aliran fluida sehingga kecepatannya menurun dan hasilnya tidak jauh beda dengan jumlah grid 25000. Jumlah keseluruhan grid pada casing pompa adalah 38000 sudah termasuk grid pada impeller dan pada bukaan 100% diperoleh tekanan 6084.42 Pa dengan jumlah grid 10000. 25000. 45000. Diperoleh tekanan 11000 Pa, 9000 Pa dan 5900 Pa, mengingat jumlah 38000 grid sudah cukup banyak serta kemempuan perhitungan computer sehingga dipilih 38000 grid karena hasilnya mendekati pada jumlah 45000 grid. V.
Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan simulasi yang dilakukan dapat diketahui distribusi tekanan pada sekitar impeller. Hasil simulasi dipengaruhi oleh variasi bukaan katup yang dilakukan pada pipa isap. Dibawah ini merupakan hasil simulasi pada variasi bukaan katup 100%, 75%, 50% dan 25%. Dari hasil simulasi yang dilakukan tekanan terendah fluida pada daerah impeller terus menurun yaitu, 6084,42 Pa, 3745,33 Pa, 3250,17 Pa, 524,53 Pa seiring dengan semakin kecilnya kapasitas aliran fluida. Seiring dengan semakin kecilnya kapasitas juga disertai meningkatnya kecepatan tertinggi aliran fluida yaitu 27,62 m/s, 31,59 m/s, 31,95 m/s, 75,76 m/s. Indikasi awal terjadinya kavitasi telah terdeteksi pada bukaan katup 50% karena tekanan fluida didaerah impeller telah berada dibawah tekanan uap jenuh yaitu 3250,17 Pa. Peristiwa ini disebabkan oleh katup pada pipa yang mulai tertutup 50 %, sehingga terjadi perubahan tekanan yang menurun dari keadaan pada saat bukaan katup 100% dan 50% yang disebabkan oleh peningkatan kecepatan sehingga tekanan fluida menurun dibawah tekanan uap jenuhnya. Pada keadaan ini mulai menunjukkan terbentuknya bubble yang dapat terlihat oleh kasat mata.
4
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
ISSN
Gambar 3 Distribusi Tekanan fluida di sekitar impeller pada bukaan katup 50%
Gambar 4 Distribusi kecepatan fluida di sekitar impeller pada bukaan katup 50 %
Gambar 5 Distribusi Tekanan fluida di sekitar impeller pada bukaan katup 25 %
5
Jurnal
e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
ISSN
Gambar 6 Distribusi kecepatan fluida di sekitar impeller pada bukaan katup 25 % Pada gambar diatas dapat diketahui bahwa kecepatan tertinggi terjadi pada ujung bilah impeller sebesar 25,472 m/s 50,595 m/s dan kecepatan terendah berada pada daerah dinding casing pompa. Dari gambar countur tekanan diatas dapat diketahui bahwa tekanan terendah pada ujung bilah impeller sebesar 524.531 Pa s.d 315975 Pa dan tekanan tertinggi terjadi pada permukaan bilah impeller sebesar 315975 Pa dapat dilihat bahwa tekan air disekitar impeller
pada bukaan katup 25% telah turun dibawah 3700 Pa sehingga pada daerah impeller telah terjadi bubble yang hamper merata pada permukaan impeller lebih banyak dibandingkan dengan buaan katup sebelumnya. Bila bubble terus menerus pecah dalam waktu yang lama didaerah impeller, seperti terlihat pada gambar dibawah, maka akan terjadi kerusakan pada impeller.
Gambar 7 Kerusakan akibat Discharge Recirculation Cavitation pada impeller
6
Jurnal
e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
Turbulensi semakin membesar Aliran pola masih laminar
ISSN
(a)
(b) Gambar 8 Pola aliran disekitar katup pada bukaan katup katup 50 % (a) Tampak samping (b) Tampak atas
Turbulensi terbesar pada bukaan katup 25%
(a)
(b) Gambar 9 Pola aliran disekitar katup pada bukaan katup 25 % (a) Tampak samping (b) Tampak atas
VI.
Kesimpulan dan Saran Dari hasil simulasi, diketahui tekanan pada daerah impeller meningkat dari eye impeller ke daerah sisi keluar aliran fluida pada impeller dan semakin kecil bukaan katup pada pipa masuk maka tekanan pada daerah impeller semakin menurun dikarenakan kecepatan aliran fluida yang meningkat, tekanan
terendah fluida pada daerah impeller terus menurun yaitu, 6084,42 Pa, 3745,33 Pa, 3250,17 Pa, 524,53 Pa seiring dengan semakin kecilnya kapasitas aliran fluida. Dan pada pipa hisap tekanan terendah terjadi pada daerah katup, hal ini terjadi karena adanya pinyempitan permukaan sehingga kecepatan pada daerah setelah katup meningkat dan menyebabk1an tekanannya
7
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
menurun. Dari hasil simulasi pada daerah impeller kecepatan yang tertinggi terjadi pada daerah eye impeller, dan peristiwa pecahnya bubble terjadi pada sisi bagian luar blade, dengan semakin kecilnya kapasitas juga disertai meningkatnya kecepatan tertinggi aliran fluida yaitu 27,62 m/s, 31,59 m/s, 31,95 m/s, 75,76 m/s. Kecepatan aliran fluida didaerah katup pada pipa hisap adalah daerah yang memiliki kecepatan tertinggi dan semakin meningkat bersamaan dengan semakin kecilnya bukaan katup karena permukaan pipa semakin menyempit.Hasil simulasi pada pipa hisap dan pada impeller fenomena kapitasi telah terjadi pada bukaan 50% , bubble yang telah terbentuk pada pipa isap menjadi pecah karena pressure drop ( tekanan dari pipa isap pada titik outlet sebesar 98.227,2 Pa dan tekanan disekeliling dinding impeller sebesar 5.865,99 Pa), kemudian pada bukaan 25% dengan kapasitas 0,002 m3/sec diketahui terjadinya penurunan tekanan dari eye impeller ke bilah impeller yaitu dari 8,05665 x 106 Pa menjadi 2,68615 x 106 Pa. Dari hasil simulasi daerah yang paling sering terjadi pecahnya bubble adalah pada daerah sisi luar impeller sehingga bila peristiwa ini terjadi terus – menerus akan dapat mengabrasi permukaan impeller. Peristiwa abrasi tersebut dapat merusak permukaan impeller dan menyebabkan terganggunya kerja pompa. Pada penelitian selanjutnya dipelukan pencahayaan yang cukup terang unntuk mengamati bubble pada casing impeller agar mendapat kualitas foto yang lebih baik. Pada penelitian selanjutnya dapat dilakukan dengan memodifikasi seluruh casing pompa dengan bahan transparan sehingga dapat terlihat lebih jelas pola aliran didalam pompa. Perlu dilakukan
ISSN
pengukuran terhadap kadar keasaman dari air yang digunakan sebagai fluida kerja agar diketahui pH air yang aman digunakan sebagai fluida kerja pompa. Agar dapat menghindari keugian akibat kadar keasaman yang berlebihan seperti terjadinya korosi. Referensi [1] Uung Ungkawa. (2010) “Pompa Dan Kompressor”. Bandung. [2] J.Jeremy and D. Kenwood.2000,”Detecting Cavitation in Centrifugal Pumps”, Experimental Results of the Pump Laboratory. [3] Hanandoko.TB.2000,”Deteksi Instalasi Pompa Sentrifugal Terhadap Gejala Kavitasi”. Jurnal Teknologi Industri Vol.IV. [4] Gultom.D,2001,”Study Eksperimen Pengaruh Tekanan dan Temperatur pada Kavitasi”, Teknik Mesin ITS. [5] Suyanto, Irham, 2005, “Studi Eksperimental Fenomena Kavitasi Pada Sudu Pompa Sentrifugal”, Tugas Akhir: ITS. [6] S.Bruno and C.V.Frank,2009,”Pump Cavitation Various NPSH Criteria, NPSHA Margin, and Impeller Life Expectancy”, Proceedings of the twenty-fifth Internasional Pump User Symposium. [7] Hajar, I., Ikhwansyah, I., Syam, B., dan Tugiman. (2010). “ Studi Eksperimental Deteksi Fenomena Kavitasi pada Pompa Sentrifugal Menggunakan Sinyal Getaran untuk Condition Monitoring. Maestruct 2010 Proceedings the 5th Regional Seminar on Materials, Energy, and Structure”. Medan.USU.
8
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
[8] Richmond. 2006,” Air Bubble and Cavitation Vibration Signature of a Centripugal Pump”,Spectra Quest Inc, www.spectraquest.com.
ISSN
[9] Himsar, Ambarita. (2011). “Internal Flow Forced Convection”, Sustainable Energy Research Group Mechanical Engineering USU.
9
