BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin- mesin Fluida Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis poros menjadi energy potensial atau sebaliknyamengubah energi fluida ( energi kinetic dan energy potensial ) menjadi energy mekanik poros. Dalam hal ini fluida yang akan dimaksud berupa cair, gas, dan uap. Secara umum mesin-mesin fluida dapat dibagi menjadi dua bagian besar, yaitu: 1. Mesin Tenaga : Mesin fluida yang berfungsi mengubah enrgi fluida ( energi potensial dan energi kinetik ) menjadi energi mekanis poros. Contoh : Turbin, kincir air, dan kincir angin 2. Mesin Kerja : Mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis poros menjadi energy 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. Pompa beroperasi dengan membuat perbedaan tekanan di bagian isap ( suction ) dan bagian keluar ( discharge ). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tekanan mekanis dari suatu sumber tenaga ( penggerak ) menjadi tenaga kinetis ( Kecepatan ), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada sepanjang aliran. Dari gambar 2.1 dapat dilihat bahwa prinsip sebuah pompa adalah mengubah energi mekanik motor menjadi energi aliran fluida. Energi yang diterima oleh fluida akan digunakan untuk menaikkan tekanan dan mengatasi tahanan-tahanan yang terdapat pada saluran yang dilalui. Pompa juga dapat digunakan pada proses-proses yang membutuhkan tekanan hidraulik yang besar. Hal ini bisa dijumpai antara lain pada peralatan-peralatan berat. Dalam operasi, mesin-mesin peralatan berat membutuhkan tekanan discharge yang besar dan tekanan isap yang rendah. Akibat tekanan yang rendah pada sisi isap pompa maka fluida akan naik dari

2 kedalaman tertentu, sedangkan akibat tekanan yang tinggi pada sisi discharge akan memaksa fluida untuk naik sampai pada ketinggian yang diinginkan Gambar 2.1 Instalasi pompa Salah satu jenis pompa yang pemindah non-positip adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energy kinetis ( kecepatan ) cairan menjadi energy potensial ( dinamis ) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. 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. 2.3 Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal adalah pompa salah satu jenis pompa pemindah non positip yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing Sejarah dan Perkembangan Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal merupakan pilihan utama para insinyur dalam aplikasi pompa. Hal ini di karenakan pompa sentrifugal sangat sederhana dan serbaguna. Pompa sentrifugal diperkenalkan oleh Denis Papin tahun 1689 di Eropa dan dikembangkan di Amerika Serikat

3 pada awal tahun 1800-an. Pada awalnya pompa ini dikenal sebagai baling-baling Archimedean yang seperti ditunjukan pada gambar 2.2. Pada saat itu diproduksi untuk aplikasi head rendah yang mana fluida bercampur sampah dan benda padat lainnya. Dan awalnya mayoritas aplikasi pompa menggunakan pompa positive_displacement. Gambar 2.2 Pompa sentrifugal saat pertama dibuat Tingkat kepopuleran pompa sentrifugal dimulai sejak adanya pengembangan motor elektrik kecepatan tinggi (high speed electric motors), turbin uap, dan mesin pembakaran ruangan (internal combustion engines). Pompa sentrifugal merupakan mesin berkecepatan tinggi dan dengan adanya pengembangan penggerak kecepatan tinggi telah memungkinkan pengembangan pompa menjadi lebih efisien. Sejak tahun 1940-an, pompa sentrifugal menjadi pompa pilihan untuk berbagai aplikasi. Riset dan pengembangan menghasilkan peningkatkan kemampuan dan dengan ditemukannya material konstruksi yang baru membuat pompa memiliki cakupan bidang yang sangat luas dalam penggunaannya. Sehingga tidak mengherankan jika hari ini ditemukan efisiensi 93% lebih untuk pompa besar dan 50% lebih untuk pompa kecil. Pompa sentrifugal modern mampu mengirimkan hingga ,_ (gl/min) dengan head hingga 300 feet yang biasanya dipakai pada industri tenaga nuklir. Dan boiler feed pump telah dikembangkan sehingga dapat mengirimkan 300 (gl/min) dengan head lebih dari 1800 feet. Pada fase selanjutnya pompa sentrifugal ini paling banyak digunakan di pabrik kimia. Pompa sentrifugal biasa digunakan untuk memindahkan berbagai macam fluida, mulai dari air, asam sampai slurry atau campuran cairan dengan katalis padat (solid). Dengan desain yang cukup sederhana, pompa sentrifugal bisa disebut sebagai pompa yang paling populer di industri kimia.

4 Klasifikasi Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal diklasifikasikan berdasarkan beberapa kriteria, antara lain: 1. Kapasitas : a. Kapasitas rendah : < 20 m 3 / jam b. Kapasitas menengah : m 3 / jam c. Kapasitas tinggi : > 60 m 3 / jam 2. Tekanan Discharge : a. Tekanan Rendah : < 5 Kg / cm 2 b. Tekanan menengah : 5-50 Kg / cm 2 c. Tekanan tinggi : > 50 Kg / cm 2 3. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat : a. Single stage : Terdiri dari satu impeller dan satu casing. b. Multi stage : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun seri dalam satu casing. c. Multi Impeller : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun paralel dalam satu casing. d. Multi Impeller Multi stage : Kombinasi multi impeller dan multi stage. 4. Posisi Poros : a. Poros tegak b. Poros mendatar 5. Jumlah Suction : a. Single Suction b. Double Suction 6. Arah aliran keluar impeller : a. Radial flow b. Axial flow c. Mixed fllow 2.4 Komponen-komponen pompa Komponen-komponen penting dari pompa sentrifugal adalah kompenen yang berputar dan komponen tetap. Komponen berputar terdiri dari poros dan impeler, sedangkan komponen yang tetap adalah rumah pompa (casing), bantalan (bearing), Komponen lainnya dapat dilihat secara lengkap dan nama-nama

5 komponen. ( gambar 2.3 ) Gambar 2.3 Kontruksi pompa Keterangan Gambar : 009. Tutup rumah pompa selubung 779. penyangga 011. Rumah pompa Pasak 020. Cincin Penyekat Pasak 023. Cincin perapat 122. Cincin pelempar 031. Penekan paking 131. Kopling 033. Paking 201. Rumah bantalan 101. Impeller 202. Tutup bantalan 105. Mur Impelller 221. Bantalan bola 111. Poros 229. Penopang Gambar 2.4 Konstruksi Pompa

6 2.5 Prinsip Kerja Pompa Pada pompa terdapat sudu-sudu impeler gambar 2.6 yang berfungsi mengangkat zat cair dari tempat yang lebih rendah ketempat yang lebih tinggi ( gambar 2.5 ). Impeler dipasang pada poros pompa yang berhubungan dengan motor pengerak, biasanya motor listrik atau motor bakar. Gambar 2.5 proses pemompaan Poros pompa akan berputar apabila penggeraknya berputar., karena poros pompa berputar impeller dan sudu-sudu impeller berputar zat cair yang di dalamnya akan ikut berputar sehingga tekanan dan kecepatannya naik dan terlempar dari tengah pompa ke saluran yang berbentuk volut atau spiral yang kemudian dislaurkan keluar melalui nosel. Jadi fungsi impeler pompa adalah merubah energi mekanik yaitu putaran impeler menjadi energi fluida (zat cair). Jadi, zat cair yang masuk pompa akan mengalami pertambahan energi. Pertambahan energi pada zat cair mengakibatkan pertambahan head tekan, head kecepatan dan head potensial. Jumlah dari ketiga bentuk head tersebut dinamakan head total. Head total pompa juga bisa didefinisikan sebagai selisih head total (energi persatuan berat ) pada sisi isap pompa dengan sisi keluar pompa. Pada gambar 2.7 aliran air didalam pompa akan ikut berputar karena gaya sentrifugal dari impeler yang berputar.

7 Gambar 2.6 penampang impeller Gambar 2.7 perubahan energi pompa 2.6 Head ( Tinggi Tekan) 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. Dasar dari penentuan tinggi tekan (head) pompa adalah persamaan Bernoulli. Untuk aplikasi pada instalasi pompa, persamaan Bernoulli dalam bentuk energi head terdiri dari empat head, antara lain head elevasi, head tekanan, head kecepatan, dan head kerugian ( gesekan aliran). Persamaan Bernouli dalam bentuk energi head yaitu: (1)) (2) (3) (4) Dimana : head elevasi, perbedaan tinggi muka air sisi masuk dan keluar (m) = = head kecepatan sisi masuk dan keluar ( m ) = head tekanan sisi masuk dan keluar ( m) head kerugian ( Head Statis Total Head statisadalah penjumlahan head elevasi dengan head tekanan. Head statis dari head statis sisi masuk dan sisi keluar, adapun persamaannya sebagai berikut :

8 (5) (6) (7) (8) Gambar 2.8 head statis total Head Kerugian ( Loss ) Head kerugian yaitu head untuk mengatasi kerugian-kerugian yang terdiri dari kerugian gesek aliran di dalam perpipaan dan head kerugian di dalam belokan-belokan ( elbow ), percabangan, dan perkatupan ( valve ) (9) a. Head Kerugian gesek di dalam pipa Aliran fluida cair yang mengalir di dalam pipa adalah fluida viskos sehingga faktor gesekan fluida dengan dinidng pipa tidak dapat diabaikan. Untuk menghitung kerugian gesek dapat menggunakan perumusan seba`gai berikut: : ( Jari-jari Hidrolik ) (10) ( Gradien Hidrolik ) (11) ( head kerugian gesek dalam pipa) (12)

9 Dengan : V = kecepatan rata-rata dalam pipa C, p, q = koefisien-koefisien = koefisen kerugian gesek g = percepatan gravitasi L = panjang pipa ( m ) D = Diameter pipa (m ) Perhitungan kerugian di dalam pipa dipengaruhi oleh pola aliran, untuk aliran laminar dan turbulen akan menghasilkan nilai koefisien yang berbeda. Hal ini dikarenakan karakteristik dari aliran tersebut. Adapun rumus yang dipakai adalah sebagai berikut : a. Aliran Laminar ( Re < 2300 ) b. Aliran Turbulen ( Re < 4000 ) (13) (14) Sedangkan untuk mencari nilai Re dengan diketahu kapasitas pompa dan ukuran penampang, maka rumus mencari nilai bilangan Reeynold menjadi V s d Re = is (15) υ Dengan: Re = Bilangan Reynold υ = viskositas kinematik d is = diameter dalam pipa Sehingga untuk mencari faktor gesek (f) didapat dengan cara yang dijelaskan dengan persamaan di bawah ini (16) b. Head Kerugian di dalam jalur pipa ( Hsambungan ) Kerugian head jenis ini terjadi karena fluida mengalami gangguan aliran sehingga mengurangi energi alirannya. Secara umum rumus kerugian head ini adalah yang ditunjukan pada persamaan 19, dimana (17)

10 Kerugian head ini banyak terjadi pada: a. Belokan ( Elbow ) b. Perkatupan sepanjang jalur pipa Pemasangan katup pada pompa adalah untuk pengontrolan kapaasitas, tetapi dengan pemasangan katup tersebut akan mengakibatkan kerugian energi aliran karena aliran dihambat. Dari uraian di atas secara umum head kerugian total pompa dapat dituliskan sebagai berikut : (18) Head Total Head total pompa yang dibutuhkan untuk mengalirkan air dengan kapasitas yang telah ditentukan dari kondisi instalasi pompa yang akan dilayani. Pada gambar di bawah ini ( gambar 2.9) head total dapat dirumuskan sebagai berikut: Gambar 2.9 instalasi pompa dan head total Dimana: head statis total ( Perbedaan tinggi muka air sisi keluar dan masuk. ) perbedaan head tekan yang berada pada permukaan air ( berbagai kerugian head di perpipaan, katup, belokan, sambungnan, dan lain-lain (19) head kecepatan luar 2.7 Performansi Pompa Kapasitas Pompa Sentrifugal Kapasitas dari suatu pompa sentrifugal dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

11 Q = V. A Q V = A Dimana, bila untuk menghitung kecepatan alirannya menjadi: V S = Q P = P ( ) 2 A S 4Q π d is (20) (21) Dengan : Q = Kapasitas Pompa (m) V = Kecepatan aliran (m/s) A s = Luas Penampang Pipa (m 2 ) d is = diameter dalam pipa (m) Kecepatan 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 m 3 /s, dan dihitung berdasarkan ( Jack. B. evett, hal 357 ): n s = 51,64 (22) Dimana: n s = kecepatan spesifik n = putaran pompa (rpm) Q = kapasitas pompa (m 3 /s) H p = head pompa (m) Hubungan antara Kapasitas dengan Efisiensi Pompa Sentrifugal Efisiensi pompa merupakan perbandingan daya yang diberikan pompa kepada fluida dengan daya yang diberikan motor listrik kepada pompa. Berubahnya kapasitas akan mempengaruhi efisiensi pompa dan daya pompa. Untuk menghitung efisiensi pompa, maka ada beberapa hal yang perlu diperhitungkan yang nantinya akan mempenagruhi efisiensi pompa seperti rugi-rugi yang terjadi pada pompa disebabkan oleh adanya kebocoran, kerugian hidrolis, kerugian karena gesekan pada impeller serta kerugian mekanis pada bantalan dan elemen berputar lainnya yang dinyatakan pada persamaan 23 berikut ini

12 BHP = FHP + HPL + HPDF + HPH+H PM (23) Dimana FHP HPL = daya kuda fluida (Hp) = daya kuda untuk mengatasi kebocoran yang terjadi (Hp) HPDF = daya kuda untuk mengatasi gesekan pada cakra (Hp) HPH = daya kuda untuk mengatasi kerugian hidrolis (Hp) Sehingga untuk efisiensi pompa (η) dapat dicari dengn menggunakan persamaan 24 (Austin H Chruch, Pompa Dan Blower Sentrifugal, hal 36) Dimana daya kuda fluida (FHP) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Austin H Chruch, Pompa Dan Blower Sentrifugal, hal 34): dengan; γ = berat jenis cairan yang dipompa Q = kapasitas pompa H = head aktual (m) besar daya kuda untuk mengatasi kebocoran dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (AJ Stepanov, Centrifugal And Axial Flow pump, hal 199): Dengan : γ = berat jenis cairan yang dipompa QL = jumlah kebocoran total yang terjadi (0.1 Q m3/s) H = head pompa (m) Besar daya kuda yang dipakai untuk mengatasi gesekan pada cakra/impeller dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Stephen Lazarkeiwick, Impeller Pump, hal 58): dengan; γ= berat jenis fluida n = putaran poros d = dimeter impeller (24) (25) (26) (27)

13 Daya kuda untuk mengatasi kerugian hidrolis (HPH) dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Austin H Church, Pompa Dan Blower Sentrifugal, hal 35): (28) dengan; γ = berat jenis fluida Q = kapsitas aliran ditambah kebocorn yang terjadi (1.1Q m3/s) h ls = kerugian hidrolis (m) 2.7.3a Hal yang mempengarui efisiensi pompa Berbagai pengaruh pada pompa yang bisa menurunkan atau menaikan efisiensinya. Adapun faktor faktor lain yang juga mempengaruhi dari efisiensi pompa adalah sebagai berikut ini : 1. Kondisi permukaan pada permukaan dalam pompa. 2. Kerugian mekanis dari pompa 3. Diameter impeler 4. Kekentalan zat cair. 5. Kondisi zat cair yang dipompa Daya Pompa Sentrifugal Besarnya energi atau daya yang dibutuhkan untuk memutar poros pompa dipengaruhi oleh kapasitas pompa, tinggi tekan total pompa, berat jenis fluida yang dipompakan, serta efisiensi total pompa tersebut. Daya yang dibutuhkan untuk memutar poros pompa ( Psh ) dirumuskan dengan persamaan (Stephen Lazarkiewich, Impeler Pump, Hal. 71) : di mana : N p = daya yang dibutuhkan pompa ( kw ) Q = kapasitas pompa ( m3/det ) H = Head total pompa ( m ) γ = berat jenis fluida yang dipompa ( kg/m3 ) η = efisiensi total pompa (29) 2.8 Kavitasi Pompa Tekanan Uap Zat Cair

14 Tekanan uap dari zat cair adalah tekanan mutlak pada temperatur tertentu dimana pada kondisi tersebut zat cair akan menguap atau berubah fase dari cairan menjadi gas. Tekanan uap zat cair naik demikian juga dengan temperatur zat cair tersebut. Pada tekanan atmosfer temperatur pendidihan air pada suhu 100ºC, akan tetapi apabila kondisi tekanan zat cair tersebut diturunkan tekanannya dibawah 1 atm proses pendidihan memerlukan temperatur kurang dari 100ºC. Kondisi sebaliknya apabila kondisi tekanan zat cair naik labih dari 1 atm maka akan dibutuhkan temperatur yang lebih tinggi dari 100ºC Pada instalasi pompa penurunan tekanan terjadi disepanjang perpipaan terutama bagian pipa isap, didalam pompa sendiri penurunan tekanan pompa terjadi pada bagian nosel isap, karena dibagian tersebut terjadi penyempitan saluran yang mengakibatkan kenaikan kecepatan dan penurunan tekanan Proses Terjadinya Kavitasi Pada gambar 2.10 dan 2.11 terlihat terjadinya proses kavitasi di pompa. Kavitasi terjadi bila tekanan fluida pada saat memasuki pompa turun hingga di bawah tekanan uap jenuhnya (pada temperatur lingkungan), gelembung-gelembung uap kecil akan mulai terbentuk. Gelembung-gelembung uap ini akan terbawa oleh aliran fluida dan masuk pada daerah yang bertekanan lebih tinggi, sehingga gelembung akan pecah dan menimbulkan suara berisik dan getaran. Selain itu performansi pompa akan turun secara tiba-tiba sehingga pompa tidak dapat beroperasi dengan baik. Jika pompa dijalankan dalam keadaaan kavitasi secara terus-menerus dalam jangka waktu lama, maka permukaan dinding saluran di sekitar aliran akan termakan sehingga menjadi berlubang-lubang. Peristiwa ini yang dinamakan erosi kavitasi, sebagai akibat tumbukan gelembung-gelembung uap yang pecah pada dinding secara terus-menerus. Gambar 2.10 proses kavitasi pada pompa

15 Gambar 2.11 proses kavitasi pada pompa Bagian bagian yang sering terkena kavitasi adalah sudu-sudu impeler dan difuser dan juga bagian dalam dinding rumah pompa. Pada pompa diagonal dan pompa aksial (propeller pumps), kavitasi terjadi pada sudu impeler dekat sisi masuk, pada bagian dalam dari dinding rumah pompa, dan pada sisi masuk sudu difuser. Penurunan tekanan pada umumnya disebabkan oleh beberapa hal, antara lain : a. Kenaikan gaya angkat statis (static lift) dari pompa sentrifugal b. Penurunan tekanan atmosfer seiring dengan bertambahnya ketinggian/elevasi c. Penurunan tekanan absolut sistem, seperti dijumpai pada pemompaan fluida dari tabung vakum. d. Kenaikan temperatur fluida yang dipompa. Secara umum dapat disimpulkan bahwa terjadinya kavitasi akan mengakibatkan beberapa kerugian sebagai berikut : a. Penurunan head dan kapasitas pemompaan b. Penurunan efisiensi pompa c. Pecahnya gelembung-gelembung uap saat melalui daerah yang bertekanan lebih tinggi akan menyebabkan suara berisik, getaran dan kerusakan pada beberapa komponen terutama impeler dan difuser Faktor Penyebab Terjadinya Kavitasi 1. Penguapan ( Vaporization ) 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

16 pabrik pembuat pompa dan dihitung berdasarkan asumsi bahwa air yang dipompakan adalah 'fresh water' pada suhu 68 o F. 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 2. Masuknya Udara Luar ke Dalam Sistem ( Air Ingestion ) 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 sistem 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 ), flens ( sambungan pipa ) yang bocor, tarikan udara melalui pusaran cairan ( vortexing fluyd ), 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. Keduanya, baik penguapan maupun masuknya udara ke dalam sistem 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 ) 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

17 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 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. Pergolakan Aliran ( Turbulence ) Aliran fluida diinginkan pada kecepatan yang konstan. Korosi dan hambatan yang ada pada sistem perpipaan dapat merubah kecepatan fluida dan setiap ada perubahan kecepatan, tekanannya juga berubah. Untuk menghambat hal tersebut, perlu dilakukan perancangan sistem perpipaan yang baik. Antara lain memenuhi kondisi jarak minimum antara suction pump dengan elbow yang pertama minimal sepuluh kali 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 sebagai berikut: - 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 10x diameter pipa, - setiap pompa harus memiliki kapasitas kurang dari 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 ( discharge ), ring dapat dibuat untuk memperpanjang sisi keluar dari dinding discharge sampai selubung impeller.

18 2.8.4 Akibat Terjadinya Kavitasi 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 dapat 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. 4. bagian Pompa Bagian - 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 gelombang kejutan yang mampu merusak bagian 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 menunjukkan bahwa kecepatan tinggi cairan kelihatannya datang dari segala sudut. - Semakin tinggi kapasitas pompa, semakin memungkinkan terjadinya kavitasi. 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.

19 Pencegahan Kavitasi Cara menghindari proses kavitasi yang paling tepat adalah dengan memasang instalasi pompa dengan NPSH yang tersedia lebih besar dari pada NPSH yang diperlukan. NPSH yang tersedia bisa diusahakan oleh pemakai pompa sehingga nilainya lebih besar dari NPSH yang diperlukan. Berikut ini hal-hal yang diperlukan untuk instalasi pompa : 1. Ketinggihan letak pompa terhadap permukaan zat cair yang dihisap harus dibuat serendah mungkin agar head isap statis lebih rendah pula. Pipa Isap harus dibuat sependek mungkin. JIka terpaksa dipakai pipa isap yang panjang, sebaiknya diambil pipa yang berdiameter satu nomer lebih besar untuk mengurangi kerugian gesek. 2. Tidak dibenarkan untuk mengurangi laju aliran dengan menghambat aliran disisi isap. 3. Head total pompa harus ditentukan sedemikian hingga sesuai dengan yang diperlukan pada kondisi operasi yang sesungguhnya. 4. Jika head pompa sangat berfluktuasi, maka pada keadaan head terendah harus diadakan pengamanan terhadap terjadinya kavitasi. Dalam beberapa hal terjadiny akavitasi tidak dapat dihindari dan tidak mempengarui performa pompa, sehingga perlu dipilih bahan impeler yang tahan erosi karena kavitasi Nett Posstive Suction Head ( NPSH ) sebagai parameter Kavitasi Kavitasi akan terjadi bila tekanan statis suatu aliran zat cair turun sampai di bawah tekakan uap jenuhnya. Jadi, untuk menghindari kavitasi harus diusahakan agar tidak ada satu bagianpun dari aliran di dalam pompa yang mempunyai tekanan statis lebih rrendah atau tekanan uap jenuh cairan pada temperatur yang bersangkutan. Oleh karena itu, perlu diperhatikan dua jenis tekanan yang memegamg peranan penting yang dipakai sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi. Yaitu tekanan yang ditentukan oleh kondisi lingkungan tempat pompa dipasang dan tekanan yang ditentukan oleh keadaan alliran di dalam pompa NPSH yang Tersedia ( NPSH Available ) Head isap positif netto yang tersedia atau NPSH available (NPSHa) merupakan head yang dimiliki fluida pada sisi isap pompa (ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi isap pompa) dikurangi dengan tekanan uap jenuh fluida di tempat tersebut. Perhitungan NPSH available dilakukan berdasarkan instalasi dan posisi/letak pompa, beberapa di antaranya seperti berikut ini: a. Pompa menghisap cairan dari tempat terbuka, posisi pompa di atas permukaan cairan yang dihisap seperti pada gambar 2.12

20 Gambar 2.12 Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas permukaan cairan isap b. Pompa menghisap cairan dari tangki terbuka, posisi pompa di bawah permukaan cairan yang dihisap seperti pada gambar 2.13 Gambar Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah permukaan cairan isap c. Pompa menghisap cairan dari tangki tertutup, letak pompa di bawah cairan yang dihisap seperti pada gambar 2.14 Gambar 2.14 Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah tangki isap tertutup d. Pompa menghisap cairan dari tangki tertutup, pompa terletak di atas permukaan yang dihisap seperti pada gambar 2.15

21 Gambar 2.15 Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas tangki isap tertutup Besarnya NPSH yang tersedia untuk empat sistem di atas dapat dirumuskan sebagai berikut: di mana: Pa Pv NPSHa = hs h g ± γ Ls (30) P a P v h s h Ls γ = tekanan atmosfer = tekanan uap jenuh = head isap statis (+) untuk kondisi pompa di bawah permukaan cairan yang dihisap (-) untuk kondisi pompa di atas permukaan cairan yang dihisap = head kerugian isap = berat jenis fluida Kavitasi akan terjadi apabila tekanan zat cair yang dipompa berada dibawah tekanan uap jenuh zat cair tersebut, untuk menghindari terjadinya kavitasi maka diusahakan agar tidak ada satu daerahpun dalam proses pemompan yang memiliki tekanan dibawah tekanan uap jenuh cairan pada temperatur operasi pemompaan. Terjadinya kavitasi mempunyai kaitan dengan kondisi pompa pada sisi isap. Tekanan isap minimum yang dimiliki pompa sehingga mampu memasukkan cairan kepompa disebut net positive suction head (NPSH). Besarnya NPSH dipengaruhi oleh beberapa hal, antara lain : 1. Tekanan absolut pada permukaan cairan yang dipompa. 2. Tekanan uap jenuh dari fluida yang dipompa pada temperatur cairannya. 3. Ketinggian cairan dari poros pompa. 4. Kerugian yang disebabkan oleh gesekan atau turbulensi aliran dalam pipa isap antar permukaan cairan hingga ke pompa Net Postive Head Required (NPSHr)

22 Head isap positif netto yang diperlukan atau NPSH Required (NPSHr) adalah head minimal yang diperlukan untuk mencegah kavitasi pada laju aliran fluida yang diberikan. Besarnya harga NPSHr biasanya ditentukan dari pabrik pembuat pompa melalui beberapa pengujian. Agar pompa dapat beroperasi dengan aman dan terhindar dari peristiwa kavitasi, maka sebagai syarat utama adalah harga NPSH yang tersedia (NPSHa) harus lebih besar daripada NPSH yang diperlukan (NPSHr). Besarnya NPSHr berebdaa untuk setiap pompa. Untuk suatu pompa tertentu, NPSH yang diperlukan berubah menurut kapasitas dan pompanya. Adapun persamaan untuk menghitung NPSHr yaitu : (31) Dimana : NPSHr = NPSH yang diperlukan = Koefisien kavitasi Thoma = Head Total pompa Dimana, dalam mencari koefisien kavitasi Thoma, digunakan grafik yang terdapat pada gambar 2.16 dengan cara interpolasi. Selain mempergunakan koefisien thoma, sering juga dipergunakan bilangan kecepatan spesifik isap S sebagai pengganti perhitungan dengan. Harga S untuk pompa-pompa berbentuk umum adalah Harga ini tidak tergantung pada ns. Sehingga persamaan NPSHr menjadi : (32) Dimana : NPSHr = NPSH yang diperlukan = kapasitas pompa n = kecepatan spesifik pompa (rpm) S = bilangan kecepatan spsesifik isap (1200)

23 Gambar 2.16 Hubungan antara koefisien kavitasi dan kecepatan spesifik 2.10 NPSH dan Performansi Pompa Ada dua cara untuk memeriksa secara eksperimental pengaruh NPSH pada performansi pompa, antara lain: 1. Kapasitas dijaga tetap, harga NPSH yang tersedia divariasikan. Kemudian perubahan head total pompa, daya poros, dan efisiensi diperiksa. 2. Mengukur efisiensi pompa dengan memakai NPSH sebagai parameter kemudian memeriksa perubahan kurva performansi pompa karena perubahan NPSH Perubahan performansi pompa terhadap perubahan NPSH tergantung pada ns pompa yang bersangkutan. Pompa dengan ns rendah mempunyai kurva yang cenderung menurun secara tiba-tiba di daerah kapasitas besar dimana NPSH menjadi kecil. pada kedua metode tersebut, NPSHr pada titik dimana terjadi penurunan performansi sebenarnya itulah nilai dari NPSHr. Namun, pengukuran tersebut sangat sulit dilakukan sehingga untuk mengukur NPSHr dilakukan dengan melihat penurunan performansi pada titik 3% Computational Fluid Dynamics (CFD) Dalam aplikasinya, aliran fluida baik cair maupun gas adalah suatu zat yang sangat kentara dengan kehidupan sehari hari. Misalnya pengkondisian udara bagi bangunan dan

24 mobil, pembakaran di motor bakar dan sistem propulsi, interaksi berbagai objek dengan udara atau air, aliran kompleks pada penukar panas dan reactor kimia, dan lain sebagainya, yang mana cukup menarik untuk diteliti, diselidiki dan dianalisis. Untuk kebutuhan penelitian tersebut bahkan sampai dengan tingkat desain, perlu dibutuhkan suatu alat yang mampu menganalisis atau memprediksi dengan cepat dan akurat. Maka berkembanglah suatu ilmu yang dinamakan Computational Fluid Dynamics (CFD) yang dalam bahasa Indonesia dikenal dengan Komputasi Aliran Fluida Dinamik Pengertian Umum CFD Secara umum CFD terdiri dari dua kata yaitu sebagai berikut : - Computational : segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi - Fluid Dynamics : dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah di atas, maka CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda benda atau zat yang mengalir. Maka 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). Pada dasarnya, persamaan persamaan pada fluida dibangun dan dianalisis berdasarkan persamaan persamaan diferensial parsial atau dikenal dengan istilah PDE (Partial Differential Equation) yang mempresentasikan hukum hukum kekekalan massa (kontinuitas), momentum dan energi yang diubah kedalam bentuk numerik (persamaan linear) dengan teknik diskritisasi. Pengembangan sebuah perangkat lunak (software) CFD mampu memberikan kekuatan untuk mensimulasikan aliran fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, benda benda bergerak, aliran multifasa, reaksi kimia, interaksi fluida dan struktur, dan sistem akustik hanya dengan permodelan di komputer. Dengan menggunakan software ini dapat dibuat virtual prototype dari sebuah system atau alat yang ingin dianalisa dengan menerapkan kondisi nyata di lapangan. Dengan menggunakan software CFD akan didapatkan data data, gambar gambar, atau kurva kurva yang menunjukkan prediksi dari performansi keandalan sistem yang akan didesain Penggunaan CFD Dalam aplikasinya CFD dapat dipergunakan bagi : - Arsitek untuk mendesain ruang atau lingkungan yang aman dan nyaman.

25 - Desainer kendaraan untuk meningkatkan karakter aerodinamiknya. - Analisis kimia untuk memaksimalkan hasil dari reaksi kimia dalam peralatan. - Bidang petrokimia untuk strategi optimal dari oil recovery. - Bidang kedokteran untuk mengobati penyakit arterial (computational hemodynamics) - Metereologis untuk meramalkan cuaca dan memperingatkan akan terjadinya bencana alam. - Analis failure untuk mencari sumber sumber kegagalan misalnya pada suatu sistem pembakaran atau aliran uap panas. - Organisasi militer untuk mengembangkan senjata dan mengestimasi seberapa besar kerusakan yang diakibatkannya. Penggunaan CFD umumnya berhubungan dengan keempat hal berikut : 1. Studi konsep dari desain baru 2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshouting 4. Desain ulang (re design) Manfaat CFD Ditinjau dari segi manfaat terdapat tiga hal yang merupakan alasan kuat kenapa harus menggunakan CFD, yakni : insight, foresight, dan efficiency. 1) Insight Pemahaman Mendalam Apabila dalam mendesain sebuah system atau alat yang sulit untuk dibuat prototype-nya atau sulit untuk dilakukan pengujian, analisis CFD memungkinkan untuk digunakan secara virtual ke dalam alat/sistem yang dapat disaksikan melalui CFD yang belum tentu dapat dilihat dengan cara lainnya. 2) Foresight Prediksi Menyeluruh Dikarenakan CFD adalah alat untuk memprediksi apa yang akan terjadi pada alat/sistem yang didesain dengan satu atau lebih kondisi batas, maka dapat ditentukan desain yang optimal. 3) Efficiency Efisiensi Waktu dan Biaya Foresight yang diperoleh dari CFD dapat membantu untuk mendesain lebih cepat dan lebih hemat biaya. Analisis/simulasi CFD akan memperpendek waktu riset dan desain sehingga juga akan mempercepat produk untuk sampai ke pasaran Proses Simulasi CFD

26 Pada umumnya terdapat tiga tahapan yang harus dilakukan ketika melakukan simulasi CFD, yaitu sebagai berikut : 1) Preprocessing Hal ini merupakan langkah pertama dalam membangun dan menganalisis sebuah model CFD. Teknisnya adalah membuat membuat model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai, kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat sifat fluidanya. 2) Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing. 3) Postprocessing Hal ini adalah langkah terakhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. Beberapa prosedur yang digunakan pada semua pendekatan program CFD, yaitu sebagai berikut : 1) Pembuatan geometri dari model/problem 2) Bidang atau volume yang diisi fluida dibagi menjadi sel sel kecil (meshing) 3) Pendefinisian model fisiknya, misalnya : persamaan persamaan gerak + entalpi + konversi species (zat zat yang kita definisikan, biasanya berupa komponen dari suatu reaktan) 4) Pendefinisian kondisi kondisi batas, termasuk didalamnya sifat sifat dan perilaku dari batas batas model/problem. Untuk kasus transient, kondisi awal juga didefinisikan. 5) Persamaan persamaan matematika yang membangun CFD diselesaikan secara iterative, bisa dalam kondisi tunak (steady state) atau transient. 6) Analisis dan visualisasi dari solusi CFD Metode Diskritisasi CFD Secara matematis CFD mengganti persamaan persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum dan energy dengan persamaan persamaan aljabar linear. CFD merupakan pendekatan dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga).

27 Perhitungan/komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan persamaan diferensial parsial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah : - Metode beda hingga (finite difference method) - Metode elemen hingga (finite elements method) - Metode volume hingga (finite volume method) - Metode elemen batas (boundary element method) - Metode skema resolusi tinggi (high resolution scheme method) Metode diskritisasi yang dipilih umumnya menentukan kestabilan dari program numerik/cfd yang dibuat atau program software yang ada. Oleh karenanya diperlukan kehati hatian dalam cara mendiskritkan model khususnya cara mengatasi bagian yang kosong atau diskontinu 2.12 Pengenalan FLUENT Salah satu software yang digunakan dalam pengembangan kode CFD adalah FLUENT, yaitu satu jenis program CFD yang menggunakan metode volume hingga (finite volume method). FLUENT menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang realtif mudah. Jenis mesh yang didukung oleh FLUENT adalah tipe 2D triangular-quadritelar, 3D tetrahedral-hexahedral-pyramid-wedge, dan mesh campuran (hybrid). FLUENT juga memungkinkan untuk memperhalus atau memperbesar mesh yang sudah ada. Bahasa program FLUENT ditulis dalam bahasa C, sehingga memiliki struktur data yang efisien dan lebih fleksibel. FLUENT juga dapat digunakan bersama dengan arsitektur klien/server, sehingga dapat dijalankan sebagai proses terpisah secara simultan pada klien desktop workstation dan computer server. Semua fungsi yang dibutuhkan untuk menghitung suatu solusi dan menampilkan hasilnya dapat diakses pada FLUENT melalui menu yang interaktif. Beberapa alasan mengapa menggunakan FLUENT yaitu : - FLUENT mudah untuk digunakan - Model yang realistik (tersedia berbagai pilihan solver) - Diskritisasi meshing model yang efisien (dalam GAMBIT) - Cepat dalam penyajian hasil (bisa dengan parallel komputer) - Visualisasi yang mudah dimengerti

28 Struktur Program FLUENT Dalam satu paket program FLUENT terdapat beberapa produk, yaitu : - FLUENT - prepdf, merupakan preprocessor untuk memodelkan pembakaran non-premixed pada FLUENT. - GAMBIT, merupakan preprocessor tambahan yang dapat membuat volume mesh dari boundary mesh yang sudah ada. - Filter untuk mengimpor mesh permukaan dan atau volume dari program CAD/CAE seperti ANSYS, CGNS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN dll. Geometri dan mesh dapat dibuat menggunakan GAMBIT. Selain itu, dapat juga menggunakan Tgrid untuk membuat mesh volume triangular, tetrahedral, atau hybrid dari mesh bidang yang sudah ada. Struktur dari komponen tersebut dapat dilihat pada Gambar GAMBIT - Setup geometri - Pembuatan mesh 2D/3D geometri atau mesh Program CAD/CAE lainnya PrePDF - Perhitungan dari look-up tables mesh 2D/3D boundary mesh boundary mesh dan/atau mesh volume file PDF FLUENT - Impor&adaptasi mesh - Pemodelan fisik - Kondisi batas - Sifat-sifat material - Perhitungan - Post processing mesh TGrid - Mesh triangular 2D - Mesh tetrahedral 3D - Mesh hybrid 2D/3D Gambar 2.16 Struktur Komponen Program FLUENT Perencanaan Analisis CFD dan Langkah Penyelesain Masalah Menggunakan FLUENT Ada beberapa hal yang harus diperhatikan ketika akan meyelesaikan suatu kasus dengan menggunakan FLUENT, yaitu :

29 1) Menentukan tujuan pemodelan 2) Pemilihan model komputasional 3) Pemilihan model fisik 4) Penentuan prosedur Setelah merencanakan analisis CFD pada model, maka langkah-langkah umum penyelesaian analisis CFD pada FLUENT sebagai berikut : 1) Membuat geometri dan mesh pada model 2) Memilih solver yang tepat untuk model tersebut (2D atau 3D) 3) Mengimpor mesh model (grid) 4) Melakukan pemeriksaan pada mesh model 5) Memilih formulasi solver 6) Memilih persamaan dasar yang akan dipakai dalam analisis, misalnya : laminar, turbulen, reaksi kimia, perpindahan kalor dan lain-lain. 7) Menentukan sifat material yang akan dipakai 8) Menentukan kondisi batas 9) Mengatur parameter kontrol solusi 10) Initialize the flow field 11) Melakukan perhitungan/iterasi 12) Memeriksa hasil iterasi 13) Menyimpan hasil iterasi 14) Jika perlu, memperhalus grid kemudian dilakukan iterasi ulang untuk mendapatkan hasil yang lebih baik.

30 Mulai Pembuatan geometri dan meshing Pendefinisian bidang batas pada geometri Pengecekan mesh Mesh baik Tidak Data sifat fisik Ya Penentuan kondisi batas Proses numerik Tidak Iterasi eror? Ya Plot distribusi Tekanan, Temperatur, dll Selesai Gambar 2.17 Diagram Alir Prosedur Simulasi