BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu fluida dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Klasifikasi Pompa Secara umum pompa dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump). Salah satu jenis pompa Kerja Dinamis adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pada Instalasi Pengolahan Air (IPA), sebagian besar pompa yang digunakan ialah pompa bertipe sentrifugal. Gaya sentrifugal ialah sebuah gaya yang timbul akibat adanya gerakan sebuah benda atau partikel melalui lintasan lengkung (melingkar). Pompa sentrifugal

merupakan

pompa Kerja Dinamis

yang

paling

banyak

digunakan karena mempunyai bentuk yang sederhana dan harga yang relatif murah. Keuntungan pompa sentrifugal dibandingkan jenis pompa

perpindahan

positif

adalah

gerakan impeler yang kontinyu

menyebabkan aliran tunak dan tidak berpulsa, keandalan operasi tinggi disebabkan gerakan elemen yang sederhana dan tidak adanya katup-katup, kemampuan untuk beroperasi pada putaran tinggi, yang dapat dikopel dengan motor listrik, motor bakar atau turbin uap, ukuran kecil sehingga hanya membutuhkan ruang yang kecil, lebih ringan dan biaya instalasi ringan, harga murah dan biaya perawatan murah.

2.1

Prinsip -prinsip dasar pompa sentrifugal Prinsip-prinsip dasar pompa sentrifugal ialah sebagai berikut: •

gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar sehingga kecepatan fluida meningkat

•

kecepatan fluida yang tinggi diubah oleh casing pompa (volute atau diffuser) menjadi tekanan atau head.

Universitas Sumatera Utara

2.2

Klasifikasi Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, antara lain:

1. Kapasitas : •

Kapasitas rendah

: < 20 m3 / jam

•

Kapasitas menengah

: 20-60 m3 / jam

•

Kapasitas tinggi

: > 60 m3 / jam

2. Tekanan Discharge : • Tekanan Rendah

: < 5 Kg / cm2

• Tekanan menengah

: 5 - 50 Kg / cm2

• Tekanan tinggi

: > 50 Kg / cm2

3. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat : • Single stage

: Terdiri dari satu impeller dan satu casing

• Multi stage

: Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun seri dalam satu casing.

• Multi Impeller : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun paralel

dalam satu casing. • Multi Impeller – Multi stage : Kombinasi multi impeller dan multi stage.

4. Posisi Poros : • Poros tegak • Poros mendatar

5. Jumlah Suction : • Single Suction • Double Suction

6. Arah aliran keluar impeller : • Radial flow • Axial flow • Mixed fllow


2.3

Bagian-bagian Utama Pompa Sentrifugal Secara umum bagian-bagian utama pompa sentrifugal dapat dilihat seperti gambar berikut:

Gambar 2.1 Rumah Pompa Sentrifugal 1. Stuffing Box Stuffing Box berfungsi untuk mencegah kebocoran pada daerah dimana poros pompa menembus casing. 2. Packing Digunakan untuk mencegah dan mengurangi bocoran cairan dari casing pompa melalui poros. Biasanya terbuat dari asbes atau teflon. 3. Shaft Shaft/poros berfungsi untuk meneruskan momen puntir dari penggerak selama beroperasi dan tempat kedudukan impeller dan bagian-bagian berputar lainnya. 4. Shaft sleeve Shaft sleeve berfungsi untuk melindungi poros dari erosi, korosi dan keausan pada stuffing box. Pada pompa multi stage dapat sebagai leakage joint, internal bearing dan interstage atau distance sleever.


5. Vane Sudu dari impeller sebagai tempat berlalunya cairan pada impeller. 6. Casing Merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar, tempat kedudukan diffuser (guide vane), inlet dan outlet nozel serta tempat memberikan arah aliran dari impeller dan mengkonversikan energi kecepatan cairan menjadi energi dinamis (single stage). 7. Eye of Impeller Bagian sisi masuk pada arah isap impeller. 8. Impeller Impeller berfungsi untuk mengubah energi mekanis dari pompa menjadi energi kecepatan pada cairan yang dipompakan secara kontiniu, sehingga cairan pada sisi isap secara terus menerus akan masuk mengisi kekosongan akibat perpindahan dari cairan yang masuk sebelumnya. 9. Wearing Ring Wearing ring berfungsi untuk memperkecil kebocoran cairan yang melewati bagian depan impeller maupun bagian belakang impeller, dengan cara memperkecil celah antara casing dengan impeller. 10. Bearing Bearing (bantalan) berfungsi untuk menumpu dan menahan beban dari poros agar dapat berputar, baik berupa beban radial maupun beban axial. Bearing juga memungkinkan poros untuk dapat berputar dengan lancar dan tetap pada tempatnya, sehingga kerugian gesek menjadi kecil. 11. Casing Merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar, tempat kedudukan diffuser (guide vane), inlet dan outlet nozel serta tempat memberikan arah aliran dari impeller dan mengkonversikan energi kecepatan cairan menjadi energi dinamis (single stage).


2.4

Kavitasi Pada sistem pemipaan yang menggunakan pompa sentrifugal sangat

mungkin terjadi kavitasi yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan perbedaan penampang yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan sampai turun di bawah tekanan uap jenuhnya sehingga menyebabkan terjadinya fenomena yang disebut kavitasi. Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam cairan yang sedang mengalir karena tekanan cairannya berkurang sampai di bawah tekanan uap jenuh cairan pada suhu operasi pompa. Gejala kavitasi terjadi karena menguapnya zat cair yang sedang mengalir didalam pompa atau diluar pompa, karena tekanannya berkurang sampai dibawah tekanan uap jenuhnya 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. Pada pompa bagian yang sering mengalami kavitasi adalah sisi isap pompa. Hal ini terjadi jika tekanan isap pompa terlalu rendah hingga dibawah tekanan uap jenuhnya. Gejala kavitasi yang timbul pada pompa biasanya ada suara berisik dan getaran, unjuk kerjanya menjadi turun, kalau dioperasikan dalam jangka waktu lama akan terjadi kerusakan pada permukaan dinding saluran. Permukaan dinding saluran akan berlubang-lubang karena erosi kavitasi sebagai tumbukan gelembung-gelembung yang pecah pada dinding secara terus-menerus dapat dilihat pada gambar 2.2

Gambar 2.2 Proses Kavitasi


2.4.1 Penyebab terjadinya kavitasi pada pompa sentrifugal Pompa sentrifugal mempunyai sifat-sifat teknis yang harus dipenuhi agar dapat beroperasi dengan baik. Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada pompa tipe ini adalah gagalnya pompa dalam proses priming, sehingga pompa tidak bisa mengisap dan akhirnya gagal pemompaan serta menyebabkan kerusakan pada bagian-bagian pompa. Ada beberapa penyebab kavitasi pada pompa sentrifugal diantaranya, adalah : 1. Penguapan (Vaporation) Fluida

menguap

bila

tekanannya

menjadi

sangat

rendah

atau

temperaturnya menjadi sangat tinggi. Setiap pompa sentrifugal memerlukan head (tekanan) pada sisi isap untuk mencegah penguapan. 2. Masuknya Udara Luar ke Dalam Sistem (Air Ingestion) Udara dapat masuk ke dalam sistem melalui beberapa sebab, antara lain : a. Dari packing stuffing box, Ini terjadi jika pompa dari kondensor, evaporator atau peralatan lainnya bekerja pada kondisi vakum. b. Letak valve di atas garis permukaan air (water line). c. Flens (sambungan pipa) yang bocor. d. Tarikan udara melalui pusaran cairan (vortexing fluid). e. Jika 'bypass line' letaknya terlalu dekat dengan sisi isap, hal ini akan menambah suhu udara pada sisi isap. f. Berkurangnya fluida pada sisi isap, hal ini dapat terjadi jika level cairan terlalu rendah. Keduanya, baik penguapan maupun masuknya udara ke dalam system berpengaruh besar terhadap kinerja pompa yaitu pada saat gelembung-gelembung udara itu pecah ketika melewati 'eye impeller' sampai pada sisi keluar (Sisi dengan tekanan yang lebih tinggi). Terkadang, dalam beberapa kasus dapat merusak impeller atau casing. Pengaruh terbesar dari adanya jebakan udara ini adalah berkurangnya kapasitas pompa.


3. Sirkulasi Balik di dalam Sistem (Internal Recirculation) Tempat – tempat yang bertekanan rendah dan atau yang berkecepatan tinggi di dalam aliran, sangat rawan terhadap terjadinya kavitasi. Kavitasi akan timbul bila tekanan isap terlalu rendah. Gelembung uap yang terbentuk dalam proses ini mempunyai siklus yang sangat singkat. Knapp (Karassik dkk, 1976) menemukan bahwa mulai terbentuknya gelembung sampai gelembung pecah hanya memerlukan waktu sekitar 0,003 detik. Gelembung ini akan terbawa aliran fluida sampai akhirnya berada pada daerah yang mempunyai tekanan cairan lebih besar daripada tekanan uap jenuh cairan. Pada daerah tersebut gelembung tersebut akan pecah dan akan menyebabkan shock pada dinding di dekatnya. Cairan akan masuk secara tiba-tiba ke ruangan yang terbentuk akibat pecahnya gelembung uap tadi sehingga mengakibatkan tumbukan. Peristiwa ini akan menyebabkan terjadinya kerusakan mekanis pada pompa.

Gambar 2.3 Kerusakan impeller akibat kavitasi

Satu gelembung memang hanya akan mengakibatkan bekas kecil pada dinding namun bila hal itu terjadi berulang-ulang maka bisa mengakibatkan terbentuknya lubang-lubang kecil pada dinding. Bahkan semua material bisa rusak oleh kavitasi bila dibiarkan terjadi dalam jangka waktu yang lama. Adanya benda asing yang masuk ke dalam pompa akan lebih memperparah kerusakan sebab akan menyebabkan erosi pada dinding impeler. Bagian dari pompa sentrifugal yang paling rawan terkena kavitasi adalah sisi impeler dekat sisi isap yang bertekanan rendah juga tutup impeler bagian depan yang berhubungan dengan sisi isap. Hammit (Karassik dkk, 1976) menemukan hubungan yang rumit antara


kecepatan aliran dengan kerusakan pada pompa akibat kavitasi. Kerusakan tersebut akan meningkat seiring dengan kenaikan kecepatan aliran. Kavitasi yang terjadi pada pompa sentrifugal sangatlah merugikan. Hal-hal yang diakibatkan oleh kavitasi antara lain: terjadinya suara berisik dan getaran (noise and vibration), terbentuknya lubang-lubang kecil pada dinding pipa isap, performansi pompa akan turun, bisa menyebabkan kerusakan pada impeller. Kavitasi sedapat mungkin harus dihindari agar impeler dan komponen-komponen pompa yang lain bisa lebih awet. Cara-cara yang bisa digunakan untuk menghindari terjadinya kavitasi antara lain : Tekanan sisi isap tidak boleh terlalu rendah (pompa tidak boleh diletakkan jauh di atas permukaan cairan yang dipompa sebab menyebabkan head statisnya besar), Kecepatan aliran pada pipa isap tidak boleh terlalu besar (bagian yang mempunyai kecepatan tinggi maka tekanannya akan rendah. Oleh karena itu besarnya kecepatan aliran harus dibatasi, caranya dengan membatasi diameter pipa isap tidak boleh terlalu kecil). Menghindari instalasi berupa belokan-belokan tajam (pada belokan yang tajam kecepatan aliran fluida akan meningkat sedangkan tekanan fluida akan turun sehingga menjadi rawan terhadap kavitasi).

2.5

Pola Aliran Dalam berbagai industri sebagian besar fluidanya mengalir pada pipa-pipa

saluran tertutup (closed conduit flow). Masalah utama yang muncul antara lain: 1. Terjadinya gesekan pada dinding pipa. 2. Terjadinya turbulensi karena gerakan relatif dalam molekul fluida yang dipengaruhi oleh viskositas fluida, kecepatan aliran dan bentuk pipa. 3. Terjadinya fluktuasi aliran akibat pemasangan belokan (elbow) dan pengecilan saluran mendadak (sudden contraction). Dalam suatu aliran yang melewati sistem atau instalasi pipa maka akan terjadi hambatan aliran, hambatan tersebut diakibatkan oleh faktor- faktor bentuk instalasi. Hambatan aliran akan menyebabkan turunnya energy dari fluida tersebut yang sering disebut dengan kerugian tinggi tekan (head loss) atau penurunan tekanan (pressure drop). Kedua faktor ini merupakan pengaruh yang ditimbulkan karena pengaruh gesekan fluida (friction loss) dan perubahan pola aliran terjadi


karena fluida harus mengikuti bentuk saluran dan dindingnya. Ketika pipa utama dialiri fluida yang bersifat turbulen, maka fluida dalam pipa akan mengalami pulsasi atau perubahan pola aliran yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran meningkat dan tekanannya menurun. Salah satu besaran non-dimensional yang menggambarkan pola aliran fluida adalah Bilangan Reynolds. Pada tahun 1883 Osborne Reynolds menunjukkan bahwa penurunan tekanan tergantung pada parameter: kerapatan (ρ), kecepatan (V), diameter (D) dan viskositas dinamik (µ) yang selanjutnya disebut dengan bilangan Reynolds. Aliran fluida dalam pipa yang berbentuk lingkaran terbagi menjadi dua, yaitu aliran laminar dan turbulen. Karakteristik antara kedua aliran tersebut berbedabeda dari segi kecepatan, debit dan massa jenisnya. Bilangan Reynolds dapat mendefinisikan kedua aliran tersebut, dengan persamaan :

Re =

ρ .V .D V .D = µ υ

Dimana: ρ

= Kerapatan massa fluida (kg/m3)

V

= Kecepatan karakteristik (m/s)

d

= Diameter saluran (m)

µ

= Viskositas dinamik (kg/m.s)

2.5.1 Konsep Aliran Konsep masalah aliran fluida dalam pipa adalah: 1. Sistem Terbuka (Open channel) 2. Sistem Tertutup 3. Sistem Seri 4. Sistem Paralel Hal-hal yang diperhatikan : 1. Sifat Fisis Fluida : Tekanan, Temperatur, Masa Jenis dan Viskositas, dimana Viskositas suatu fluida bergantung pada harga tekanan dan temperature. Untuk fluida cair, tekanan dapat diabaikan. Viskositas cairan akan turun dengan cepat bila temperaturnya dinaikkan.


2. Faktor Geometrik : Diameter Pipa dan Kekasaran Permukaan Pipa. 3. Sifat Mekanis : Aliran Laminar, Aliran Transisi, dan Aliran Turbulen, dimana sifat mekanis ini akan dihubungkan terhadap bilangan Reynolds Parameter yang berpengaruh dalam aliran adalah: 1.

Diameter Pipa (D)

2.

Kecepatan (V)

3.

Viskositas Fluida (µ)

4.

Masa Jenis Fluida (ρ)

5.

Laju Aliran Massa (ṁ) Dimana persamaan dalam aliran Fluida adalah: Q = V x A ( Prinsip Kekekalan Massa ) Prinsip Kekekalan Massa adalah laju aliran massa neto didalam elemen

adalah sama dengan laju perubahan massa tiap satuan waktu. 2 V2

dA2 1 dA1

V1

Gambar 2.4 Besarnya massa yang masuk sama dengan yang keluar Massa yang masuk melalui titik 1 = V1 . ρ1 . dA1 = Massa yang keluar melalui titik 2 = V2 . ρ2 . dA2 Oleh karena tidak ada massa yang hilang : V1 . ρ1 . dA1 = V2 . ρ2 . dA2 Pengintegralan persamaan tersebut meliputi seluruh luas permukaan saluran akan menghasilkan massa yang melalui medan aliran : V1 . ρ1 . A1 = V2 . ρ2 . A2 ρ1 = ρ2  Fluida Incompressible. V1 . A1 = V2 . A2 Atau : Q = A .V = Konstan


Persamaan kontinuitas berlaku untuk : 1. Untuk semua fluida (gas atau cairan). 2. Untuk semua jenis aliran (laminar atau turbulen). 3. Untuk semua keadaan (steady dan unsteady) 4. Dengan atau tanpa adanya reaksi kimia di dalam aliran tersebut. Persamaan Momentum : Momentum suatu partikel atau benda : perkalian massa (m) dengan kecepatan (v). Partikel-partikel aliran fluida mempunyai momentum. Oleh karena kecepatan aliran berubah baik dalam besarannya maupun arahnya, maka momentum partikel-partikel fluida juga akan berubah. Menurut hukum Newton II, diperlukan gaya untuk menghasilkan perubahan tersebut yang sebanding dengan besarnya kecepatan perubahan momentu Untuk menentukan besarnya kecepatan perubahan momentum di dalam aliran fluida, dipandang tabung aliran dengan luas permukaan dA seperti pada gambar berikut : Y V2

X Z V1

Gambar 2.5 Tabung Aliran

2.5.2 Klasifikasi Pola Aliran Banyak kriteria yang dapat digunakan untuk mengklasifikasikan fluida sebagai contoh aliran dapat digolongkan sebagai aliran steady atau unsteady, satu, dua atau tiga dimensi, seragam atau tidak seragam, laminar atau turbulen dan dapat mampat atau tiduk dapat mampat. Selain itu, aliran gas ada yang subsonik, transonic, supersonik atau hipersonik, sedangkan zat cair yang mengalir disaluran terbuka ada yang subkritis, kritis atau superkritis.


Namun secara garis besar dapat dibedakan atau dikelompokkan jenis aliran adalah sebagai berikut: 1. Aliran tunak (steady) : suatu aliran dimana kecepatannya tidak terpengaruh oleh perubahan waktu, sehingga kecepatan konstan pada setiap titik (tidak mernpunyai percepatan) 2. Aliran seragam (uniform) : suatu aliran yang tidak terjadi perubahan baik besar maupun arah, dengan kata lain tidak terjadi perubahan kecepatan dan penampang Iintasan 3. Tidak tunak :suatu aliran dimana terjadi pembahan kecepatan terhadap waktu. 4. Aliran tidak seragam (non uniform) : suatu aliran yang dalarn kondisi berubah baik kecepatan maupun penampang berubah. Pola aliran pada pipa horizontal, ada efek kekuatan gravitasi untuk menggantikan cairan yang lebih berat mendekati pipa bagian bawah. Bentuk lain dari pola aliran dapat bertambah karena efek ini, dimana aliran tersebut dibagi dua lapisan. Banyak kriteria pola aliran yang kita perhatikan baik dari literature dan penelitian-penelitian, tetapi maksud dan tujuannya adalah sama. Deskripsi pola aliran menurut Collier (1980), dengan arah aliran horizontal

adalah sebagai

berikut: 1. Aliran gelembung (Bubble flow) 2. Aliran kantung gas atau sumbat cairan (Plug/Slug flow) 3. Aliran acak (Churn flow) 4. Aliran cicin kabut tetes cairan ( Wispy-Annular flow) 5. Aliran cincin (Annular flow)


Aliran gelembung

Aliran kantung gas

Aliran srata licin

Aliran srata gelombang

Aliran sumbat liquid

Aliran cincin

Gambar 2.6 Pola aliran pada pipa horizontal

Gambar 2.7 Klasifikasi Pola aliran berdasarkan Reynolds Number ( Chi-2009)


2.5.3 Pola aliran Von Karman’s Theodore von Karman, (1963), telah menguji aliran fluida disekitar silinder dengan menggunakan serbuk aluminium. Dia mendapatkan di belakang silinder terbentuk wake, dan peluruhan vorteks, yaitu dua baris 0vortex yang berlawanan arah terbentuk dibelakang silinder. Dia menyatakan bahwa peluruhan vortex tersebut tidak stabil sehingga menimbulkan fluktuasi aliran, fenomena tersebut dinyatakan sebagai wake drag. Bila bilangan Reynolds bertambah maka wake cendrung tidak stabil dimana akan berlanjut terjadinya fenomena vortex (pusaran air).

Gambar 2.8 Pola aliran Von Karman’s

2.6

Aliran Fluida Aliran fluida (cairan atau gas) di dalam sebuah saluran tertutup atau pipa

sangat penting di dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa komponen dasar yang berkaitan dengan sistem perpipaan adalah meliputi pipa-pipa itu sendiri, sambungan pipa (fitting) yang digunakan untuk menyambung masing-masing pipa guna membentuk sistem yang diinginkan, peralatan pengatur laju aliran (katup-


katup) dan

pompa-pompa atau turbin-turbin yang menambah energi atau

mengambil energi dari fluida. Pada aliran fluida di dalam pipa, lapisan fluida pada dinding mempunyai kecepatan nol. Lapisan fluida pada jarak yang semakin jauh dari dinding pipa mempunyai kecepatan yang semakin besar, dengan kecepatan maksimum terbesar terjadi pada pusat pipa.

Gambar 2.9 Daerah masuk aliran sedang berkembang dan aliran berkembang penuh di dalam sebuah sistem pipa.

2.6.1 Aliran Laminar dan Turbulen Perbandingan gaya-gaya yang disebabkan oleh gaya inersia, grafitasi dan kekentalan dikenal sebagai bilangan Reynolds ditulis sebagai berikut:

Re =

Dimana : V

ρ .V .D µ

= Kecepatan rata-rata aliran (m/s)

D

= Diameter pipa (m)

ρ

= Massa jenis fluida (kg/m3)

µ

= Viscositas dinamik (m2/s)


Aliran fluida mengikuti bentuknya, sewaktu mengalir aliran fluida membentuk suatu jenis/bentuk jenis dan bentuk dari pergerakan fluidanya. Dalam hal ini, jika nilai Re kecil, partikel-partikel fluida bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus atau lapisan-lapisan dengan satu lapisan meluncur secara mulus pada lapisan yang bersebelahan yang dikenal sebagai aliran laminar, sedangkan jika partikelpartikel fluida bergerak secara acak (random) baik arahnya maupun kecepatannya tidak terdapat garis edar tertentu yang dapat dilihat, aliran ini disebut aliran turbulen.

(a)

(b)

Gambar 2.10 (a) Aliran laminer, (b) Aliran turbulen

2.7

Getaran Mekanis Analisa getaran merupakan salah satu alat yang sangat bermanfaat sebagai

prediksi awal terhadap adanya masalah pada mekanikal, elektrikal dan proses pada peralatan, mesin-mesin dan sistem proses yang kontinu di pabrik atau industri. Indikator yang baik untuk menentukan apakah suatu peralatan yang berputar dalam kondisi baik adalah vibrasi, semangkin kecil nilai suatu vibrasi semakin baik peralatan tersebut, sebaliknya apabila suatu peralatan yang berputar mempunyai getaran (vibrasi) yang besar atau tinggi maka kondisi peralatan tersebut cukup rawan. Oleh karena itu, suatu peralatan yang berputar sebaiknya memiliki suatu nilai getaran standart dan batasan getaran yang diperbolehkan (dibuat oleh pabrik pembuatan peralatan tersebut), sehingga apabila nilai getaran yang terjadi diluar batasan yang diizinkan maka peralatan tersebut harus menjalani tindakan perawatan (perbaikan).


2.7.1 Karakterisristik getaran Getaran secara teknis didefinisikan sebagai gerak osilasi dari suatu objek terhadap posisi awal/diam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11 jika suatu massa digerakkan, maka benda tersebut akan bergerak keatas dan ke bawah secara berulang diantara batas atas dan bawah. Gerakan massa dari posisi awal menuju atas dan bawah lalu kembali keposisi semula, dan akan melanjutkan geraknya disebut sebagai satu siklus getar. Waktu yang dibutuhkan untuk satu siklus disebut sebagai periode getaran. Jumlah siklus pada suatu selang waktu tertentu disebut sebagai frekuensi getaran dan dinyatakan dalam Hertz (Hz).

Gambar 2.11 Sistem getaran sederhana

Frekuensi adalah salah satu karakteristik dasar yang digunakan untuk mengukur dan menggambarkan getaran. Karakteristik lainnya yaitu perpindahan, kecepatan dan percepatan. Setiap karakteristik ini menggambarkan tingkat getaran, hubungan karakteristik ini dapat dilihat pada Gambar 2.12. Perpindahan (displacement) mengindikasikan berapa jauh suatu objek bergetar, kecepatan (velocity) mengindikasikan berapa cepat objek bergetar dan percepatan (acceleration) suatu objek bergetar terkait dengan gaya penyebab getaran. Satuan yang digunakan tiap karakteristik dapat dilihat pada Tabel 2.4. Untuk keperluan pemantauan kondisi dan diagnosis, pengolahan sinyal getaran dilakukan dalam time domain dan frekuensi domain.


Gambar 2.12 Hubungan antara perpindahan, kecepatan dan percepatan getaran Tabel 2.1 Karakteristik dan satuan getaran Satuan Karakteristik Getaran

Percepatan

Metrik

microns peak-to peak (1µm=0.001mm)

Kecepatan

mm/s

Percepatan

G

Frekuensi

British

mils peak-to-peak (0.001 in)

in/s

G

(1g = 980 cm/s2)

(1g = 5386 in/s2)

cpm, cps, Hz

cpm, cps, Hz

(Sumber: Maintenance Engineering Handbook)

Pada beberapa kasus seperti getaran pipa aliran akibat turbulensi yang terhantam dinding pipa, maka gaya yang timbul akibat fluida tidak tergantung dari perubahan kecil dari posisi strukturnya terhadap fluida. Dalam permasalahan getaran akibat aliran fluida (pola aliran) , faktor kondisi aliran dan kondisi struktur sangat berpengaruh terhadap bentuk getaran yang terjadi.


2.7.2 Sinyal Getaran (Vibrasi) Indikator yang baik untuk menentukan apakah suatu peralatan yang berputar dalam kondisi baik adalah vibrasi, semakin kecil nilai suatu vibrasi semakin baik peralatan tersebut, sebaliknya apabila suatu peralatan yang berputar mempunyai getaran (vibrasi) yang besar atau tinggi maka kondisi peralatan tersebut cukup rawan. Oleh karena itu, suatu peralatan yang berputar sebaiknya memiliki suatu nilai getaran standart dan batasan getaran yang diperbolehkan (dibuat oleh pabrik pembuatan peralatan tersebut), sehingga apabila nilai getaran yang terjadi diluar batasan yang diizinkan maka peralatan tersebut harus menjalani tindakan perawatan (perbaikan).

2.7.3 Gerak harmonik Gerak osilasi dapat berulang secara teratur. Jika gerak itu berulang dalam selang disebut waktu yang sama, maka geraknya disebut gerak periodik. Waktu pengulangan τ disebut dengan periode osilasi dan kebalikannya, f = 1/ τ disebut frekuensi. Jika gerak dinyatakan dalam fungsi waktu x(t), maka setiap gerak periodik harus memenuhi hubungan (t) = x (1+ τ ). Secara umum, gerak harmonik dinyatakan dengan persamaan:

x = A.Sin 2π

t

τ

dimana A adalah amplitudo osilasi yang diukur dari posisi setimbang massa, dan τ adalah periode dimana gerak diulang pada t = τ. Gerak harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan tetap pada suatu garis lurus, seperti terlihat pada Gambar 2.14. Dengan kecepatan sudut garis OP sebesar ω, perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai:

x = A.Sinϖt Besaran ω biasanya diukur dalam radian per detik dan disebut frekuensi lingkaran. Oleh karena gerak berulang dalam 2π radian, maka didapat hubungan:

ϖ =

2π = 2πf t


dengan τ dan f adalah periode dan frekuensi gerak harmonik berturut-turut dan biasanya diukur dalam detik dan siklus per detik. Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh secara mudah dengan diferensiasi simpangan gerak harmonik. Dengan menggunakan notasi titik untuk turunannya, maka didapat:

x = ϖA cosϖt = ϖA sin(ϖt +

π

) 2 x = −ϖA sin ϖt = ϖ 2 A sin(ϖt + π )

Gambar 2.13 Gerak Harmonik Sebagai Proyeksi Suatu titik yang bergerak pada Lingkaran

2.7.4 Gerak periodik Pada getaran biasanya beberapa frekuensi yang berbeda ada secara bersama-sama. Sebagai contoh, getaran dawai biola terdiri dari frekuensi dasar f dan semua harmoniknya 2f, 3f, dan seterusnya. Contoh lain adalah getaran bebas sistem dengan banyak derajat kebebasan, dimana getaran pada tiap frekuensi natural memberi sumbangannya. Getaran semacam ini menghasilkan bentuk gelombang kompleks yang diulang secara periodik seperti Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Gerak Periodik dengan Periode τ


2.7.5 Getaran bebas (free vibration) Getaran bebas terjadi jika sistem berosilasi karena bekerjanya gaya yang ada dalam sistem itu sendiri (inherent) dan apabila tidak ada gaya luar yang bekerja. Sistem yang bergetar bebas akan bergetar pada satu atau lebih frekuensi naturalnya yang merupakan sifat dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa dan kekakuannya.

Gambar 2.15 Sistem Pegas-Massa dan Diagram Benda Bebas

Hukum Newton kedua adalah dasar pertama untuk meneliti gerak sistem, pada Gambar 2.15 perubahan bentuk pegas pada posisi kesetimbangan adalah Δ dan gaya pegas kΔ adalah sama dengan gaya gravitasi w yang bekerja pada massa m.

k∆ = w = mg Hukum Newton kedua untuk gerak diterapkan pada massa m:

mx = ΣF = w − k ( ∆ + x ) dan karena kΔ=w,diperoleh:

mx = − kx frekuensi lingkaran ϖ n

2

=

k , sehingga persamaan dapat ditulis: m x + ϖ n 2 x = 0

sehingga persamaan umum persamaan diferensial linier orde kedua yang homogen:


x = A sin ϖ n t + B cosϖ n t = 0 Perioda natural osilasi dibentuk dari ϖ nτ = 2π , atau

m k

τ = 2π dan frekuensi natural adalah:

fn =

1

τ

= 2π

m k

2.7.6 Getaran paksa (forced vibration) Getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar disebut getaran paksa seperti pada Gambar 2.16. Eksitasi ini biasanya dihasilkan oleh ketidak seimbangan pada mesin-mesin yang berputar.

Gambar 2.16 getaran paksa Gambar 2.16 Sistem yang Teredam Karena Kekentalan Dengan Eksitasi Harmonik, Persamaan diferensial geraknya adalah:

mx + cx + kx = F0 sin ϖt Solusi khusus persamaan diatas adalah keadaan tunak

(steady state) dengan

frekuensi ω yang sama dengan frekuensi eksitasi. Solusi khusus dapat diasumsikan berbentuk:

x = X sin(ϖt − φ ) dengan A adalah amplitudo osilasi dan ф adalah beda fase simpangan terhadap gaya eksitasi. Sehingga diperoleh:

A=

Fo ( k − mω 2 ) 2 + (cϖ ) 2


dan

φ = tan −1

cϖ k − mϖ

2

Dengan membagi pembilang dan penyebut persamaan diatas dengan k, diperoleh:

A=

Fo k mω 2 2 cϖ 2 (1 − ) +( ) k k

cϖ k tan φ = mϖ 2 1− ( ) k Persamaan-persamaan di atas selanjutnya dapat dinyatakan dalam besaran-besaran berikut:

ϖ =

k = frekuensi natural osilasi tanpa redaman m C e = 2mϖ n = redaman kritis

ς =

C = faktor redaman Ce

Cϖ Cϖ C ϖ = = e = 2ς k Ce k ϖn Jadi persamaan amplitude dan fasa yang non-dimensional menjadi:

Xk = Fo

1  ϖ 2 ) 1 − ( ϖ n  

2

 ϖ  + 2ς ( ϖ n  

2

ϖ   2ς  ϖ  n tan φ = 2 ϖ   1 −  ϖ n 


2.7.7 Standart Vibrasi Pompa Sentrifugal Sampai saat ini sangat sulit untuk mendapatkan standart vibrasi untuk pompa sentrifugal,bahkan pabrikan pembuat pompa tidak dapat memberikan standar vibrasi dari pompa buatanya.Demikian juga dengan vibrasi yang timbul akibat kesalahan perencanaan dan pengoperasian,seperti tinggi tekan dan kapasitas pompa jauh lebih besar dari tinggi tekan sistem atau instalasi.Sehingga pengoperasian yang dilakukan dengan mengatur secara paksa tinggi tekan dan kapasitas yang akan menimbulkan vibrasi yang besar.Berdasarkan standart ISO 10816-3 untuk standart vibrasi,memberikan batasan-batasan vibrasi berdasarkan kecepatan (velocity) yang dikategorikan dalam beberapa zona dan warna seperti ditunjukkan pada gambar 2.17. Velocity 10-1000Hz>600rpm 2-1000Hz>120rpm

11 7.1 4.5 3.5 2.8 2.3

`

1.4 0.71 x 10-5m/s Rigid

flexible

rigid

flexible

rigid

flexible

rigid

flexible

pumps > 15 KW

medium size machine

large machine

radial,axial,mixed flow

15 KW
300KW
motors

motors

160mm
315
Group 2

Group 1

integrated driver

Group 4

external driver

Group 3

FOUNDATION

MACHINE TYPE

Group

Gambar 2.17 Standart ISO 10816-3 untuk vibrasi


Dari gambar 2.17 dapat dilihat bahwa sesuai dengan standart vibrasi ISO 10816-3 untuk vibrasi dikategorikan kepada 4 zona yaitu: a. Zona A berwarna hijau,vibrasi dari mesin sangat baik dan dibawah vibrasi yang diijinkan. b. Zona B berwarna hijau muda,vibrasi dari mesin baik dan dapat dioperasikan karena masih dalam batas yang diizinkan. c. Zona C berwarna kuning,vibrasi dari mesin dalam batas toleransi dan hanya dioperasikan dalam waktu terbatas. d. Zona D berwarna merah,vibrasi dari mesin dalam batas berbahaya dan dapat terjadi kerusakan sewaktu-waktu.

2.8

Pengolahan data vibrasi

2.8.1 Data domain waktu (time domain) Pengolahan data time domain melibatkan data hasil pengukuran objek pemantauan sinyal getaran, tekanan fluida kerja, temperatur fluida kerja maupun aliran fluida kerja. Dalam kasus pengukuran temperatur dengan thermometer yang konvensional karena karakteristik alat ukurnya, maka tidak dapat dilakukan pengukuran temperatur secara dinamik. Demikian pula halnya dengan pengukuran aliran fluida kerja, sehingga untuk memungkinkan pengukuran objek pemantauan berupa sinyal dinamik, maka diperlukan sensor yang memiliki karakteristik dinamik tertentu.

Gambar 2.18 Karakteristik Sinyal Statik dan Dinamik Hasil pengukuran objek pemantauan dalam domain waktu seperti Gambar 2.18 dapat berupa sinyal:


1. Sinyal statik, yaitu sinyal yang karakteristiknya (misal: amplitudo, arah kerjanya) tidak berubah terhadap waktu. 2. Sinyal dinamik, yaitu sinyal yang karakteristiknya berubah terhadap waktu, sehingga tidak konstan. Sinyal dinamik yang sering ditemui dalam praktek berasal dari sinyal getaran, baik yang diukur menggunakan accelerometer, vibrometer, maupun sensor simpangan getaran. Untuk keperluan pengolahan sinyal getaran dalam

time

domain, perlu diperhatikan karakteristik sinyal getaran yang dideteksi oleh masing-masing

sensor

acceleration,

kecepatan,

dan

simpangan

getaran

(displacement).

2.8.2 Data domain frekuensi (frequency domain) Pengolahan data frequency domain umumnya dilakukan dengan tujuan: a.

Untuk memeriksa apakah amplitudo suatu frequency domain dalam batas yang diizinkan oleh standart

b.

Untuk memeriksa apakah amplitudo untuk rentang frekuensi tertentu masih berada dalam batas yang diizinkan oleh standart.

c.

Secara

Untuk tujuan keperluan diagnosis

konseptual,

pengolahan

frequency

domain

dilakukan

dengan

mengkonversikan data time domain ke dalam frequency domain.

Dalam

praktiknya proses konversi ini dilakukan menggunakan proses Transformasi Fourier Cepat seperti terlihat pada Gambar 2.19.

Gambar 2.19 Hubungan Time Domain dengan Frequency Domain


`Data domain waktu merupakan respon total sinyal getaran, sehingga karakteristik masing-masing sinyal getarannya tidak terlihat jelas. Dengan bantuan konsep deret Fourier, maka sinyal getaran ini dapat dipilah-pilah menjadi komponen dalam bentuk sinyal sinus yang frekuensinya merupakan frekuensifrekuensi dasar dan harmoniknya. 2.9

Kerangka Konsep Sejalan dengan rumusan masalah dan tujuan yang ingin dicapai, maka

konsep pemecahan masalah dalam kegiatan penelitian eksperimen ini dijabarkan secara terstruktur dalam diagram konseptual penelitian, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.20 Permasalahan : Fenomena kavitasi pada pompa sentrifugal dengan menggunakan parameter sinyal getaran didalam rumah pompa

Instrumen: - Thermometer thermocouple - Manometer - Gate valve - Vibrometer

Eksperimen: Variabel yang diamati dalam penelitian:

Metode: Pengujian kavitasi Pada pompa sentrifugal

- Kapasitas pompa sesuai dengan variasi katup - Simpangan (displacement) - Kecepatan (velocity) - Percepatan (acceleration)

Inslatasi: Pompa Sentrifugal KSB Type A32-160

- Bilangan reynold - Pola aliran

Data : Diperoleh data terjadinya fenomena kavitasi pada pompa akibat variasi penutupan Katup, dengan indikasi kenaikan/penurunan respon getaran pada rumah pompa.

Analisis Data: Analisa fenomena kavitasi pada pompa

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2.20 Kerangka Konsep Penelitian


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents