BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sifat Sifat Zat Air zat cair mempunyai atau menunjukan sifat-sifat atau karakteristik-karakteristik yang dapat ditunjukkan sebagai berikut. 2.1 Tabel Sifat-sifat air sebagai fungsi temperatur 2.1.1 Massa Jenis Kerapatan (massa jenis) dapat didefinisikan sebagai massa per volume satuan zat tersebut. Untuk cairan kerapatannya dapat dianggap tetap untuk perubahan-perubahan tekanan praktis. Kerapatan air adalah 1000 kg/ pada C pada tekanan 1 atm. Laporan Tugas Akhir 2012 5
ρ =.. (2.1) dimana : ρ = massa jenis (kg/ ) m = massa (kg) V = volume ( 2.1.2 Viskositas Didefinisikan sebagai sifat yang menentukan besar daya tahan zat cair terhadap gaya geser atau dengan kata lain akibat dari hambatan yang dialami zat cair ketika mengalir. Zat cair mengalami hambatan karena pengaliran sepanjang dinding pipa (gesekan luar). Viskositas cairan berkurang dengan naiknya temperature hal ini timbul karena adanya salingpengaruh antara molekul-molekul fluida tetapi tak cukup banyak dipengaruhi oleh perubahan tekanan. Gambar dibawah ini menunjukkan sifat-sifat viskositas fluida dimana terdapat hubungan antara viskositas terhadap perubahan temperatur. Gambar 2.1 Grafik Viskositas untuk beberapa jenis fluida Sumber : White,Frank,M,1994,hal 699 Laporan Tugas Akhir 2012 6
Dari gambar terlihat bahwa nilai viskositas air turun ketika nilai temperaturnya naik. Viskositas suatu fluida dibedakan menjadi : a. Viskositas dinamik b. Viskositas kinematik. 2.2 Tekanan Tekanan adalah gaya normal persatuan luas, dirumuskan sebagai berikut : P =.. (2.2) Apabila suatu fluida diam didalam wadah, maka hanya tegangan normalnya yang ada. Dalam hal ini, tekanannya pada suatu titik akan menjadi fungsi skalar dengan demikian fluida tersebut memiliki tekanan static. Satuan tekanan dalam SI adalah pascal (1 Pa = 1 ). Satuan lainnya yang sering dipergunakan untuk pengukuran tekanan adalah bar. Satu bar sebanding dengan 100 Pa. Pengukuran fluida dapat ditunjukan dalam bentuk kolom fluida seperti air raksa (Hg) atau air (H2O). ketika air raksa dipergunakan sebagai fluida kerja pada kolom alat ukur maka tekanan digambarkan dalam bentuk multimeter kolom raksa (mmhg) sedangkan jika air yang dipergunakan maka menjadi millimeter kolom air (mmh2o). Istilah tekanan yang sering dipergunakan yang dibagi menjadi tiga macam yaitu tekanan absolut adalah tekanan terukur ditambah tekanan atmosfer, tekanan barometer adalah tekanan lingkungan/tekanan atmosfer dan tekanan pengukuran adalah tekanan yang terbaca oleh alat ukur. 2.3 Pompa 2.3.1 Pengertian Pompa Pompa adalah mesin atau peralatan mekanis yang digunakan untuk menaikkan cairan dari dataran rendah ke dataran tinggi atau untuk mengalirkan cairan dari daerah bertekanan rendah ke daerah yang bertekanan tinggi dan juga sebagai penguat laju aliran pada suatu sistem jaringan perpipaan. Hal ini dicapai dengan membuat suatu tekanan yang rendah pada sisi masuk atau suction dan tekanan yang tinggi pada sisi keluar atau discharge dari pompa. Pada prinsipnya, pompa 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. Laporan Tugas Akhir 2012 7
2.3.2 Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal merupakan jenis aliran radial yang digerakkan oleh motor. Daya dari motor diberikan pada poros pompa untuk memutar impeler yang dipasangkan pada poros tersebut. Akibat dari putaran impeler yang menimbulkan gaya sentrifugal, maka zat cair akan mengalir dari tengah impeler keluar lewat saluran di antara sudu-sudu dan meninggalkan impeler dengan kecepatan yang tinggi. 2.3.3 Komponen Utama Pompa Sentrifugal Secara garis besar elemen atau komponen-komponen utama dari pompa sentrifugal ini adalah sebagai berikut : Gambar 2.2 Bagian-bagian Komponen Pompa sentrifugal 1. Impeller Sudu impeller merupakan cakram bulat dari logam dengan lintasan untuk aliran fluida yang sudah terpasang. Impeler biasanya terbuat dari perunggu, polikarbonat, besi tuang atau stainless steel, namun bahan-bahan lain juga digunakan. Sebagaimana kinerja pompa tergantung pada jenis impelernya, maka penting untuk memilih rancangan yang Laporan Tugas Akhir 2012 8
cocok dan mendapatkan impeler dalam kondisi yang baik. Jumlah impeller menentukan jumlah tahapan pompa. Pompa satu tahap memiliki satu impeler dan sangat cocok untuk layanan head (=tekanan) rendah. Pompa dua tahap memiliki dua impeler yang terpasang secara seri untuk layanan head sedang. Pompa multi-tahap memiliki tiga impeler atau lebih terpasang seri untuk layanan head yang tinggi. Impeller dapat digolongkan atas dasar: a. Arah utama aliran dari sumbu putaran: aliran radial, aliran aksial, aliran campuran b. Jenis hisapan: hisapan tunggal dan hisapan ganda c. Bentuk atau konstruksi mekanis Macam-macam jenis impeller adalah sebagai berikut: a. Impeller yang tertutup Impeler yang tertutup memiliki baling-baling yang ditutupi oleh mantel (penutup) pada kedua sisinya. Biasanya digunakan untuk pompa air, dimana baling-baling seluruhnya mengurung air. Hal ini mencegah perpindahan air dari sisi pengiriman ke sisi penghisapan, yang akan mengurangi efisiensi pompa. Dalam rangka untuk memisahkan ruang pembuangan dari ruang penghisapan, diperlukan sebuah sambungan yang bergerak diantara impeler dan wadah pompa. Penyambungan ini dilakukan oleh cincin yang dipasang diatas bagian penutup impeler atau dibagian dalam permukaan silinder wadah pompa. Kerugian dari impeler tertutup ini adalah resiko yang tinggi terhadap rintangan. b. Impeller terbuka dan semi terbuka. Memudahkan dalam pemeriksaan impeller. kemungkinan tersumbatnya kecil. Akan tetapi utnuk menghindari terjadinya penyumbatan melalui resirkulasi internal, volute atau back-plate pompa harus diatur secara manual untuk mendapatkan setelan impeler yang benar. c. Impeler pompa berpusar/vortex Impeller ini cocok untuk bahan-bahan padat dan berserabut akan tetapi pompa ini 50% kuran efisien dari rancangan yang konvensional. Laporan Tugas Akhir 2012 9
Gambar 2.3 Jenis impeller pada pompa 2. Kasing pompa Fungsi utama kasing adalah menutup impeller pada penghisapan dan pengiriman pada ujung dan sehingga berbentuk tangki tekanan. Tekanan pada ujung penghisapan dapat sekecil sepersepuluh tekanan atmosfir dan pada ujung pengiriman dapat dua puluh kali tekanan atmosfir pada pompa satu tahap. Untuk pompa multi- tahap perbedaan tekanannya jauh lebih tinggi. kasing dirancang untuk tahan paling sedikit dua kali tekanan ini untuk menjamin batas keamanan yang cukup. Fungsi kasing yang kedua adalah memberikan media pendukung dan bantalan poros untuk batang torak dan impeler. Oleh karena itu kasing pompa harus dirancang untuk: Memberikan kemudahan mengakses ke seluruh bagian pompa untuk pemeriksaan, perawatan dan perbaikan. Membuat wadah anti bocor dengan memberikan kotak penjejal Menghubungkan pipa-pipa hisapan dan pengiriman ke flens secara langsung Mudah dipasang dengan mudah ke mesin penggerak (motor listrik) tanpa kehilangan daya. Gambar 2.4 Casing Pompa sentrifugal 3. Back Plate Back plate terbuat dari logam dimana dengan kasing pompa membentuk kamar cairan untuk fluida untuk dijadikan tekanan. Laporan Tugas Akhir 2012 10
4. Mechanical Seal Koneksi antara batang motor shaft/pompa dan selubung pompa dilindungi oleh suatu segel mekanik 5. Shroud and Legs Kebanyakan jenis pompa di coba dengan shourd dan legs yang dapat disetel. Shroud dibatasi untuk meredam suara gaduh dan melindungi motor dari kerusakan. 6. Pump Shaft Kebanyakan pompa mempunyai batang potongan yang ditempatkan dibatang motor untuk menggabungkan tekanan, menghapuskan penggunaan keyways. Perakitan batang potongan dapat didesain secara sederhana, sekalipun begitu masih menjamin pengarahan metode untuk mengurangi suara gaduh dan getaran. Untuk pompa sentrifugal multi-stage panjang batang pompa akan berbeda tergantung dari banyaknya pendorong yang digunakan. Gambar 2.5 Pump Shaft 7. Adaptor Kebanyakan pompa dengan suatu standar IEC motor elektrik. Koneksi antaranmotor dan backplate dihubungkan oleh suatu adaptor dimana sesusai dengan standar IEC atau C- frame motor elektronik. 2.3.4 Prinsip Kerja Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal mempunyai sebuah impeller (baling-baling) untuk mengangkat zat cairan dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Daya dari luar diberikan kepada poros pompa untuk memutarkan impeller di dalam zat cair. Maka zat cair yang ada didalam impeller, oleh dorongan sudu-sudu dapat berputar. Karena timbul gaya sentrifugal maka zat cair mengalir dari tengah impeller ke luar melalui saluran diantara sudusudu. Disini head tekanan zat cair menjadi lebih tinggi. Demikian pula head kecepatannya menjadi lebih tinggi karena mengalami percepatan. Zat cair yang keluar melalui 5 impeller ditampung oleh saluran berbentuk volut (spiral) dikelilingi impeller dan disalurkan keluar pompa melalui nosel. Didalam nosel ini sebagian head kecepatan Laporan Tugas Akhir 2012 11
aliran diubah menjadi head tekanan. Jadi impeller pompa berfungsi memberikan kerja pada zat cair sehingga nergy yang dikandungnya menjadi lebih besar. Selisih energy per satuan berat atau head total zat cair antara flens isap dan flens keluar disebut head total pompa. Dari uraian diatas jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah energy mekanik dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah yang mengakibatkan perubahan head tekanan, head kecepatan dan head potensial pada zat cair yang mengalir secara continue. Pada keliling luar kipas, zat cair mengalir dalam rumah pompa dengan tekanan dan kecepatan tertentu. Dalam rumah pompa ini zat cair disalurkan sedemikian rupa, sehingga terdapat perubahan kecepatan ke dalam tekanan yang sempurna. Oleh karena ini, kolom zat cair dalam saluran kempa digerakkan. Zat cair ini bergerak dalam aliran yang tak terputus-putus dari saluran isap melalui pompa ke saluran kempa. Gambar 2.6 Prinsip Kerja Pompa 2.3.5 Head a. Tinjauan umum Kerja yang dilakukan oleh sebuah pompa merupakan perbedaan energi yang timbul pada suatu titik dimana zat cair meninggalkan dan memasuki pompa. Kerja yang dihasilkan merupakan jumlah energi yang ditambahkan oleh zat cair didalam sistem. Besarnya energi total pada setiap titik didalam sebuah sistem pompa tergantung dari pemasangan alat ukur dan titik acuan diambil. Pandanglah aliran suatu zat cair (atau fluida inkompresible, misalnya air) melalui suatu penampang saluran seperti diperlihatkan dalam gambar dibawah ini. Pada penampang tersebut zat cair mempunyai tekanan statis p (dalam N/m2), kecepatan rata-rata v (dalam m/s), dan ketinggian Z (dalam m) di ukur dari bidang referensi. Maka zat cair tersebut pada penampang yang bersangkutan dikatakan mempunyai head total H (dalam m) yang dapat dinyatakan sebagai : Laporan Tugas Akhir 2012 12
لا = H + + Z (2.3) Dimana g (dalam m/ ) adalah percepatan gravitasi, dan لا adalah berat zat cair persatuan volume (N/m3). Gambar 2.7 Head Fluida Disuatu Titik Tertentu dalam aliran Pipa Sumber : L.Mott,Robert,1994r, hal 155 Adapun masing-masing suku dari persamaan tersebut diatas, yaitu,لا/ p /2g dan Z, berturut-turut disebut head tekanan, head kecepatan, 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 harus disediakan untuk mengalirkan sejumlah air seperti direncanakan, dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani oleh pompa seperti yang diperlihatkan pada gambar, head total pompa dapat ditulis sebagai berikut: Gambar 2.8 Head Pompa Sumber Sularso dan Tahara,H,Pompa dan Kompresor, hal 27 Laporan Tugas Akhir 2012 13
H = (z2 z1) + [ لا + لا ]+[ + ]+ hl. (2.4) Dimana : H = head total pompa (m) Z = tinggi statis terhadap referensi (m) P = tekanan statis (N/m2) hl = berbagai kerugian head (m) v = kecepatan fluida (m2) G = percepatan gravitasi (m/s2) 2.3.6 Daya Poros Daya poros yang diperlukan untuk menggerakan sebuah pompa adalah sama dengan daya hidrolik ditambah kerugian daya didalam pompa. Daya ini dapat dinyatakan sebagai berikut : Pp =.. (2.5) Dimana : Pp = daya poros sebuah pompa (W) = efisiensi pompa (%) = daya hidrolik pompa (W) Untuk dapat memperoleh daya poros pompa yang lebih akurat dapat dilakukan dengan menggunakan rumus : Pp = T.ω... (2.6) = T Dimana : T = torsi motor (Nm) ω = kecepatan sudut (rad/s) n = kecepatan putar motor (rpm) π = konstanta (3,14) Pp = daya poros (W) 2.3.6.1 Torsi Torsi didefinisikan sebagai perkalian antara gaya dengan jarak. Pada saat motor beroperasi untuk memutar pompa, maka keseimbangan motor akan berubah. Untuk menyeimbangankannya ditambahkan beban pada sisi salah satu motor. Beban ini besi dengan massa tertentu. Sehingga perhitungan torsinya dapat diperoleh sebagai berikut : Laporan Tugas Akhir 2012 14
T = F x l (Nm). (2.7) = m x g x l (Nm) Dimana : m = massa beban pemberat (kg) g = percepatan gravitasi (m/ ) l = jarak tuas dari poros motor ke beban (m) 2.3.7 Daya Hidrolik Energi yang secara aktif diterima oleh air dari pompa persatuan waktu merupakan definisi dari daya hidrolik, dapat ditulis : Ph = ρ. g. H. Q.. (2.8) Dimana : ρ = massa air persatuan volume (kg/ ) g = Percepatan gravitasi (m/ ) Q = kapasitas air ( /s) H = head total pompa (m) Ph = daya hidrolik (W) 2.3.8 Efisiensi Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara daya output dengan daya input atau daya output dibagi daya input. Pada gambar dibawah menunjukan proses aliran energi untuk alat pengujian pompa yang dibuat ini : Ph Pe Pp Motor n (rpm) Gambar 2.9 Diagram aliran energi sebuah Pompa keterangan : Pe = daya listrik (W) Pp = daya poros (W) Ph = daya hidrolik (W) Laporan Tugas Akhir 2012 15
Pada saat motor penggerak diberi tegangan listrik dari sumber maka motor akan berputar dan menyebabkan pompa ikut berputar pada kecepatan putar tertentu. Daya yang keluar dari pompa adalah daya hidrolik sehingga efisiensi pompa didefinisikan sebagai berikut : ηp =.. (2.9) efisiensi pompa sentrifugal tergantung pada sejumlah faktor, yang perlu diperhatikan adalah : a. kerugian-kerugian hidrolik b. gesekan pada sudu c. kerugian pada bantalan paking d. kerugian akibat kebocoran 2.3.9 Kurva prestasi pompa sentrifugal Gambar 2.10 Kurva Prestasi Pompa Sentrifugal Pada gambar diatas menunjukkan kurva karakteristik yang dimiliki oleh pompa sentrifugal. Parameter dasar yang dipergunakan untuk menunjukkan 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 diatas terlihat bahwa head mengalami kenaikkan kemudian terjadi penurunan seiring dengan kenaikkan debit. Sedangkan daya input mengalami kenaikkan sejalan dengan debit. Begitu juga dengan efisiensi pompa akan naik seiring dengan kenaikkan debit dan akan mencapai titik tertentu kemudian akan mengalami penurunan sedangkan daya input akan terus naik seiring dengan kenaikkan debit. Laporan Tugas Akhir 2012 16
2.3.10 Pengertian NPSH Didefinisikan sebagai tinggi tekan total ekuivalen pada sumbu pompa yang telah dikurangi dengan tekanan uap. Faktor penentunya adalah a. Hp adalah tinggi tekan akibat tekanan absolute pada permukaan cairan dari mana pompa melakukan pengisapan. b. Hz adalah ketinggian dalam meter diatas atau dibawah sumbu impeller c. Hvp adalah tinggi tekan yang diakibatkan oleh tekanan uap cairan pada temperatur cairan d. Hf adalah tinggi tekan yang hilang akibat gesekan dan turbulensi e. Hsv adalah NPSH yang tersedia Tinggi tekan hisap adalah penjumlahan aljabar dari faktor-faktor tersebut, persamaan untuk tinggi tekan hisap (suction Head) adalah : Hsv = Hp ± Hz Hvp Hf.... (2.10) Gambar 2.11 Hsv Sebuah Pompa Untuk mendesain instalasi system pompa dan membeli sebuah pompa ada dua jenis tinggitekan hisap (suction Head) atau NPSH yang harus diperhatikan. a. NPSH yang tersedia NPSH yang tersedia ialah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa ( ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi hisap pompa), dikurangi dengan tekanan uap jenuh yang tersedia. Laporan Tugas Akhir 2012 17
b. NPSH yang diperlukan Tinggi-tekan hisap yang dibutuhkan dari sebuah pompa termasuk tinggi tekan akibat kecepatan pada flens hisap ditambah dari ketinggian tinggi tekan yang terjadi antara flens hisap dan impeller. Tinggi tekan hisap ini juaga harus cukup besar untuk mengatasi penurunan tekanan akibat perubahan kecepatan yang tiba-tiba (baik perubahan pada besarannya maupun pada arahannya). 2.4 Metoda Pengujian Pompa Secara Umum Berdasarkan standar ASME (American Society of Mechanical Engineers) Metoda pengujian pompa terdiri dari beberapa metoda, diantaranya adalah : a. Metoda Pengubahan NPSH Gambar instalasi pengujian untuk metoda ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini Gambar 2.12 Instalasi pengujian metoda NPSH Berdasarkan gambar 2.13 diatas, pompa mendapat suplay air dari reservoir (sump) yang diletakkan dibawah pompa. Pada metode ini, air didalam reservoir levelnya diubah-ubah dengan tujuan untuk mengubah nilai NPSH pompa. b. 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 dibawah ini : Laporan Tugas Akhir 2012 18
Gambar 2.13 Instalasi Pengujian Metode Pencekikan Sumber air pada metode ini levelnya tidak diubah-ubah tetapi bukaan katupnya yang diubahubah. Pengubahan katup ini bertujuan untuk mengubah nilai NPSH karena jika bukaan katup kecil (dicekik) maka nilai rugi-ruginya besar, sehingga nilai NPSHnya akan berkurang. Selain itu, akibat yang ditimbulkan oleh pencekikan adalah kecepatan air akan tinggi sehingga aliran akan menjadi turbulen adan timbul gelembung-gelembung udara. Laporan Tugas Akhir 2012 19