BAB 3 POMPA SENTRIFUGAL

Transkripsi

1 3 BAB 3 POMPA SENTRIFUGAL 3.1.Kerja Pompa Sentrifugal Pompa digerakkan oleh motor, daya dari motor diberikan kepada poros pompa untuk memutar impeler yang dipasangkan pada poros tersebut. Zat cair yang ada dalam impeler akan ikut berputar karena dorongan sudu sudu. Karena timbulnya gaya sentrifugal, maka zat cair mengalir dari tengah impeler keluar melalui saluran diantara sudu dan meninggalkan impeler dengan kecepatan yang tinggi. Zat cair yang keluar dari impeler dengan kecepatan tinggi ini kemudian mengalir melalui saluran yang penampangnya makin membesar (volute/diffuser), sehingga terjadi perubahan dari head kecepatan menjadi head tekanan. Maka zat cair yang keluar dari flens keluar pompa head totalnya bertambah besar. Pengisapan terjadi karena setelah zat cair dilemparkan oleh impeler, ruang diantara sudu sudu menjadi vakum sehingga zat cair akan terisap masuk. Selisih energi per satuan berat atau head total dari zat cair pada flens keluar (tekan) dan flens masuk (isap) disebut head total pompa. Gambar 3.1. Bagian bagian pompa sentrifugal

2 4 3..Klasifikasi Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal dapat diklasifikasikan menurut beberapa cara yaitu : A. Menurut jenis aliran dalam impeler 1. Pompa aliran radial Pompa ini mempunyai konstruksi sedemikian sehingga aliran zat cair yang keluar dari impeler akan tegak lurus poros pompa (arah radial). Gambar 3.. Pompa sentrifugal aliran radial 1. Pompa aliran campur Aliran zat cair didalam pompa waktu meninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan kerucut (miring) sehingga komponen kecepatannya berarah radial dan aksial Gambar 3.. Pompa sentrifugal aliran campur.. Pompa aliran aksial Aliran zat cair yang meninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan silinder (arah aksial)

3 5 Gambar 3.4. Pompa aliran aksial B. Menurut jenis impeler 1. Impeler tertutup Sudu sudu ditutup oleh dua buah dinding yang merupakan satu kesatuan, digunakan untuk pemompaan zat cair yang bersih atau sedikit mengandung kotoran.. Impeler setengah terbuka Impeler jenis ini terbuka disebelah sisi masuk (depan) dan tertutup di sebelah belakangnya. Sesuai untuk memompa zat cair yang sedikit mengandung kotoran misalnya : air yang mengandung pasir, zat cair yang mengauskan, slurry, dll 3. Impeler terbuka Impeler jenis ini tidak ada dindingnya di depan maupun di belakang. Bagian belakang ada sedikit dinding yang disisakan untuk memperkuat sudu. Jenis ini banyak digunakan untuk pemompaan zat cair yang banyak mengandung kotoran. C. Menurut bentuk rumah

4 6 1. Pompa volut Bentuk rumah pompanya seperti rumah keong/siput (volute), sehingga kecepatan aliran keluar bisa dikurangi dan dihasilkan kenaikan tekanan.. Pompa diffuser Pada keliling luar impeler dipasang sudu diffuser sebagai pengganti rumah keong. 3. Pompa aliran campur jenis volut Pompa ini mempunyai impeler jenis aliran campur dan sebuah rumah volut. D. Menurut jumlah tingkat 1. Pompa satu tingkat Pompa ini hanya mempunyai satu impeler. Head total yang ditimbulkan hanya berasal dari satu impeler, jadi relatif rendah.. Pompa bertingkat banyak Pompa ini menggunakan beberapa impeler yang dipasang secara berderet (seri) pada satu poros. Zat cair yang keluar dari impeler pertama dimasukkan ke impeler berikutnya

5 7 dan seterusnya hingga impeler terakhir. Head total pompa ini merupakan jumlahan dari head yang ditimbulkan oleh masing masing impeler sehingga relatif tinggi. E. Menurut letak poros Menurut letak porosnya, pompa dapat dibedakan menjadi poros horisontal dan poros vertikal seperti pada gambar berikut ini : Poros vertikal Poros horisontal 3.3.Hukum Kesebangunan Jika dua buah pompa sentrifugal yang geommetris sebangun satu dengan yang lain maka untuk kondisi aliran yang sebangun pula berlaku hubungan sebagai berikut : Q 1 = Q H 1 = H n D n 1 n n 1 D D D 1 D = diameter impeler (m) Q = kapasitas aliran (m 3 /s) H = head total pompa (m) P = daya poros pompa (kw) N = putaran pompa (rpm)

6 8 P 1 = P n n D D Hubungan diatas dinamakan Hukum Kesebangunan Pompa. Hukum tersebut sangat penting untuk menaksir perubahan performansi pompa bila putaran diubah dan juga untuk memperkirakan performansi pompa yang direncanakan apabila pompa tersebut geometris sebangun dengan pompa yang sudah diketahui performansinya. 3.4.Kecepatan Spesifik Kecepatan spesifik dinyatakan dalam persamaan : Q n s = n H Dimana n, Q dan H adalah harga harga pada titik efisiensi maksimum pompa. Harga ns dapat dipakai sebagai parameter untuk menyatakan jenis pompa. Jika ns sudah ditentukan maka bentuk impeler pompa tersebut sudah tertentu pula. Gambar berikut menunjukkan harga ns dalam hubungannya dengan bentuk impeler. Dalam menghitung ns untuk pompa isapan ganda harga Q diganti dengn Q/, sedangkan untuk pompa bertingkat banyak, head H yang dipakai dalam perhitungan ns adalah head per tingkat dari pompa tersebut.

7 9 Besarnya ns dapat berbeda beda tergantung dari satuan yang dipakai untuk menyatakan n, Q dan H. Tabel berikut menunjukkan faktor konversi yang harus digunakan untuk mengubah ns dari satuan yang satu ke satuan yang lain. 3.5.Karakteristik Sistem Pemompaan Efisiensi Pompa Pompa tidak dapat mengubah seluruh energi kinetik menjadi energi tekanan karena ada sebagian energi kinetik yang hilang dalam bentuk losis. Efisiensi pompa adalah suatu faktor yang dipergunakan untuk menghitung losis ini. Efisiensi pompa terdiri dari : - Efisiensi hidrolis, memperhitungkan losis akibat gesekan antara cairan dengan impeler dan losis akibat perubahan arah yang tiba tiba pada impeler. - Efisiensi volumetris, memperhitungkan losis akibat resirkulasi pada ring, bush, dll. - Efisiensi mekanis, memperhitungkan losis akibat gesekan pada seal, packing gland, bantalan, dll. Setiap pompa dirancang pada kapasitas dan head tertentu, meskipun dapat juga dioperasikan pada kapasitas dan head yang lain. Efisiensi pompa akan mencapai maksimum pada designed point tersebut, yang dinamakan dengan titik BEP.Untuk kapasitas yang lebih kecil atau lebih besar efisiensinya akan lebih rendah. Efisiensi pompa adalah perbandinga antara daya hidrolis pompa dengan daya poros pompa. η = P P H S Daya Hidrolis Daya hidrolis adalah daya yang diperlukan oleh pompa untuk mengangkat sejumlah zat cair pada ketinggian tertentu. Daya hidrolis dapat dicari dengan persamaan berikut : ρ. g. H. Q ρ = massa jenis, kg/m 3 P H = kw g = gaya gravitasi 1000 H = head, m Q = kapasitas, m 3 /s Kurva Karakteristik Pompa

8 30 Untuk setiap pompa, biasanya pabrik pembuatnya memberikan kurva karakteristik yang menunjukkan unjuk kerja pompa pada berbagai kondisi pemakaian. Karakteristik sebuah pompa digambarkan dalam kurva karakteristik menyatakan besarnya head total, daya pompa dan efisiensi pompa terhadap kapasitas. Berikut ini adalah contoh kurva karakteristik suatu pompa :

9 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, seperti pada gambar dibawah ini. 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. Fenomena ini dinamakan kavitasi. Jika permukaan saluran/pipa terkena tumbukan gelembung uap tersebut secara terus menerus dalam jangka lama akan mengakibatkan terbentuknya lubang lubang

10 3 pada dinding saluran atau sering disebut erosi kavitasi. Pengaruh lain dari kavitasi adalah timbulnya suara berisik, getaran dan turunnya performansi pompa Net Positive Suction Head (NPSH) Kavitasi akan terjadi bila tekanan statis zat cair turun sampai dibawah tekanan uap jenuhnya. Agar dalam system pemompaan tidak terjadi kavitasi, harus diusahakan agar tidak ada satu bagianpun dari aliran pada pompa yang mempunyai tekanan statis lebih rendah dari tekanan uap jenuh cairan pada temperatur yang bersangkutan. Berhubung dengan hal ini didefinisikan sutu Head Isap Positif Netto atau NPSH yang dipakai sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi. Ada dua macam NPSH yaitu NPSHa dan NPSHr. Agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi maka harus dipenuhi persyaratan berikut : NPSHyang tersedia > NPSH yang diperlukan NPSHa (NPSH yang tersedia) NPSH yang tersedia adalah head yang dimiliki zat cair pada sisi isap pompa dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair ditempat tersebut. NPSH yang tersedia tergantung pada tekanan atmosfer atau tekanan absolut pada permukaan zat cair dan kondisi instalasinya. Besarnya dapat dihitung dengan persamaan berikut : h sv = pa γ pv h γ s h ls h sv : NPSH yang tersedia, m pa : tekanan pd permukaan cairan, kgf/m pv : tekanan uap jenuh, kgf/m γ : berat jenis zat cair, kgf/m 3 hs : head isap statis, m hls : kerugian head dalam pipa isap, m Contoh soal : Air bersih pada temperatur 5C akan dipompa pada tekanan atmosfer sebesar 1,033 kgf/cm. Lubang isap pompa terletak 4m diatas permukaan air. Berapakah besarnya NPSH yang tersedia jika kerugian pada sisi isap adalah 0.5 m.

11 NPSHr (NPSH yang diperlukan) NPSH yang diperlukan adalah NPSH minimum yang dibutuhkan untuk membiarkan pompa bekerja tanpa kavitasi. Besarnya NPSH yang diperlukan berbeda untuk setiap pompa. Untuk suatu pompa tertentu NPSH yang diperlukan berubah menurut kapasitas dan putarannya. NPSH yang diperlukan harus diperoleh dari pabrik pompa yang bersangkutan. Namn untuk perkiraan secara kasar, NPSH yang diperlukan dapat dihitung dari konstanta kavitasi σ. Jka head total pompa pada titik efisiensi maksimum dinyatakan sebagai H N dan NPSH yang diperlukan untuk titik ini Hsvn, maka σ (koefisien kavitasi Thoma ) didefinisikan sebagai : σ = H H SVN N Besarnya koefisien kavitasi Thoma dapat ditentukan dari grafik pada gambar, sedangkan NPSH yang diperlukan ditaksir sebagai berikut : NPSH yang diperlukan : H SVN = σ x H N Rumus diatas berlaku untuk pompa pada efisiensi tertinggi ( dipergunakan pada titik BEP ), bila pompa dipergunakan diluar titik BEP maka NPSH yang diperlukan dikoreksi menggunakan grafik pada gambar. Contoh soal :

12 34 Sebuah pompa jenis isapan tunggal satu tingkat mempunyai kapasitas pada titik efisiensi terbaik sebesar Qn=0,7 m3/menit, head Hn=8m serta putaran n=910 rpm. Tentukan NPSH yang diperlukan untuk kapasitas 100% dan 10% kapasitas pada efisiensi terbaik Cara Menghindari Kavitasi Kavitasi pada dasarnya dapat dicegah dengan membuat NPSH yang tersedia lebih besar dari pada NPSH yang diperlukan. Dalam perencanaan instalasi pompa, hal hal berikut harus diperhitungkan untuk menghindari kavitasi. 1. Ketinggian letak pompa terhadap permukaan zat cair yang dihisap harus dibuat serendah mungkin agar head isap statis menjadi rendah pula.. Pipa isap harus dibuat sependek mungkin. Jika terpaksa dipakai pipa isap yang panjang, sebaiknya diambil pipa yang berdiameter satu nomor lebih besar untuk mengurangi kerugian gesek. 3. Hindari penggunaan katup yang tak perlu dan menekuk pipa pengisapan. 4. Hindari masuknya udara pada sisi isap pompa Pemilihan pompa Setelah mengetahui kapasitas dan head yang diperlukan pada sistem instalasi, selanjutnya dapat dilakukan pemilihan pompa dengan menggunakan digram pemilihan pompa. Diagram ini berbeda beda untuk setiap merk dan jenis pompa dan biasanya telah disediakan oleh pabrik pembuatnya. Berikut ini adalah contoh diagram pemilihan pompa standar.

13 35 Diagram Pemilihan Pompa Standar 3.9.Operasi Seri dan Paralel Operasi Seri Paralel dengan Karakteristik Pompa Sama Jika head atau kapasitas yang diperlukan tidak dapat dicapai dengan satu pompa saja, maka dapat digunakan dua pompa atau lebih yang disusun secara seri atau paralel. Susunan Seri

14 36 Bila head yang diperlukan besar dan tidak dapat dilayani oleh satu pompa, maka dapat digunakan lebih dari satu pompa yang disusun secara seri. Penyusunan pompa secara seri dapat digambarkan sebagai berikut : H H Q Q Pompa 1 Pompa Susunan Paralel Susunan paralel dapat digunakan bila diperlukan kapasitas yang besar yang tidak dapat dihandle oleh satu pompa saja, atau bila diperlukan pompa cadangan yang akan dipergunakan bila pompa utama rusak/diperbaiki. Penyusunan pompa secara paralel dapat digambarkan sebagai berikut : H H H, Q Q Q Pompa 1 Pompa Agar unjuk kerja pompa yang disusun seri/parael optimal, maka sebaiknya digunakan pompa dengan karakteristik yang sama. Karakteristik pompa yang disusun seri/paralel dapat dilihat pada gambar berikut ini.

15 37 Gambar.13. Operasi Seri dan Paralel dari pompa pompa dengan karakteristik yang sama Gambar.13. menunjukan kurva head kapasitas dari pompa pompa yang mempunyai karakteristik yang sama yang di pasang secara paralel atau seri. Dalam gambar ini kurva untuk pompa tunggal diberi tanda (1) dan untuk susunan seri yang terdiri dari dua buah pompa diberi tanda (). Harga head kurva () diperoleh dari harga head kurva (1) dikalikan () untuk kapasitas (Q) yang sama. Kurva untuk susunan paralel yang terdiri dari dua buah pompa, diberi tanda (3). Haraga kapasitas (Q) kurva (3) ini diperoleh dari harga kapasitas pada kurva (1) dikalikan () untuk head yang sama. Dalam gambar ditunjukkan tiga buah kurva head kapasitas sistem, yaitu R 1, R, dan R 3. Kurva R 3 menujukkan tahanan yang lebih tinggi dibanding dengan R dan R 1. Jika sistem mempunyai kurva head kapasitas R 3, maka titik kerja pompa 1 akan terletak di (D). Jika pompa ini disusun seri sehingga menghasilkan kurva () maka titik kerja akan pindah ke (E). Disini terlihat bahwa head titik (E) tidak sama dengan dua kali lipat head (D), karena ada perubahan (berupa kenaikan) kapasitas. Sekarang jika sistem mempunyai kurva head kapasitas R 1 maka titik kerja pompa (1) akan terletak di (A). Jika pompa ini disusun paralel sehingga menghasilkan kurva (3) maka

16 38 titik kerjanya akan berpindah ke (B). Disini terlihat bahwa kapasitas dititik (B) tidak sama dengan dua kali lipat kapasitas dititik (A), karena ada perubahan (kenaikan) head sistem. Jika sistem mempunyai kurva karakteristik seperti R maka laju aliran akan sama untuk susunan seri maupun paralel. Namun jika karakteristik sistem adalah seperti R 1 dan R 3 maka akan diperlukan pompa dalam susunan paralel atau seri. Susunan paralel pada umumnya untuk laju aliran besar, dan susunan seri untuk head yang tinggi pada operasi. Untuk susunan seri, karena pompa kedua menghisap zat cair bertekanan dari pertama, maka perlu perhatian khusus dalam hal kekuatan konstruksi dan kerapatan terhadap kebocoran dari rumah pompa Operasi Paralel dengan Karakteristik Pompa Berbeda Pompa pompa yang berbeda karakteristiknya dapat pula bekerjasama secara paralel. Hal ini ditunjukkan dalam gambar.14. dimana pompa (1) mempunyai kapasitas kecil dan pompa () mempunyai kapasitas besar. Gambar.14. Operasi Paralel dari pompa pompa dengan karakteristik yang Berbeda Jika keduanya dipasang secara paralel maka akan menghasilkan kurva karakteristik (3). Disini, untuk kurva head kapasitas sistem R 1 akan dicapai titik operasi paralel di (C) dengan laju aliran total sebesar Q. Dalam hal ini pompa (1) beroperasi dititik (D) dengan kapasitas Q 1 dan pompa () beroperasi dititik (E) dengan kapasitas aliran Q. Laju aliran total Q = Q 1 + Q. Apabila kurva head kapasitas sistem naik lebih curam dari pada R, maka pompa (1) tidak dapat lagi menghasilkan aliran keluar karena head yang dimiliki tidak tinggi untuk

17 39 melawan head sistem. Bahkan jika head sistem lebih tinggi dari pada head ini pompa, aliran akan membalik masuk kedalam pompa (1). Untuk mencegah aliran balik ini pompa perlu dilengkapi dengan katup cegah (check valve) pada pipa keluarnya. Kondisi operasi seperti ini pada umumnya tidak dikehendaki. Jadi untuk operasi paralel sebaiknya dipakai pompapompa dengan head tertutup (shut off head) yang tidak terlalu berbeda Operasi Seri dengan Karakteristik Pompa Berbeda Pada gambar.15 memperlihatkan karakteristik susunan seri dari dua buah pompa yang mempunyai karakteristik berbeda. Kurva (1) adalah dari pompa kapasitas kecil, kurva () dari pompa kapasitas besar, dan kurva (3) merupakan karakteristik operasi kedua pompa dalam susunan seri. Gambar.15. Operasi Seri dari pompa pompa dengan karakteristik yang Berbeda Jika sistem pipa mempunyai kurva karakteristik R 1 maka titik operasi dengan pompa susunan seri akan terletak di (C). Dalam keadaan ini pompa (1) bekerja dititik (D) dan pompa

18 40 () dititik (E). Untuk sistem yang mempunyai kurva karakteristik R, menjadi negatif sehingga akan menurunkan head pompa (). Jadi untuk kurva sistem yang lebih rendah dari R lebih baik dipakai pompa () saja Pengaturan Kapasitas Pompa Q yang di butuhkan dalam instalasi pompa tidak selalu tepat karena itu harus diatur sesuai dengan kebutuhan, dengan cara : Pengaturan katup Pengaturan kecepatan atau putaran (ingat Q n) Pengaturan sudu (untuk pompa aksial atau aliran campuran) Pengaturan jumlah pompa yang bekerja (parallel) Penggunaan reservoir

19 41