BAB II TEORI DASAR POMPA
2.1 Pengetahuan Dasar Pompa Definisi dan fungsi sebuah pompa adalah merupakan pesawat angkat untuk memindahkan zat cair atau fluida. Zat cair hanya mengalir bila terdapat perbedaan tekanan tertentu. Sehingga pompa dapat didefinisikan sebagai penambahan energi untuk menggerakkan zat cair dari suatu tempat ke tempat lainnya. Oleh karena energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja, maka penambahan energi yang dilakukan oleh akan menggerakkan / mengalirkan zat cair melalui pipa atau pindah ke tempat yang lebih tinggi atau tekanan yang lebih tinggi. Pada prinsipnya, pompa mengubah energi mekanik motor menjadi energi aliran fluida. Energi yang diterima oleh fluida akan digunakan untuk menaikkan tekanan dan mengatasi tahanan - tahanan yang terdapat pada saluran yang dilalui. Pompa sangat dibutuhkan pada bangunan bertingkat untuk mensuplai air bersih di setiap lantai guna mensuplai setiap kamar mandi ataupun kebutuhan air bersih lainnya.
6
7
2.2 Klasifikasi Pompa
Diaphram Air Operated
Simplex
Double Acting
Duplex
Single Acting
Bellows Piston Horizontal
Steam
Piston
Simplex
Plunger
Duplex
Double Acting Vertical
Reciprocating Pumps
Simplex Horizontal
Single Acting
Piston
Vertical
Double Acting
Plunger
Power
Duplex Multiplex Horizontal
Packed Plunger
Simplex
Packed Piston
Duplex
Manual Control Controlled Volume Vertical
Diaphram
Blow Case
Automatic Control Multiplex
Blade, bucked roller or Slipper Axial
Vane
Positive Displacement
Mechanically Coupled Hydraulically Coupled
Piston Radial Flexible tube Flexible vane Flexible liner
Flexible Member Rotary Pumps
Single Lobe Multiple External Gear Internal Single Circumferential Piston
Multiple Single
Close coupled single & two stage
End Suction (including submersibles) In-line
Screw Multiple Overhung impller Separately coupled Single & two stage Centrifugal
a
Separately coupled Single stage Impeller between Bearings
Kinetic
Separately Coupled multistage Vertical type Single & multistage
Turbine type
a
includes radial, mixed flow and axial flow design
Regenerativ Turbine
Special effect
Overhug impeller impeller between bearings
In-line Frame mounted Centering support API 610 Frame mounted ANSI B73.1 Wet pit volute Axial flow impwller (propeller) Volute type (horiz or vert) Axial (horiz) split case Radial (vert) split case Axial (horiz) split case Radial (vert) split case Deep well turbine (includingsubmersibles) Barrel or can pump Short setting or closed coupled Axial flow impeller (propeller) Or mixed flow type (horizontal Or vertical) Single stage two stage Reversible contrifugal Rotating casing (pitot tube)
8
2.3 Pompa Centrifugal Pompa centrifugal adalah suatu mesin yang terdiri dari satu set impeller atau kipas yang berputar yang berada dalam tabung. Impeller berfungsi untuk mengangkat zat cair dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Daya dari luar diberikan kepada poros pompa untuk memutarkan impeller di dalam zat cair. Maka zat cair yang ada didalam impeller mendapatkan tekanan, oleh dorongan sudu-sudu ikut berputar. Karena timbul gaya centrifugal maka zat cait mengalir dari tengah impeller keluar melalui saluran diantara sudu-sudu. Pompa centrifugal yang sederhana terdiri dari dua bagian utama yaitu : a. Elemen yang berputar ( Impeller, shaft ) b. Elemen yang tetap ( Casing, stuffing box, bearing ).
Atau bisa juga dijelaskan Pompa Sentrifugal adalah suatu mesin kinetis yang mengubah energi mekanik ke dalam energi hidrolik melalui aktivitas sentrifugal, yaitu tekanan fluida yang sedang di pompa. Cairan tersebut seperti air, oli, atau minyak pelumas atau fluida lainnya. Industri – industri banyak menggunakan pompa sebagai salah satu peralatan bantu yang penting untuk proses produksi.
Pada industri, pompa banyak digunakan untuk mensirkulasikan air atau minyak pelumas atau pendingin mesin – mesin industri. Pompa juga dipakai pada motor bakar yaitu sebagai pompa pelumas, bensin atau air pendingin. Jadi, pompa sangatlah penting bagi kehidupan manusi secara langsung ataupun yang dipakai di rumah tangga atau tidak langsung seperti pada pemakaian pompa di industri.
9
Pada pompa akan terjadi perubahan dari energi mekanik menjadi energi fluida. Pada mesin – mesin hidrolik termasuk pompa, energi fluida ini disebut head atau energy persatuan berat zat cair. Ada tiga bentuk head yang mengalami perubahan yaitu head tekan, kecepatan dan potensial. Selain dapat memindahkan cairan, pompa juga dapat berfungsi untuk meningkatkan kecepatan, tekanan dan ketinggian pompa.
Pada industri minyak bumi, sebagian besar pompa yang digunakan dalam fasilitas gathering station, suatu unit pengumpul fluida dari sumur produksi sebelum diolah dan dipasarkan, ialah pompa bertipe sentrifugal. Gaya sentrifugal ialah sebuah gaya yang timbul akibat adanya gerakan sebuah benda atau partikel melalui lintasan lengkung (melingkar). Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada sepanjang pengaliran.
Pompa juga dapat digunakan pada proses - proses yang membutuhkan tekanan hidraulik yang besar. Hal ini bisa dijumpai antara lain pada peralatan - peralatan berat. Dalam operasi, mesin - mesin peralatan berat membutuhkan tekanan discharge yang besar dan tekanan isap yang rendah. Akibat tekanan yang rendah pada sisi isap pompa maka fluida akan naik dari kedalaman tertentu, sedangkan akibat tekanan yang tinggi.
10
pada sisi discharge akan memaksa fluida untuk naik sampai pada ketinggian yang diinginkan. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.3a
Gambar 2.3a Pompa Sentrifugal Pompa memiliki komponen – komponen dalam proses memproduksi. Komponen – komponen tersebut antara lain :
1. Pompa 2. Mesin Penggerak, berupa : motor listrik, mesin diesel atau system udara. 3. Pipa atau pemipaan digunakan untuk membawa fluida. 4. Valve digunakan untuk mengendalikan aliran dalam system. 5. Sambungan, pengendali dan instrumentasi lainnya. 6. Peralatan penggunaan akhir, yang memiliki berbagai persyaratan. Contohnya Heat Exchanger, tangki dan mesin Hidrolik.
11
Gbr. 2.3b Gambar potongan pompa centrifugal
12
Tabel 2.3 nama-nama bagian pompa (Gbr.2.3b) :
PART
NAMA PART
MATERIAL
JML
NO.
PART
NAMA PART
MATERIAL JML
NO.
1020
Volute Casing
FC200
1
4230.1 Labyrinth Ring
Plastic
1
1610
Casing Cover
FC200
1
4230.2 Labyrinth Ring
Plastic
1
1830
Support Foot
FC200
1
4330
-
1
2100
Shaft
SUS420J2
1
5020.1 Casing Wearing
FC200
1
2300
Impeller
FC200
1
5020.2 Casing Wearing
FC200
1
Mechanical Seal
3210.1
Ball Bearing
NO.6309UUC3 1
9010.1 Hexagonal Bolt
SS400
6
3210.2
Ball Bearing
NO.6309UUC3 1
9010.2 Hexagonal Bolt
S45C
6
3300
Bearing Case
FC200
1
9020.1 Stud Bolt
S45C
2
Bearing
ADC12
1
9020.2 Stud Bolt
S45C
2
ADC12
1
9201
Hexagonal Nut
SS400
1
Spring Washer
SUP4
1
3600.1
Cover 3600.2
Bearing Cover
4000.1
Gasket
TOMBO 1995
1
9300
4000.2
Gasket
TOMBO 1995
1
9400.1 Key
S45C
1
4000.3
Gasket
TOMBO 1995
1
9400.2 Key
S45C
1
13
Pompa centrifugal digunakan untuk banyak hal secara luas seperti sbb : a. Water supply and Sewerage (air selokan)
Water intake
Boosting
Distribusi
Sewage treatment
b. Industri kimia
Untuk berbagai macam proses
c. Ketel uap / Boiler
Water feed
d. Bangunan bertingkat / Building
Water feed and drainage
Hot water supply
Pemadam
Secara umum pompa centrifugal mempunyai sifat-sifat berikut : -
Mempunyai rentang debit , tekanan dan sifat benda alir yang luas.
-
Mudah disambungkan dengan motor langsung, sabuk V, atau penggerak yang lain.
-
Hanya memerlukan luas area yang relative kecil.
-
Sukar memperoleh tekanan rendah disaat tekanan menengah dan tinggi.
-
Menimbulkan aliran turbulen pada benda alir.
14
2.3.1 Macam Pompa Centrifugal - Centrifugal Volute Pump : Pompa centrifugal rumah keong
Gbr. 2.3.1.a Pompa centrifugal rumah keong
-
Centrifugal diffuser pump : Pompa centrifugal rumah keong berdiffuser (pengaruh aliran). Pompa ini banyak digunakan pada gedung-gedung bertingkat karena mempunyai tekanan cukup tinggi dan tahan terhadap air panas sampai dengan 110° C.
Gbr.2.3.1b Pompa centrifugal rumah keong ber-diffuser
-
Centrifugal regenerative-turbine pump / multi stage turbine pump : Pompa jenis ini adalah pompa
yang mempunyai banyak impeller
15
sehingga bisa menghasilkan tekanan yang tinggi dan pompa ini biasanya tahan terhadap air panas sampai dengan 150° C.
Gbr.2.3.1c Pompa turbine multi stage -
Centrifugal mixed-flow pump : Pompa centrifugal aliran bercampur (antara aliran radial dan axial).
Gbr.2.3.1d Pompa centrifugal aliran bercampur -
Centrifugal axial flow (propeller) pump
Gbr.2.3.1e Pompa axial flow
16
-
Centrifugal radial flow : Pompa centrifugal aliran radial
Gbr.2.2,1f Pompa radial flow 2.3.2 Ditinjau dari arah aliran Ditinjau dari arah aliran dibagi menjadi dua macam yaitu : a. Pompa centrifugal volute casing radial Pompa centrifugal ini banyak kita jumpai digedung-gedung dan dipabrikpabrik yang biasanya digunakan untuk pompa supply atau pompa distribusi. Pompa ini mempunyai casing (rumah impeller) dimana pemasangannya tegak lurus terhadap poros pompa. Pompa centrifugal jenis ini lebih populer disebut dengan “Vertical Split Casing Pump”.
17
Gbr.2.3.2a Pompa centrifugal volute casing radial
b. Pompa centrifugal volute casing axial Dimana casing (rumah impeller) pemasangannya sejajar dengan poros pompa. Pompa jenis ini lebih populer disebut dengan “Horizontal Split Casing Pump”. Dengan kontruksi casing atas dan casing bawah terpisah memudahkan dalam maintenance pompa, karena dengan mengangkat casing atas, maka semua bagian dalam pompa sudah kelihatan dan bisa mengetahui bagian yang rusak.
Gbr. 2.3.2b Pompa centrifugal volute casing axial
18
2.3.3 Ditinjau dari letak poros Ditinjau dari letak poros, diklasifikasikan menjadi dua bagian yaitu : 2.3.3.1 Pompa Centrifugal Horizontal Pompa horizontal yaitu pompa yang letak porosnya sejajar dengan kaki / baseplate pompa. Dan dipenelitian kali ini pompa yang di analisa adalah pompa pompa jenis poros mendatar diamana pompa poros mendatar digunakan karena alasan lebih ekonomis karena tidak adanya pembatasan pada kondisi pengisapan dan operasi pompa kecil atau sedang, pertimbangan lainnya adalah mudahnya melakukan pembongkaran pompa karena letaknya, adapun pembagian pompa centrifugal horizontal adalah : a. Pompa horizontal dengan kaki dibawah kursi bantalan
Gbr. 2.3.3.1a Pompa horizontal dengan kaki dibawah kursi bantalan b. Pompa horizontal dengan kaki dibawah rumah pompa
19
Gbr. 2.3.31b Pompa horizontal dengan kaki dibawah rumah pompa c. Pompa horizontal Centre Line Mounted Pengunaan Centre Line Mounted digunakan pada fluida yang mempunyai suhu tinggi yang dapat mengakibatkan pemuaian pada material. Untuk menghindari pompa menjadi bengkok diatas fondasi, maka dibuat penunjang pompa pada sumbu horizontal.
Gbr. 2.3.3.1c Pompa horizontal Centre Line Mounted d. Pompa monoblock horizontal (closed coupled) Pompa jenis ini diperuntukan untuk membatasi ukuran pompa dan motor, maka pompa motor ini dipasang bergandengan sebagai satu kesatuan.
20
Biasanya kipas pompa dipasang pada (perpanjangan) poros motor, atau secara terpisah menggunakan sleeve cooling dan motor standard.
Gbr. 2.3.3.1d Pompa monoblock horizontal (closed coupled)
e. Pompa In-Line Horizontal (closed coupled) Pompa ini tanpa base (penunjang) tetapi pompa ditopang pada saluran (pipa). Sehubungan dengan bobotnya, maka kapasitas dari jenis ini relative kecil (terbatas).
Gbr. 2.3.3.1e Pompa In-Line Horizontal (closed coupled)
21
2.3.3.2 Pompa Centrifugal Vertikal Pompa Centrifugal Vertical yaitu pompa dengan letak poros tegak lurus dengan kaki / baseplate pompa. a. Pompa Vertikal In-Line
Gbr.2.3.3.2a Pompa vertical in-line b. Pompa Submersible (pompa benam) dengan pompa pelindung poros dan pompa tekan yang terpisah, biasanya pelumasan bantalan poros dengan oli.
Gbr. 2.3.3.2b1 Pompa submersible
22
-
Pompa submersible dengan pipa pelindung poros dan pipa tekan sebagai satu
bagian
(tergabung),
biasanya
pelumasan
bantalan
poros
menggunakan cairan yang dipompa.
Gbr. 2.3.3.2.b2 Pompa submersible dengan pipa pelindung c. Submersible Motor Pump (submersible/benam) dimana pompa dan motornya sama-sama dibenamkan dalam cairan / fluida.
Gbr. 2.3.3.2c Pompa submersible / benam
23
2.3.4 Klasifikasi ditinjau dari letak pompa Dinjau dari letak pompa, pompa centrifugal di klasifikasikan menjadi dua bagian yaitu : 2.3.4.1 Dry type (type kering) Pompa ditempatkan pada tempat kering tanpa dibenamkan pada Cairan / fluida yang akan dipindahkan. Jadi dibutuhkan pompa hisap sebagai penyambung terhadap fluida yang akan dipindahkan.
Gbr. 2.3.4.1 Letak pompa tipe kering 2.3.4.2 Wet type (type basah) Pompa ditempatkan langsung pada fluida atau dibenamkan dalam fluida yang akan dipindahkan, sehingga untuk maintenance relative lebih sulit, karena pompa tidak kelihatan dan harus diangkat untuk melakukan maintenance. Tipe pompa ini masih dapat diklasifikasikan menjadi dua bagian yaitu : a. Pompa Submersible Pompa terbenam pada fluida, tetapi penggeraknya ( motor ) tidak ikut terbenam pada fluida.
24
Gbr. 2.3.4.2a Pompa submersible dengan motor tipe kering b. Submersible Motor Pump (Pompa benam dengan motor tipe basah) Pompa dan penggeraknya sama-sama terbenam pada fluida yang akan dipindahkan. Sehingga motor yang digunakan harus kedap terhadap air dan juga tahan karat.
Gbr. 2.3.4.2b Pompa submersible dengan motor tipe basah
2.3.5 Sistem Pengisapan Ditinjau dari cara kerja, pompa centrifugal diklasifikasikan menjadi dua bagian yaitu : a. Pompa Centrifugal Self -Priming
25
Pompa didesign/dirancang mampu memberi kevakuman tertentu terhadap instalasi suction atau hisap. Dengan kata lain bahwa operasi pompa tidak selalu membutuhkan air pancingan pada instalasi suction. Sebagai catatan sebaiknya pada ujung bawah pipa suction diberi foot-valve, dan diberi air pancingan pada saat pertama kali pompa dioperasikan ( trial run).
Gbr. 2.3.5a Pompa centrifugal self priming b. Pompa Centrifugal Non-Self Priming Design/rancangan pompa tidak mampu memberi kevacuman tertentu terhadap instalasi suction/hisap. Dengan demikian pompa ini membutuhkan fluida yang penuh pada instalasi atau pipa isap/suction pada setiap saat operasi.
Gbr. 2.3.5b Pompa centrifugal non-self priming
26
2.4 Pompa Rotary Pompa Rotary (pompa putar) adalah pompa yang bekerjanya berdasarkan pergerakan relative antara elemen yang berputar pada pompa dan elemen stasioner pada pompa. 2.4.1 Macam Pompa Rotary -
Gear pump : pompa roda gigi
Gbr.2.4.1a Pompa roda gigi -
Screw pump : pompa ulir
Gbr.2.4.1b Pompa multiple rotor screw
Gbr.2.4.1c Pompa single screw
27
-
Lobe pump : pompa dengan rotor berbentuk bulat dan menonjol.
Gbr.2.4.1d Pompa lobe 2.5 Pompa Reciprocating Pompa Reciprocating dan Pompa Rotary dapat digolongkan ke Positive Diplacement Pump. Positive Diplacement Pump artinya : Pemindahan sejumlah cairan secara konstan tanpa dipengaruhi oleh kapasitas dan tekanan. Dengan demikian pengoperasiannya tidak boleh melakukan penutupan secara keseluruhan pada pipa pengeluaran / discharge (shut-off) , karena akan mengakibabkan kerusakan pada komponen pompa.
28
2.5.1 Macam Pompa Reciprocating -
Pompa Diaphragm
Gbr.2.5.1a Pompa diaphragm -
Pompa Piston
Gbr.2.5.1b Pompa piston
29
-
Pompa Plunger
Gbr.2.5.1c Pompa plunger 2.6 Macam Impeller dan penggunaannya Pada pompa centrifugal salah satu bagian yang sangat menentukan adalah impeller (kipas). Bentuk dan model impeller akan menentukan penggunaan dan kemampuan dari pompa itu sendiri. -
Star wheels Impeller : Dipakai pada self priming pump dan hanya dapat digunakan untuk fluida yang bersih.
Gbr.2.6a Star wheel impeller
30
-
Peripheral Impeller : Dipergunakan untuk fluida yang bersih. Pada umumnya kapasitas pompa relative kecil dan tekanan relative tinggi (contoh : pompa rumah tangga / pompa sanyo).
Gbr. 2.6b Peripheral impeller -
Close Impeller : Dipergunakan untuk fluida yang bersih. Pada umumnya kapasitas relatif besar dan tekanannya juga relatif tinggi.
Gbr. 2.6c Close impeller
-
Semi open Impeller : Dipergunakan untuk fluida yang agak kotor dan mempunyai partikel-partikel kecil serta mengandung gas (cocok untuk intake).
31
Gbr. 2.6d Semi open impeller
-
Open Impeller : Dipergunakan untuk fluida yang kotor dan mempunyai partikel-partikel serta kandungan gas.
Gbr. 2.6e Open Impeller -
Non-Clogging Impeller : Dipergunakan untuk fluida yang mengandung kotoran-kotoran, benda padat, ataupun partikel-partikel tertentu serta kekentalan tertentu. Pemilihan type impeller ini bertujuan untuk menghindari kemacetan pada impeller.
32
Gbr. 2.6f Non-clogging impeller
-
Propeller : Dipergunakan untuk air bersih maupun kotor yang mempunyai partikel-partikel. Pada umumnya pompa ini mempunyai debit aliran besar tetapi tekanan headnya rendah.
Gbr. 2.6g Propeller 2.7 Performansi Pompa Secara Umum Umumnya pemilihan pompa dan rincian kinerjanya telah direkomendasikan oleh pabrik pembuat untuk memenuhi keadaan khusus yang ditentukan oleh insinyur proses. Pompa centrifugal membangkitkan tekanannya dengan gaya centrifugal yang dipindahkan ke benda alir yang melewati pompa dan umumnya dipakai untuk debit yang relatif besar dengan tekanan rendah sampai dengan menengah.
33
Performansi pompa secara umum meliputi beberapa hal yaitu : -
Total Head
-
Effisiensi
-
Shaft Power
Biasanya dihitung berdasarkan pada jumlah Debit aliran dan pada jumlah putaran tertentu.
Gbr. 2.7a Kurva performansi pompa
Seperti terlihat pada gambar, titik dari sebuah garis vertical yang menunjukan besar debit aliran bertemu dengan garis kurva total head A1, effisiensi pompa B1 dan shaft power C1 yang diperlukan.
34
Total head pompa akan menurun jika jumlah debit aliran membesar, dan secara signifikan meninggi dalam kondisi jumlah debit aliran menurun, kemudian akan mencapai total head maksimum A2 pada jumlah debit aliran nol. Tetapi pada titik kerja ini effisiensi pompa menjadi nol dan dikarenakan adanya kerugian dari panas dan gesekan secara mekanis maka masih ada shaft power C2 yang diperlukan. Effisiensi pompa akan mencapai titik maksimum B2 pada titik aliran Q. Oleh karena itu didalam pengoperasian sebuah pompa direkomendasikan pada sekitar titik Q ini. Pompa centrifugal dapat dioperasikan pada kondisi titik kerja yang luas, selama pompa tersebut bebas dari overheat, overload, vibrasi, kavitasi dsb. Effisiensi pompa seperti yang kami utarakan diatas merupakan hal yang penting dalam pengoperasian pompa yang efektif (pompa bekerja pada range curva pompa). Oleh karena itu, untuk mendapatkan effisiensi pompa yang maksimum pada kasus ini dengan memasang throttle valve. untuk mengatur titik kerja sesuai pada kurva performansi. Jika kurva total head (kurva H-Q) pada pompa dirubah dengan melakukan trimming pada diameter impeller, effisiensi pompa akan berubah secara perlahan seperti terlihat dalam gambar
35
Gbr. 2.7b Kurva H-Q dengan ukuran diameter berbeda-beda
2.8 Pengaruh Kecepatan Putaran Kecepatan putaran dapat mempengaruhi performansi sebuah pompa, pengaruh putaran ini akan mengikuti aturan tertentu. Seperti terlihat pada gambar jika kecepatan putaran berubah dari n menjadi n’, kurva total head dan kurva power juga berubah dari (I),(II) menjadi (I’),(II’).
36
H
I (n) kurva power I A
I'(n) H'
A'
Q'
Q
Gbr. 2.8a Karakteristik total head (karakteristik H-Q)
S
B
kurva power II
II (n)
S'
B' II'(n)
Q'
Q
Gbr. 2.8b Karakteristik power / daya Diasumsikan titik kerja pada kurva performansi pompa menjadi total H, jumlah debit
Q , power yang dibutuhkan L dan NPSH (Net Positive Suction Head ) atau head isap positive neto,dapat menggunakan rumus persamaan-persamaan sebagai berikut :
Q' = Q x
n' n
37
n' H’ = H x n
n' L’ = L x n
2
3
n' NPSH’Re = NPSH Re x n
2
2.9 Trimming Diameter Impeller dan Variasinya Bila performansi sebuah pompa harus diturunkan secara bertahap untuk mendapatkan kesesuaian dengan kondisi actual dilapangan, dapat dilakukan dengan merubah atau menurunkan kecepatan putaran seperti yang kita jelaskan pada bagian sebelumnya. Ada satu metode lain yang dapat kita lakukan yaitu dengan melakukan trimming pada diameter impeller, dengan tanpa merubah kecepatan putaran. H
I
A H'
I' A'
0
Q'
Q
Gbr. 2.9a Karakteristik H-Q dengan trimming impeller
38
D D'
Gbr. 2.9b Trimming diameter impeller Disini, asumsi kurva performansi pada diameter impeller original D adalah (I) dan kurva performansi berubah menjadi (I’) setelah diameter impeller ditrimming D’. Hubungan antara titik kerja A,Q,H pada kurva performansi (I) dan titik kerja A’,Q’,H’ pada kurva performansi I’ adalah sebanding karena kecepatan aliran sebelum dan sesudah trimming dianggap sama dan diasumsikan bahwa lebar ruang impeller tidak berubah. Dan untuk itu bisa digunakan persamman sebagai berikut : Q' D' = Q D
2
H ' D' = H D
2
2.10 Faktor-faktor yang menentukan pada pompa 2.10.1 Total Head Tekanan yang dihasilkan oleh pompa dinamakan “total Head”, yang ditunjukan dengan satuan kg/cm2 tetapi pada umumnya digunakan dengan satuan m.
39
Berdasarkan theorem Bernoulli energi total fluida adalah sama dengan jumlah head tekanan,head ketinggian dan head kecepatan (ref 1 hal 3). 2.1 Dimana, H = Head total (m) P = Tekanan (N/m2) γ = Berat jenis zat cair (N/m3) V = Kecepatan (m/s2) G = Grafitasi (m/s2) Z = Head potensial (N/m3) Bila theorema ini di gunakan untuk menghitung head total pompa maka harus diperhitungkan head kerugian akibat gesekan dan rugi rugi turbulensi,maka persamaan tersebut menjadi ( ref 1. Hal 27) H = Ha + Δh + Hls = (Hd +Hs) + (Δhd - Δhs) + Hls atau H= ha + Δhp + hi + hk
2.2
Head tekanan atau head statis 2.3
Head kinetic atau head kecepatan keluar 2.4
Head kerugian pada sistem pemipaan
40
2.5
Head potensial atau head geodetic 2.6
Dimana : H
= Total Head ……….. m.
Hd
= Head discharge yaitu head pada pipa keluaran atau discharge = tinggi actual dari garis senter pipa keluaran pompa (discharge) sampai dengan tinggi keluaran air ….. m.
Hs
= Head suction yaitu head pada pipa hisap atau suction = tinggi aktual dari garis senter pipa hisap pompa sampai dengan tinggi permukaan air … m.
Ha
= Aktual head = perbedaan ketinggian antara tinggi air pada pipa keluaran dan tinggi air pada pipa hisap …….. m.
Δh
= Perbedaan tekanan pada permukaan air suction dan discharge dalam system tertutup = Δhd - Δhs ……… m.
Hls
= Macam-macam kerugian yang disebabkan oleh gesekan pada pipa, gesekan di valve, sambungan, di pipa suction dan pipa discharge ….. m. Untuk kerugian Hls pada pompa kita hitung dengan
V2 = k Q2 , 2g
41
dimana k adalah koefisien dari pipa dan Q adalah debit aliran. Head tekanan, head kecepatan dan head potensial adalah energi mekanik yang dikandung oleh suatu satuan berat ( N ) zat cair (fluida) yang mengalir pada suatu penampang. Satuan energi per satuan adalah ekivalen dengan satuan panjang (tinggi)
2.10.2 Head losses aliran pada sistem pipa Kerugian head aliran dapat digolongkan menjadi dua kelompok yaitu : 1. Kerugian head mayor 2. Kerugian head minor Kerugian head mayor adalah kerugian yang dialami aliran aliran karena adanya gesekan antara fluida dengan permukaan bagian dalam pipa. Kerugian head minor adalah kerugian yang dialami oleh aliran fluida (zat cair) yang diakibatkan karena adanya perubahan penampang, belokan serta adanya katup. 2.10.2.1 Harga kerugian head mayor Harga kerugian head mayor di pengaruhi oleh :
Faktor gesekan f
panjang pipa L (m)
Diameter dalam pipa ID ( m)
Kecepatan rata rata aliran V ( m/s2 )
Secara umum dapat dapat dinyatakan sebagai berikut :
42
dengan formula Darcy : ( Ref.2 hal 16 ) 2.7 dimana f : Friction coeficient L : Pipe length ( m ) D : Diameter dalam pipa ( m ) V : Kecepatan aliran rata rata dalam pipa ( m/s ) g : Percepatan gravitasi ( 9,8 m/s2 ) : Velocity head (m) Kekasaran permukaan ( f ) dalam pipa tergantung pada bahan, nilai kekasaran , material. Sebagai patokan apakah suatu aliran itu termasuk dalam aliran laminer, transisi atau turbulen dapat dipakai bilangan Reynolds ( ref.1 hal 28 ) 2.8 Dimana : Re : Bilangan Reynolds ( tak berdimensi ) v : Kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa ( m/s ) D : Diameter dalam pipa ( m ) v : Viskositas kinematik zat cair ( m2/s ) Re > 2300, aliran bersifat laminer Re < 4000, aliran bersifat turbulent Re = 2300 - 4000, terdapat daerah transisi
43
Harga f sebagai fungsi bilangan Reynolds dan kekasaran permukaan di sajikan dalam bentuk grafis. Harga f di grafikkan oleh moody yang di kenal dengan nama diagram moody, tapi perlu diingat bahwa nilai pada diagram moody diperuntukkan untuk pipa baru yang masih bersih, jika pipa lama faktor gesekan bergantung pada fluida dan tingkat kekasaran pipa karena adanya proses perkaratan pada pipa yang mengakibatkan permukaan dalam pipa menjadi kasar. Untuk pipa yang telah dipakai bertahun tahun, harga kerugian gesek akan menjadi 1,5 sampai 2 kali harga barunya. Moody juga memberikan rumus pendekatanyang memberikan harga koefisien gesekan lebih akurat ( Ref.2 hal.187) : 2.9 Dimana : f : koefisien gesekan ε : nilai kekasaran D : Diameter dalam pipa Re : Bilangan Reynolds 2.10.2.2 Harga kerugian Head Minor ( Hlm ) Harga kerugian head minor akibat adanya perubahan penampang saluran pipa, belokan, percabangan, akibat katup dan lainnya, dinyatakan secara umum (Ref.1 hal 32) 2.10
44
Dimana : f = Koefisien kerugian V = Kecepatan rata rata aliran ( m/s ) g = Percepatan grafitasi ( m/s2 )
Cara menentukan harga f untuk berbagai bentuk transisi pipa akan di perinci seperti dibawah ini : 2.10.2.3 Pada ujung masuk pipa Jika "ʋ" menyatakan kecepatan aliran setelah masuk pipa, maka harga koefisien kerugian f dari rumus 2.10 untuk berbagai bentuk ujung masuk pipa seperti di perlihatkan dalam gambar 2.10.2.3a menurut Weisbach adalah sebagai berikut : ( i ) f = 0,5 ( ii ) f = 0,25 ( iii ) f = 0,06 untuk r kecil - 0,005 untuk r besar ( iv ) f = 0,56 ( v ) f = 3,0 ( untuk sudut tajam ) - 1,3 ( untuk sudut 45° ) ( vi ) f = f1 cos θ + 0,2 cos2 Dimana f1 adalah koefisien bentuk dari ujung masuk dan mengambil harga ( i ) sampai ( v ) sesuai dengan bentuk yang di pakai
45
gbr 2.10.2.3.a berbagai bentuk ujung pipa Bila ujung pipa isap memakai mulut lonceng yang tercelup dibawah permukaan air maka harga f adalah sebagai berikut : ( i ) f = 0,2 ( ii ) f = 0,4
gbr 2.10.2.3.c Koefisien kerugian mulut lonceng yang tercelup dibawah permukaan air. 2.10.2.4 Koefisien kerugian pada belokan pipa Ada dua macam belokan pipa, yaitu belokan lengkung dan belokan patah (mieter atau multipiece bend).
46
Untuk belokan lengkung sering dipakai rumus Fuller dimana f dari persamaan 2.10 dinyatakan sebagai berikut ( Ref.1 hal.34 )
2.11
Dimana : R = Jari jari lengkung sumbu belokan ( m ) D = Diameter dalam pipa ( m ) θ = Sudut belokan ( derajat ) f = Koefisien kerugian Hubungan diatas digambarkan dalam diagram seperti diperlihatkan dalam gambar 2.12.2.4.a
gbr. 2.10.2.4.a Koefisien kerugian pada belokan
Dari percobaan Weisbach di hasilkan rumus yang umum di pakai untuk belokan patah sebagai berikut ( Ref.1 hal.34 )
47
2.12 Dimana : θ = Sudut belokan f = Koefisien kerugian 2.10.2.5 Pembesaran penampang secara gradual Dalam hal ini kerugian dinyatakan sebagai berikut (Ref.1 hal.35 ) : 2.13 Dimana : v1 = Kecepatan rata rata di penampang yang kecil (m/s) v2 = Kecepatan rata rata di penampang yang besar (m/s) f = Koefisien Kerugian g = Percepatan grafitasi , 9,8 m/s2 hf = Kerugian head, m Koefisien kerugian pembesaran penampang secara gradual pada penampang berbentuk di berikan oleh persamaan (ref.1 hal.37)
, Untuk
, Untuk 45°<
≤ 45° dan
≤ 180°
2.14
2.15
Dimana, 2.16
48
Gbr 2.10.2.5.a Pembesaran penampang 2.12.2.6 Pengecilan penampang secara gradual Koefisien kerugian pengecilan penampang secara gradual di berikan oleh persamaan ( ref.1.hal.39)
, Untuk
≤ 45° dan
2.17
, Untuk 45°<
≤ 180°
2.18
Gbr. 2.10.2.6.a Pengecilan penampang secara gradual. 2.10.2.7 Pada Ujung Keluar Pipa Kerugian keluar pada ujung pipa diberikan menurut rumus ( ref.1.hal.39) 2.19 Dimana :
49
f = 1,0 V = Kecepatan rata rata di pipa keluar
Gbr. 2.10.2.7.a Penampang pipa keluar 2.10.2.8 Head di katub ( Valve ) Kerugian pada katup / Valve dapat ditulis sebagai berikut ( ref.1 hal.39 ) 2.20 atau ( ref.4 hal.212 )
Dimana : f = Koefisien kerugian katup k = Resistance Koefisien hf = Kerugian head katup (m)
50
2.12.2.9 Daya Air Energi yang secara efektif oleh air dari pompa persatuan waktu disebut daya air, yang dapat ditulis sebagai ( ref.1hal.53 ): Pw = 0,163ƴQH
2.21
Dimana ƴ = Berat air persatuan volume (kgf/l) Q = Kapasitas ( m3 / min ) H = Head total pompa ( m ) Pw = Daya air ( kW ) atau Pw = ƴQH
2.22
Dimana ƴ dinyatakan dalam kN/m3 dan Q dalam m3/s
2.10.2.10 Shaft Power Pompa (Daya Poros) Shaft power yang dibutuhkan untuk menggerakan sebuah pompa ditentukan oleh sebuah Water Power (Daya Air) yang tergantung pada total head, debit aliran dan effisiensi dari tiap komponen pompa. Perhitungan Water Power / Daya Air ( ref.1hal.53) :
PW = 0.163HQ …… (kW)
2.23
PW = 0.222HQ …… (PS) (konversi satuan)
2.24
Dimana :
PW = Daya air ……. (kW)
51
= berat jenis air …… (ton/m3) untuk air bersih = 1 (ton/m3) untuk air laut = 1.025 (ton/m3) = Head total pompa …… (m)
H Q
= debit aliran / kapasitas ….. (m3/min).
Perhitungan Shaft Power / Daya Pompa ( ref.1hal.53 ) : PW P
PP =
PP =
2.25
0.163HQ
P
2.26
Dimana : PP = Shaft power pompa
P = Effisiensi pompa
Perhitungan Power Penggerak mula ( ref.1hal.58 )
PM =
PP 1
Dimana : PM = Power motor (kW)
= Effisiensi dari unit transmisi Direct coupling …….. = 1.0
2.27
52
Reduksi gear ………. = 0.94 – 0.97 Fluid coupling …….... = 0.96 Flat belt ……………... = 0.9 – 0.93 V-belt ………………... = 0.95
Perhitungan diameter poros 5.1 ds = a
1
3
= 9.74 x 10
5
Pd n
dimana :
ds
= diameter poros (mm)
= momen puntir (kg.mm)
a
= tegangan geser yang diijinkan (kg/mm2)
Pd
= daya yang dipindahkan (kW)
n
= putaran poros (rpm)
2.10.2.11 Effisiensi Pompa Effisiensi pompa adalah perbandingan antara daya air dengan daya poros, yang dapat dipengaruhi oleh :
53
-
Pemilihan kecepatan spesifik
-
Bentuk impeller
-
Bentuk rumah pompa / casing
-
Tipe shaft seal
-
Tipe bearing
-
Debit aliran
Karena adanya kerugian akibat gesekan pada pipa, gesekan pada valve, sambungan, belokan (elbow), reducer, expanser, serta strainer maka effisiensi pompa tidak mungkin mencapai 100%. Tetapi walaupun effisiensi pompa tidak mungkin 100%, kita harus mencoba untuk mendapatkan effisiensi yang maksimum. Dengan effisiensi yang tinggi berarti kita menggunakan sumber daya yang hemat.
2.10.2.12 Kavitasi Kavitasi adalah gejala menguapnya zat cair yang sedang mengalir, karena tekanannya berkurang sampai dibawah tekanan uap jenuhnya. Misalnya, air pada tekanan 1 atmosfir akan mendidih dan menjadi uap jenuh pada temperatur 1000C. Tetapi jika tekanan direndahkan maka air akan mendidih pada temperatur yang lebih rendah. Jika tekanannya cukup rendah maka pada temperatur kamarpun air dapat mendidih. Apabila zat cair mendidih, maka akan timbul gelembung-gelembung uap zat cair. Hal ini dapat terjadi pada zat cair yang sedang mengalir didalam pompa maupun didalam pipa. Tempat-tempat yang bertekanan rendah dan atau yang berkecepatan tinggi didalam aliran, sangat rawan terjadinya kavitasi. Pada pompa misalnya, bagian yang
54
mudah mengalami kavitasi adalah pada sisi isapnya. Kavitasi akan timbul bila tekanan isap terlalu rendah. Untuk menghindari kavitasi pada pompa, diusahakan agar tidak ada satu bagianpun dari aliran di dalam pompa yang mempunyai tekanan statis lebih rendah dari tekanan uap jenuh cairan pada temperatur yang bersangkutan. Untuk itu perlu diperhatikan dua macam tekanan yang memegang peranan. agar tekanan yang ditentukan oleh kondisi lingkungan dimana pompa dipasang, dan agar tekanan yang ditentukan oleh keadaan aliran didalam pompa. Jika pompa mengalami kavitasi, maka akan timbul suara berisik dan getaran, selain itu performansi pompa akan turun secara tiba-tiba, sehingga pompa tidak dapat bekerja dengan baik. Jika pompa dijalankan dalam keadaan kavitasi secara terus menerus dalam jangka yang lama, maka permukaan dinding saluran disekitar aliran yang berkavitasi akan mengalami kerusakan. Permukaan dinding akan termakan sehingga menjadi berlubang-lubang atau bopeng. Peristiwa ini disebut erosi kavitasi, sebagai akibat dari tumbukan gelembung-gelembung uap yang pecah pada dinding secara terus menerus. Untuk itulah timbulnya kavitasi harus dicegah guna menghindari kerugian yang ditimbulkan. Kavitasi pada dasarnya dapat dicegah dengan membuat NPSHa Lebih besar dari NPSHr ,Dalam hal mengecilkan NPSHr dapat dilakukan oleh pabrikan pompa, sedangkan untuk mengecilkan NPSHa diusahakan oleh pemakai pompa. Dalam perencanaan instalasi pompa, hal - hal berikut ini harus di perhitungkan untuk menghindari kavitasi.
55
Ketinggian letak pompa terhadap permukaan zat cair yang diisap harus dibuat serendah mungkin agar head/ketinggian sisi isap statis menjadi rendah pula.
Pipa isap harus dibuat sependek mungkin. Jika terpaksa dipakai pipa isap yang panjang, sebaiknya diambil pipa yang berdiameter satu nomor lebih besar untuk mengurangi kerugian gesek.
Sama sekali tidak dibenarkan untuk memperkecil laju aliran dengan menghambat aliran sisi isap.
Jika pompa mempunyai head total yang berlebihan, maka pompa akan bekerja dengan kapasitas aliran berlebihan pula, sehingga kemungkina akan terjadi kavitasi menjadi lebih besar, Karena itu head pompa total harus ditentukan sedemikian hingga sesuai dengan yang di perlukan pada kondisi operasi yang sesungguhnya.
Bila head total pompa sangat berfluktuasi, maka pada keadaan head terendah harus diadakan pengamanan penuh terhadap terjadinya kavitasi. Namun, dalam beberapa hal terjadinya sedikit kavitasi yang tidak mempengaruhi performansi sering tidak dapat dihindari sebagai akibat dari pertimbangan ekonomis. Dalam hal ini perlu dipilih bahan impeller yang tahan erosi karena kavitasi
56
2.10.2.13 NPSH (Net Positive Suction Head) NPSH (net positive suction head) didefinisikan tekanan pada sisi hisap yang tersisa. NPSH mengukur berapa sisa tekanan pada sisi hisap, yang mana tekanan ini harus diatas tekanan uap pada temperatur air tersebut. Atau dengan kata lain NPSH merupakan ukuran energi yang tersedia pada sisi hisap pompa. Gambar dibawah memperlihatkan NPSH pada permukaan air yang terbuka dan NPSH pada tanki yang tertutup.
Gbr.2.10.2.13a NPSH, bila tekanan atmosfir bekerja pada permukaan air yang diisap.
57
Gbr. 2.10.2.13b NPSH, bila tekanan uap bekerja didalam tangki air isap yang Tertutup. Berdasarkan dengan hal tersebut diatas NPSH atau Head Isap Positive Neto, Yang dipakai sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi. Ada dua macam NPSH yang akan dibahas, yaitu NPSH Available (NPSH yang tersedia), dan NPSH Requirment (NPSH yang diperlukan).
2.10.2.14 NPSH Yang Tersedia NPSH yang tersedia adalah : Head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi isap pompa (ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi isap pompa), dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair ditempat tersebut.
58
Dalam hal pompa yang menghisap zat cair dari tempat terbuka (dengan tekanan Atmosfir pada permukaan zat cair) seperti diperlihatkan dalam Gbr.2.10.2.13a, maka besarnya NPSH yang tersedia dapat ditulis sbb (ref.1hal.44) :
hsv =
Pa
-
Pv - hs - hls
2.28
Di mana :
hsv
: NPSH yang tersedia (m)
Pa
: tekanan Atmosfir (kgf/m2)
Pv
: Tekanan uap jenuh (kgf/m2)
: Berat zat cair per satuan volume (kgf/m3)
hs
: Head isap statis (m)
hs adalah positive (bertanda +) jika pompa terletak diatas permukaan zat cair yang diisap, dan negative (bertanda -) jika dibawah.
hls
: Kerugian head didalam pipa isap (m)
Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa NPSH yang tersedia merupakan tekanan absolut yang masih tersisa pada sisi isap pompa setelah dikurangi tekanan uap. Besarnya hanya tergantung kondisi luar pompa dimana pompa dipasang. Tinggi isap hs biasanya diukur dari permukaan zat cair sampai sumbu poros pompa (untuk
59
pompa dengan poros mendatar) atau sampai pada titik tertinggi pada lubang isap impeller (pada pompa dengan poros tegak). Jika zat cair diisap dari tangki tertutup seperti diperlihatkan dalam Gbr.2.10.2.13b, maka Pa menyatakan tekanan mutlak yang bekerja pada permukaan zat cair didalam tangki tertutup tersebut. Khususnya jika tekanan diatas permukaan zat cair sama dengan tekanan uap jenuhnya, maka Pa = Pv, sehingga persamaannya akan menjadi (ref.1hal.45):
hsv = - hs - hls
2.29
Dalam Gbr.2.12.2.13b hs adalah negative ( - ) karena permukaan zat cair didalam tangki lebih tinggi dari pada sisi isap pompa. Pemasangan pompa semacam ini diperlukan untuk mendapatkan harga hsv (atau NPSH) positive. 2.10.2.15 NPSH Yang Diperlukan Tekanan terendah di dalam pompa biasanya terdapat disuatu titik dekat setelah sisi masuk sudu impeller. Di tempat tersebut, tekanan adalah lebih rendah dari pada tekanan pada lubang isap pompa. Hal ini disebabkan oleh kerugian head di nozzle isap, kenaikan kecepatan aliran karena luas penampang yang menyempit, dan kenaikan kecepatan aliran karena tebal sudu setempat. Jadi, agar tidak terjadi penguapan zat cair, maka tekanan pada lubang masuk pompa, dikurangi penurunan tekanan di dalam pompa, harus lebih tinggi dari pada tekanan uap zat cair. Head tekanan yang besarnya sama dengan penurunan tekanan ini disebut NPSH Yang Diperlukan. Besarnya NPSH yang diperlukan berbeda untuk
60
setiap pompa. Untuk suatu pompa tertentu, NPSH yang diperlukan berubah menurut kapasitas dan putarannya. Agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi, maka harus dipenuhi persyaratan berikut :
NPSH yang tersedia > NPSH yang diperlukan
NPSH yang diperlukan dapat diperoleh dari pabrik pembuat pompa yang bersangkutan. 2.10.2.16 Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik atau biasa disebut ns dapat dipakai sebagai parameter untuk menyatakan jenis pompa. Jadi jika ns suatu pompa sudah ditentukan maka bentuk impeller pompa sudah tertentu pula. Untuk menghitung harga ns untuk pompapompa yang sebangun (atau sama bentuk impellernya), meskipun ukuran dan putarannya berbeda dapat menggunakan persamaan berikut (ref.1hal.46) Q1 ns = n 3 H
2 4
dimana : n : Putaran per detik
Q : Debit aliran (m3/s)
H : Head total pompa (m) di mana n , Q dan H adalah harga –harga pada titik efisiensi pompa.
2.30
61
Dalam menghitung
untuk pompa centrifugal jenis isapan ganda (double
suction) harus dipakai harga Q /2 sebagai ganti Q dalam persamaan diatas, karena debit aliran yang melalui sebelah impeller adalah setengah dari debit aliran keseluruhan. Adapun untuk pompa bertingkat banyak , head H yang dipakai dalam perhitungan ns adalah head per tingkat dari pompa tersebut.
Gbr. 2.10.2.17 ns dan bentuk impeller
Seperti diperlihatkan dalam gambar hubungan harga ns dengan bentuk impeller yang bersangkutan. Disini juga diperlihatkan jenis pompa yang sesuai dengan harga ns yang ada. Sehingga dari gambar tersebut dapat dimengerti bahwa pada dasarnya bentuk impeller ditentukan oleh harga ns -nya.
