BAB II DASAR TEORI ...(2.1) Dimana: nn pp = Jumlah pompa

Transkripsi

1 4 BAB II DASAR TEORI 2.1 Definisi Pompa Pompa merupakan 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 (Setiawan, 2013). Pompa sentrifugal merupakan pompa yang paling banyak digunakan karena daerah operasinya yang luas, dari tekanan rendah sampai tekanan tinggi dan dari kapasitas rendah sampai kapasitas tinggi. Pengoperasian pompa sentrifugal terjadi kerugian yang disebabkan berbagai hal diantaranya karena instalasi atau sistem perpipaan dan konstruksi pompa (Bramantya, Sugiyono, & Doni, 2007) 2.2 Karakteristik Pompa Performansi pompa yang utama adalah kapasitas (discharge) atau laju aliran (Q), dan head total pompa (H). Kedua karakteristik itu harus diketahuui untuk memilih pompa disamping karakteristik lainnya seperti efisiensi, daya, putaran dan lain sebagainya Kapasitas (Q) kapasitas adalah jumlah fluida yang di alirkan oleh pompa dalam satu satuan waktu (m 3 /det atau m 3 /menit). Kapasitas dihitung berdasarkan kebutuhan air yang harus ditransmisikan untuk memenuhi kebutuhan penduduk, atau berdasarkan kapasaitas sumber air yang ada. Kapasitas pompa dapat dihitung dengan persamaan 2.1. QQ VV oooo tt oooo nn pp.....(2.1) Dimana: VV oooo = Kebutuhan air (mm 3 haaaaaa ) tt oooo = Lama operasi pompa ( jjjjjj haaaaaa ) nn pp = Jumlah pompa

2 Head (H) Head merupakan energi spesifik yang dihasilkan oleh pompa. Head pada umumnya dinyatakan dalam tinggi kolom air dam umumnya dalam satuan meter. Pressure gauge, vacuum gauge, atau compound gauge digunakan untuk mengukur tekanan pada pompa dalam operasinya. h Ld v d p d z d v o p o z s h Ls v s p s v i p i titik ref., z=0 Gambar 2.1 Head Pompa Persamaan energi per satuan berat fluida untuk sistem pompa seperti Gambar 2.1 adalah: Dimana: zz ss + PP ss + vv 2 ss γγ 2gg + HH PP = zz dd + PP dd + vv 2 dd γγ zz ss = head statis elevasi isap/suction pompa (m) 2gg + HH LL....(2.2) zz dd = head statis elevasi buang/discharge pompa (m) PP ss = head statis tekanan isap/suction pompa (N/m 2 ) PP dd = head statis tekanan buang/discharge pompa (N/m 2 ) vv ss = head dinamis kecepatan fluida pada ujung isap/suction pompa (m/dt) vv dd = head dinamis kecepatan fluida pada ujung buang/discharge pompa (m/dt) HH PP = head pompa (m) HH LL = head losses total instalasi perpipaan sistem pompa (m)

3 6 Oleh karena itu head total pompa adalah: HH PP = (zz dd zz ss ) + PP dd PP ss γγ + vv dd 2 vv2 ss + HH 2gg LL...(2.3) Head Losses Head Losses adalah kerugian yang terjadi pada instalasi pompa yang diakibatkan oleh gesekan di dalam pipa dan head kerugian di dalam aksesoris perpipaan seperti belokan, reducer/diffuser, katup-katup dan lain sebagainya. a. Major Losses Major losses adalah kerugian yang di akibatkan oleh adanya gesekan di dalam pipa. Menghitung kerugian gesek didalam pipa dapat di gunakan persamaan sebagai berikut: Dimana: HH MM = f LL.vv2 DD.2gg.....(2.4) HH MM = Head kerugian gesek dalam pipa (m) f gg LL DD = Koefisien kerugian gesek = Percepatan gravitasi = Panjang pipa (m) = Diameter dalam pipa (m) b. Minor Losses Kecepatan dalam aliran melalui jalur pipa, kerugian juga akan terjadi apabila ukuran pipa, bentuk penampang atau arah aliran berubah. Kerugian head di tempat-tempat transisi yang demikian itu dapat dinyatakan secara umum dengan persamaan, yaitu: HH MM = KK vv2...(2.5) 2gg Dimana: HH MM = Kerugian head dalam jalur pipa (mm) KK = Koefisien kerugian dalam jalur pipa vv = Kecepatan rata-rata di dalam pipa (mm/dddd) gg = Percepatan gravitasi (9.8 mm/dddd 2 )

4 7 2.3 Pembesaran dan Pengecilan Pipa Pembesaran dan pengecilan pipa ikut menyumbang losses dalam bentuk minor losses. Pembesaran ataupun pengecilan pipa dapat dibedakan menjadi dua yaitu pembesaran dan pengecilan secara tiba-tiba seperti pada gambar 2.2 atau seperti pada gambar 2.3 pembesaran atau pengecilan secara gradual (membentuk sudut). D 1 D 2 (a) D 1 D 2 (b) Gambar 2.2 Pengecilan pipa (a) dan pembesaran pipa (b) secara tiba tiba Sumber : (E. Shashi Menon, 2005) Tabel 2.1 Koefisien pembesaran pipa secara tiba-tiba A 1 /A 2 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Cc 0,585 0,624 0,632 0,643 0,695 0,681 0,712 0,755 0,813 0,892 1,000 Sumber : (Menon, E.S, 2005) Tabel 2.2 Koefisien pengecilan pipa secara tiba-tiba A 1 /A 2 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Cc 0,50 0,48 0,45 0,41 0,36 0,29 0,21 0,13 0,07 0,01 0 Sumber : (Sularso dan Haruo Tahara, 1983)

5 8 Pada pembesaran dan pengecilan pipa secara gradual dapat dilihat seperti pada gambar 2.3. D1 D2 (a) D1 D1 (b) Gambar 2.3 Pengecilan pipa (a) dan pembesaran pipa (b) secara gradual Untuk head loss dapat dicari dengan persamaan :....(2.6) Kerugian Energi pada Pintu Masuk dan Keluar Fluda Fluida yang akan memasuki atau keluar dari suatu benda (apakah itu pompa, storage tanks atau reservoir) akan mengalami kerugian energy. Besarnya kerugian dihitung berdasarkan koefisien K yang diberikan. Tabel 2.3 Koefisien pada bagian masuk dan keluar pipa Deskripsi Nilai koefisien K Pada bagian masuk pipa 0.5 Pada bagian keluar pipa 1.0 Sumber : (E. Shashi Menon, 2005)

6 9 2.4 Tekanan, Daya dan Efisiensi Pompa Tekanan Pada Pompa Besarnya tekanan yang terjadi pada sistem akibat mengalirnya fluida yang dipompakan, dapat diperoleh secara langsung melalui alat ukur seperti pressure gauge yang umumnya memiliki nilai baca minimal 1 bar. Apabila nilai dari tekanan berada dibawah nilai baca tersebut, kita dapat menggunakan alat ukur lainnya seperti sphygmanometer tekanan darah yang menggunakan skala milimeter merkuri (mmhg). Penggunaan pipa U dengan fluida ukur, tekanan yang bekerja pada sistem dapat dicari sebagai berikut: PP = ρρ. gg. h (2.7) PP = tekanan (PPPP) ρρ = massa jenis (kkkk mm 3 ) gg = percepatan gravitasi (mm dddd 2 ) h = perbedaan ketinggian Daya Listrik Daya listrik didefinisikan sebagai laju hantaran energi listrik dalam sirkuit listrik. Daya listrik satu fasa : WW = VV. II cos φφ (2.8) Daya listrik tiga fasa : WW = 3 VV. II cos φφ (2.9) WW = daya listrik (W) VV = tegangan (volt) II = arus listrik (ampere) ϕ = sudut faktor daya

7 Daya Air (Water Horse Power) Menurut Sularso dan Tahara (1987) energi yang secara aktif diterima oleh air dari pompa per satuan waktu disebut daya air, yang dapat ditulis sebagai berikut: WWWWWW = γ. QQ. HH.....(2.10) WWWWWW = daya air (kkkk) γγ = berat air per satuan volume (kkkk/mm 2 /dddd 2 ) QQ = kapasitas (mm 3 /dddd) HH = head pompa (mm) Daya Poros Daya poros yang diperlukan untuk menggerakkan sebuah pompa adalah sama dengan daya air ditambah kerugian daya pada poros pompa. Daya ini dapat dinyatakan sebagai berikut: SSSSSS = WW mmmmmmmmmm. ηη MM...(2.11) atau ηη oooo = SSSSSS WWWWWW WW mmmmmmmmmm ηη MM η oooo WHP...(2.12) W motor = daya poros sebuah pompa (kkkk) = daya air (WW) = daya listrik pada motor (W) = efisiensi motor pompa = efisiensi overall Efisiensi Pompa Merupakan rasio antara daya air pompa terhadap daya poros pompa, yang dirumuskan dengan : ηη pppppppppp = WWWWWW SSSSSS XX 100 %...(2.13)

8 11 WWWWWW = daya air (WW) SSSSSS = daya poros pompa (kkkk) 2.5 Sistem Perpipaan Pada Pompa Menurut (Flint Evans), sebagian besar masalah pompa terdapat pada pipa hisapnya. Terdapat enam aturan dasar untuk menjamin pemeliharaan yang sedikit dan biaya operasional pompa yang rendah, yaitu: 1. Menyediakan NPSH yang cukup. Sederhananya, memasang pompa tanpa tekanan inlet yang mencukupi akan mengakibatkan pompa beroperasi normal dan akan terjadi kavitasi. 2. Mengurangi kerugian gesekan. Pompa harus diletakan sedekat mungkin dari tangki ato pipa headernya. Pompa harus cukup jauh sehingga pipa hisap dapat mensuplai fluida dengan baik ke pompa, yaitu paling sedikit sepulih kali diameter pipanya (10D). 3. Tidak ada belokan (elbow) pada inlet hisap. Belokan pada inlet hisap mengakibatkan aliran yang tidak seragam masuk ke impeller pompa. Hal ini akan meyebabkan aliran turbulen dan udara masuk impeller yang mengakibatkan impeller rusak dan menimbulkangetaran. 4. Hindari udara atau uap masuk pipa hisap pompa. Udara atau uap yang masuk melalui kebocoran pipa hisap pompa akan mengakibatkan efek yang serupa dengan kavitasi. 5. Pipa dipasang lurus. Pipa dan aksesorisnya harus dipasang lurus dan disangga dengan baik sehingga tidak menimbulkan gaya tarik/tekan pada rumah pompa. 6. Perhatian tambahan. Perhatikan semua komponen sistem pompa dengan baik, dan lakukan pengecekan sebelum pompa dioperasikan. Desain sistem perpipaan memberikan efek yang penting pada operasi pompa sentrifugal. Pemilihan ukuran diameter pipa tekan (discharge) utamanya adalah permasalahan ekonomi (Kelair Pump, 2009). Biaya berbagai ukuran diameter pipa harus dibandingkan dengan ukuran pompa dan daya yang

9 12 dibutuhkan untuk mengatasi kehilangan energi yang terjadi. Desain sistem hisap pompa sangat penting. Beberapa permasalahan pompa sentrifugal disebabkan karena kondisi sistem pipa hisapnya yang tidak tepat. Fungsi pipa hisap adalah untuk mensuplai aliran fluida yang terdistribusi merata pada mulut hisap pompa, dengan tekanan yang cukup untuk menghindari terjadinya turbulensi pada impeller pompa. Diameter pipa hisap harus tidak pernah lebih kecil dari diameter mulut hisap pompa, dan pada umumnya harus satu tingkat ukuran lebih besar. Pipa hisap harus pendek dan selurus mungkin. Kecepatan aliran pada pipa hisap harus diantara 1,5 sampai dengan 2,5 meter/detik. Kecepatan yang lebih tinggi akan meningkatkan kerugian energi dan dapat menimbulkan gangguan udara atau separasi uap. Hal ini diperparah jika belokan atau tee diletakkan langsung di mulut hisap pompa. Idealnya pipa lurus dengan panjang lima kali diameternya (5D) harus dipasang sebelum aksesories pipa seperti katup atau belokan. Pipa hisap harus dipasang benar-benar datar, atau miring ke atas dari bak atau header ke pompa. Hindarkan adanya titik tertinggi dimana udara terperangkap yang dapat menimbulkan pompa kehilangan dayanya. Lebih tepat memasang pengecilan (reducer) eksentrik dari pada konsentrik pada pipa hisap pompa, dimana bagian datarnya menghadap ke atas. Kerugian gesekan pada pipa hisap pompa harus dikontrol dalam batas yang dijinkan. Ukuran minimum pipa hisap dapat ditentukan dengan membandingkan TDSL (total dynamic suction lift) dari pompa (dari kurve performansi pompa) dengan TDSL yang dihitung pada sistem hisap pompa (Gulik, 2008). Terdapat tiga kriteria lain yang dapat digunakan untuk menentukan ukuran pipa hisap pompa, yaitu: 1. Kecepatan aliran fluida pada pipa hisap pompa harus lebih rendah dari 7 ft/detik. 2. Ukuran pipa hisap harus minimal satu atau dua tingkat ukuran lebih besar dari ukuran mulut hisap pompa. 3. Dalam prakteknya, ukuran pipa hisap pompa harus cukup besar untuk meminimalkan kehilangan energi gesekan. Hal-hal berikut harus dipertimbangkan untuk mencegah udara masuk atau terperangkap di dalam sistem pipa hisap pompa, yaitu:

10 13 1. Seluruh sistem pipa hisap pompa harus miring sedikit ke atas ke arah pompa. Disarankan kemiringan minimum ¼ inchi per feet. 2. Semua sambungan flange dilengkapi dengan gasket dan kedap udara. 3. Ujung pipa hisap harus terbenam minimal empat kali diameter pipanya, dan sedikitnya satu kali diameter pipa dari dasar bak air. 4. Dalam situasi dimana pipa yang terbenam tidak memadai maka plat anti-vortex harus dipasang untuk mencegah udara kehisap dalam sistem pipa hisap pompa. 5. Pengecilan (reducer) eksentrik harus dipasang sebagai transisi antara pipa hisap dan mulut hisap pompa. 6. Katup kontrol jangan pernah dipasang pada sisi hisap pompa jika pompa dioperasikan pada negative suction. Sedangkan katup pada sisi tekan pompa dipasang untuk mengatur (throttling) operasi pompa. 7. Pipa lurus dengan panjang enam kali diameter pipa (6D) harus dipasang antara mulut hisap pompa dan belokan. 8. Strainer harus selalu dipasang pada sisi hisap pompa sentrifugal. Strainer harus mampu mencegah butiran benda yang lebih besar untuk melewati celah impeller pompa. Strainer harus memiliki luasan saringan tiga kali diameter pipanya. 9. Jika pompa mengisap air dari danau atau kolam ikan, kecepatan aliran maksimum melewati saringan harus dibatasi sampai 0,1 feet/detik. Sedangkan hal-hal berikut harus dipertimbangkan untuk mencegah udara masuk atau terperangkap di dalam sistem pipa hisap pompa, yaitu: 1. Kecepatan aliran maksimum di dalam pipa tekan pompa agar tidak melebihi 5 feet/detik. Hal ini akan membantu membatasi lonjakan tekanan yang mungkin terjadi akibat penghentiaan aliran tiba-tiba karena pompa mati atau penutupan katup. 2. Katup tekan harus jenis boll, globe, atau butterfly jika digunakan sebagai pengatur aliran atau tekanan. Katup jenis gate-valve dapat digunakan sebagai shut-off valve, yaitu terbuka penuh atau tertutup penuh. 3. Non-slam atau spring-loaded check valve harus digunakan untuk mencegah aliran balik ke dalam pompa.

11 14 4. Pembesaran (increaser) harus dipasang jika merubah ukuran pipa. Pembesaran konsentrik sudah cukup untuk pipa tekan pompa. Menurut Dornaus dan Heald (2001) dalam pipa header hisap, kecepatan aliran fluida antara 0,6 ~ 0,9 meter/detik, dan cabang keluarannya lebih baik membentuk sudut 30 sampai 45 terhadap pipa utama header dari pada sudut 90, serta kecepatan alirannya maksimum pada pipa hisap adalah 1,5 meter/detik. Setiap percabangan pada pipa header harus diperkecil sampai ukuran tertentu sehingga kecepatannya konstan. 2.6 Aliran Fluida Dalam Pipa Dan Saluran Karakteristik struktur aliran internal (dalam pipa) sangat tergantung dari kecepatan rata- rata aliran dalam pipa, densitas, viskositas dan diameter pipa. Aliran fluida (cairan atau gas) dalam pipa mungkin merupakan aliran laminer atau turbulen. Pada aliran laminer, partikel - partikel fluida seolah- olah bergerak sepanjang lintasan yang halus dan lancar dengan kecepatan fluida rendah dan viskositasnya tinggi.sedangkan aliran turbulen, partikel - partikel fluida bergerak secara acak dan tidak stabil dengan kecepa tan fluida tinggi dan viskositasnya rendah. Hal tersebut ditunjukkan oleh percobaan Osborne Reynolds. Percobaan tersebut dilakukan menginjeksikan zat pewarna ke dalam pipa yang dialiri fluida dengan kecepatan rata- rata tertentu seperti Gambar 2.2. (Ardhelas, 2012) Gambar 2.4 Ilustrasi jenis aliran

12 15 Menurut hasil percobaan Reynold, untuk membedakan apakah aliran itu turbulen atau laminar dapat menggunakan bilangan tak berdimensi yang disebut dengan bilangan Reynold. Bilangan ini dihitung dengan persamaan berikut : RRRR = vv.dd νν...(2.14) RRRR = Bilangan Reynold (tak berdimensi ) vv = kecepatan rata- rata (ffff/ss aaaaaaaa mm/ss) DD = diameter pipa (ffff aaaaaaaa mm) νν = viskositas kinematik (mm 2 /ss) Pada Re < 2300, aliran bersifat laminer. Pada Re > 4000, aliran bersifat turbulen. Pada Re = terdapat daerah transisi, dimana aliran dapat bersifat laminer atau turbulen tergantung pada kondisi pipa dan aliran Kavitasi Kavitasi adalah gejala menguapnya zat cair yang sedang mengalir, karena tekanannya turun sampai dibawah tekanan uap jenuhnya. Ketika zat cair terhisap pada sisi isap pompa, tekanan pada permukaan zat cair akan turun.bila tekanannya turun sampai pada tekanan uap jenuhnya, maka cairan akan menguap dan membentuk gelembung uap. Selama bergerak sepanjang impeler, kenaikan tekanan akan menyebabkan gelembung uap pecah dan menumbuk permukaan pompa. Jika permukaan saluran/pipa terkena tumbukan gelembung uap tersebut secara terus menerus dalam jangka lama akan mengakibatkan terbentuknya lubang - lubang pada dinding saluran atau sering disebut erosi kavitasi. Pengaruh lain dari kavitasi adalah timbulnya suara berisik, getaran dan turunnya performansi pompa. 2.7 Hukum Kekekalan Energi Penjabarkan prinsip Hukum Kekekalan Energi yang diaplikasikan pada aliran fluida melalui pipa di setiap titik sepanjang jalur pipa, energi total dari fluida dihitung berdasarkan pertimbangan energi fluida terhadap tekanan,

13 16 kecepatan dan ketinggian yang dikombinasikan dengan semua energi masukan, energi keluar dan kerugian energi. Energi keseluruhan dari fluida yang terdapat pada jalur pipa pada setiap titik adalah konstan. Ini juga dikenal dengan prinsip Hukum Kekekalan Energi (Menon, 2005). Gambar 2.5 Aliran fluida dalam pipa Sehingga energi total 2 P v EE = ZZ + +.(2.15) γ 2g ZZ = energi potensial (mm) PP = tekanan (PPPP) γγ = berat spesifik (kkkk/mm 2 /dddd 2 ) = berat jenis (kkkk/mm 3 ) x percepatan gravitasi (mm/dddd 2 ) vv = kecepatan (mm/ss) gg = percepatan gravitasi (mm/ss 2 ) Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka HH AA = HH BB P A v ZZ AA + + A γ 2g 2 = ZZ BB + P V + B 2g B γ 2... (2.16)

14 Hukum Kontinuitas Pada sistem perpipaan dikenal Hukum Kontinuitas, dimana hukum ini memaparkan bahwa besarnya fluida yang mengalir pada suatu bidang merupakan hasil kali dari kecepatan fluida dengan luas penampang bidang tersebut. QQ = vv. AA (2.17) QQ = kuantitas fluida (mm 3 /dddd) vv = kecepatan fluida (mm/dddd) AA = luas penampang bidang (mm 2 ) Hukum ini berhubungan langsung dengan persamaan Bernoulli dan perhitungan kerugian energi karena variabel kecepatan yang dimilikinya merupakan fungsi kuadrat pada kedua persamaan dan perhitungan tersebut. 2.9 Rangkaian Pompa Paralel Pada dasarnya pompa digunakan pada sistem perpipaan adalah untuk memberikan sejumlah energi (head) ke dalam sistem sehingga fluida kerja mampu mencapai tempat tujuan dengan jumlah yang diinginkan. Apabila sebuah pompa telah mampu memberikan head yang cukup, maka hal tersebut sangatlah bagus. Namun dalam kenyataannya, karena keterbatasan energi (head) ataupun laju aliran (flowrate) sebuah pompa, penggunaan dua atau lebih pompa pada suatu rumah pompa diperlukan untuk mencapai tekanan dan aliran kecepatan yang diperlukan sehingga dibuatkanlah rangkaian pompa tertentu yaitu rangkaian paralel. Dapat disebutkan dengan kata lain, untuk mencapai kapasitas yang lebih besar untuk dialirkan digunakanlah rangkaian paralel. Susunan paralel pada gambar 2.5 dapat digunakan bila diperlukan kapasitas yang besar yang tidak dapat digunakan oleh satu pompa saja, atau bila diperlukan pompa cadangan yang akan dipergunakan bila pompa utama rusak atau diperbaiki.

15 Gambar 2.6 Kurva performa rangkaian pompa paralel 18