pengaruh jarak concentric dan eccentric reducer pada sisi isap

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-38

Pengaruh Jarak Concentric dan Eccentric reducer Pada Sisi IsapPompa Sentrifugal Terhadap Gejala Kavitasi

Khairil Anwar1, a *, Basri2,b dan Syahrir3

1,2,3 Jurusan Teknik Mesin Univeristas Tadulako, Palu, Sulteng - [email protected], [email protected]

AbstrakPenelitian ini bertujuan mengetahui pengaruh jarak peletakan sambungan concentric dan eccentricreducer (A/B) pada sisi isap pompa sentrifugal serta membandingkan sambungan concentric daneccentric reducer tehadap gejala kavitasi yang terjadi. Kavitasi merupakan gangguan pada sistempemompaan sebagai akibat menguapnya zat cair ketika dipompa karena tekanan di dalam pompaturun di bawah tekanan uap jenuh fluida yang dipompakan. Hal ini menyebabkan timbulnyagelembung-gelembung uap yang akan terbawa oleh aliran fluida dan masuk pada daerah yangbertekanan lebih tinggi, sehingga gelembung akan pecah dan menimbulkan getaran danmenurunkan performansi pompa. Terjadinya kavitasi mempunyai kaitan dengan kondisi pompapada sisi isap, disebabkan oleh banyak faktor, antara lain karena adanya separasi atau kontraksipada aliran fluida di dalam pompa. Penelitian ini dilakukan secara eksperimental pada sebuahinstalasi menggunakan pompa sentrifugal transparan, dengan memvariasikan jarak peletakansambungan reducer concentric dan eccentric A dan B 0,2 m, 0,4m, 0,6 m, 0,8m dan 1 m dari sisiisap pompa, serta dengan variasi putaran pompa 1275 rpm, 2300 rpm dan 2875 rpm. Penelitian inidilakukan dengan membandingkan nilai NPSH berdasarkan tekanan pada pada sisi isap, sebagaiparameter perbandingan antara tekanan sebenarnya cairan dalam pipa dan tekanan uap cairan padasuhu tertentu, di mana nilai dari NPSHa berpengaruh terhadap kavitasi yang terjadi pada pompa.Selain itu, pengukuran frekuensi getaran pada pompa sebagai salah satu parameter indikasiterjadinya kavitasi, serta visualisasi aliran di dalam pompa, yang dapat menunjukkan adanya gejalakavitasi yang dapat terlihat dari gelembung uap air di bagian impeller pompa. Hasil penelitian yangdiperoleh menunjukkan bahwa, jenis sambungan dan jarak peletakan reducer dengan gejala kavitasiterkecil pada sambungan eccentric B, dengan jarak 0,4 - 0,6 m dari sisi isap pompa. Hal iniberdasarkan perbandingan nilai NPSHa dan NPSHr, frekuensi getaran yang lebih kecil serta hasilvisualisasi aliran di dalam pompa dengan gelembung uap yang lebih sedikit pada sisi impellerpompa, dibandingkan dengan pemasangan sambungan concentric dan eccentric tube A, pada jarakpeletakan dan putaran pompa yang sama.

Kata kunci : Pompa sentrifugal, Reducer, Concentric, Eccentric, Kavitasi, NPSH, getaran.

Pendahuluan

Kavitasi merupakan fenomena perubahanfase uap dari zat cair pada fluida yangdipompa. Perubahan tersebut dapatdisebabkan karena turunnya tekanan ataupunnaiknya temperatur. Terjadinya kavitasimempunyai kaitan dengan kondisi pompapada sisi isap, terutama akan terjadi padabagian sisi masuk sudu impeller. Indikasikavitasi adalah timbulnya gelembung-gelembung uap, suara berisik dan getaranyang disebabkan oleh pecahnya gelembung-gelembung uap secara tiba-tiba ketikamemasuki daerah yang memiliki tekanan

yang lebih tinggi. Hal ini menyebabkanturunnya kurva head kapasitas dan efesiensi,dan apabila terjadi secara terus menerus akandapat merusak permukaan logam dari bahanpompa. Perubahan fase dari zat cair berubahmenjadi uap disebabkan oleh turunnyatekanan absolut zat cair sampai dibawahtekanan uap jenuhnya. Tekanan absolut akanmengalami penurunan diakibatkan olehbeberapa hal antara lain: bertambahnyaketinggian pompa dari fluida atau turunnyapermukaan fluida yang dipompa sehinggamenaikkan static lift, turunnya tekananatmosfer karena posisi ketinggian pompa dari


KE-38

permukaan laut, turunnya tekanan absolutsistem antara lain karena fluida dihisap daritangki yang tertutup, bertambahnya kecepatanaliran yang disebabkan karena bertambahnyaputaran pompa, naiknya temperatur fluidayang dipompa, adanya kontraksi atau separasipada aliran dan adanya persimpangan garisaliran karena belokan ataupun gangguan-gangguan lainnya [1].

Kavitasi dipengaruhi oleh perubahanNPSH yang tersedia yang nilainya harus lebihbesar daripada NPSH yang diperlukan yangsudah dirancang dari pabrik. Perubahantekanan pada bagian sisi isap pompa akanmempengaruhi perubahan NPSH yangtersedia. Bila NPSH yang tersedia mengalamipenurunan, maka performansi pompa jugaakan mengalami penurunan. Dan inimerupakan kerugian dalam merancang pompayang harus dihindari [2]

Beberapa penelitian terkait denganfenomena kavitasi dan penyebabnya antaralain diperoleh bahwa fenomena kavitasiditandai dengan peningkatan frekuensigetaran ditunjukkan dengan peningkatanamplitudo tertinggi di sisi horisontal pompa.Semakin tinggi putaran pompa menyebabkansemakin rendahnya tekanan di suction pompadan berbanding lurus dengan intensitaskavitasi yang dihasilkan [3]. Penurunankerugian head pada belokan pipa denganPeletakan tube bundle, di mana aliran fluidayang mengalir melalui belokan pipamenyebabkan terjadinya separasi. Separasimengakibatkan terjadinya vortex, getaran, dankavitasi, dimana kerugian tersebutmengakibatkan kerugian head meningkat danberpotensi merusak instalasi pipa sehinggaseparasi perlu dihilangkan. Separasi iniditandai dengan penurunan tekanan yangbesar pada bagian hilir belokan pipa. Untukmemperkecil penurunan tekanan padabelokan pipa diperlukan suatu alatpengkondisi aliran (flow conditioner) berupatube bundle (gabungan pipa). PemasanganTube bundle rata-rata dapat menurunkankerugian tekanan sebesar 32,5% dari kerugiantekanan belokan tanpa tube bundle. Semakinjauh jarak peletakan tube bundle terhadap sisikeluaran pada belokan pipa maka bedatekanan yang terjadi semakin besar.

Perbedaan tekanan yang lebih besar tersebutdikarenakan semakin jauh peletakan tubebundle maka kesempatan terbentuknyaseparasi semakin lama, sehingga kerugiantekanannya juga semakin besar. [4]

Suatu sistem pemompaan dalamaplikasinya terdapat berbagai macamasesories sistem perpipaan seperti sambungan,belokan, percabangan, katup, expander,reducer dan lain-lain, sesuai dengankebutuhan dalam sebuah instalasi.Penggunaan reducer digunakan ketika ukuraninlet nozzle pompa lebih kecil dibandingkandengan ukuran suction linenya, di mana yangumum digunakan dalam sebuah sistemperpipaan adalah tipe eccentric. Namunterdapat beberapa aplikasi menggunakan tipeeccentric, misalnya pada pengeboran danproduksi di sumur vertikal dan horizontal [5].Penggunaan reducer terutama pada suctionpompa akan menyebabkan kontraksi padaaliran yang dapat memicu terjadinyapenurunan tekanan yang kemungkinan dapatmenyebabkan terjadinya kavitasi pada bagianimpeller pompa.[6]

Penelitian ini akan mengkaji secaraeksperimental penggunaan sambunganconcentric dan eccentric reducer sertapengaruh peletakan atau jaraknya pada sisiisap pompa sentrifugal terhadap gejalakavitasi yang mungkin terjadi.

Metode Penelitian

Penelitian dilakukan secara eksperimentaldi Laboratorium Mesin konversi EnergiJurusan Teknik Mesin Universitas Tadulako.Bahan dan peralatan yang digunakan adalah :1). Bahan

Fluida kerja yang digunakan adalah air2). Peralatan

a). Pompa SentrifugalPompa yang digunakan adalah pompasentrifugal dengan rumah pompatransparan, kapasitas debit pompa 0,001m3/s dan frekuensi maksimum 60 Hz.

b). Pengatur putaran pompaPerangkat elektronik untuk mengaturkecepatan putaran motor pompa.

c). Pipa + asesories


KE-38

Pipa yang digunakan dalam instalasiadalah pipa jenis PVC dengan diameter¾ inchi dan 1 inchi. Asesories sepertisambungan, belokan dan katup sesuaikebutuhan instalasi.

d). Reservoire). Concentric dan Eccentric reducer

Sambungan concentric dan eccentricdibuat dari bahan resin dengan terlebihdahulu membuat cetakan dari kayusesuai dengan dimensi yang telahditentukan. Untuk sambungan eccentricdigunakan 2 tipe peletakan, yaitu posisiA (bagian datar di sisi bawah / bottomflat) dan posisi B (bagian datar disisiatas / top flat), seperti pada gambar 1.

Gambar 1. Sambungan concentric daneccentric (A dan B)

f). Alat ukurAlat ukur yang digunakan meliputi:Alat ukur tekanan, alat ukur aliran, alatukur getaran dan termometer.

Gambar 2. Skema instalasi alat uji

Sambungan eccentric dan concentric (Adan B) diletakkan pada sisi isap pompadengan variasi jarak 0.2 m, 0.4 m, 0.6 m, 0.8m, dan 1 m seperti terlihat pada gambar 2.Pengujian dilakukan pada 3 variasi putaranpompa, yaitu putaran 1725 rpm, 2300 rpmdan 2875 rpm. Data yang diperoleh meliputitekanan, debit aliran, temperatur fluida dandata terukur pada vibrasi meter yaitu:kecepatan, percepatan dan amplitudo.

Dari hasil pengujian secara eksperimentaldilakukan perhitungan teoritis, denganmembandingkan nilai NPSH berdasarkantekanan pada sisi isap, sebagai parameterperbandingan antara tekanan sebenarnyacairan dalam pipa dan tekanan uap cairanpada suhu tertentu, serts head losses.NilaiNPSHa ini berpengaruh terhadap kavitasiyang terjadi pada pompa. Kemudiandibandingkan dengan pengukuran frekuensigetaran pada pompa sebagai salah satuparameter indikasi kavitasi, serta visualisasialiran di dalam pompa, yang dapatmenunjukkan adanya gejala kavitasi yangdapat terlihat dari gelembuang uap air dibagian impeller pompa.

Hasil dan Pembahasan

Hasil perhitungan yang telah dilakukandengan dengan variasi jarak penempatanconcentric dan eccentric reducer, denganmembandingkan NPSH yang tersedia danyang diperlukan, tekanan, serta frekuensigetaran. Parameter NPSH adalahperbandingan antara tekanan sebenarnyacairan dalam pipa dan tekanan uap cairan


KE-38

pada suhu tertentu. Besar kecilnya nilai dariNPSHa tersedia berpengaruh terhadapkavitasi yang terjadi pada pompa. [7]

Gambar 3. NPSHa vs jarak penempatanconccentric dan eccentrric tube

Pada gambar 3 diatas terlihat bahwa nilaiNPSHa terhadap jarak penempatan reduceryang lebih tinggi pada eccentric B, padajarak 0,8 m dan 0,6 m, kemudian padapenempatan reducer eccentric A, dan palingterendah adalah pada concentric. Dari jarak 1m, nilai dari NPSHa terus meningkat padareducer eccentric A dan B, dan hampirkonstan pada posisi 0,8-0,4 m kemudianmenurun pada jarak 0,2 m. Gambar inimenunjukan nilai NPSHa eccentric B jarak 1m adalah 12,98 m, dan mengalamipeningkatan 13,15m di penempatan 0,8m,hampir kosntan pada jarak 0,6-0,4 m yaitu13,1m dan 13,09 m, nilai NPSHa eccentric Adi jarak 1 m adalah 12,98 meningkat di jarakpenempatan 0,8m dengan nilai NPSHa 13,04m dan di jarak 0,6-0,2m konstan yaitu 12,9mpada putaran yang sama 2875 RPM. Dariputaran pompa yang sama, dihasilkan juganilai NPSH dari penempatan coccentric tubedi jarak 1 m adalah 10,28m, dan konstan padaposisi 0,8-0,2 dengan nilai NPSH tersedianyaadalah 10,29m.Nilai NPSHa tersedia di pengaruhi olehbeberapa faktor yaitu kondisi tekanan sisi isapterhadap tekanan atmosfer, kerugian aliranpada sisi isap, dan besar kecepatan aliran.Jarak peletakan dan bentuk sambungan akanberkontribusi terhadap kerugian penurunantekanan yang terjadi pada aliran sebelummasuk ke dalam pompa. Sedangkan pengaruhkecepatan aliran yang semakin besarberdampak pada semakin besar nilai NPSHtersedia yang di dapatkan. Indikasi kavitasi

yang terjadi di pengaruhi oleh rendahnyaNPSH tersedia dibandingkan dengan NPSHyang diperlukan (NPSHr).Pada dasarnya aliran fluida pada sistemperpipaan akan mengalami penurunantekanan (pressure drop). Hal ini dapatdisebabkan karena beberap hal, diantaranyaadalah aliran fluida yang mengalir padaperpipaan akan mengalami gesekan disepanjang permukaan pipa, dan juga ketikaaliran melewati beberapa sambungan pipa,belokan, katup, dll. [8]Selisih tekanan masuk di sisi suction pipa isapsebelum dan setelah reducer concentric daneccentric (A dan B) dengan membandingkanjarak yang telah di tentukan dapat dilihat padagambar berikut.

Gambar 4. selisih tekanan masuk vs Jarak

Dari gambar 4 memperlihatkan padapeletakan jarak 0,2 m mengalami penurunanselisih tekanan, akan tetapi tidak terlalu besarsampai pada jarak 0,4 m kemudian cenderungmeningkat dari 0,4 - 1m atau ke jarakpenempatan terjauh. Selisih penurunantekanan terbesar pada putaran 2875 RPMsambungan concentric jarak 1 m sebesar 4,8kPa dan yang rendah selisih tekananmasuknya adalah pada sambungan eccentricB 0,2 m sebesar 0,2 kPa, semakin besarputaran pompa semakin besar juga selisihpenurunan tekanan yang di hasilkan dansemakin besar pula intensitas kavitasi akibatpenurunan tekanan tersebut.


KE-38

Gambar 5. Frekuensi getaran pompa terhadappenempatan concentric dan eccentric reducer

Dari gambar 5 diatas terlihat bahwa untukputaran pompa yang sama frekuensi getaranyang paling besar terjadi pada sambunganconcentric, kemudian eccentric A dan yangterendah pada eccentric B. Frekuensi getaranyang paling besar 26,5/s terjadi pada padapenempatan concentric 1 m, sedangkan yangterendah di dapatkan pada penempatanreducer eccentric B 3,4/ s pada jarak 0,2 m.Frekuensi getaran meningkat seiring denganputaran pompa. Pada putaran 2300 RPM,posisi jarak 1 m concentric yang palingtinggi frekuensi getaranya cenderungmeningkat dari jarak 0,2-1 m. Pada eccentricA dan B selisih frekuensi getarnya tidakbanyak berbeda dan dari jarak 0,2 – 0,4 m danmengalami peningkatan pada jarak 1 m.Frekuensi getaran pada putaran 1275 RPMpada penempatan reducer concentric daneccentric, cenderung mengalami peningkatandari jarak terdekat hingga pada penempatanyang terjauh, kecuali pada posisi 0,2 m padaeccentric B mengalami penurunan 3,18 /skemudian terus mengalami peningkatanjumlah frekuensi getarannya. Dari gambar 5di atas terlihat semakin besar putaran pompa,semakin besar pula vibrasi yang terjadi, halini dipengaruhi salah satunya oleh karena efekputaran motor yang semakin meningkat, danikut memberikan dampak pada getaran padapompa. Namun pada putaran yang sama,frekuensi getaran yang ditimbulkan lebihbesar pada sambungan concentric, kemudianeccentric A, dan terendah pada eccentric B.Pengamatan gejala kavitasi

Untuk melihat secara langsung efekkavitasi yang terjadi, dilakukan pengamatanlangsung pada bagian impeller melalui casingpompa transparan untuk setiap variabelpenelitian yang dilakukan.

Gambar 6. Pengamatan kavitasi denganvariasi jarak sambungan pada concentric

reducer, putaran 2875 rpmDari gambar 6 terlihat, untuk putaran dan

jenis sambungan yang sama, kavitasi munculpada semua jarak peletakan reducer, namundengan intensitas yang berbeda di mana padajarak terdekat dan terjauh dari suction pompaintensitas kavitasi terbanyak dibandingkanpada peletakan 0,4 – 0,6 m. Dari gambarterlihat intensitas kavitasi terbanyak padapeletakan terjauh yaitu 1 m. Pada jarakterdekat, kontraksi aliran yang keluar darireducer belum berkembang sepenuhnyanamun telah masuk ke dalam pompa.Sedangkan pada jarak terjauh lebih karenadipengaruhi oleh kerugian gesekan akibatpanjang pipa dengan diameter pipa yanglebih kecil.

Gambar 7. Pengamatan kavitasi variasisambungan pada putaran 2300 rpm jarak 1m

Dari gambar 7 untuk putaran dan jarakpeletakan reducer yang sama, terlihat bahwaintensitas kavitasi terbanyak dengangelembung uap yang terlihat jelas pada


KE-38

sambungan concentric reducer, kemudianeccentric A dan yang terkecil padasambungan eccentric B. Secara umumpenggunaan reducer menyebabkan aliranmenjadi tertahan yang dapat menyebakanterjadinya kontraksi dan separasi pada bagianujung reducer. Adanya kontraksi aliran inidapat menyebabkan penurunan tekanan padasisi isap pompa sentrifugal yang bisa menjadisalah satu pemicu terjadinya efek kavitasi.Pada sambungan concentric, aliran akanmenyempit pada semua sisi, menyebabkankontraksi yang lebih besar dibandingan padasambungan eccentric yang hanya padasebagian sisi. Untuk posisi eccentric yangdiletakkan pada dua posisi yaitu posisi Adengan bagian datar pada sisi bawah (bottomflat), dan posisi B diletakkan terbalik ataubagian datar di sisi atas (top flat), makakontraksi aliran yang terjadi akan lebihrendah pada posisi B oleh karena efekgravitasi pada posisi bagian bawah reducerdibandingan pada posisi eccentric A.Sambungan reducer concentric dan eccentricA berpotensi menimbulkan bubble atau vaporyang akan terperangkap pada sisi atas.Sedangkan pada concentric B hal ini dapatdicegah karena pengaruh densitas fluida.Namun hal ini akan berbeda untuk aplikasi dimana posisi pompa berada di bawah sumbertermasuk pada aliran steam di mana untukmencegah akumulasi kondensat pada sisibawah maka posisi eccentric A atau bottomflat lebih sesuai.[9]Secara ringkas, hasil pengamatan gejalakavitasi yang timbul pada pompa sentrifugaltransparan dari indikasi adanya gelembunguap air pada bagian impeller pompa, dapatdilihat pada tabel 1 berikut ini :

Tabel 1. Matriks pengamatan kavitasi padaimpeller pompa

Dari pengamatan secara keseluruhan padamatriks di atas, terlihat bahwa intensitaskavitasi terkecil pada sambungan reducereccentric B dengan putaran pompa 1275 rpmdan jarak peletakan 0,4 – 06 m dari sisi isappompa sentrifugal. Secara visualisasi aliranair yang ada pada pompa sentrifugal ini jauhlebih baik, atau hampir tidak mengalamikavitasi di bandingkan dengan penempatanjarak yang lain, serta perbandingan beberapaparameter yang telah di jelaskan sebelumnyaseperti NPSHa tersedia, besar perbedaantekanan pada suction pipa di sisi masukreducer dan keluar, serta frekuensi getaranyang terjadi.

Kesimpulan

Dari hasil penelitian dapat disimpulkanbahwa:1) Peletakan concentric dan eccentric tube A,

pada jarak 1- 06 m di dapatkan efekkavitasi yang lebih besar, dan pada jarak0,4-0,2 m efek kavitasi yang terjadi lebihrendah sedangkan pada peletakanEccentric posisi B kavitasi yang terjadidari jarak 1-0,8 m lebih sedikit, dan padapenempatan jarak 0,6-0,2 m hampir tidakterjadi kavitasi.


KE-38

2) Jenis sambungan dengan efek kavitasiyang lebih sedikit adalah eccentric tubeposisi B dengan nilai NPSHa yang lebihbesar, selisih tekanan dan frekuensi getaranyang relatif kecil, dan dan hasil visualisasialiran di dalam pompa dengan gelembunguap yang lebih sedikit pada sisi impellerpompa.

Referensi

[1] Christopher Earls Brennen, Cavitation andBubble Dynamics, Oxford University Press1995.[2] Aurora, Simulasi pengaruh NPSHterhadap Terbentuknya kavitasi pada pompasentrifugal dengan mengunakan programkomputer computational fluid dynamic fluent,(2012), USU.[3] Wijianto, Marwan Efendi, Aplikasiresponse getaran untuk menganalisisfenomena kavitasi pada instalasi pompasentrifugal, Jurnal penelitian Sains &Teknologi, Vol. 11, No. 2 (2010), 191 - 206.[4] Pratikto, Slamet Wahyudi, PenurunanKerugian Head pada Belokan Pipa denganPeletakan Tube Bundle, Jurnal Teknik mesinVol. 12, No. 1 April (2010), hal. 51–57.[5] Nuha Hussein Ebrahim, Noaman El-Khatib, Mariyamni Awang, NumericalSolution of Power-law Fluid Flow throughEccentric Annular Geometry, AmericanJournal of Numerical Analysis, Vol. 1, No. 1(2013), 1-7.[6] Bayard E. Bosserman, Amzad Ali, IrvingM. Schuraytz, Butterfly Valves: Torque, HeadLoss, and Cavitation Analysis, AWWAMANUAL M49 2nd Edition, AmericanWater Works Association.2012[7] Siregar, Studi eksperimental karakteristikbubble sebagai indikasi awal terjadinyafenomena kavitasi dengan mengunakan sinyalvibrasi pada pompa sentrifugal, Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni (2012), 22 –32.[8] Juhari Malau, Tekad Sitepu, Analisapressure drop pada sistem perpipaan fuel oilboiler pada PT.PLN Pembangkit Sumatatrabagian utara Sincang – Belawan denganmenggunakan pipe flow expert” Jurnal e-

Dinamis, Volume 3, No.3 Desember (2012),164 - 171.[9] Information onhttp://www.hydrocarbonprocessing.com/Article/2663961/Eccentric-reducers-and-straight-runs-of-pipe-at-pump-suction.html

pengaruh jarak concentric dan eccentric reducer pada sisi isap

Documents