JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Perancangan Pompa Lumpur Sentrifugal Berkapasitas 0.14m3/s Dengan Total Head 30 m Mohammad Mufti Setiawan, I Made Arya Djoni Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected] Pompa dalam dunia pertambangan merupakan peralatan yang sangat penting yaitu digunakan sebagai alat untuk mentransfer fluida dari satu proses ke proses berikutnya. Salah satu contoh aplikasinya yaitu digunakan untuk mentransfer lumpur sisa hasil pertambangan.. Jenis pompa yang sering digunakan dalam mengalirkan fluida lumpur pertambangan adalah jenis pompa sentrifugal single stages. Pada dasarnya desain pompa centrifugal fluida lumpur sama dengan fluida air, namun karena lumpur memilki karakteristik yang berbeda maka perlu desain khusus dalam perancangannya. Langkah pertama dalam merancang pompa lumpur sentrifugal yaitu mencari nilai head (H), debit (Q) serta putaran motor yang dibutuhkan sehingga didapat kecepatan putaran spesifik (ns1). Dari kecepatan spesifik ini akan didapatkan jenis impeller yang digunakan serta jumlah sudu yang dibutuhkan. Dari perancangan ini didapatkan suatu design pompa jenis sentrifugal satu tingkat dengan dimensi inlet impeller dan outler impeller masing 1.65 inci dan 1 inci, diameter poros minimum yang digunakan 2.4inci, bentuk type casing yang semi concentric, dan panjang pasak yang digunakan minimal 4,2 inci. Sedangkan performance pompa yang terdiri dari WHP dan BHP sebesar 71 HP dan102 BH dengan efisiensi pompa sebesar 80%. Dari sisi material yang digunakan menggunkan material jenis ASTM A532 dan AISI 4150 yang memilki ketahanan korosi dan abrasi yang baik. Kata kunci: Pompa Sentrifugal, Lumpur, Head, Kapasitas. I. PENDAHULUAN Indonesia merupakan salah satu negara penghasil tambang minyak bumi, batu bara dan emas terbesar di dunia. Di berbagai tempat di belahan negeri ini banyak sekali pertambangan untuk mengelola sumber daya alam. Dalam pengelolaan sumber daya tersebut diperlukan suatu metode dan teknologi yang modern dalam proses pengolahannya. Dalam usaha mengelola sumber daya alam yang melimpah teknologi merupakan salah satu syarat yang mutlak yang harus dikuasai. Adapun permasalahan yang dikaji adalah dalam sebuah pertambangan batu bara dibutuhkan suatu design pompa sentrifugal dengan fluida lumpur dengan debit (Q) 0.14
m3/sekon dengan total head (H) sebesar 30 meter dengan putaran motor 900 rpm. Lumpur pertambangan batu bara dikatagorikan sebagai heterogenous flow dengan partikel solid 37.3% dengan ukuran butir solid kurang dari 40 µm. komponen yang dirancang dalam studi kasus ini meliputi Poros, Pasak, Bearing, Casing, dan Seal. Batasan studi untuk menyederhanakan permasalahn yang akan dibahas 1. Jenis pompa yang dirancang adalah jenis pompa sentrifugal dengan debit 0.14 m3/s dan total head 30 m. 2. Kompenen yang dirancang dalam tugas akhir ini antara lain Poros, Impeller, Bearing, Casing, Pasak, dan seal. 3. Fluida kerja yang digunakan adalah slurry dengan persentase jumlah solid mencapai 37.3%. 4. Fluida yang dialirkan tidak mengandung unsur kimia II. METODE PERANCANGAN A. Dasar Teori Massa jenis lumpur (ρm) Massa jenis lumpur dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu massa jenis liquid, massa jenis soild dan kosentrasi soild di dalam liquid. Persamaan yang digunakan
m
Cw
s
100 100 Cw
(1)
l
dimana : ρm = Massa jenis lumpur Cw = Kosentrasi Padat
s l
= Massa Jenis Padat =Massa Jenis Liquid
Visikositas Lumpur ( m ) Visikositas absolute lumpur dipengaruhi oleh visikositas partikel padat dan visokoitas cair yang dirumuskan sebagai berikut
m 1 2.5Cv l
dimana: µm = Visikositas Absolute Lumpur µl = Visikositas Absolute Liquid Cv= Kosentrasi Volume Solid Klasifikasi Lumpur
(2)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) Secara umum aliran lumpur di dalam sistem perpipaan dibagi ke dalam dua bagian besar. Pembagian ini tergantung bagaimana karakteristik fluida lumpur ini bekerja di dalam sistem perpipaan, serta kosentrasi partikel padat yang tercampur di dalam lumpur 1. Homogenous Flow Kondisi dimana ketika lumpur bercampur secara uniform di dalam sistem perpipaan dimana partikel yang sangat lembut dan bercampur pada kosentrasi yang tinggi mencapai 50-60% berat sehingga nantinya campuran akan menjadi lebih viscous. 2. Heterogenous Flow flow partikel padat tidak bercampur secara uniform dengan liquid yang melewati sistem perpiapaan.
b2
Perbedaan Karakteristk Fluida Air Dan Lumpur Perbedaan karakteristik dari fluida yang dialirkan akan berpengaruh terhadap Head, Kapasitas, Daya pada pompa berikut ini grafik yang menunjukkan antara kedua fluida air dengan lumpur indeks (m) menunjukkan lumpur sedangakan (w) menunjukkan air
Gambar 2 Perbandingan fluida terhadap kinerja pompa B.Metode Perancangan Peraancangan Impeller Impeller merupkan bagian yang berfungsi untuk mengubah energi mekanik dari motor menjadi energi hidrolik dengan cara menggerakkan fluida yang mengalir di dalamnya. Berikut ini perhitungan untuk desain impeller
U1 *60 *n Qts b1 * d1 * H U *60 d2 2 *n d1
(3) (4) (5)
Qts * d 2 * C2 r * f
(6)
dimana : d1 = Diameter dalam impeller (m) U1= Kecepatan keliling impeller (m/s) n = Kecepatan putaran (rpm) b1= Lebar imlet impeller (m) C1r = kecepatan radial masuk impeller (m/s) Kc1r = faktor kecepatan radial (m/s) f = crowding factor (1.05-1.10) d2 = Diameter outlet impeller b2 = Lebar oulet Impeller (m) Poros Tegangan geser maksimum pada poros pejal yang berputar merupakan kombinasi bending statis dan torsi yang terjadi. Berikut ini persamaan yang digunakan
d shaft
Gambar 1. a. Homogenous Flow b. Heterogeneous Flow
2
32 M 2 T 2 N * * S yp
1
3
(7)
dimana : N = Safety factor M = Moment bending pada poros T = Torsi yang terjadi pada poros Syp = Yield Point Bearing Pada perencanaan bearing ini menggunakan dua jenis bearing yaitu jenis thrust bearing dan axial bearing. Thrust bearing digunakan untuk menahan gaya axial yang terjadi pada poros akibat perbedaan tekanan pada sisi depan dan bagian belakang impeller sehingga menimbulkan gaya axial yang besar sedangkan jenis radial bearing digunakan untuk menahan gaya radial yang terjadi akibat berat dari impeller dan juga akibat dari perubahan arah aliran ketika fluida masuk secara axial dan keluar pompa secara radial sehingga menimbulkan gaya radial yang besar. Persamaan yang digunakan dalam perancangan sebagai beikut (8) P XVFR YFa
L10
106 C 60n P
b
(9)
dimana : P = Gaya atau beban ekivalen (lbf) X = Faktor gaya radial V = Faktor rotasi FR = Gaya radial (lbf,N) Y = Faktor gaya aksial Fa = Gaya aksial : C = Basic dynamic Load rating (lb) N = Putaran poros b = Konstanta type bearing 10/3 L10 = Usia bantalan (jam) Pasak suatu komponen yang digunakan untuk melindungi gerakan relative antara poros dan dan sebuah elemen mesin yang berputar seperti gears, pulleys, sprockets, flywhell, impeller. Persamaan yang digunakan harus memenuhi kekuatan terhadap
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) tegangan geser dan tegangan kompresi dalam perancangan pasak menggunakan persamaan sebagai berikut
Fc S yp Ac N 0.58S yp F h sh Ash N Sc c
(10)
do
d 2 , 1.64 do *1.3 0.65 ft d 2, 3.28
3
(16)
Dari perhitungan yang dilakuakn didapat desain impeller dalam bentuk 2 Dimensi sebagai berikut
(11)
dimana : h = Tegangan geser yang timbul
N = Safety factor Ash = Luasan yang terkena bidang geser = Tegangan ijin geser bahan Fsh = Gaya geser yang timbul Casing
Casing merupakan bagian terluar yang digunakan mengubah energy kinetic menjadi energy tekanan dengan memperkecil kecepatan keluar impeller sehingga tekanannya akan naik yang akan digunakan untuk menahan tahanan tahanan hidrolik di dalam system perpipaan. Persamaan yang digunakan dalam perancangan casing dengan persamaan sebagai berikut Diameter shroud (dt) = 1.062d2 (12) Parameter sirkular Xv = 1.35 dt ,Yv =1.35 dt (13) Tebal Casing tc = D/41, dimana D= Xv+2tl (14)
Gambar 4 Desain Hasil Perancangan Impeller Perhitungan Casing Hasil Perhitungan casing yang dilakukan dengan persamaan didapat suatu hasil desain sebagai berikut Diameter shroud = dt = 1.062d2 =21 inci (17) Tebal Linier = tl = 0.05 dt = 1.05 inci (18) Parameter sirkular = Xv = 1.35 dt = 28.35 inci (19) Yv = 1.25 dt = 26.25 inci Diameter Cut water = dc = 1.24 d2 = 26.04 inci (20) Tebal Casing (tc) = Xv+Ztl = 0.7 inci (21) Berikut ini gambar dari hasil perancangan casing dengan dimensi yang telah ditentukan di atas sebagai berikut
III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Analisa Perhitungan Hal pertama yang dilakukan dalam perancangan menentukan nilai dari kecepatan spesifik (ns1) dari data-data yang sudah ada sebagai berikut Tabel 1 Data Inputan Perancangan 0.14 m3/sekon Kapasitas Fluida Lumpur Head Total Dihasilkan
30 meter
Kosentrasi Partikel padat
37.30%
900 rpm Putaran Dari data-data yang disajikan dilakukan perhitungan kecepatan spesifik kinematik didapat nilai 108,47 didapat tipe aliran yang terjadi adalah jenis radial flow seperti yang dimodelkan sebagai berikut
Gambar 3 Radial flow Perhitungan Desain Impeller Dari data-data dilakukan perhitungan impeller sebagai berikut
d 2 d 2,
,
n n
H 609 98.4 3.28* 1.64 ft , H 900 180
(15)
Gambar 5 Desain Casing Hasil Perancangan Perhitungan Poros Perencanaan poros yang dilakukan dengan menganalisa beban yang bekerja pada poros yaitu beban torsi, beban radial dan beban aksial. Berikut ini FBD dari poros perancangan dan gaya-gaya yang timbul akibat beban yang terjadi pada poros.
Gambar 6 Free Body Diagram Poros
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) Gaya Horizontal
4
106 C 106 1180 60n P 60.900 889 b
1
L10
2
B
1
2
FAH FRH Gambar 7 FBD gaya horizontal Dari perhitungan moment didapat moment terbesar pada kondisi di titi A. Berikut ini gambar hasil diagram moment Diagram Moment B C A O
11202 12730
1
2 A
FBV
O
FAV
W+FR
Gambar 9 FBD gaya Vertikal Diagram Moment B C A O
18011 20444 Gambar 10 Diagram Moment gaya Vertikal Perhitungan diameter poros dilakukan pada tiap titik sehingga di dapat diameter masing-masing sebagai berikut
Pasak Pasak yang digunakan dalam perancangan ini menggunakan jenis squared key yang diperhitungkan adalah ketahanan pasak terhadap tegangan geser dan kompresi sehingga didapat panjang pasak sebagai berikut 4.T .N 4*7140*3.5 L 3.65cm (22) S sypWd shaft 128000*0.625* 2.36
2.T .N 4980 (23) 4.2cm 0.58SsypWd shaft 46400* 2.36 IV. KESIMPULAN Dari perancangan yang didasarkan pada perhitungan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan berupa data spesifikasi pompa sentrifugal rancangan sebagai berikut Tabel 2 Kondisi Operasi kerja Pompa L
Dari 2 data yang disajikan didapatkan suatu kondisi dari pompa yang dirancang agar bekerja sesuai dengan kondisi kerja yaitu debit dan head yang dibutuhkan. Performasi pompa adalah seberapa besar daya yang diberikan motor dan daya yang diberikan poros pompa terhadap fluida yang dialirkan oleh pompa Tabel 3 Performa Pompa Performance Slurry Efisiennsi
71 HP
BHP
102 HP
Tabel konstruksi pompa meliputi data komponen yang dirancang beserta spesifikasi perancangan agar sesuai dengan kondisi kerja pada debit dan head yang ada. Tabel 4 Konstruksi Komponen Pompa Perancangan Construction Impeller
Gambar 11. Hasil Perancangan poros Bearing Perancangan bearing dilakukan untuk mengetahui usia dari bearing yang digunakan yaitu jenis radial bearing dan thrust bearing yang dilakukan dengan perhitungan sebagai berikut
L10
6
10 C 10 63600 60n P 60n 2231 b
3.3
106 jam (20)
80%
WHP
Diameter
6
(21)
Operating Conditions Working Fluid: Minning Slurry Flow 0.14 M3/s Solid conc.by weight: 37.30% Head 30 Meter solid sp. Gravity: 2.64 speed 900RPM
Gambar 8 Diagram Moment gaya horizontal Gaya-gaya vertical B
56862 jam
O
A
FBH
3.3
Type
1.65 inci (Outlet) 1.00 inci (inlet) Semi Open Impeller backward curve
Casing
Type
Semi Concentris
Bearing
Type Inboard Bearing Outboard Bearing Thrust Bearing
Seal
Type
Thread
Type
Spherical Roller Bearing SKF 22224 KE+H 3124 SKF 22224 KE+H 3124 SKF 29422 Conventional Gland Packing ACME Standart
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) Dalam perancangan pompa lumpur suatu pemilihan material menjadi suatu hal yang sangat kritis karena akan sangat berpengaruh terhadap usia atau life time dari komponen pompa sehingga pemilihan harus memperhatikan komponen pompa terhadap keausan dan abrasi akibat bergesekan dengan material padat di dalam fluida Tabel 5 Material Komponen Pompa Perancangan Material Casing
ASTM A532 Class I Type D
Impeller
ASTM A532 Class I Type D
Shaft
AISI 4150
Thread
AISI 4150
Key
AISI 4150
DAFTAR PUSTAKA [1]. Abulnaga, B, 2002, Slurry System Handbook. New York: McGraw-Hill Book Company. [2]. Deutschman, A.D., Michels,W.J., dan Wilson, C.E, 1975. Machine Design. NewYork: Macmillan Publishing Co.Inc. [3]. Karassik, I.J., dan Heald C. C.2001. Pump Handbook. Third edition. New York :McGraw-Hill Book Company. [4]. Khetagurov, M. Marine Auxilary Machinery and Syestem. Moscow: Peace Publishers [5]. Shaw, G.V., Loomis, A.W. : Cameron Hydraulic Data,14thED,1970, Ingersoll Rand Company, NewJersy [6].MatWeb: Material //www.matweb.com>.
Properties
Data
5
