BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan 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 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 kinetik ( 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:
1. Gaya sentrifugal bekerja pada impeller untuk mendorong fluida ke sisi luar sehingga kecepatan fluida meningkat. 2. Kecepatan fluida yang tinggi diubah oleh casing pompa ( volute atau diffuser ) menjadi tekanan atau head.
Universitas Sumatera Utara
2.2
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: 1. Persamaan Darcy – Weisbach 2. Persamaan Hazen - Williams Kedua persamaan diatas memiliki kelebihan dan kekurangan masing masing yaitu: 1.
Persamaan Darcy - Weisbach − Memberikan hasil yang lebih baik untuk pipa yang relatif pendek. − Untuk sistem terdiri dari bermacam-macam pipa akan lebih rumit perhitungannya. − Populer atau sering dipakai untuk perhitungan dengan beda energi besar. − Persamaan ini secara teori paling bagus dan dapat digunakan ke semua jenis fluida.
2.
Persamaan Hazen-Williams : − Umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatf sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. − Untuk sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa, perhitungannya akan lebih mudah disbanding Darcy - Weisbach. −
Persamaan Hazen - Williams paling banyak digunakan untuk menghitung headlosses, tetapi biasa digunakan untuk semua fluida selai dari air dan digunakan hanya untuk aliran turbulen.
Universitas Sumatera Utara
B. Kerugian Minor Kerugian ini diakibatkan adanya perubahan dalam geometri aliran seperti katup, belokan, perubahan diameter pipa, sambungan saluran masuk dan keluar pipa
2.3
Head Pompa Head pompa adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk
mengalirkan sejumlah zat cair yang direncanakan sesuai dengan kondisi instalasi pompa, atau tekanan untuk mengalirkan sejumlah zat cair, yang umumnya dinyatakan dalam satuan panjang. Menurut persamaan Bernoulli yang berbunyi “bila fluida inkompresibel mengalir sepanjang pipa yang penampangnya mempunyai beda ketinggian, perbedaan tekanan tidak hanya tergantung pada perbedaan ketinggian tetapi juga pada perbedaan antara kecepatan dimasing masing titik tersebut”. Dalam persamaan Bernoulli, ada tiga macam head (energy) fluida dari sistem instalasi aliran, yaitu energi tekanan, energi kinetik dan energi potensial. Hal ini dapat dinyatakan dengan rumus sebagai berikut:
V2 H = +Z + 2g γ P
Dimana: H
P
γ Z
= Head total pompa (m) = Head tekanan (m) = Head statis total (m)
V2 = Head kecepatan (m) 2g Karena energi itu kekal, maka bentuk head ( tinggi tekan ) dapat bervariasi pada penampang yang berbeda. Namun pada kenyataannya selalu ada rugi-rugi energi (losses).
Universitas Sumatera Utara
5 No 1 2 3 4 5
Keterangan Gambar Reservoir isap Pipa isap Pompa Pipa tekan Reservoir tekan
B
4 2
3
1
A
Gambar 2.1 Skema instalasi pompa
Pada kondisi yang berbeda seperti pada gambar di atas maka persamaan Bernoulli adalah sebagai berikut:
PA
γA
2
+
2
VA P V + Z A + H = B + B + Z B + H L ( Loss A ke B ) 2g 2g γB
H =(
PB
γB
−
PA
γA
2
)+(
2
VB V − A ) + (Z B − Z A ) + H L 2g 2g
Karena γA = γB maka:
H =(
H =(
PB − PA
V − VA )+( B ) + (Z B − Z A ) + H L 2g
∆P
∆V
γ
γ
)+(
2
2g
2
2
) + H ST + H L
Dimana: H
= Head total pompa ( m )
∆P
γ
= Head pompa karena perbedaan tekanan pada sisi isap dengan sisi tekan(m)
∆V 2 = Head yang diakibatkan karena ada perbedaan kecepatan ( m ) 2g
Universitas Sumatera Utara
HST HL
= Head statis ( m ) = Head loss dari A ke B ( m )
2.3.1 Head Tekanan Head tekanan adalah perbedaan energi tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi tekan dengan energi tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi isap. Head tekanan dapat dinyatakan dengan rumus:
P
γ
=
PB
γ
−
PA
γ
Dimana:
P
γ PB
γ
PA
γ
= Head tekanan ( m )
= Energi tekanan pada permukaan zat cair pada sisi tekan ( m )
= Energi tekanan pada permukaan zat cair pada sisi isap ( m )
2.3.2 Head Kecepatan Head kecepatan adalah perbedaan antar energi kecepatan zat cair pada saluran tekan dengan energi kecepatan zat cair pada saluran isap. Head kecepatan dapat dinyatakan dengan rumus: 2
2
V V HV = B − A 2g 2g Dimana: HV
= Head kecepatan
2
VB = Energi kecepatan zat cair pada saluran tekan 2g 2
VA = Energi kecepatan zat cair pada saluran isap 2g
Universitas Sumatera Utara
2.3.3 Head Statis Total Head statis total adalah perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada sisi tekan dengan permukaan zat cair pada sisi isap. Head statis total dapat dinyatakan dengan rumus:
Z = ZB − Z A Dimana: Z = Head statis total ZB = Beda tinggi tekan statis pada sisi tekan ZA = Beda tinggi tekan statis pada sisi isap Tanda + : Jika permukaan zat cair pada sisi isap lebih rendah dari sumbu pompa. Tanda - : Jika permukaan zat cair pada sisi isap lebih tinggi dari sumbu pompa.
2.3.4 Kerugian Head ( Head Loss ) Kerugian energi per satuan berat fluida dalam mengaliran cairan dalam sistem perpipaan disebut sebagai kerugian head ( head loss ). Head loss terdiri dari mayor head loss ( hf ), minor head loss ( hm ), dan total loss ( htot )
2.3.4.1 Mayor Head Loss ( Mayor Loss ) Merupakan kerugian energi sepanjang saluran pipa yang dinyatakan dengan rumus [ Sularso, hal 28 ]:
LV2 hf = f d 2g Dimana: hf = Mayor loss ( m ) f
= Faktor gesekan
L = Panjang pipa ( m ) V = Kecepatan fluida dalam pipa ( m/s ) d = Diameter dalam pipa ( m ) Harga f ( faktor gesekan ) didapat dari diagram Moody sebagai fungsi dari Angka Reynold ( Reynolds Number ) dan Kekasaran relatif ( Relative Roughness ε/D ), yang nilainya dapat dilihat pada grafik
sebagai fungsi dari nominal
Universitas Sumatera Utara
diameter pipa dan kekasaran permukaan dalam pipa ( ε ) yang tergantung dari jenis material pipa. Sedangkan besarnya Reynolds Number dapat dihitung dengan rumus [ Pump Handbook, hal 131 ]: = Dimana: Re = Reynold Number = Kecepatan aliran ( m/s ) = Diameter dalam pipa ( mm ) = viskositas kinematik ( m2/s ) Apabila aliran laminar ( Re < 2100 ), faktor gesekan ( f ) dapat dicari dengan pendekatan rumus:
f =
64 Re
Apabila aliran turbulen ( Re > 4000 ), faktor gesekan ( f ) dapat dicari dengan diagram moody.
2.3.4.2 Minor Head Loss ( Minor Loss ) Merupakan kerugian head pada fitting, elbow dan valve yang terdapat sepanjang sistem perpipaan. Dapat dicari dengan menggunakan Rumus:
v2 hm = k 2g Dimana: hm = Minor loss ( m ) k
= Koefisien kerugian dari fitting, elbow dan valve
2.3.4.3 Total Loss Total loss merupakan kerugian total sistem perpipaan, yaitu:
htot = h f + hm Dimana: htot = Total loss (m)
Universitas Sumatera Utara
hf = Total mayor loss (m) hm = Total minor loss (m)
2.4
Kecepatan Spesifik Pompa Performansi pompa sentrifugal ( kecuali turbin regenerative ) dihubungkan
pada suatu parameter yang disebut kecepatan spesifik ( specific speed ). Seperti yang didefinisikan oleh The Hydraulic Institute hal ini merupakan hubungan antara kapasitas, tinggi tekan, dan kecepatan pada efisiensi optimum yang mengklasifikasikan impeller pompa dengan respek terhadap persamaan geometris. Kecepatan spesifik merupakan sebuah bilangan aljabar yang dinyatakan sebagai [ Khetagurov, hal 205 ]:
Ns = n p
Q H
1 2 3 4
Dimana: NS = Kecepatan spesifik pompa ( m/min ) np = Putaran pompa ( rpm ) Q = Kapasitas pompa (m3/min) H = Head total pompa (m)
2.5
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 )
Universitas Sumatera Utara
2.6
ρ
= rapat jenis fluida ( kg/m3 )
ηp
= effisiensi pompa
Karakteristik Pompa Sentrifugal Karakteristik dari pompa sentrifugal merupakan sebuah cara dimana tinggi
tekan tekanan diferensial bervariasi dengan keluaran ( output ) pada kecepatan konstan. Karakteristik dapat juga menyertakan kurva efisiensi dan harga brake horse power-nya. Kurva kapasitas tinggi tekan ( Gambar 2.2 ) ditunjukkan sebagai kapasitas peningkatan total tinggi tekan, dimana tinggi tekan pompa mampu untuk dinaikkan atau dikurangi. Umumnya sebuah pompa sentrifugal akan menaikkan tinggi tekan terbesarnya pada suatu titik, dimana tidak ada aliran yang sering dianggap sebagai shut off head. Jika shut off head kurang dari harga maksimum tinggi tekan, pompa menjadi tidak stabil dan dibawah beberapa kondisi dapat memperbesar daya dan kecepatan fluktuasi yang menyebabkan getaran mekanis yang besar pada sistem pemipaan.
2.7
Computational Fluid Dynamic ( CFD ) Fluent Computational Fluid Dynamic ( CFD ) dapat dibagi menjadi dua kata,
yaitu: − Computational dan
: Segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika
metode numerik atau komputasi.
− 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 aliran fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya dengan menyelesaikan persamaan - persamaan matematika ( model matematika ). Dan 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
Universitas Sumatera Utara
terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut: 1. Studi konsep dari desain baru 2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshooting 4. Desain ulang
2.7.1 Proses simulasi CFD Pada uumnya terdapat tiga thapan yang harus dilakukan ketika kita melakukan simulasi CFD, yaitu: a) Pre-processing 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) menentukan 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.
Universitas Sumatera Utara
b) 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.
2.7.2
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 2.2 dan gambar 2.3 merupakan contoh hasil dari simulasi pompa sentrifugal.
Gambar 2.2 Hasil simulasi untuk vektor-vektor kecepatan yang terjadi
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Hasil simulasi untuk distribusi tekanan yang terjadi
Universitas Sumatera Utara
