Pompa Dan Kompresor

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Pompa

2.1.1

Pengertian Pompa Pompa adalah salah satu mesin fluida yang termasuk dalam golongan mesin

kerja. Pompa berfungsi untuk merubah energi mekanis (kerja putar poros) menjadi energi fluida dan tekanan. Suatu pompa sentrifugal pada dasarnya terdiri dari satu impeler atau lebih yang dilengkapi dengan sudu-sudu, yang dipasangkan pada poros yang berputar dan diselubungi oleh sebuah rumah (casing). Fluida memasuki impeler secara aksial di dekat poros dan mempunyai energi potensial, yang diberikan padanya oleh sudu-sudu. Begitu fluida meninggalkan impeler pada kecepatan yang relatif tinggi , fluida itu dikumpulkan didalam ‘volute’ atau suatu seri lluan diffuser yang mentransformasikan energi kenetik menjadi tekanan. Ini tentu saja diikuti oleh pengurangan kecepatan. Sesudah konversi diselesaikan, fluida kemudian dikeluarkan dari mesin tersebut. Sama untuk pompa-pompa dengan kekecualian bahwa volume gas adalah berkurang begitu gas-gas tersebut melewati blower, sementara volume fluida secara praktis adalah tetap begitu begitu fluida tersebut melewati pompa. Pompa-pompa sentrifugal pada dasarnya adalah mesin-mesin berkecepatan tinggi (dibandingkan dengan jenis-jenis torak, rotary, atau pepindahan). Perkembangan akhir-akhir ini pada turbin-turbin uap, dan motor-motor listrik dan disain-disain sistem gigi kecepatan tinggi telah memperbesar pemakaian dan penggunan pompa-pompa sentrifugal, seharusnya dapat bersaing dengan unit-unit torak yang ada. Garis-garis effesiensi adalah garis yang menyatakan effesiensi yang sama untuk hubungan head dengan kapasitas atau daya dapat di tentukan batasan putaran maksimum dan minimum dengan kata lain untuk mendapatkan daerah operasi yang terbaik jika dilihat dari segi putaran pompa. Dan keuntungannya adalah sebagai berikut :  Kontruksi yang lebih sempurna  Lebih mudah dioperasikan

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

 Biaya perawatan yang rendah  Dapat di kopel langsung dengan elektromotor Kerugiannya :  effesiensi rendah pada kapasitas tinggi  Adanya kerugian pada pipa hisap karena bocor pada saat beroperasi

2.2.2 Klasifikasi Pompa Secara umum pompa dapat diklasifikasikan dalam dua jenis kelompok besar yaitu : 1.

Pompa Tekanan Statis (Positive Displacement Pump)

2.

Pompa Tekanan Dinamis (Rotodynamic Pump)

1.

Pompa Tekanan Statis Pompa jenis ini bekerja dengan prinsip memberikan tekanan secara

periodik pada fluida yang terkurung dalam rumah pompa. Pompa ini dibagi menjadi dua jenis. 

Pompa Putar (Rotary Pump) Pada pompa putar, fluida masuk melalui sisi isap, kemudian dikurung

diantara ruangan rotor dan rumah pompa, selanjutnya didorong ke ruang tengah dengan gerak putar dari rotor, sehingga tekanan statisnya naik dan fluida akan dikeluarkan melalui sisi tekan. Contoh tipe pompa ini adalah : screw pump, gear pump dan vane pump.

(Sumber : Bahan Ajar Pompa dan Kompresor, Sri Utami, MT, hal : 46)

Gambar 2.1. Pompa roda gigi

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA



Pompa Torak (Reciprocating Pump) Pompa torak mempunyai bagian utama berupa torak yang bergerak

bolak-balik dalam silinder. Fluida masuk melalui katup isap (suction valve) ke dalam silinder dan kemudian ditekan oleh torak sehingga tekanan statis fluida naik dan sanggup mengalirkan fluida keluar melalui katup tekan (discharge valve). Contoh tipe pompa ini adalah : pompa diafragma dan pompa plunyer.

(Sumber : Bahan Ajar Pompa dan Kompresor, Sri Utami, MT, hal : 47) Gambar 2.2. Pompa diafragma

2.

Pompa Tekanan Dinamis Pompa tekanan dinamis disebut juga rotodynamic pump, turbo pump

atau impeller pump. Pompa yang termasuk dalam kategori ini adalah : pompa jet dan pompa sentrifugal. Ciri-ciri utama dari pompa ini adalah: - Mempunyai bagian utama yang berotasi berupa roda dengan sudu-sudu sekelilingnya, yang sering disebut dengan impeler. - Melalui sudu-sudu, fluida mengalir terus-menerus, dimana fluida berada diantara sudu-sudu tersebut. Prinsip kerja pompa sentrifugal adalah : energi mekanis dari luar diberikan pada poros untuk memutar impeler. Akibatnya fluida yang berada dalam impeler, oleh dorongan sudu-sudu akan terlempar menuju saluran keluar. Pada proses ini fluida akan mendapat percepatan sehingga fluida tersebut mempunyai energi kinetik. Kecepatan keluar fluida ini selanjutnya akan berkurang dan energi kinetik akan berubah menjadi energi tekanan di sudu-sudu

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

pengarah atau dalam rumah pompa. Adapun bagian-bagian utama pompa sentrifugal adalah poros, impeler dan rumah pompa (gambar 2.3)

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 75) Gambar 2.3. Bagian-bagian utama pompa tekanan dinamis

Pompa tekanan dinamis dibagi berdasarkan kriteria berikut, antara lain :

A.

Klasifikasi Menurut Jenis Impeler



Pompa sentrifugal Pompa ini menggunakan impeler jenis radial atau francis. Konstruksinya

sedemikian rupa (gambar 2.4) sehingga aliran fluida yang keluar dari impeler akan melalui bidang tegak lurus pompa. Impeler jenis radial digunakan untuk tinggi tekan (head) yang sedang dan tinggi, sedangkan impeler jenis francis digunakan untuk head yang lebih rendah dengan kapasitas yang besar. Impeler dipasang pada ujung poros dan pada ujung lainnya dipasang kopling sebagai penggerak poros pompa.

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 7) Gambar 2.4. Pompa sentrifugal 

Pompa aliran campur Pompa ini menggunakan impeler jenis aliran campur (mix flow), seperti

pada

gambar 2.5. Aliran keluar dari impeler sesuai dengan arah bentuk

permukaan kerucut rumah pompa.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 76) Gambar 2.5 Pompa aliran campur 

Pompa aliran aksial Pompa ini (gambar 2.6) menggunakan impeler jenis aksial dan zat cair

yangmeninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan silinder rumah

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

pompa ke arah luar. Konstruksinya mirip dengan pompa aliran camput, kecuali bentuk impeler dan difusernya.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 76) Gambar 2.6. pompa aliran aksial

B.

Klasifikasi menurut bentuk rumah pompa



Pompa volut Pompa ini khusus untuk pompa sentrifugal. Aliran fluida yang

meninggalkan impeler secara langsung memasuki rumah pompa yang berbentuk volut (rumah siput) sebab diameternya bertambah besar. Bentuk dan konstruksinya terlihat pada gambar 2.4. Dan inilah pompa yang akan kita gunakan dalam simulasi ini. 

Pompa diffuser Konstruksi pompa ini dilengkapi dengan sudu pengarah (diffuser) di

sekeliling saluran keluar impeller (gambar 2.7). Pemakaian diffuser ini akan

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

memperbaiki efisiensi pompa. Difuser ini sering digunakan pada pompa bertingkat banyak dengan head yang tinggi.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 8) Gambar 2.7. Pompa diffuser 

Pompa vortex Pompa ini mempunyai aliran campur dan sebuah rumah volut seperti

tergambar pada gambar 2.8. Pompa ini tidak menggunakan diffuser, namun memakai saluran yang lebar. Dengan demikian pompa ini tidak mudah tersumbat dan cocok untuk pemakaian pada pengolahan cairan limbah.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 77) Gambar 2.8. Pompa vortex

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

C.

Klasifikasi menurut jumlah tingkat



Pompa satu tingkat Pompa ini hanya mempunyai sebuah impeler (gambar 2.4 s/d 2.8). Pada

umumnya head yang dihasilkan pompa ini relative rendah, namun konstruksinya sederhana. 

Pompa bertingkat banyak Pompa ini menggunakan lebih dari satu impeler yang dipasang secara

berderet pada satu poros (gambar 2.9). Zat cair yang keluar dari impeler tingkat pertama akan diteruskan ke impeler tingkat kedua dan seterusnya hingga ke tingkat terakhir. Head total pompa merupakan penjumlahan head yang dihasilkan oleh masing-masing impeler. Dengan demikian head total pompa ini relative lebih tinggi dibanding dengan pompa satu tingkat, namun konstruksinya lebih rumit dan besar.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 78)

Gambar 2.9. Pompa bertingkat banyak

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

D.

Klasifikasi menurut letak poros



Pompa poros mendatar Pompa ini mempunyai poros dengan posisi horizontal (gambar 2.4 s/d

2.9). pompa jenis ini memerlukan tempat yang relative lebih luas. 

Pompa jenis poros tegak Poros pompa ini berada pada posisi vertikal, seperti terlihat pada gambar

2.10. Poros inidipegang di beberapa tempat sepanjang pipa kolom utama bantalan. Pompa ini memerlukantempat yang relative kecil dibandingkan dengan pompa poros mendatar. Penggerak pompa umumnya diletakkan di atas pompa.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 78) Gambar 2.10. Pompa aliran campur poros tegak

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

E.

Klasifikasi menurut belahan rumah



Pompa belahan mendatar Pompa ini mempunyai belahan rumah yang dapat dibelah dua menjadi

bagian atas dan bagian bawah oleh bidang mendatar yang melalui sumbu poros. Jenis pompa ini sering digunakan untuk pompa berukuran menengah dan besar dengan poros mendatar.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 79)

Gambar 2.11. Pompa jenis belahan mendatar 

Pompa belahan radial Rumah pompa ini terbelah oleh sebuah bidang tegak lurus poros.

Konstruksi seperti ini sering digunakan pada pompa kecil dengan poros mendatar. Jenis ini juga sesuai untuk pompa-pompa dengan poros tegak dimana bagian-bagian yang berputar dapat dibongkar ke atas sepanjang poros. 

Pompa jenis berderet Jenis ini terdapat pada pompa bertingkat banyak, dimana rumah pompa

terbagi olehbidang - bidang tegak lurus poros sesuai dengan jumlah tingkat yang ada.

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

F.

Klasifikasi menurut sisi masuk impeller



Pompa isapan tunggal Pada pompa ini fluida masuk dari sisi impeler. Konstruksinya sangat

sederhana, sehingga sangat sering dipakai untuk kapasitas yang relative kecil. Adapun bentuk konstruksinya terlihat pada gambar 2.4 s/d 2.10. 

Pompa isapan ganda Pompa ini memasukkan fluida melalui dua sisi isap impeler (gambar

2.12). Pada dasarnya pompa ini sama dengan dua buah impeler pompa isapan tunggal yang dipasang bertolak belakang dan dipasang beroperasi secara parallel. Dengan demikian gaya aksial yang terjadi pada kedua impeler akan saling mengimbangi dan laju aliran total adalah dua kali laju aliran tiap impeler. Oleh sebab itu pompa ini banyak dipakai untuk kebutuhan dengan kapasitas yang besar.

(Sumber : Pompa dan Kompresor, Sularso : hal 8)

Gambar 2.12. Pompa isapan ganda

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2.2

Generator Generator listrik adalah sebuah alat yang menghasilkan energi listrik dari

sumber energi mekanik berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang ditemukan oleh Faraday. Proses ini dikenal sebagai pembangkit listrik. Walau generator dan motor punya banyak kesamaan, tapi motor adalah alat yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Generator mendorong muatan listrik untuk bergerak melalui sebuah sirkuit listrik eksternal, tapi generator tidak menciptakan listrik yang sudah ada di dalam kabel lilitannya. Hal ini bisa dianalogikan dengan sebuah pompa air, yang menciptakan aliran air tapi tidak menciptakan air di dalamnya. Sumber enegi mekanik bisa berupa resiprokat maupun turbin uap, air yang jatuh melalui sebuah turbin maupun kincir air, mesin pembakaran dalam, turbin angin, engkol tangan, energi surya atau matahari, udara yang dimampatkan, atau apa pun sumber energi mekanik yang lain. Berdasarkan arus keluarannya, generator dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu generator arus searah atau biasa disebut dinamo, dan generator arus bolak balik atau alternator. Prinsip kerja generator adalah menghasilkan arus listrik induksi dengan cara memutar gelung di antara kutub utara-selatan sebuah mangnet. Perbedaan generator arus bolak-balik dan generator arus searah adalah pada cincin luncur yang berhubungan dengan tiap ujung gelung. Pada generator arus searah hanya terdapat sebuah cincin yang terbelah di tengahnya, disebut cincin belah atau komutator. Pada sistem pembangkit listrik biasanya menggunakan generator arus bolak balik. Berdasarkan kecepatan memutar gelung, generator ini dibagi lagi menjadi generator sinkron dan generator asinkron (generator induksi). Disebut mesin sinkron, baik generator maupun motor karena beroperasi pada kecepatan sinkron, yaitu kecepatan dimana terbentuk medan magnet oleh gelung yang berotasi.

Kecepatan sinkron ini dapat diperoleh dari:

Keterangan:

𝑁𝑁𝑁𝑁 =

Ns

= kecepatan sinkron (putaran/detik)

f

= frekuensi (Hz)

P

= jumlah kutub dalam generator

120 𝑓𝑓 𝑃𝑃

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

Pada generator AC (alternator) pembangkit listrik, magnetlah yang berputar sedangkan kumparannya diam. Magnet yang digunakan bukan magnet permanen melainkan elektromagnet (kumparan yang dililitkan pada inti besi), sehingga medan magnetik yang dihasilkan lebih besar daripada menggunakan magnet permanen. Dalam alternator pembangkit listrik, kumparan yang diam disebut kumparan jangkar, sedangkan kumparan yang bergerak disebut kumparan medan. Kumparan jangkar dan inti besinya disebut stator dan kumparan medan dan inti besinya disebut rotor. Rotor dan turbin memiliki poros yang sama sehingga putaran turbin akan juga memutar rotor. Selain memberi putaran pada rotor, turbin juga memberi tenaga pada sebuah dinamo kecil (exiter) yang berfungsi menyuplai arus listrik ke kumparan medan. Generator induksi adalah generator listrik yang secara mekanis dan elektrik mirip dengan motor induksi. Generator induksi menghasilkan energi listrik ketika porosnya diputar lebih cepat dari kecepatan sinkron yang dimiliki motor induksi setara. Generator induksi sering digunakan untuk turbin angin dan beberapa instalasi mikro hidro karena kemampuannya untuk menghasilkan daya yang bermanfaat pada berbagai kecepatan rotor. Generator induksi secara mekanis dan elektrik lebih sederhana daripada jenis generator lainnya. Generator induksi tidak memiliki exiter seperti pada generator sinkron, artinya generator ini memerlukan pasokan listrik eksternal untuk menghasilkan fluks magnetik yang berputar. Pasokan listrik eksternal ini dapat diperoleh dari jaringan listrik lain ataupun dari generator itu sendiri setelah mulai menghasilkan daya. Fluks magnet berputar dari stator menginduksi arus pada rotor, yang juga menghasilkan medan magnet. Jika rotor ternyata lebih lambat dari laju fluks berputar, mesin bertindak seperti motor induksi. Jika rotor diputar lebih cepat, akan bertindak seperti generator, menghasilkan daya pada frekuensi sinkron. Penggunaan Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) telah diterapkan secara luas pada PLTMH dan diakui keandalannya. Meskipun dari segi effisiensi, khususnya pada beban tidak penuh (part load), MISG tidak sebaik generator sinkron, tetapi karena motor induksi banyak tersedia dipasaran dengan range daya yang luas dan konstruksi motor induksi jauh lebih sederhana dibanding generator sinkron sehingga lebih handal terhadap run away speed serta lebih mudah perawatannya. Maka MISG dapat dipakai sebagai alternatif dari generator sinkron untuk pembangkit mikro hidro.

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

Prinsip kerja MISG secara sederhana akan lebih mudah dipahami dari prinsip kerja motor induksi. Apabila motor induksi dihubungkan dengan tegangan tiga fasa, pada kumparan statornya akan timbul medan magnet putar. Kecepatan medan magnet putar (kecepatan sinkron) tergantung dari frekuensi tegangan listrik yang dihubungkan dan jumlah kutub statornya. Medan magnet putar pada kumparan stator akan memotong batang konduktor pada kumparan rotor, akibatnya pada kumparan akan dibangkitkan tegangan induksi. Pada kumparan rotor, karena batang konduktor (umumnya berupa slot alumunium yang dihubungsingkatkan pada kedua ujungnya) merupakan rangkaian yang tertutup, tegangan induksi pada rotor yang disebabkan oleh medan magnet putar stator akan menghasilkan arus listrik. Interaksi antara medan magnet putar pada stator pada arus rotor akan menimbulkan kopel yang akan memutar rotor searah dengan medan magnet putar pada stator. Seperti yang telah diterangkan di atas, tegangan induksi pada rotor timbul karena terpotongnya batang konduktor pada rotor oleh medan magnet putar, agar tegangan induksi selalu dapat dibangkitkan pada rotor, diperlukan perbedaan relatif antara kecepatan medan magnet putar dengan kecepatan rotor yang biasa disebut sebagai slip. Pada saat beroperasi sebagai motor, motor induksi akan mempunyai slip positif, artinya kecepatan medan magnet putar akan selalu lebih besar daripada kecepatan rotor. Proses yang sebaliknya akan terjadi apabila motor induksi digunakan sebagai generator. Kopel pada rotor digerakan oleh turbin, adanya magnetisasi sisa (remannent magnetism) pada rotor umumnya cukup untuk membangkitkan tegangan awal, seperti halnya prinsip kerja sebagai motor. Agar pada kumparan stator dapat dibangkitkan tegangan listrik diperlukan daya reaktif untuk membangkitkan medan magnet putar. Pada kasus MISG beroperasi sendiri (Isolated Grid) daya reaktif tersebut harus disuplai lewat kapasitor eksitasi. Pada kasus MISG dikoneksikan dengan jaringan listrik lain (Grid Connected) daya reaktif disuplai lewat jaringan tersebut. Kebalikan dari proses sebagai motor, sebagai generator slip yang terjadi haruslah negatif, artinya kecepatan rotor harus selalu lebih besar dari kecepatan medan magnet putarnya. Tidak semua motor induksi cocok digunakan sebagai MISG. Jenis motor yang cocok digunakan untuk MISG adalah jenis sangkar tupai (Squirel Cage Motor). Kelebihan dari MISG daripada generator sinkron adalah sebagai berikut:

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

1. Lebih murah daripada menggunakan generator sinkron terutama untuk keperluan daya yang rendah seperti pada PLTMH karena dapat digunakan motor bekas. 2. Generator ini tidak akan bermasalah apabila kelebihan beban (overload), apabila terjadi kelebihan beban generator ini hanya akan berhenti menghasilkan listrik, apabila beban berlebih dilepaskan maka generator akan bekerja seperti semula. 3. Mudah dibuat dari motor induksi, hanya dengan menyambungkan kapasitor secara paralel ke motor dan dijalankan pada kecepatan lebih tinggi dari rpm yang tertera.

Kekurangan MISG dari generator sinkron adalah sebagai berikut : 1. Generator sinkron dapat dibeli dan langsung digunakan, sedangkan MISG memerlukan perhitungan nilai kapasitor sesuai yang akan dipasangkan pada motor. 2. Generator tidak dapat di-start jika dipasangkan beban, generator tidak boleh dipasangkan beban sebelum mencapai kecepatan kerja. 3. Generator ini tidak boleh digunakan untuk mengerakkan motor induksi, karena induktansi tambahan dari motor akan membatalkan reaktansi dari kapasitor dan menyebabkan generator berhenti menghasilkan listrik.

Pada penelitian ini, tidak digunakan MISG karena alasan berikut ini: 1. Sudah ada generator dari Laboratorium Mekanika Fluida sehingga dapat menghemat biaya. 2. Tidak ada motor induksi bekas yang dapat dipakai, sehingga akan lebih 3. mahal jika dibeli motor induksi yang baru. 4. Untuk pengujian MISG kurang effisien untuk digunakan karena untuk putaran rendah tidak dapat menghasilkan listrik.

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

Gambar 2.13 Generator AC

2.3

Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Mikrohidro merupakan sebuah istilah yang terdiri dari kata mikro yang berarti

kecil dan hidro yang berarti air. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) adalah suatu pembangkit listrik skala kecil yang menggunakan tenaga air sebagai tenaga penggeraknya seperti saluran irigasi, sungai atau air terjun alam dengan cara memanfaatkan tinggi terjunan dan jumlah debit air.

2.3.1

Prinsip Kerja Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Secara teknis PLTMH memiliki 3 komponen utama yaitu Air (sumber energi),

Turbin Air (pada penelitian ini menggunakan Pompa Sentrifugal sebagai turbin) dan generator. PLTMH mendapatkan energi dari aliran air yang memiliki perbedaan ketinggian tertentu. Pada dasarnya, PLTMH memanfaatkan energi potensial jatuhan air. Semakin tinggi jatuhan air maka semakin besar energi potensial air yang dapat diubah menjadi energi listrik. Air dialirkan (dijatuhkan) melalui sebuah pipa ke dalam pompa untuk menggerakkan impeller yang ada di dalamnya. Energi mekanik yang berasal dari putaran impeller pompa akan diteruskan dan diubah menjadi energi listrik oleh sebuah generator. Perbedaan antara Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) dengan PLTMH adalah terutama pada besarnya tenaga listrik yang dihasilkan, PLTA dibawah ukuran

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

200 kW digolongkan sebagai mikrohidro. Dengan demikian, sistem pembangkit mikrohidro cocok untuk menjangkau ketersediaan jaringan energi listrik di daerah – daerah terpencil dan pedesaan.

Gambar. 2.14 Pompa sentrifugal 4 inch

Gambar 2.15 Instalasi PLTMH

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(Sumber : Bahan Ajar Pompa dan Kompresor, Sri Utami, MT, hal : 35)

Gambar 2.16 Aliran Fluida Dalam Pompa Sentrifugal

Debit aliran pada pompa dapat dihitung denganpersamaan:

Q=v×A

Keterangan: Q = Debit aliran (m3/s) v = Kecepatan Air Masuk Turbin (m/s) A = luas penampang pipa (m2)

Maka, dengan data – data diatas dilakukan simulasi dengan menggunakan perangkat lunak CFD untuk mendapatkan data simulasi kondisi kerja berupa data tekanan dan temperatur kerja pompa sebagai turbin.

2.4

Computational Fluid Dinamycs (CFD) Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang

sangat kentara dengan kehidupan sehari – hari. Misalnya pengondisian udara bagi bangunan dan mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi, interaksi berbagai

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar panas dan reactor kimia, dan lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik.

2.4.1 Pengertian Umum CFD Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut : - Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi - Fluid Dynamics : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah di atas, maka CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda – benda atau zat yang mengalir. Maka secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan – persamaan matematika (model matematika). Pada dasarnya, persamaan – persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan – persamaan diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum – hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energi yang diubah kedalam bentuk numerik (persamaan linear) dengan teknik diskritisasi. Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda – benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan di komputer.. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data – data, gambar – gambar, atau kurva – kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain.

2.4.2

Penggunaan CFD Dalam aplikasinya CFD dapat dipergunakan bagi :

- Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

- Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya. - Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan. - Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery. - Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics) - Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam. - Analis failure untuk mencari sumber – sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas. - Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya. Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut : 1. Studi konsep dari desain baru 2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshouting 4. Desain ulang (re – design)

2.4.3 Manfaat CFD Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni : insight, foresight, dan efficiency. 1) Insight ( Pemahaman Mendalam ) Apabila dalam mendesain sebuah system atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya. 2) Foresight (Prediksi Menyeluruh) Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal. 3) Efficiency (Efisiensi Waktu dan Biaya) Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran.

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2.4.4 Proses Simulasi CFD Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu sebagai berikut : 1) Tahap persiapan (preprocessing) Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat – sifat fluidanya. 2) Pemecahan masalah (Solving) Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat persiapan 3) Penyelesaian (postprocessing) Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bias berupa gambar, kurva , dan animasi. Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut : 1) Pembuatan geometri dari model/problem 2) Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel – sel kecil (meshing) 3) Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan – persamaan gerak, entalpi, konversi species (zat – zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan) 4) Pendefinisian kondisi – kondisi batas, termasuk didalamnya sifat – sifat dan perilaku dari batas – batas model. Kadang untuk beberapa kasusu, kondisi awal juga didefinisikan. 5) Analisis dan visualisasi dari solusi CFD.

2.4.5

Metode Diskritisasi CFD Secara matematis CFD mengganti persamaan – persamaan diferensial parsial

dari kontinuitas, momentum dan energy dengan persamaan – persamaan aljabar linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel

tak

terhingga)

menjadi

model

yang

diskrit

(jumlah

sel

terhingga).

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan – persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah : - Metode beda hingga (finite difference method) - Metode elemen hingga (finite elements method) - Metode volume hingga (finite volume method) - Metode elemen batas (boundary element method) - Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method) Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/CFD yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya diperlukan kehati – hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinyu.

2.4.6. Pengenalan Solidwork Flow Simulation SolidWorks

Flow simulation menggunakan analisis Komputasi Dinamika

Fluida (CFD) untuk memungkinkan secara cepat dan mudah simulasi aliran fluida dan perpindahan panas. Terintegrasi dengan SolidWorks CAD, sehingga pembuatan model dan pelaksanaan simulasi dapat dilakukan dengan lebih mudah. SolidWorks

Flow simulation merupakan aplikasi perangkat lunak yang

kemudian kita harapkan keluaran berupa tampilan kontur atau distribusi tekanan dan kecepatan serta data lain yang kemudian akan dianalisis untuk dikaji tentang kesimpulan yang dapat diambil dari hasil simulasi. Karena itulah, aplikasi ini harus dijalankan pada sebuah unit computer yang dapat memenuhi kebutuhan yang diperlukan oleh perangkat lunak. Aplikasi ini sangat membutuhkan hasil keluaran yang punya tingkat detail yang rinci. Maka, sangat dianjurkan computer yang akan menjalankan aplikasi ini, punya Video Graphic Array (VGA) yang mumpuni untuk bisa mengeksekusi sebuah perintah yang diberikan oleh SolidWorks

Flow simulation.

Kekurangan spesifikasi minimal akan membuat kesalahan eksekusi perintah berupa error command (perintah salah) yang menyebabkan tidak bisanya semua perintah aplikasi dijalankan, bukan lagi karena kesalahan parameter yang dimasukkan, tetapi karena ketidaksanggupan komputer untuk mengeksekusi perintah-perintah yang diberikan oleh aplikasi. Berikut spesifikasi minimal sebuah unit computer yang dianjurkan untuk dapat menjalankan aplikasi Solidwork Flow Simulation dengan baik:

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

- Processor intel Pentium IV, 2.6 GHz atau lebih canggih dari itu. - Hard disk untuk instalasi minimal 700MB - Random Acces Memory (RAM) minimal 2GB, dianjurkan memiliki VGA eksternal untuk peningkatan kinerja pada saat meshing. - Monitor dengan resolusi minimal 1024x768 pixel

2.5

Persamaan Pembentuk Aliran Dasar dari persamaan pembentuk aliran untuk fluida dan perpindahan panas

adalah pengenbangan dari tiga hukum konservasi fisika, yaitu, hukum konservasi massa, konservasi momentum dan konservasi energi. 2.5.1

Hukum Konservasi Massa Hukum konservasi massa menyatakan bahwa massa dari suatu sistem tertutup

akan konstan meskipun terjadi berbagai macam proses di dalam sistem tersebut(dalam sistem tertutup Massa zat sebelum dan sesudah reaksi adalah sama (tetap/konstan) ). Pernyataan yang umum digunakan untuk menyatakan hukum kekekalan massa adalah massa dapat berubah bentuk tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Dapat diformulasikan dalam rumusan :

Dimana M adalah massa fluida yang terperangkap di dalam sistem dan ṁ merupakan massa rata – rata yang mengalir pada permukaan elemen.

Gambar. 2.17 Elemen fluida pada konservasi massa dua dimensi

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

Dari gambar di atas, menghasilkan rumusan :

Penyelesaian persamaan di atas dengan faktor pembagi dari xy, sehingga :

2.5.2

Hukum Konservasi Momentum Hukum kekekalan momentum adalah salah satu hukum dasar yang ada dalam

ilmu Fisika. Hukum ini menyatakan bahwa “Momentum total dua buah benda sebelum bertumbukan adalah sama setelah bertumbukan”. Pernyataan ini mengisyaratkan bahwa nilai momentum total ketika benda bertumbukan adalah konstan atau tidak berubah. Untuk memahami hukum ini, dapat kita mulai dengan memahami Hukum kedua Newton. Fx dan αx merupakan resultan gaya dan percepatan pada sumbu x. Dengan mensubstitusikan semua gaya yang tergambar pada gambar dan menggunakan a x = Du Dt, maka, dapat disusun persamaan.

Gambar. 2.18 Elemen fluida pada konservasi momentum dua dimensi

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2.5.3

Hukum Konservasi Energi Pada bagian ini , prinsip ketiga bahwa energi memiliki kekekalan, dimana energi

dalam (E) adalah penjumlahan fluks panas (Q) dan kerja (W) :

Gambar. 2.19 Kerja elemen pada sumbu - x Sesuai dengan definisi dan gambar di atas, kerja yang terjadi pada searah sumbu x dapat dihitung dengan rumusan :

Penyelesaian persamaan ini dengan definisikan V xyz

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

Gambar. 2.20 Fluks panas pada permukaan elemen fluida Ada dua sumber panas pada fluks panas, pertama adalah panas di dalam elemen, seperti, penyerapan, reaksi kimia atau radiasi. Kedua adalah perpindahan panas pada elemen pada permukaan karena perbedaan temperatur, dimanapanas pada elemen disimbolkan dengan q x, q y dan q z . sehingga dapat disusun persamaan :

Hasil dari penyelesaian persamaan :

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

Survei Instalasi PLTMH

Mengamati Cara Kerja Instalasi PLTMH

Pengambilan Data dan Hasil Pengamatan

Analisa/Perhitungan Data dan Simulasi dengan CFD

Penulisan Laporan Hasil Penelitian dan Simulasi

Kesimpulan dan Saran

Gambar 2.21 Diagram Alir Penelitian

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA