POMPA Perancangan Alat Proses
Abdul Wahid Surhim 2016
Rujukan 1. Jacques Chaurette. 2005. TUTORIAL CENTRIFUGAL PUMP SYSTEMS. Fluid Design inc. Canada 2. Towler and Sinnot. Chapter 5 Piping and Instrumentation. In Chemical Engineering Design. 3. Jacques Chaurette. 2003. TOTAL HEAD, N.P.S.H. AND OTHER CALCULATION EXAMPLES. www.lightmypump.com 4. Jacques Chaurette. 2006. TUTORIAL NPSHA FOR THOSE WHO HATE THAT STUFFY WORD. www.lightmypump.com 5. Jacques Chaurette. 2003. PUMP PERFORMANCE MEASUREMENTS. www.lightmypump.com 6. Robert Stover. PUMPS. Bioprocess Engineering: Systems, Equipment and Facilities. Edited by Lydersen et al.
Pokok Bahasan 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Jenis Pompa Tiga Karakteristik Penting Sistem Pompa Friksi dalam Sistem Pompa Energi dan Head dalam Sistem Pompa Head Statik Laju Alir Bagaimana Pompa Sentrifugal Menghasilkan Tekanan
Pokok Bahasan 8. Head Total 9. Hubungan antara Head dan Head Total 10.Menentukan Head Friksi 11.Kinerja (Kurva Karakteristik) Pompa 12.Memilih Pompa Sentrifugal 13.Contoh: Sistem Pompa Air Rumah Tangga 14.Tekanan Keluar Pompa
Jenis-jenis Pompa Piston Reciprocating
Plunger Positive Displacement
Gear Rotary
Screw Vane
Pompa
Radial Flow Axial Flow Centrifugal
Kinetic (Dynamic) Peripheral (Regenerative Turbine)
Mixed Flow Special High Head, Low Flow
Pompa, Kompresor, Blower dan Kipas Angin • POMPA o Peralatan untuk menaikkan cairan – fluida yang relatif inkompresibel – ke tingkat tekanan atau head yang lebih tinggi
• KOMPRESOR o Peralatan untuk menaikkan gas – fluida yang kompresibel – ke tingkat tekanan yang lebih tinggi
• BLOWER o Peralatan untuk menggerakkan sejumlah volume gas dengan kenaikan tekanan moderat
• KIPAS ANGIN o Peralatan yang menggerakkan sejumlah gas dengan kenaikan tekanan yang rendah
Memindahkan Air BAK PENAMPUNG
Jauh/Dekat
Di atas/dalam tanah
SUMBER AIR
Sumber Daya Air (UU No. 7 Tahun 2004)
Cara Jadul
Pompa RT
Sumur Dalam
Sistem Pompa Industri
3 Karakteristik Penting Pompa
Driving force untuk terjadinya perpindahan fluida
Tenaga yang memperlambat partikel-partikel fluida
Jumlah volume yang dipindahkan per satuan waktu
Laju Alir (Tabel 1)
Laju Alir Berdasarkan Diameter dan Tekanan Laju Alir 180
160
160
AXIS TITLE
Laju Alir
180
140
140
120
120
100
100
80 60
80
40
60
20
40
0 30 psi
40 psi
50 psi
60 psi
70 psi
20 0
TEKANAN
1/4 1/4
1/2
3/4
1
1 1/2
30 psi
1/2 40 psi
3/4 50 psi
1 60 psi
1 1/2 70 psi
Tipikal Sistem Pompa
Pompa dan Tekanan • Pompa menyediakan energi yang diperlukan untuk mengarahkan fluida melalui sistem dan mengatasi friksi dan perbedaan ketinggian (elevasi) • Tekanan dinaikkan saat partikel-partikel fluida dipaksa lebih dekat satu sama lain • Contoh: o Di alat pemadam kebakaran, kerja atau energi dihabiskan untuk memberi tekanan cairan kimia yang ada di dalamnya, sehingga energinya dapat disimpan dan digunakan nantinya
Tekanan pada Wadah yang Terbuka • Apakah mungkin memberi tekanan pada wadah yang terbuka? • YA • Contoh: SEMPROTAN o Jika kita tekan kedalam, tekanan naik dan makin dalam semakin keras kita harus menekan o Ada cukup friksi saat fluida bergerak melalui jarum untuk menghasilkan tekanan yang besar pada bodi semprotan
Tekanan pada Pompa • Jika ide tekanan pada semprotan diterapkan di pompa, o meski ujung pipa keluaran terbuka, o sangat mungkin untuk memiliki tekanan pada keluaran pompa o disebabkan • adanya friksi yang cukup di dalam sistem dan • perbedaan elevasi
Friksi pada Sistem Pompa • Friksi akan selalu ada, hatta di fluida, karena dia adalah tenaga yang menolak pergerakan dari suatu obyek
Friksi pada Fluida Padat dan Cair • Friksi pada fluida padat pasti besar; tapi bisa diperkecil dengan bantuan roda • Friksi pada fluida cair kecil, tapi dapat menjadi besar pada o Pipa yang panjang o Pipa pendek tapi laju alirnya besar dan diameternya kecil, seperti pada semprotan o Pipa yang kasar o Sambungan pipa (elbow, tee, dll) o Cairan yang viskositasnya tinggi
4 Bentuk Energi pada Sistem Pompa 1.Tekanan 2.Elevasi 3.Friksi 4.Kecepatan
Energi Tekanan • Tekanan dihasilkan pada bagian bawah penampung disebabkan cairan mengisi wadah secara sempurna, dan beratnya menghasilkan gaya yang didistribusikan ke seluruh permukaan • Jenis ini disebut TEKANAN STATIK • ENERGI TEKANAN adalah energi yang dibangun saat partikel-partikel cairan atau gas digerakkan lebih dekat sedikit satu sama lainnya • Contohnya pada alat pemadam kebakaran
Energi Elevasi, Friksi dan Kecepatan • ENERGI ELEVASI adalah energi yang tersedia pada cairan saat dia memiliki ketinggian tertentu o Jika energi ini keluar, dia dapat mengarahkan pada sesuatu yang berguna seperti turbin yang menghasilkan listrik
• ENERGI FRIKSI adalah energi yang hilang ke lingkungan disebabkan oleh pergerakan cairan melalui pipa dan sambungan dalam sistem • ENERGI KECEPATAN adalah energi yang menggerakkan obyek. Contoh: jika air keluar dari selang, maka dia memiliki energi kecepatan
Hubungan antara Ketinggian, Tekanan dan Kecepatan
Energi Pompa • Energi yang harus disuplai oleh pompa adalah energi friksi PLUS perbedaan ketinggian yang harus dicapai oleh cairan (energi elevasi) ENERGI POMPA = ENERGI FRIKSI + ENERGI ELEVASI
HEAD • Apa itu HEAD? • HEAD sebenarnya adalah cara untuk menyederhanakan penggunaan energi • Untuk menggunakan energi kita perlu mengetahui BERAT dari obyek yang dipindahkan • ENERGI ELEVASI (EE): berat dari obyek (W) dikalikan jarak (d) EE = W x d • ENERGI FRIKSI (FE): gaya friksi (F) dikalikan jarak cairan yang dipindahkan atau panjang pipa (l) FE = F x l
HEAD • HEAD adalah energi dibagi dengan berat atau jumlah energi yang digunakan untuk memindahkan sebuah obyek dibagi berat obyek tersebut • HEAD ELEVASI (EH): EH = (W x d)/W = d • HEAD FRIKSI (FH): FH = (F x l)/W = l • Satuan F dan W sama, sehingga satuan FH juga sama dengan satuan EH, yakni satuan jarak (m, ft)
Satuan Energi = Satuan Jarak? • Jika kita masukkan sebuah tube di bagian keluaran pompa, cairan akan naik di dalam tube setara dengan tekanan keluaran pompa • Sebagian tinggi cairan di dalam tube adalah tinggi elevasi dan lainnya tinggi head friksi • Keduanya satuannya sama: SATUAN JARAK
Definisi Head (Webster) • HEAD adalah kumpulan (body) air yang tersimpan di dalam penampung pada sebuah ketinggian
Tekanan dan Ketinggian • Dikarenakan ketinggian dan beratnya, fluida menghasilkan tekanan pada titik bawah (penampung) • Sehingga semakin tinggi penampungnya, semakin tinggi tekanannya
Tekanan dan Bentuk Wadah • Tekanan tidak tergantung bentuk wadahnya • Ini hal yang sangat penting • Karena itu, betapa pun kompleksnya sistem perpipaan, kita mungkin akan mengetahui tekanan di bagian bawahnya jika kita mengetahui tingginya
Head Statik • Head statik: jarak antara permukaan cairan penampung tujuan dan permukaan cairan penampung asal • Head statik akan menghasilkan tekanan pada pompa yang harus diatasi saat pompa dinyalakan
Head Statik • Konvensinya: Head statik diukur dari suction flange elevation dan ujung pipa yang terbuka ke udara • Jika ujung pipanya dimasukkan kedalam penampung?
Head Statik
Faktor yang Memengaruhi Laju Alir • Pada sistem yang identik, laju alir dipengaruh oleh head statik • Jika elevasi ujung pipa tinggi, maka laju alirnya rendah (bandingkan dengan naik sepeda)
Head Statik 0
Mungkin tidak perlu pompa, tapi cukup SIFON
Sifon
Total Head TINGGI MAKSIMUM yang dapat dicapai oleh fluida dari permukaan suction headnya
Pada kondisi ini laju alirnya = 0
Variasi Head Total
Laju Alir Tergantung Friksi 1
Laju Alir Tergantung Friksi 2
Laju Alir Tergantung Friksi 3
Laju Alir Tergantung Friksi 4
Pompa Sentrifugal • Bagaimana pompa sentrifugal menghasilkan tekanan? • Partikel fluida memasuki pompa pada flens masuk (suction flange) atau koneksi • Partikel-partikel tersebut berputar 90 derajat ke bagian datar impeller dan mengisi volume antar-tiap baling-baling impeller
Komponen Pompa Sentrifugal
Cara Bekerja Pompa Sentrifugal • Partikel-partikel fluida dalam pompa dikeluarkan dari ujung runcing baling-baling impeller pada kecepatan tinggi • Partikel-partikel tersebut lalu membentur selongsong (casing) dari pompa dan diperlambat di bawah energi kecepatan dan di atas energi tekanan • Tidak seperti friksi yang merupakan energi terbuang, penurunan energi kecepatan menyuguhkan kenaikan energi tekanan PRINSIP NERACA ENERGI
Eksperimen Pompa Sentrifugal Isi plastik dengan air Lubangi bagian bawahnya Ikat bagian atas plastik tersebut Ayunkan (diberi gaya sentrifugal) • Air akan keluar dari lubang plastik • Makin cepat ayunannya, makin banyak air yang keluar dari lubang karena tekanan dalam plastik naik • • • •
Kurva Hubungan Tekanan Keluaran Pompa vs Laju Alir Pompa
Total Head • TOTAL HEAD dan FLOW adalah kriteria utama yang digunakan untuk o membandingkan satu pompa dengan lainnya
o memilih pompa sentrifugal
• TOTAL HEAD berhubungan dengan tekanan keluaran (discharge pressure)pompa
Kenapa Bukan Langsung Discharge Pressure Saja? • Tekanan adalah sesuatu yang sudah akrab di kehidupan sehari-hari • Contoh: alat pemadam kebakaran diberi tekanan 60 psig (410 kPa), ban mobil 35 psig (240 kPa) • Kenapa pabrik pompa tidak memakai tekanan keluaran sebagai kriteria? 1. Tidak diketahui untuk apa kita menggunakan pompa 2. Tidak diketahui berapa laju alir yang diperlukan karena tidak seperti pompa displacement, laju alir pompa sentrifugal tidak tetap
Kenapa Bukan Langsung Discharge Pressure Saja? o Tekanan keluaran tergantung pada tekanan yang ada di bagian masukan pompa o Jika sumber fluida yang mau dipompa berada di bawah atau di atas masukan pompa, untuk laju alir yang sama kita akan dapatkan tekanan keluaran yang berbeda o Karena itu, untuk menghilangkan permasalahan ini, lebih disukai digunakan perbedaan antara masukan dan keluaran pompa
3. Besaran tekanan yang dapat dihasilkan pompa tergantung pada densitas fluida o Pihak pabrik tidak mengetahui fluida apa yang nantinya akan dipompa • KARENA ITU DIGUNAKAN TOTAL HEAD SEBAGAI KRITERIA POMPA
Hubungan antara Head dan Total Head
• TOTAL HEAD adalah tinggi cairan yang dinaikkan ke bagian discharge pompa kurangi tinggi cairan yang dinaikkan ke bagian suction pompa • Kenapa dikurangi? • Karena kita menginginkan kontribusi energi dari pompa saja dan bukan energi yang disuplai ke pompa
Energi dan Head • Jika digunakan ENERGI, kita perlu tahu beratnya • Jika HEAD, kita perlu tingginya saja • POMPA itu proses kontinyu, sehingga tidak peduli berapa berat yang dipindahkan
Contoh 1 • Jarak (static head) antara permukaan air dan suction pompa = 10 ft • Jarak (discharge head) antara suction pompa dan permukaan air di penampung = 15 ft • Total head = 10 + 15 = 25 ft PLUS friction head loss
Head Friksi (Tabel 2) • Head Friksi adalah energi yang hilang akibat friksi yang disebabkan oleh pergerakan fluida melalui pipa dan sambungan • Dipilih kecepatan 10 fps karena itu angka yang khas untuk kecepatan di pipa • Angka itu moderat (tidak terlalu tinggi yang dapat mengakibatkan friksi yang banyak, juga tidak terlalu kecil yang dapat menyebabkan penurunan tajam pada friksi)
Ukuran Pipa Masukan Pompa • Konservatifnya: kecepatan masuk pompa dibuat lebih rendah (misal, 4 dan 7 fps) sehingga dipilih ukuran pipa yang cukup besar • Itulah kenapa ukuran pipa masuk pompa lebih besar dari pada ukuran pipa keluar pompa
Kinerja (Kurva Karakteristik) Pompa • Kurvanya mirip dengan kurva sebelumnya (tekanan vs laju alir), tapi kurva karakteristik pompa menggambarkan total head vs laju alir • Kurva sebelumnya tidak praktis karena harus mengetahui suction pressure yang digunakan untuk menghasilkan kurva tersebut • Tidak semua pabrik pompa menyediakan kurva seperti ini
Panduan Memilih Pompa Sentrifugal 1. Tentukan laju alir 2. Tentukan head statik 3. Tentukan head friksi 4. Hitung head total 5. Pilih pompa
Contoh • Diperlukan laju alir sebesar 10 gpm • Sesuai Tabel 2, maka ukuran pipa yang tersedia antara ½” dan ¾”. Dipilih ¾” • Pipa masukan ke pompa dipilih 1” • Panjang pipa semuanya 30 ft
Kehilangan Friksi di Bagian Suction Pompa • Pada diameter 1”, friksinya 0.068 ft per ft pipa • Panjang pipa 30 ft: 30 x 0.068 = 2.4 ft • Kehilangan friksi dari sambungan diasumsikan 30%: 0.3 x 2.4 = 0.7 ft • Friksi check valve 5 ft, tapi jet pump tidak perlu itu • Total kehilangan friksi = 2.4 + 0.7 = 3.1 ft
Kehilangan Friksi di Bagian Discharge Pompa • Total panjang pipa 30 ft, maka kehilangan friksi = 30 x 0.23 = 6.9 ft • Dari fittings: 30% x 6.9 = 2.1 ft • Total loss = 6.9 + 2.1 = 9.0 ft • Total loss suction dan discharge = 3.1 + 9.0 = 12.1 ft
Memilih Rating Pompa • Head statik = 15 + 20 = 35 ft • Total Head = head statik + friction loss = 35 + 12.1 = 47 ft • Total head disebut juga TOTAL DYNAMIC HEAD (TDH) • KITA HARUS MEMBELI POMPA YANG TOTAL HEADNYA MINIMAL 47 FT PADA 10 GPM • Panduannya: variasinya 15% • Rating pompa harus sedekat mungkin dengan kriteria tersebut
Rating Pompa • BEP (best efficiency point) adalah rating pompa • Pada kondisi ini pompa berada pada kondisi yang sangat efisien, sehingga vibrasi dan noise sangat minim • Variasinya 15% pada total head
Prosedur Pemilihan Pompa Friction Loss di semua segmen pipa
TOTAL HEAD
Break Horsepower
Pressure head of control valve
Friction loss di fittings
Tank pressure head
NPSHA
Kenaikan suhu
Friction loss di peralatan
Velocity head
Specific speed
Thoma cavitation parameter
Friction loss di check valve
Total static head
Predict pump efficiency
Suction specific speed
Friction Loss di Semua Segmen Pipa H FP
H FP L L TABEL 100 Panjang Pipa (L)
Tabel dari Cameron Hydraulic Data sesuai dengan Flow dan Diameter Pipa
Friction Loss di Fittings
Setiap jenis fitting harus DIKALIKAN jumlah fitting tersebut
Friction Loss di Peralatan H EQ
p (psi) 2.31 SG
• Pressure drop: o Filter = 3 psi o HE = 5 psi o Control valve = 4.24 psi
• Specific Gravity (SG) lihat Tabel
Sifat Air
Friction Loss di Check Valve H check
p (psi) 2.31 SG p (psi) Q (gpm) SG CV
2
• CV dari Tabel dari Trueline Valve Corp.
Panjang Ekuivalen 2
fLu hf 2 gd
f = faktor friksi dari grafik Moody L = panjang pipa (m) dapat berasal dari semua panjang pipa termasuk panjang ekuivalen pipa dari fitting dan valve u = kecepatan aliran melalui pipa (m/s) g = gravitasi, 9.81 m/s2 d = diameter dalam pipa (m)
Towler & Sinnot, hlm. 247
Total Static Head • TOTAL STATIC HEAD: perbedaan antara elevasi permukaan cairan discharge tank dan suction tank Elevasi (z2): 2830’
Elevasi (z1): 2803’
TOTAL STATIC HEAD = z2 – z1 = 2830’ – 2803’ = 27 ft
Velocity Head 2
2
v2 v1 Velocty Head 2g 2g • • • •
v adalah kecepatan partikel fluida di satu titik Biasanya v1 adalah titik di permukaan cairan suction tank Karena terlalu kecil, maka dianggap 0 v2 tergantung dari titik yang diukur o Kalau ujung pipa keluaran nyemplung di cairan discharge tank, maka titik pengukurannya di permukaan cairan discharge tank v2 = 0 o Kalau diinginkan pengukurannya di suatu titik pada elevasi tertentu, maka v2 dihitung di pipa pada elevasi tersebut
Tank Pressure Head
• Jika suction tank diberi tekanan dengan tekanan p1, maka pressure headnya H1 • Tanki yang terbuka tekanannya atmosfir sehingga H = 0 • Kalau suction dan discharge tank-nya keduanya terbuka, maka H1 = H2 = 0 • Jika terjadi perbedaan, maka dihitung dengan rumus: HP2-P1 = (P2 – P1)/(.g)
Total Head • Penjumlahan seluruh head yang sudah dihitung di atas NO
Component
Sign
(ft fluid)
1 Pipe Friction Head Loss
+
HFP
2 Fitting Friction Head Loss
+
HFF
3 Equipment Friction Head Loss
+
HEQ
4 Check Valve Head Loss
+
Hcheck
5 Total Static Head
+
z2 - z1
6 Velocity Head Difference
+
v22/2g - v12/2g
7 Tank Pressure Head Difference
+
H1 - H2
=
HP
TOTAL HEAD
Results
Break Horsepower • Efisiensi pompa (pump) diambil dari grafik Kurva Karakteristik Pompa • Faktor yang mempengaruhinya: o Laju alir (q) o Total head (HP) o Specific speed (Ns)
Kurva Karekteristik Pompa 1780 RPM
NPSHA • NPSHA = Net Positive Suction Head Available o Ukuran yang berhubungan dengan tingkat tekanan pada pump suction o Makin tinggi tekanannya, makin tinggi NPSHAnya dan makin baik operasi pompanya o Harganya bervariasai dari 0 sampai head tekanan atmosfir 34 ft DITAMBAH suction static head DIKURANGI kuantitas lain o NPSHA harus lebih besar dari pada NPSHR (NPSH Required)
Rumus NPSHA
NPSHA
Rumus NPSHA • Jika kita kesulitan menghitung pump suction pressure (pGS), maka dihitung headnya:
Rumus Lain NPSHA NPSH avail
Pf Pv P H .g .g .g
NPSHR • NPSHR adalah cara lain untuk menyatakan kehilangan tekanan (pressure loss) di suction area dari sebuah pompa pada kondisi yang diketahui • NPSHR dapat juga dilihat pada Kurva Karakteristik Pompa
Contoh 2 • • • • •
Pada contoh sebelumnya sudah dihitung total friksinya 3.1 ft Velocity headnya terlalu kecil sehingga diabaikan Tekanan atmosfir 14.7 psia Tekanan uap untuk air pada suhu 60F = 0.5 psia SG air = 1.0
Contoh 3 • Liquid chlorine is unloaded from rail tankers into a storage vessel. To provide the necessary NPSH, the transfer pump is placed in a pit below ground level. Given the following information, calculate the NPSH available at the inlet to the pump, at a maximum flow rate of 16,000kg/h. • The total length of the pipeline from the rail tanker outlet to the pump inlet is 50m. The vertical distance from the tank outlet to the pump inlet is 10 m. Commercial steel piping, 50mm internal diameter, is used. • Miscellaneous friction losses due to the tanker outlet constriction and the pipe fittings in the inlet piping are equivalent to 1000 equivalent pipe diameters. The vapor pressure of chlorine at the maximum temperature reached at the pump is 685 kN/m2 and its density and viscosity, 1286 kg/m3 and 0.364 mNm-2s. The pressure in the tanker is 7 bara.
Jawaban • Friction Losses o Miscellaneous losses = 1000x50x10-3 = 50m of pipe
• Total length of inlet piping = 50+50=100m
Ringkasan Data Pompa
Specific Speed • SPECIFIC SPEED: bilangan yang menyediakan sebuah indikasi laju impeller, laju alir, dan head yang dihasilkan
• Ns RENDAH jika <2.000 (pompa disain radial: head tinggi dan laju alir rendah) • Ns TINGGI jika >10.000 • Nilai ini bisa digunakan untuk memprediksi KAVITASI
Predict Pump Efficiency • Untuk memprediksi efisiensi pompa secara langsung, maka digunakan grafik kurva karakteristik pompa yang dihubungkan dengan Ns (specific speed) dan laju alirnya (q) • Pompa yang lebih besar (laju alir tinggi) dengan laju spesifik yang sama, akan lebih efisien • Untuk ukuran impeller yang lebih besar dari 10”, efek ukuran atau laju alir yang naik adalah kecil dan umumnya tidak signifikan
Suction Specific Speed • SUCTION SPECIFIC SPEED (S) adalah bilangan berdimensi sama dengan specific speed dan digunakan sebagai panduan untuk pencegahan kavitasi • Hanya saja, H (total head) diganti dengan NPHSA • Hydraulic Institute membatasi S sampai 8500, tapi lembaga lain 10.000 – 12.000
Thoma Cavitation Parameter • THOMA CAVITATION PARAMETER () adalah bilangan tanpa dimensi dan digunakan untuk memprediksi onset cavitation • Gunakan bilangan ini untuk memverifikasi bahwa pompa ini memiliki NPSHA yang cukup untuk beroperasi secara layak
Thoma Number
Kenaikan Suhu • Penyebab panas ada 2: 1. Karena transmisi tenaga antara impeller dan fluida tidak efisien, maka dihasilkan panas 2. Saat prosesnya sangat tidak efisien misalnya pada laju alir yang rendah, panas pun dihasilkan
• Pabrik pompa membatasi kenaikan suhu sampai 15 oF • Kenaikan suhu tergantung pada total head, panas jenis fluida dan efisiensi pada titik operasi
Pressure Head of Control Valve Ada dua metode perhitungan: • METODE 1 o Terdiri atas tekanan pada masukan control valve dengan menggunakan total head pompa dan kehilangan friksi serta perbedaan elevasi antara MASUKAN SISTEM dan masukan katup
• METODE 2 o Terdiri atas tekanan pada masukan control valve dengan menggunakan kehilangan friksi dan perbedaan elevasi antara KELUARAN SISTEM dan masukan katup
Metode 1
Metode 2
