BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sistem Perpipaan Dalam pembuatan suatu sistem sirkulasi harus memiliki sistem perpipaan yang baik. Sistem perpipaan yang dipakai mulai dari sistem pipa tunggal yang sederhana sampai sistem pipa bercabang yang kompleks. Contoh berbagai sistem perpipaan adalah, sistem distribusi air minum pada gedung atau kota, sistem pengangkutan minyak dari sumur bor ke tandon atau tangki penyimpanan, sistem penyaluran oli, sistem distribusi udara pendingin pada suatu gedung, sistem distribusi uap pada proses pengeringan, dan lain-lain. Sistem perpipaan meliputi semua komponen dari lokasi awal sampai dengan lokasi tujuan antara lain, saringan (strainer), katup atau kran, sambungan, nosel dan sebagainya. Sambungan dapat berupa sambungan penampang tetap, sambungan penampang berubah, belokan (elbow) atau sambungan bentuk T (Tee). 2.2 Valve / Katup Valve / katup adalah sebuah alat yang berfungsi untuk mengatur aliran suatu fluida dalam bentuk cair maupun gas. Jenis valve beraneka ragam antara lain, globe valve, gate valve, ball valve, check valve, dan lain-lain. Berdasarkan fungsinya, valve dapat dikategorikan menjadi 3 macam, diantaranya : 1. Stop Valve Penggunaan stop valve pada suatu sistem perpipaan umumnya digunakan untuk membuka atau menutup aliran. Jenis stop valve : globe valve, gate valve, ball valve, buterffly valve, dan lain-lain. 2. Regulating Valve Penggunaan regulating valve umumnya digunakan untuk mengatur laju debit aliran. Jenis regulating valve : non return valve / check valve, pressure reducing valve. 3. Safety Valve Penggunaan safety valve pada umunya digunakan untuk mengatur tekanan jika berlebih atau berkurang. Biasanya hal ini terkait dengan nilai ambang batas maksimum atau minimum pada suatu sistem. Jenis regulating valve : relief valve, back pressure valve. Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 4

2 2.2.1 Globe Valve Globe valve merupakan salah satu jenis tipe stop valve yang umumnya digunakan untuk tekanan dan temperatur yang sangat tinggi. Aplikasi dari globe valve dapat digunakan untuk berbagai macam diantaranya : liquid (cairan), vapor (uap), gases (gas), corrosive substance (cairan korosif). Untuk membuka dan menutup katup, umumnya dilakukan dengan cara memutar roda engkol. Gambar 2.1 Globe valve Sumber : Imil (2008) Keuntungan dari penggunaan globe valve adalah kontrol aliran dapat dilakukan dengan lebih akurat, dan juga tersedia dalam berbagai macam sambungan (sambungan ulir atau sambungan flange). Kerugian dari penggunaan globe valve adalah nilai K (koefisien minor) yang tinggi sehingga berpengaruh pada tingginya pressure drop, selain itu harga globe valve yang relatif lebih mahal dibandingkan valve lainnya Gate Valve Gate valve merupakan salah satu jenis stop valve yang digunakan untuk membuka dan menutup aliran yang memiliki tekanan tidak terlalu tinggi. Selain itu, gate valve juga berfungsi untuk mengontrol debit aliran. Aplikasi gate valve dapat digunakan untuk oli, gas, udara, steam, dan cairan korosif. Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 5

3 Gambar 2.2 Gate valve Sumber : Imil (2008) Keuntungan dari penggunaan gate valve adalah dapat digunakan untuk kapasitas yang tinggi, dan juga harga gate valve yang relatif lebih murah dibandingkan globe valve. Kerugian dari penggunaan gate valve adalah pengontrolan aliran yang kurang baik (poor control) dibandingkan dengan globe valve Ball Valve Ball valve merupakan salah satu jenis stop valve yang digunakan hanya untuk tekanan rendah. Ball valve dapat digunakan untuk fluida dengan temperatur yang tinggi. Gambar 2.3 Ball valve Sumber : Imil (2008) Keuntungan dari penggunaan ball valve adalah low maintenance, dapat digunakan untuk temperatur tinggi, dan juga harga yang relatif terjangkau. Selain itu dipasaran ukuran ball valve tersedia dari 1/4" - 6 " Kerugian dari penggunaan ball valve adalah kecenderungan timbulnya kavitasi. Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 6

4 2.2.4 Elbow Elbow atau belokan merupakan suatu piranti yang seringkali digunakan pada suatu sistem perpipaan. Dalam perencanaan suatu sistem aliran, sulit dihindari adanya suatu belokan / elbow. Adanya elbow dalam suatu sistem dapat menyebabkan terjadinya kerugian pada aliran Hal ini disebabkan karena adanya perubahan arah aliran fluida yang melalui saluran / pipa tersebut. Besar kecilnya jari-jari kelengkungan dan sudut belok dari elbow itu sendiri. Gambar 2.4 Elbow 90 0 Sumber : White (2008) Sesuai standar yang ada dipasaran, elbow tersedia dalam ukuran sudut 45 0 dan Berdasarkan cara pemasangannya, elbow dibedakan menjadi dua macam, yaitu elbow yang dilengkapi dengan flange, dan elbow yang dilengkapi dengan ulir / thread. Gambar 2.5 Flange elbow 90 0 Gambar 2.6 Thread elbow 90 0 Sumber : White (2008) Sumber : White (2008) Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 7

5 2.2.5 Percabangan (Tee) Percabangan / tee seringkali ditemukan pada suatu sistem perpipaan. Pada umumnya, penggunaan tee dilakukan untuk mengalirkan aliran fluida menuju dua arah yang berbeda dalam dalam satu siklus tertentu yang dipasang secara pararel. Sama halnya dengan elbow, berdasarkan cara pemasangannya, tee dibedakan menjadi dua macam yaitu, tee yang dilengkapi dengan flange dan tee yang dilengkapi dengan ulir / thread. Gambar 2.7 Flange tee Gambar 2.8 Thread tee Sumber : White (2008) Sumber : White (2008) 2.3 Head Loss Head loss terbagi menjadi dua macam, yaitu head loss mayor dan head loss minor. Head loss merupakan penjumlahan dari head loss mayor dan head loss minor, seperti dituliskan dalam rumus sebagai berikut : H t = H l + H lm... (2.1) Keterangan : H t H l = Head loss total (Pa) = Head loss mayor (Pa) H lm = Head loss minor (Pa) Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 8

6 2.3.1 Head Loss Mayor (H l ) Head loss mayor dapat terjadi karena adanya gesekan antara aliran fluida yang mengalir dengan suatu dinding pipa. Pada umumnya losses ini dipengaruhi oleh panjang pipa. Untuk dapat menghitung head loss mayor menurut Darcy-Weisbach dapat dilakukan dengan menggunakan rumus :... (2.2) Keterangan : H l f L D v = Head loss mayor (Pa) = faktor gesekan (dapat diketahui melalui diagram Moody) = Panjang pipa (m) = Diameter pipa (m) = Kecepatan aliran (m/s) Gambar 2.9 Diagram Moody Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 9

7 2.3.2 Head Loss Minor (H lm ) Head loss minor dapat terjadi karena adanya sambungan pipa (fitting) seperti katup (valve), belokan (elbow), saringan (strainer), percabangan (tee), pembesaran pipa (expansion), dan pengecilan pipa (contraction). Head loss minor dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut : Keterangan : H lm v... (2.3) = Head loss minor (Pa) = Kecepatan fluida (m/s) k = Koefisien minor losses (nilai k dapat dilihat pada tabel 2.1) Pipe Standar Elbow Elbow 45ᴼ Tee Line Tee Branch Globe Valve Gate Valve Square Inlet Project Inlet Tabel 2.1 Nilai K untuk sambungan flange Sumber : ASHRAE Handbook (2001, p, 35,2) Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 10

8 2.3.3 Pengecilan (Sudden Contraction) Sudden contraction adalah pengecilan secara tiba-tiba. Gambar 2.10 Sudden Contraction Sumber : Gerhart, Gross, Hochstein (1991,p.518) Koefisien minor dari sudden contraction dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :... (2.4) Keterangan : K = Koefisien minor D 1 = Diameter pipa sebelum pengecilan (m 2 ) D 2 = Diameter pipa sesudah pengecilan (m 2 ) Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 11

9 2.4 Pompa Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan fluida cair dari tekanan rendah ke tekanan tinggi atau posisi yang rendah ke posisi yang tinggi. Secara garis besar pompa dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump. Daya hidrolik yang timbul pada pompa kerja positif diakibatkan oleh adanya perubahan volume. Sedangkan daya hidrolik yang timbul pada pompa kerja dinamis diakibatkan oleh putaran sudu-sudu pompa Pemilihan Pompa Sentrifugal Pertimbangan pemilihan pompa, didasarkan pada sistem ekonomisnya, yakni keuntungan dan kerugian jika pompa tersebut digunakan dan dapat memenuhi kebutuhan pemindahan fluida sesuai dengan kondisi yang direncanakan. Yang perlu diperhatikan dalam pemilihan jenis pompa adalah fungsi terhadap instalasi pemipaan, kapasitas, head, viskositas, temperatur kerja dan jenis motor penggerak. Kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini adalah: a. Kapasitas dan head pompa harus mampu dipenuhi. b. Fluida yang mengalir secara kontinyu. c. Pompa yang dipasang pada kedudukan tetap. d. Konstruksi sederhana. e. Mempunyai efisiensi yang tinggi. f. Harga awal relatif murah juga perawatannya. Melihat dan mempertimbangkan kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini, maka dengan mempertimbangkan sifat pompa dan cara kerjanya, dipilih pompa sentrifugal, karena sesuai dengan sifat pompa sentrifugal, yakni : a. Aliran fluida lebih merata. b. Putaran poros dapat lebih tinggi. d. Konstruksinya lebih aman dan kecil. e. Perawatannya murah. Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 12

10 Gambar 2.11 Bagian-bagian pompa sentrifugal Sumber : Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Head Pompa a. Pengertian Head Pompa Head pompa adalah energi yang diberikan ke dalam fluida dalam bentuk tinggi tekan (pressure head). 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. Besarnya energi total pada setiap titik di dalam sebuah sistem pompa tergantung dari pemasangan alat ukur dan titik acuan yang diambil. Pandanglah aliran suatu zat cair (atau fluida inkompresible, misalnya air) melalui suatu penampang saluran seperti diperlihatkan pada gambar di bawah ini. Pada penampang tersebut zat cair mempunyai tekanan statis p (dalam N/m 2 ), kecepatan rata-rata v (dalam m/s), dan ketinggian Z (dalam m) diukur dari bidang referensi. Maka zat cair tersebut pada penampang yang bersangkutan dikatakan mempunyai head total H (dalam m) yang dapat dinyatakan sebagai :... (2.5) Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 13

11 dimana g (dalam m/s 2 ) adalah percepatan gravitasi, dan γ adalah berat zat cair persatuan volume (N/m 3 ). Gambar 2.12 Head fluida disuatu titik tertentu dalam aliran pipa Sumber : L.Mott,Robert,1994r,hall 155 Adapun masing-masing suku dari persamaan tersebut di atas adalah p/γ, v 2 /2g, dan Z, berturut-turut dianggap sebagai head tekanan, head kecepatan, dan head potensial. Ketiga head ini tidak lain adalah energi mekanik yang dikandung oleh satu satuan berat zat cair yang mengalir pada penampang yang bersangkutan. b. Head Total Pompa Head total pompa yang dibutuhkan untuk mengalirkan air dengan kapasitas yang telah ditentukan dapat ditentukan dari kondisi insatalsi pompa yang akan dilayani. Pada gambar berikut head total pompa dapat digambarkan sebagai berikut : Gambar 2.13 Instalasi head pompa Sumber : Sularso dan Tahara,H,Pompa dan Kompresor, hal 27 Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 14

12 Dari keterangan gambar di atas head total dapat dirumuskan sebagai berikut :... (2.6) Dimana : H = head total pompa (m) z = tinggi statis terhadap referensi (m) p = tekanan statis (N/m 2 ) hl = berbagai kerugian head (m) v = kecepatan fluida (m) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) Hd = head desak pompa (m) Hs = head isap pompa (m) Daya Poros (Input) Daya poros yang diperlukan untuk menggerakkan sebuah pompa adalah sama dengan daya hidrolik ditambah kerugian daya di dalam pompa. Daya ini dapat dinyatakan sebagai berikut : Dimana : rumus :... (2.7) P p = daya poros sebuah pompa (W) η p = efisiensi pompa (%) P h = daya hidrolik pompa (W) Untuk mendapatkan daya poros yang lebih akurat dapat dihitung menggunakan P P = ω.t = 2 π n x T... (2.8) 60 Dimana : T = torsi motor (Nm) n = kecepatan putar motor (rpm) π = konstanta (3.14) P p = daya poros (W) Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 15

13 2.4.4 Daya Hidrolik (Output) Energi yang secara efektif diterima oleh air dari pompa persatuan waktu merupakan definisi dari daya hidrolik, sehingga dapat ditulis: P h = γ.q.h... (2.9) Dimana : γ = berat air persatuan volume (N/m 3 ) Q = kapasitas (m 3 /s) H = head total pompa (m) P h = daya hidrolik (W) Efisiensi Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara daya output dengan daya input atau daya output dibagi daya input. Pada gambar di bawah menunjukan proses aliran energi untuk alat pengujian yang dibuat. Gambar 2.14 Diagram aliran sebuah energi pada pompa Keterangan : P e = daya listrik (W) P p = daya poros (W) P h = daya hidrolik (W) Pada saat motor penggerak diberi tegangan listrik dari PLN maka motor akan berputar dan menyebabkan pompa berputar pada kecepatan putar tertentu. Daya yang Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 16

14 keluar dari pompa adalah daya hidrolik sehingga efisiensi pompa dapat dirumuskan sebagai berikut :... (2.10) Efisiensi pompa sentrifugal tergantung pada sejumlah faktor, yaitu : a. Kerugian-kerugian hidrolik. b. Gesekan pada sudu. c. Kerugian pada bantalan dan paking. d. Kerugian akibat kebocoran Torsi Torsi adalah suatu pemuntiran sebuah batang yang diakibatkan oleh kopel-kopel (couples) yang menghasilkan perputaran terhadap sumbu longitudinalnya. Kopel-kopel yang menghasilkan pemuntiran sebuah batang disebut momen putar (torque) atau momen puntir (twisting moment). Momen sebuah kopel sama dengan hasil kali salah satu gaya dari pasangan gaya ini dengan jarak antara garis kerja dari masing-masing gaya. T = F x l (Nm) (2.11) = m x g x l (Nm) Dimana : m = massa beban pemberat (kg) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) l = jarak tuas dari poros motor ke beban (m) Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 17

15 2.4.7 Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal Gambar 2.15 Kurva karakteristik pompa sentrifugal Pada gambar 2.7 menunjukan kurva karakteristik yang dimiliki oleh pompa sentrifugal. Parameter dasar yang dipergunakan untuk menunjukan kurva karakteristik dari pompa sentrifugal adalah head, efisiensi, dan daya input (daya poros) sebagai fungsi debit. Kapasitas (debit) pompa sebanding dengan kecepatan, sehingga jika kecepatannya naik maka debitnya ikut naik. Pada gambar di atas terlihat bahwa head mengalami kenaikan kemudian terjadi penurunan seiring dengan kenaikan debit. Sedangkan daya input mengalami kenaikan sejalan dengan debit. Begitu juga dengan efisiensi pompa akan naik seiring dengan kenaikan debit dan mencapai titik tertentu kemudian akan mengalami penurunan sedangkan daya input akan terus naik seiring dengan kenaikan debit. Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 18

16 2.5 Metoda Pengujian Pompa (Metoda Pencekikan) Yang dimaksud dengan pencekikan adalah pengaturan debit air yang masuk pompa dengan cara mengubah posisi bukaan katup yang terpasang disisi hisap pompa, seperti yang terlihat pada gambar di bawah. Gambar 2.16 Instalasi pengujian metoda pencekikan Sumber air pada metoda ini levelnya tidak di ubah-ubah tetapi bukaan katup yang diubah-ubah. Pengubahan katup ini bertujuan untuk mengubah nilai NPSH karena jika bukaan katup kecil (dicekik) maka nilai rugi-ruginya besar sehingga nilai NPSH nya akan berkurang. Selain itu, akibat yang ditimbulkan oleh pencekikan adalah kecepatan air akan tinggi sehingga aliran akan menjadi turbulen dan timbul gelembung-gelembung udara. Laporan Tugas Akhir Teknik Konversi Energi 19