BAB II TINJAUAN PUSTAKA

5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin - mesin fluida Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis poros menjadi energi potensial atau sebaliknya mengubah energi fluida ( energi kinetik dan energi potensial ) menjadi energi mekanik poros. Dalam hal ini fluida yang simaksud berupa cair, gas dan uap. Secara umum mesin - mesin fluida dapat dibagi menjadi dua bagian besar, yaitu : 1. Mesin Tenaga yaitu mesin fluida yang berfungsi mengubah energi fluida ( energi potensial dan energi kinetik ) menjadi energi mekanis poros. Contoh : turbin, kincir air, dan kincir angin. 2. Mesin kerja yaitu mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis poros menjadi energi fluida ( energi potensial dan energi kinetik ). Contoh : pompa, kompresor, kipas ( fan ).

2.2 Pengertian Pompa Pompa adalah salah satu mesin fluida yang termasuk dalam golongan mesin kerja. Pompa berfungsi untuk memindahkan zat cair dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi karena adanya perbedaan tekanan.

Universitas Sumatera Utara

6

2.3 Klasifikasi Pompa Secara umum pompa ada dikasifikasikan dalam dua jenis kelompok besar yaitu : 1. Pompa Tekanan Statis 2. Pompa Tekanan Dinamis ( Rotodynamic Pump )

2.3.1 Pompa Tekanan Statis Pompa jenis ini bekerja dengan menggunakan prinsip memberi tekanan secara periodik pada fluida yang terkurung dalam rumah pompa. Pompa ini dibagi menjadi dua jenis. a. Pompa Putar ( rotary pump ) Pada pompa putar, fluida masuk melalui sisi isap, kemudian dikurung di antara ruangan rotor, sehingga tekanan statisnya naik dan fluida akan dikeluarkan melalui sisi tekan. Contoh tipe pompa ini adalah : screw pump, gear pump dan vane pump

Gambar 2.1. Pompa Roda gigi dan Pompa ulir b. Pompa Torak ( Reciprocating Pump ) Pompa torak ini mempunyai bagian utama berupa torak yang bergerak bolak-balik dala 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 ini adalah : pompa diafragma dan pompa plunyer.


7

Gambar 2.2. Pompa Diafragma 2.3.2 Pompa Tekanan Dinamis Pompa tekanann dinamis disebut juga rotodynamic pump, turbo pump atau impeller pump. Pompa yang termasuk dala 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 berasal 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 pengarah atau dalam rumah pompa. Adapun bagian-bagian utama pompa sentrifugal adaah poros, impeler dan rumah pompa (gambar 2.3).


8

Gambar 2.3. Bagian-bagian utama pompa sentrifugal Pompa tekanan dinamis dapat dibagi berdasarkan beberapa kriteria berikut, antara lain : a. Klasifikasi menurut jenis impeler 1. 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 besar.

Gambar 2.4. Pompa Sentrifugal


9

2. Pompa Aliran Campur Pompa ini menggunakan impeler jenis aliran capur (mixed flow), seperti pada gambar 2.5. Aliran keluar dari impeler sesuai dengan arah bentuk permukaan kerucut rumah pompa.

Gambar 2.5. Pompa aliran campur 3. Pompa Aliran Aksial Pompa ini menggunakan impeler jenis aksial dan zat cair yang meninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan silinder rumah pompa kearah luar. Konstruksinya mirip dengan pompa aliran campur kecuali bentuk impeler dan bentuk difusernya.


10

Gambar 2.6. Pompa aliran aksial b. Klasifikasi menurut bentuk rumah pompa 1. 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. 2. Pompa Difuser Konstruksi ini dilengkapi dengan sudu pengarah (diffuser) di sekeliling saluran impeler (gambar 2.7). Pemakain diffuser ini akan memperbaiki efisiensi pompa. Difuser ini sering digunakan pada pmopa bertingkat banyak dengan head yang tinggi.

Gambar 2.7. Pompa diffuser


11

3. Pompa Vortex Pompa ini mempunyai aliran campur dan sebuah rumah volut seperti pada gambar 2.8. Pompa ini tidak menggunakan difuser, namun memakai saluran yang lebar. Dengan demikian pompa ini tidak mudah tersumbat dan cocok untuk pemakaian pada pengolahan cairan limbah.

Gambar 2.8. Pompa Vortex c. Klasifikasi menurut jumlah tingkat 1. 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. 2. Pompa bertingkat banyak Pompa ini menggunakan lebih dari satu impeler yang dipasanag berderet pada satu poros (gambar 2.9). Zat cair yang keluar dari impeler tingkat pertama akan diteruskan ke impeler tingkat kedua dan seterusnya hingga tingkat terakhir. Head total pompa merupakan penjumlahan head yang dihasilkan oleh masing - masing impeler. Dengan demikian head total pompa ini relatif tinggi dibanding dengan pompa satu tingkat, namun konstruksinya lebih rumit dan besar.


12

Gambar 2.9. Pompa bertingkat banyak

d. Klasifikasi menurut letak poros 1. Pompa poros mendatar Pompa ini mempunyai poros dengan posisi horizontal (gambar 2.4 s/d 2.9), pompa jenis ini memerlukan tempat yang relatif lebih luas. 2. Pompa jenis poros tegak Poros pompa ini berada pada posisi vertikal, seperti terlihat pada gambar 2.10. Poros ini dipegang di beberapa tempat sepanjang pipa kolom utama bantalan. Pompa ini memerlukan tempat yang relatif kecil dibandingkan dengan pompa poros mendatar. Penggerak pompa umumnya diletakkan di atas pompa.

Gambar 2.10. Pompa aliran campur poros tegak


13

e. Klasifikasi menurut belahan rumah 1. Pompa belahan mendatar Pompa ini mempuyai belahan rumah yang dapat yang 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.

Gambar 2.11. Pompa jenis belahan mendatar 2. 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 dengan pompa-pompa dengan poros tegak dimana bagianbagian yang berputar dapat dibongkar ke atas sepanjang poros. 3. Pompa jenis berderet Jenis ini terdapat pada pompa bertingkat banyak, dimana rumah pompa terbagi oleh bidang-bidang tegak lurus poros sesuai dengan jumlah tingkat yang ada.

f. Klasifikasi menurut sisi masuk impeler 1. Pompa isapan tunggal Pada pompa ini fluida masuk dari sisi impeler. Konstruksinya sangat sederhana, sehingga sangat sering digunakan untuk kapasitas yang relatif kecil. Adapun bentuk konstruksinya terlihat pada gambar 2.4 s/d 2.10. 2. 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


14

tunggal yang dipasang bertolak belakang dan dipasang beroperasi secara paralel. 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 besar.

Gambar 2.12. Pompa isapan ganda

2.4 Unit Penggerak Pompa Umumnya unit penggerak pompa terdiri dari tiga jenis yaitu: a. Motor bakar b. Motor listrik, dan c. Turbin Penggerak tipe motor bakar dan turbin sangat tidak ekonomis untuk perencanaan pompa karena konstruksinya berat, besar dan memerlukan sistem penunjang misalnya sistem pelumasan, pendinginan dan pembuangan gas hasil pembakaran. Sistem penggerak motor listrik lebih sesuai dimana konstruksinya kecil dan sederhana, sehingga dapat digabungkan menjadi satu unit kesatuan dalam rumah pompa. Faktor lain yang membuat motor ini sering digunakan adalah karena murah dalam perawatan dan mampu bekerja untuk jangka waktu yang relatif lama dibanding penggerak motor bakar dan turbin.


15

2.5 Dasar-dasar Pemilihan Pompa Dasar

pertimbangan

pemilihan

pompa,

didasarkan

pada

sistem

ekonomisnya, yakni keuntungan dan kerugian jika pompa tersebut digunakan dan dapat memenuhi kebutuhan pemindahan fluida sesuai dengan kondisi yang direncanakan. Yang perlu diperhatikan dalam pemilihan jenis pompa adalah fungsi terhadap instalasi pemipaan, kapasitas, head, viskositas, temperature kerja dan jenis motor penggerak. Kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini adalah: a. Kapasitas dan head pompa harus mampu dipenuhi. b. Fluida yang mengalir secara kontinu. c. Pompa yang dipasang pada kedudukan tetap. d. Konstruksi sederhana. e. Mempunyai efisiensi yang tinggi. f. Harga awal relatif murah juga perawatannya. Melihat dan mempertimbangkan kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini, maka dengan mempertimbangkan sifat pompa dan cara kerjanya, dipilih pompa sentrifugal dalam perencanaan ini, karena sesuai dengan sifat pompa sentrifugal, yakni : a. Aliran fluida lebih merata. b. Putaran poros dapat lebih tinggi. c. Rugi-rugi transmisinya lebih kecil karena dapat dikopel langsung dengan otor penggerak. d. Konstruksinya lebih aman dan kecil. e. Perawatannya murah.

2.6 Head Pompa Head pompa adalah energi yang diberikan ke dalam fluida dalam bentuk tinggi tekan. Dimana tinggi tekan merupakan ketinggian fluida harus naik untuk memperoleh jumlah energi yang sama dengan yang dikandung satu satuan bobot fluida pada kondisi yang sama. Untuk lebih jelasnya perhitungan dari head pompa dapat dilihat pada gambar 2.13 berikut ini.


16

Gambar 2.13. Prinsip hukum Bernoulli Pada gambar ini terdapat dua buah titik dengan perbedaan kondisi letak, luas penampang, tekanan serta kecepatan aliran fluida. Fluida kerja mengalir dari kondisi pertama (titik 1) ke kondisi yang kedua (titik 2), aliran ini disebabkan oleh adanya suatu energi luar

. Energi luar ini terjadi

merupakan perbedaan tekanan yang terjadi pada kedua kondisi operasi (titik 1 dan 2), atau

=(

- ).Q

Sedangkan pada setiap kondisi tersebut terdapat juga suatu bentuk energi, yaitu energi kinetik (Ek) dan energi potensial (Ep) atau dapat dituliskan sebagai berikut : -

Untuk titik 1 : Energi yang terkandung E1 = Ek1 + Ep1 =

-

m1.

+ m1.g.h1

Untuk titik 2 : Energi yang terkandung E2 = Ek2 + Ep2 =

m2.

+ m2.g.h2

Dan hubungan dari kondisi kerja ini adalah Eo = E2 - E1, atau dapat dituliskan:

Dimana :

(P2-P1).Q = [

m2.

+ m2.g.h2] - [

(P2-P1).Q =

{( m2.

) - (m1.

m1.

+ m1.g.h1]

) + (m2.g.h2) - (m1.g.h1) }……(1)

Q = A . V = Konstan M=ρ.A.V

, dimana ρ1 = ρ2

Sehingga persamaan (1) di atas dapat dituliskan sebagai berikut : (P2-P1)A.V = (P2-P1)

=

[(ρ.A.V3)2 - (ρ.A.V3)1] + ρ.A.V.g(h2 - h1) ρ(

-

) + ρ.g(h2-h1)……………………………..(2)


17

Jika ρ (kg/m3) . g (m/s2) = γ (N/m3), maka persamaan (2) dapat disederhanakan menjadi : =

+ ( h2-h1 )

Atau persamaan untuk mencari head pompa digunakan hukum Bernoulli yaitu : +

+ Z1 + Hp =

HP =

+

+

+ Z2 + HL

Maka :

Dimana :

+ Z2 - Z1 + HL

adalah perbedaan head tekanan. adalah perbedaan head kecepatan Z2 - Z1 adalah perbedaan head potensial HL

adalah kerugian head ( head losses )

Dari rumus di atas dapat dilihat bahwa head total pompa diperoleh dengan menjumlahkan head tekanan, head kecepatan, head potensial, dan head losses yang timbul dalam instalasi pompa. Sementara head losses sendiri merupakan jumlah kerugian head mayor (hf) dan kerugian head minor (hm). HL = hf + hm

2.7 Putaran spesifik Jenis impeler yang digunakan pada suatu pompa tergantung pada putaran spesifiknya. Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan pompa untuk menghasilkan 1 m

degan kapasitas 1 m3/s, dan dihitung berdasarkan

(Khetagurov, hal 205) ns = 3,65 Dimana : ns = putaran spesifik [rpm] n = putaran pompa [rpm] Q = kapasitas pompa [m3/s] Hp= head pompa [mH2O]


18

2.8 Daya pompa Daya pompa ialah daya yang dibutuhkan poros pompa untuk memutar impeler didalam memindahkan sejumlah fluida denga kondisi yang diinginkan. Besarnya daya poros yang dibutuhkan dapat dihitung berdasarkan ( Fritz dietzel. Hal 243 ) NP = Dimana :

Np

= daya pompa [watt]

Q

= kapasitas pompa [m3/s]

Hp

= head pompa [m]

ρ

= rapat jenis fluida [kg/m3]

ηp

= effisiensi pompa

2.9 Aliran fluida Aliran dalam pemipaan akan terjadi dari titik yang mempunyai head hidrolik yang lebih tinggi (energi internal per satu-satuan berat air) ke head yang lebih rendah, dimana terjadi kehilangan energi hidrolik di sepanjang pipa. Kehilangan energi hidrolik sepanjang pipa secara umum disebabkan oleh : A. Kerugian head mayor Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat digunakan untuk mencari headlosses akibat gesekan dalam pipa dapat dilakukan dengan menggunakan : a.

Persamaan Darcy - Weisbach

b.

Persamaan Hazen - Williams

Kedua persamaan diatas memiliki kelebihan dan kekurangan masingmasing yaitu : a. Persamaan Darcy - Weisbach 1. Memberikan hasil yang lebih baik untuk pipa yang relatif pendek. 2. Untuk sistem terdiri dari bermacam-macam pipa akan lebih rumit perhitungannya.


19

3. Populer atau sering dipakai untuk perhitungan dengan beda energi besar. 4. Persamaan ini secara teori paling bagus dan dapat digunakan ke semua jenis fluida. b. Persamaan Hazen-Williams : 1. Umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatf sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. 2. Untuk sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa, perhitungannya akan lebih mudah disbanding Darcy - Weisbach. 3. Persamaan Hazen - Williams paling banyak digunakan untuk menghitung headlosses, tetapi biasa digunakan untuk semua fluida selai dari air dan digunakan hanya untuk aliran turbulen. B. Kerugian Minor Kerugian ini diakibatkan adanya perubahan dalam geometri aliran seperti katup, belokan, perubahan diameter pipa, sambungan saluran masuk dan keluar pipa. Dan kerugian minor dapat dihitung berdasarkan hm = K Dimana :

V = Kecepatan rata-rata aliran fluida dala suatu pipa [m/s] g = gravitasi bumi [m/s2] K = Koefisien minor loses

2.10 Kavitasi Kavitasi adalah fenomena perubahan phase uap dari zat cair yang sedang mengalir, karena tekanannya berkurang hingga di bawah tekanan uap jenuhnya. 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, hal ini dapat menyebabkan : -

Suara berisik, getaran atau kerusakan komponen pompa tatkala gelembung-gelembung fluida tersebut pecah ketika melalui daerah yang lebih tinggi tekanannya

-

Kapasitas pompa menjadi berkurang


20

-

Pompa tidak mampu membangkitkan head (tekanan)

-

Berkurangnya efisiensi pompa.

Secara umum, terjadinya kavitasi diklasifikasikan atas 5 alasan dasar : 1. Vaporization - Penguapan Fluida menguap bila tekanannya menjadi sangat rendah atau temperaturnya menjadi sangat tinggi. Setiap pompa sentrifugal memerlukan head (tekanan) pada sisi isap untuk mencegah penguapan. Tekanan yang diperlukan ini, disiapkan oleh pabrik pembuat pompa dan dihitung berdasarkan asumsi bahwa air yang dipompakan adalah 'fresh water' pada suhu 68oF. Dan ini disebut Net Positive Suction Head Available (NPSHA). Karena ada pengurangan tekanan (head losses) pada sisi suction( karena adanya valve, elbow, reduser, dll), maka perhitungan head total pada sisi suction dan biasa disebut Net Positive Suction Head is Required (NPSHR). Nilai keduanya mempengaruhi terjadinya penguapan, maka untuk mencegah penguapan, syaratnya adalah : NPSHA - Vp ≥ NPSHR Dimana : Vp

= Vapor pressure fluida yang dipompa.

Dengan kata lain untuk memelihara supaya vaporization tidak terjadi maka harus dilakukan hal berikut : a. Menambah Suction head, dengan : -

Menambah level liquid di tangki.

-

Meninggikan tangki.

-

Memberi tekanan tangki.

-

Menurunkan posisi pompa(untuk pompa portable).


21

-

Mengurangi head losses pada suction piping system. Misalnya dengan mengurangi jumlah fitting, membersihkan striner, cek mungkin venting tangki tertutup) atau bertambahnya speed pompa.

b. Mengurangi Tempertur fluida, dengan : -

Mendinginkan suction dengan fluida pendingin

-

Mengisolasi suction pompa

-

Mencegah naiknya temperature dari bypass system dari pipa discharge.

c. Mengurangi NPSHR, dengan : -

Gunakan double suction. Ini bias mengurangi NPSHR sekitar 25 % dan dalam beberapa kasus memungkinkan penambahan speed pompa sebesar 40 %.

-

Gunakan pompa dengan speed yang lebih rendah.

-

Gunakan impeller pompa yang memiliki bukaan 'lobang' (eye) yang lebih besar.

-

Install Induser, dapat mereduksi NPSHR sampai 50 %.

-

Gunakan pompa yang lebih kecil. Menggunakan 3 buah pompa kecil dengan ukuran kapasitas separuhnya, hitungannya lebih murah dari pada menggunakan pompa besar dan spare-nya. Lagi pula dapat menghemat energy.

2. Air Ingestion - Masuknya Udara Luar ke Dalam System Pompa sentrifugal hanya mampu mengendalikan 0.5% udara dari total volume. Lebih dari 6% udara, akibatnya bisa sangat berbahaya, dapat merusak komponen pompa. Udara dapat masuk ke dalam system melalui beberapa sebab, antara lain : -

Dari packing stuffing box. Ini terjadi, jika pompa dari kondensor, evaporator atau peralatan lainnya bekerja pada kondisi vakum.

-

Letak valve di atas garis permukaan air (water line).


22

-

Flens (sambungan pipa) yang bocor.

-

Tarikan udara melalui pusaran cairan (vortexing fluid).

-

Jika 'bypass line' letaknya terlalu dekat dengan sisi isap, hal ini akan menambah suhu udara pada sisi isap.

-

Berkurangnya fluida pada sisi isap, hal ini dapat terjadi jika level cairan terlalu rendah.

Gambar 2.14 Vortexing Fluida Keduanya, baik penguapan maupun masuknya udara ke dalam system berpengaruh besar terhadap kinerja pompa yaitu pada saat gelembunggelembung 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. Internal Recirculation - Sirkulasi Balik di dalam System Kondisi ini dapat terlihat pada sudut terluar (leading edge) impeller, dekat dengan diameter luar, berputar balik ke bagian tengah kipas. Ia dapat juga terjadi pada sisi awal isap pompa. Efek putaran balik ini dapat menambah kecepatannya sampai ia menguap dan kemudian 'pecah' ketika melalui tempat yang tekanannya lebih tinggi. Ini selalu terjadi pada pompa dengan NPSHA yang rendah. Untuk mengatasi hal tersebut, kita harus tahu nilai


23

Suction Spesific Speed , yang dapat digunakan untuk mengontrol pompa saat beroperasi, berapa nilai terdekat yang teraman terhadap nilai BEP (Best Efficiency Point) pompa yang harus diambil untuk mencegah terjadinya masalah. 4. Turbulence - Pergolakan Aliran Aliran fluida diinginkan pada kecepatan yang konstan. Korosi dan hambatan yang ada pada system perpipaan dapat merubah kecepatan fluida dan setiap ada perubahan kecepatan, tekanannya juga berubah. Untuk menghambat hal tersebut, perlu dilakukan perancangan system perpipaan yang baik. Antara lain memenuhi kondisi jarak minimum antara suction pompa dengan elbow yang pertama minimal 10 X diameter pipa. Pada pengaturan banyak pompa, pasang suction bells pada bays yang terpisah, sehingga satu sisi isap pompa tidak akan mengganggu yang lainnya. Jika ini tidak memungkinkan, beberapa buah pompa bisa dipasang pada satu bak isap (sump) yang besar, dengan syarat : -

Posisi pompa tegak lurus dengan arah aliran.

-

Jarak antara dua 'center line' pompa minimum dua kali suction diameter.

-

Semua pompa dalam keadaan 'runing'.

-

Bagian piping upstream paling tidak memiliki pipa yang lurus dengan panjang minimal 10 x diameter pipa.

-

Setiap pompa harus memiliki kapasitas kurang dari 15.000 gpm.

-

Batas toleransi dasar pompa seharusnya sekitar 30% diameter pipa isap

5. Vane Passing Syndrome Kerusakan akibat kavitasi jenis ini terjadi ketika diameter luar impeller lewat terlalu dekat dengan 'cutwater' pompa. Kecepatan aliran fluida ini bertambah tatkala alirannya melalui lintasan kecil tersebut, tekanan berkurang dan menyebabkan penguapan lokal. Gelembung udara yang terbentuk kemudian pecah pada tempat yang memiliki tekanan yang lebih tinggi, sedikit diluar alur cutwater. Hal inilah yang menyebabkan kerusakan pada volute(rumah keong) pompa. Untuk mencegah pergerakan poros yang berlebihan, beberapa pabrik pembuat memasang bulkhead rings pada suction eye. Pada sisi keluar


24

(discharge), ring dapat dibuat untuk memperpanjang sisi keluar dari dinding discharge sampai selubung impeller. Kavitasi dinyatakan dengan cavities atau lubang di dalam fluida yang kita pompa. Lubang ini juga dapat dijelaskan sebagai gelembung-gelembung, maka kavitasi sebenarnya adalah pembentukan gelembung-gelembung dan pecahnya gelembung tersebut. Gelembung terbentuk tatkala cairan mendidih. Hati-hati untuk menyatakan mendidih itu sama dengan air yang panas untuk disentuh, karena oksigen cair juga akan mendidih dan tak seorang pun menyatakan itu panas. Dan pengaruh Kavitasi denhgan kinerja pompa sentrifugal adalah sebagai berikut: 1. Kapasitas Pompa Berkurang -

Ini terjadi karena gelembung-gelembung udara banyak mengambil tempat(space), dan kita tidak bisa memompa cairan dan udara pada tempat dan waktu yang sama. Otomatis cairan yang diperlukan menjadi berkurang.

-

Jika gelembung itu besar pada eye impeller, pompa akan kehilangan pemasukan dan akhirnya perlu priming (tambahan cairan pada sisi isap untuk menghilangkan udara).

2. Tekanan (Head) kadang berkurang Gelembung-gelembung

tidak

seperti

cairan,

ia

bisa

dikompresi

(compressible). Hasil kompresi ini yang menggantikan head, sehingga head pompa sebenarnya menjadi berkurang. 3. Pembentukan gelembung pada tekanan rendah karena mereka tidak bisa terbentuk pada tekanan tinggi. Jika kecepatan fluida bertambah, maka tekanan fluida akan berkurang. Ini artinya kecepatan fluida yang tinggi pasti di daerah bertekanan rendah. Ini akan menjadi masalah setiap saat jika ada aliran fluida melalui pipa terbatas, volute atau perubahan arah yang mendadak. Keadaan ini sama dengan aliran fluida pada penampang kecil antara ujung impeller dengan volute cut water.


25

4. Bagian-bagian Pompa Rusak -

Gelembung-gelembung itu pecah di dalam dirinya sendiri, ini dinamakan imploding kebalikan dari exploding. Gelembung-gelembung itu pecah dari segala sisi, tetapi bila ia jatuh menghantam bagian dari metal seperti impeller atau voluteia tidak bisa pecah dari sisi tersebut, maka cairan masuk dari sisi kebalikannya pada kecepatan yang tinggi dilanjutkan dengan gelobang kejutan yang mampu merusak part pompa. Ada bentuk yang unik yaitu bentuk lingkaran akibat pukulan ini, dimana metal seperti dipukul dengan 'ball peen hammer'.

-

Kerusakan ini kebanyakan terjadi membentuk sudut ke kanan pada metal, tetapi

pengalaman

menunjukan

bahwa

kecepatan

tinggi

cairan

kelihatannya datang dari segala sudut. Semakin tinggi kapasitas pompa, kelihatannya semakin mungkin kavitasi terjadi. Nilai Specific speed pump yang tinggi mempunyai bentuk impeller yang memungkinkan untuk beroperasi pada kapasitas yang tinggi dengan power yang rendah dan kecil kemungkinan terjadi kavitasi. Hal ini biasanya dijumpai pada casing yang berbentuk pipa, dari pada casing yang berbentuk volute. 2.11 Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent Computational Fluid Dynamic (CFD) dapat dibagi menjadi dua kata, yaitu: a. Computational

: Segala sesuatu yang berhubungan dengan

matematika dan metode numerik atau komputasi. b. Fluid Dynamic

: Dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.

Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi n fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya denga menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Dan


26

Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode elemen hingga dan Fluent juga menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Penggunaan CFD umumya berhubungan dengan keempat hal berikut: 1. Studi konsep dari desain baru 2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshooting 4. Desain ulang

2.11.1 Metode Diskritisasi CFD CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar. CFD merupakan pendekatn dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga). Perhitungan / komputasi aljabar untuk memecahkan persamaanpersamaan diferensial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah: a. Metode beda hingga b. Metode elemen hingga c. Metode volume hingga d. Metode elemen batas e. Metode skema resolusi tinggi Dan CFD FLUENT versi 6.1.22 sendiri menggunakan metode volume hingga ( Finite Volume Method ) sebagai metode diskritisasinya ( Firman Tuakia, hal 8 ).


27

2.11.2 Proses simulasi CFD Pada uumnya terdapat tiga thapan yang harus dilakukan ketika kita melakukan simulasi CFD, yaitu: 1. Preprocessing Komponen

pre-processor

merupakan

komponen

input

dari

permasalahan aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan interface yang memudahkan operator, berfungsi sebagai transformer input berikutnya ke dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh solver. Pada tahapan pre-processor, dapat dilakukan hal-hal sebagai berikut: 1) mendefinisikan geometri daerah yang dikehendaki (perhitungan domain); 2) pembentukan grid (mesh) pada setiap domain; 3) pemilihan fenomena kimia dan fisik yang dibutuhkan; 4) menetukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, panas jenis, massa jenis dan sebagainya); 5) menentukan kondisi batas yang sesuai dengan keperluan. Ketepatan aliran dalam geometri yang dibentuk dalam CFD ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid yang dibangun. Semakin besar jumlah sel, ketepatan atau ketelitian dari hasil pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak harus selalu seragam, dapat dilakukan dengan memperhalus mesh pada bagian yang memiliki variasi cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak banyak mengalami perubahan. 2. Solving Proses pada solver merupakan proses pemecahan secara matematika dalam CFD dengan software FLUENT 6.1.22. Metode yang digunakan adalah metode volume hingga (finite volume) yang dikembangkan dari metode beda hingga (finite difference) khusus. Proses pemecahan matematika pada solver digambarkan sebagai diagram alir metode SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation) (Gambar 2)


28

Gambar 2.15 Diagram Alir Algoritma Numerik volume hingga dengan metode SIMPLE Proses pemecahan matematika pada solver memiliki 3 tahapan yaitu: 1) aproksimasi

aliran

yang

tidak

diketahui

dilakukan

dengan

menggunakan fungsi sederhana; 2) diskretisasi dengan mensubstitusi hasil aproksimasi ke dalam persamaan aliran disertai dengan manipulasi


29

matematis; 3) penyelesaian persamaan aljabar. Pada proses solver, terdapat 3 persamaan atur aliran fluida yang menyatakan hukum kekekalan fisika, yaitu : 1) massa fluida kekal; 2) laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton); 3) laju perubahan energi sama dengan resultansi laju panas yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel fluida (Hukum I Termodinamika). a. Kekekalan Massa 3 Dimensi steady state Keseimbangan massa untuk fluida dinyatakan sebagai berikut: Laju kenaikan massa dalam elemen fluida = Laju net aliran fluida massa ke dalam elemen batas ( ρv +

∂ρv δy )δzδx ∂y

( ρw

δx )δy z w δ ∂ρ + ∂z

ρuδyδz

( ρu +

∂ρu δx)δyδz ∂x

δy x δyδ w ρ

δz

ρvδxδz

δx

Gambar 2.16 Elemen Fluida pada persamaan kekekalan massa

Atau dapat ditulis dalam bentuk matematika sebagai berikut:


30

Persamaan diatas merupakan persamaan kontinuitas untuk fluida. Ruas kiri menggambarkan laju net massa keluar dari elemen melewati batas dan dinyatakan sebagai faktor konveksi. b. Persamaan Momentum 3 Dimensi Steady State Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Stokes dalam bentuk yang sesuai dengan metode finite volume sebagai berikut:

∂τ + ∂y x yx

(τ

y

(τ zx +

pδyδz

σ xxδyδz

τ zxδxδy

z δxδ δy)

∂τ zx δz )δxδy ∂z

(σ xx +

fx (p+

δy τ yxδxδz

∂σ xx δx)δyδz ∂x

∂p δx)δyδz ∂x

δz

δx

Gambar 2.17 Elemen fluida pada persamaan momentum Momentum x :

Momentum y :

\ Momentum z :


31

c. Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa : laju perubahan energi partikel fluida = laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematika dapat ditulis sebagai berikut :

Untuk Gas ideal :

3. Postprocessing Postprocessing adalah langkah akhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan

pada

langkah

ini

adalah

mengorganisasi

dan

menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. Hasil yang diperoleh dari proses yang berada dalam pre-processor dan solver akan ditampilkan dalam postprocessor. Tampilan tersebut dapat berupa : 1) tampilan geometri domain dan grid; 2) plot vektor; 3) plot permukaan 2 dan 3 dimensi; 4) pergerakan partikel; 5) manipulasi pandangan; 6) output warna.

2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal Pada pompa sentrifugal, yang dapat dianalisa oleh CFD Fluent ini adalah airan fluidanya, dimana dengan CFD Fluent ini kita dapat mensimulasikan vektor - vektor kecepatan yang terjadi pada impeler dan rumah keong pompa tersebut. CFD Fluent juga dapat mensimulasikan distribusi tekanan yang terjadi dalam pompa tersebut. Hasil simulasi aliran fluida ini adaah gambaran aliran fluida nantinya yang terjadi di lapangan. Pada gambar 2.14 dan gambar 2.15 merupakan contoh hasil dari simulasi pompa sentrifugal dengan massa alir 0,5 kg/s dan tekanan pompa 0,5 atm.


32

Gambar 2.17. Hasil simulasi untuk vektor-vektor kecepatan yang terjadi

Gambar 2.17. Hasil simulasi untuk distribusi tekanan yang terjadi


BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents