BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Prinsip Kerja Pompa Sentrifugal Pompa digerakkan oleh motor. Daya dari motor diberikan kepada poros pompa untuk memutar impeler yang terpasang pada poros tersebut. Zat cair yang ada di dalam impeler akan ikut berputar karena dorongan sudu-sudu.karena timbul gaya sentrifugal maka zat cair mengalir dari tengah impeler akan keluar melalui saluran di antara sudu-sudu dan mening-galkan impeler dengan kecepatan tinggi. Zat cair yang keluar dari impeler dengan kecepatan tinggi ini kemudian akan keluar melalui saluran yang penampangnya makin membesar (volute/difuser) sehingga terjadi perubahan dari head kecepatan menjadi head tekanan. Oleh sebab itu zat cair yang keluar dari flens pompa memiliki head total yang lebih besar. Penghisapan terjadi karena setelah zat cair dilemparkan oleh impeler, ruang di antara sudu-sudu menjadi turun tekanannya sehingga zat cair akan terhisap masuk. Gambar 2.1 Zat cair dalam pompa sentrifugal Sumber : Sunarno,M.Eng.,Ph.D,Mekanikal Elektrikal,Andi Yogyakarta,2005 TEKNIK 17 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Gambar 2.2 Bagian-bagian pompa centrifugal Sumber : Sunarno,M.Eng.,Ph.D,Mekanikal Elektrikal,Andi Yogyakarta,2005 Selisih energi persatuan berat atau head total dari zat cair pada flens keluar dan flens masuk disebut head total pompa. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa pompa sentrifugal berfungsi mengubah energi motor menjadi energi aliran fluida. Energi inilah yang mengakibatkan, pertambahan head kecepatan, head tekanan, dan head potensial secara berkelanjutan. 2.2. Alternatif Pemilihan Pompa Alternatif pemilihan pompa air mancur untuk keindahan ruang di halaman luar rumah atau taman. 2.2.1. Pompa Sentrifugal Pompa jenis ini sangat luas penggunaannya dan juga banyak dipakai untuk berbagai keperluan. Fluida pada pompa sentrifugal dihisap kipas/sudu-sudu impeller ditengah-tengah mengelilingi poros, dan keluar secara radial dengan kecepatan yang merupakan jumlah antara kecepatan radial dan kecepatan air yang meluncur mengikuti putaran impeller. TEKNIK 18 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Dalam rumah pompa (Volute casing), fluida berkurang kecepatannya akibat berputarnya impeller dan tenaga geraknya diubah menjadi tenaga tekan (dorong) maka fluida yang ada akan mengalir keluar pompa dengan usaha mengatasi tekanan yang ada. Daya mekanis yang diberikan pada poros pompa diubah di dalam sudu-sudu menjadi energi kinetis dari fluida yang dipindahkan dengan cara memperkecil kecepatan di dalam volute. Keuntungan pompa sentrifugal : 1. Biaya pembelian / investasi dan perawatan dan pemeliharaan rendah. 2. Ruang penempatan relatif kecil. 3. Tidak banyak bagian-bagian yang bergerak, jadi biaya pemeliharaannya menjadi lebih rendah. 4. Dapat memompakan air kotor dan air bersih. 5. Aliran zat cair/fluida dapat kontinyu tidak terputus-putus. 6. Beroperasi pada putaran tinggi, biasanya dihubungkan langsung dengan penggeraknya sehingga rugi-rugi transmisi kecil. 7. Bila konstruksinya disesuaikan, dapat dipergunakan untuk mengalirkan fluida yang kotor dan berlumpur serta yang mengandung bahan kimia. 8. Karena putaran tinggi, maka dapat memompakan zat cair dengan kapasitas besar dan tinggi tekan/dorong rendah. 9. Getaran yang terjadi pada saat pompa beroperasi kecil, sehingga pondasi dudukan pompa dapat dibuat ringan. TEKNIK 19 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Kerugian pompa sentrifugal 1. Pada pemakaian normal, tidak dapat menghisap sendiri (tidak dapat memompakan udara), oleh sebab itu pada awal menghidupkan pompa harus dipancing. 2. Efesiensi pompa relatif rendah jika dibandingkan dengan pompa torak, terutama jika kapasitas zat cair kecil sedangkan tinggi kenaikan besar. 2.2.2. Pompa Torak Pompa Torak mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan pompa sentrifugal, tetapi kemajuan-kemajuan pada perencanaan pompa sentrifugal telah mengimbangi efisiensi yang tinggi ini, bila beroperasi pada kondisi-kondisi tertentu dimana pompa sentrifugal ini paling sesuai dan banyak digunakan. Pompa Torak digunakan secara luas, dimana kemampuan variabel tekanan adalah pertimbangan yang penting. Keuntungan Pompa Torak: 1. Dapat bekerja langsung tanpa melakukan pemancingan. 2. Pada putaran konstan, dapat menghantarkan zat cair yang berbeda-beda pada tekanan yang hampir sama. 3. Pada putaran konstan, dapat menghantarkan zat cair pada kapasitas yang tetap dengan berbagai tekan buang. TEKNIK 20 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Kerugian Pompa Torak dibandingkan dengan Pompa Sentrifugal 1. Rumit dalam hal pemeliharaan. 2. Bobot cukup besar sehingga pondasi harus lebih kokoh. 3. Putaran kerja rendah, sehingga tidak dapat langsung dihubungkan dengan penggerak, sehingga memerlukan sistem transmisi. 4. Memerlukan tempat yang lebih luas. 5. Menimbulkan suara yang lebih keras akibat gerakan naik-turun dari torak. 6. Getaran besar karena banyak bagian yang bergerak. 7. Banyak menggunakan katup. 8. Aliran fluida tidak terus-menerus 2.3. Theorema Bernoulli Energi tidak dapat timbul atau hilang begitu saja. Energi total fluida adalah sama dengan ketiga tinggi tekanan (Head) di bawah ini : 2 ρ V + + z = H... (2.1). γ 2. g dimana : H = Tinggi tekan total (m) ρ γ 2 V 2. g z = Tinggi tekan tekanan (m) = Tinggi tekan kecepatan (m) = Tinggi Tekan Potensial (m) (2.1) Khetogurov.M, Marine Auxillary Machinery and System, Peace Publisher Mosco. Halaman 10 TEKNIK 21 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Berbagai tinggi tekan dapat bervariasi besarnya pada penampang berbeda, tetapi penjumlahannya selalu sama. Bila luas penampang sebuah pipa datar membesar sedikit demi sedikit maka kecepatan akan berkurang dan tekanan akan naik, tetapi tinggi tekan total harus tetap sama. 2.4. Kavitasi Kavitasi adalah gejala menguapnya zat cair yang sedang mengalir karena tekanannya berkurang sampai di bawah tekanan uap jenuhnya. Apabila zat cair mendidih, maka akan timbul gelombang-gelombang uap zat cair. Jika pompamengalami kavitasi, maka akan timbul suara berisik dan getaran. Selain itu juga dapat menyebabkan penurunan kemampuan pompa. Jika pompa dijalankan dalam keadaan kavitasi secara terus menerus dalam jangka waktu yang lama, maka permukaan dinding saluran di sekitar aliran yang berkavitasi akan mengalami kerusakan. Permukaan dinding akan termakan sehingga menjadi berlubang-lubang atau bopeng. Peristiwa itu disebut erosi kavitasi sebagai akibat dari tumbukan gelombang-gelombang uap yang pecah pada dinding secara terus-menerus. Karena kavitasi ini sangat merugikan, yaitu mengakibatkan turunnya performansi pompa, menimbulkan suara dan getaran, serta rusaknya impeller dan rumah pompa, gejala ini harus dicegah/dihindari dengan cara: 1. Ketinggian letak pompa terhadap permukaan zat cair yang diisap harus dibuat serendah mungkin agar head statis menjadi lebih rendah pula. TEKNIK 22 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

2. Pipa isap harus dibuat sependek mungkin. Jika terpaksa dipakai pipa isap yang panjang sebaiknya dipilih pipa yang diameternya satu nomor lebih besar untuk mengurangi kerugian besar. 3. Sama sekali tidak dibenarkan untuk memperkecil laju aliran dengan menghambat di sisi isap. 4. Jika pompa mempunyai head total yang berlebihan, maka pompa akan berkerja dengan kapasitas aliran yang berlebihan pula. Sehingga kemungkinan akan terjadi kavitasi menjadi lebih besar. Karena itu head total pompa harus ditentukan sedimikan hingga sesuai dengan yang diperlukan pada kondisi operasi yang sesungguhnya. 5. Bila head total pompa berfluktuasi, maka pada keadaan head terendah diadakan pengamanan penuh terhadap terjadinya kavitasi, namun dalam beberapa hal terjadi sedikit kavitasi yang tidak mempengaruhi performansi sering tidak dapat dihindari sebagai akibat dari pertimbangan ekonomis. Dalam hal ini perlu dipilih bahan impeller yang tahan erosi karena kavitasi. Gambar 2.2 Lokasi dimana terjadinya kavitasi Sumber: Sularso, Tahara; Pompa dan Kompresor; Pradya Paramitha;cetakan ke-9 TEKNIK 23 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

2.5. NPSH NPSH (Net Positive Suction Head) adalah tinggi tekan hisap total yang sering digunakan sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi. Dalam mendisain instalasi pompa dan dalam membeli suatu pompa ada dua jenis tinggi tekan hisap (suction head) atau NPSH yang harus diperhatikan. Tinggi tekan hisap sistem yang tersedia dan tinggi tekan yang dibutuhkan pompa yang ditempatkan pada sistem. Yang pertama ditentukan oleh pendesain pabrik dan didasarkan pada kondisi-kondisi cairan yang akan dipompakan, lokasi letak pompa dan lain-lain. Yang kedua biasanya NPSH yang tersedia harus sama atau lebih besar dari tinggi tekan hisap yang dibutuhkan untuk menghindari kerusakan-kerusakan yang diakibatkan oleh kavitasi. NPSH tersedia > NPSH diperlukan. 2.5.1. NPSHav yang tersedia (available) NPSHa (Available Net Positive Suction Head) yang tersedia ialah : Head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi isap pompa (ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi isap pompa), dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair di tempat tersebut. 2.5.2. NPSHre yang diperlukan (required) NPSHre (Required Net Positive Suction Head) yang diperlukan dari sebuah pompa termasuk tinggi tekan akibat kecepatan pada flens hisap ditambah dengan ketinggian tinggi tekan yang terjadi antara flens hisap dan impeller. TEKNIK 24 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Gambar 2.3 Grafik hubungan antara NPSHav dengan NPSHre Sumber: Sularso, Tahara; Pompa dan Kompresor; Pradya Paramitha;cetakan ke-6 2.6. Putaran Spesifik Putaran spesifik adalah suatu istilah yang dipakai memberikan klasifikasi impeller berdasarkan prestasi dan proporsi tanpa memperhatikan ukuran aktual dan kecepatan dimana impeller itu beroperasi. Pemakaian putaran spesifik adalah untuk mengklasifikasikan berbagai jenis impeller pompa. Masing-masing jenis impeller mempunyai suatu daerah kecepatan spesifik untuk mata impeller yang dioperasikan dengan baik, walaupun daerah-daerah kecepatan spesifik ini hanya merupakan taksiran saja, tidak ada batas yang tegas antara jenis-jenis impeller ini. 2.6.1. Impeller Jenis Radial Tinggi tekan umumnya sebagian besar dibesarkan oleh gaya sentrifugal. Impeller yang ditunjukan pada gambar (a) adalah impeller yang dipakai untuk tinggi tekan medium (menengah) dan yang tinggi (kira-kira diatas 150 ft). Impeller ini secara praktis dipakai pada semua pompa-pompa yang bertingkat banyak, daerah spesifik pada umumnya adalah 500 sampai 3000 rpm. Bila jumlah TEKNIK 25 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

yang lebih besar harus dipompakan, impeller hisapan ganda, seperti yang ditunjukan pada gambar (b) dapat dipakai daerah tinggi tekan dan kecepatan spesifik adalah kira-kira sama dengan impeller hisapan tunggal. Impeller ini mempunyai keuntungan yaitu dalam hal keseimbangan hidrolisnya yakni gayagaya aksial saling berlawanan dan saling menghilangkan. 2.6.2. Impeller Jenis Francis Untuk tinggi tekan yang lebih rendah sering dipakai impeller pembuangan radial, hisapan aksial seperti yang ditunjukan pada gambar (c), perbandingan diameter pipa buang/tekan (Discharge) dengan dimeter mata sisi masuknya lebih kecil dari jenis yang pertama. Untuk kapasitas dan tinggi tekan yang ditentukan jenis impeller ini beroperasi pada kecepatan yang lebih tinggi, daerah kecepatan spesifiknya adalah dari 1500 sampai 4500 rpm. Sudu-sudu sisi masuknya harus berkurang sesuai dengan jari-jarinya (kecepatan keliling impeller) untuk menjamin masuknya fluida secara halus, sehingga bentuknya menyerupai turbin francis. 2.6.3. Impeller Jenis Aliran Campur. Tinggi tekan yang dihasilkan pada impeller jenis ini sebagian adalah disebabkan oleh gaya sentrifugal dan sebagian lagi oleh tolakan impeller. Aliran buangnya sebagian radial dan sebagian lagi aksial, inilah sebabnya jenis impeller ini disebut impeller aliran campur (gambar d) daerah kecepatan spesifiknya biasanya adalah antara 4500 sampai 8000 rpm. TEKNIK 26 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

2.6.4. Impeller Jenis Propeler Praktis semua tinggi tekan yang dihasilkan adalah akibat tolakan sudusudu, aliran hampir seluruhnya aksial seperti yang ditunjukan pada gambar (e). Impeller ini mempunyai kecepatan spesifik yang tinggi diatas 8000 ft dan dipakai untuk tinggi tekan yang rendah (3 sampai 40 ft), rpm yang rendah (200 sampai 1800 rpm) dan kapasitas besar ini disebabkan oleh pengarahan yang sedikit diberikan pada fluida, impeller ini tidak sesuai untuk tinggi yang besar. 2.6.5. Impeller Tingkat yang banyak Bila tinggi tekan yang harus dihasilkan menjadi terlalu besar untuk impeller satu tingkat, beberapa impeller dipasangkan pada satu poros secara seri seperti yang ditunjukkan pada gambar (f). Impeller ini biasanya adalah impeller jenis radial, karena jenis impeller radial dapat menghasilkan tinggi tekan yang lebih besar dari pada impeller-impeller jenis lainnya. Kecepatan dan jumlah aliran melalui setiap tingkat adalah sama, dan tinggi tekan total biasanya terbagi rata untuk masing-masing tingkat. Jadi semua tingkat akan mempunyai kecepatan spesifik yang sama yang dapat dianggap sebagai kecepatan spesifik pompa itu sendiri. Gambar 2.4 Jenis-jenis impeller menurut kecepatan spesifik dan klasifikasi pompa TEKNIK 27 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Gambar 2.5. Bentuk relatif impeller dan efisiensi bila dihubungkan dengan kecepatan spesifik 2.7. Efisiensi Pompa Efesiensi pompa sentrifugal tergantung pada sejumlah faktor, yang terpenting adalah kerugian-kerugian hidrolis, kerugian-kerugian mekanis dan kerugian akibat kebocoran. Dari butir-butir ini yang terpenting adalah kapasitas kerugian-kerugian gesekan akan merupakan presentasi yang lebih kecil dari daya total waktu ketika memompakan sejumlah fluida. Kerugian-kerugian mekanis juga relatif kecil bila jumlah aliran besar, diharapkan bahwa tinggi tekan yang bertambah besar adalah akibat membesarnya diameter impeller atau putarannya. 2.8. Pipa Berbagai jenis pipa dapat digunakan pada sistem aliran air mancur, tetapi ada beberapa hal yang menentukan perbedaan jenis pipa yang akan digunakan. TEKNIK 28 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Dalam menentukan jenis pipa yang akan dipakai harus diperhatikan jenis fluida yang dialirkan, debit air serta kecepatan aliran. Faktor - factor tersebut akar menentukan diameter pipa yang akan digunakan. Untuk menentukan diameter pipa dapat digunakan persarnaan : Q A =... (2.2) v π. 4 2 D = Dimana Q v Q = debit air ( m 3 / S ) A = luas penampang ( m 2 ) v = kecepatan aliran (m/s 2 ) (2.2) Sularso dan Tahara H, Pompa dan Kompresor, cetakan ke-6 Pradnya Paramita, Jakarta 1996.hal.70 Pada persamaan tersebut v dapat diasumsikan sebesar 2 m/s (standar kecepatan aliran). Setelah didapatkan diameter pipa, lanjutkan perhitungan dengan melakukan pemeriksaan kecepatan aliran melalui persarnaan. v = Q A Q = π / 4. ( D 2 ) Pada pipa yang digunakan pada instalasi didalam perancangan ini adalah pipa PVC ( Polyvinyl Cholride ), digunakan untuk : Instalasi air mancur Pipa PVC dipakai pada instalasi ini karena bersifat tahan karat, permukaan bagian dalam pipa yang licin sehingga sulit terjadi endapan. TEKNIK 29 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

2.9. Rumus Rumus Dasar 2.9.1. Diameter pipa hisap / Suction (Di) Q π 4 2 = Vi ( D i )... (2.3) maka Di = 4. Q π. Vi dimana : Q D i V i = Kapasitas pompa (m³/s) = Diameter pipa hisap (mm) = Kecepatan aliran fluida masuk (m/s) (2.3) Sularso dan Tahara H, Pompa dan Kompresor, cetakan ke-6 Pradnya Paramita, Jakarta 1996.hal.72 2.9.2. Diameter Pipa Tekan / Discharge (Dt) Q = Vi.p (Dt)2... (2.4) maka D 4. Q = t π. Vi dimana : Q = Kapasitas pompa (m³/s) D t = Diameter pipa tekan (mm) V t = Kecepatan aliran fluida keluar (m/s) (2.4) Sularso dan Tahara H, Pompa dan Kompresor, cetakan ke-6 Pradnya Paramita, Jakarta 1996.hal.72 TEKNIK 30 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

2.9.3. Kerugian Gesek Pada Pipa 2 L V H f = f. D... (2.5) 2g dimana : H f f L V g = Head kerugian gesek (m) = Koefisien kerugian gesek = Panjang pipa (m) = Kecepatan rata-rata aliran (m/s) = Percepatan gravitasi (m/s²) (2.5)Sularso dan Tahara H, Pompa dan Kompresor, cetakan ke-6 Pradnya Paramita, Jakarta 1996.hal.33 2.9.4. NPSHav tersedia H Pa Pv = ± h. s λ sv h f... (2.6) dimana : H SV Pa Pv hs = Tinggi tekan hisap tersedia (m) = Tekanan atmosfir (N/ m²) = Tekanan uap jenuh (N/mm²) = Tinggi tekan hisap statis hs adalah positif (bertanda +) jika pompa terletak dibawah permukaan air yang di isap, dan negatif (bertanda -) jika diatas. h fi λ = Tinggi tekan yang hilang akibat gesekan (m) = Berat fluida persatuan volume (N/m³) (2.6) Sularso dan Tahara H, Pompa dan Kompresor, cetakan ke-6 Pradnya Paramita, Jakarta 1996.hal.26 TEKNIK 31 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

2.9.5. NPSHre diperlukan H svn =.Hn.... (2.7) dimana : H svn = Tinggi tekan hisap yang diperlukan (m) Hn = Tinggi tekan total (m) = Koefisien kavitasi thoma (2.7) Sularso dan Tahara H, Pompa dan Kompresor, cetakan ke-6 Pradnya Paramita, Jakarta 1996.hal.26 2.9.6. Kecepatan Spesifik Q ns = n... (2.8) 3 / 4 H (2.8) Suga, K dan Sularso, Dasar Perencanaan dan Pemilihan Elemen Mesin, Pradnya Paramita, Jakarta. Hal 44 dimana : ns n Q = Putaran spesifik pompa (rpm) = Putaran spesifik pompa (rpm) = Kapasitas pompa (m³/s) H = Hn = Tinggi tekan total (m) 2.9.7. Daya Pompa 1000. W. Q. H P =...... (2.9) 75. n dimana : P = Daya pompa (watt) W = Berat jenis (N/m³) TEKNIK 32 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

Q = Kapasitas pompa (m³/s) H = Tinggi tekan total (m) n = Efisiensi pompa (2.9) Khurmi R.SGupta dan Gupta J.k, A text book of machine design, Eurasia publishing house LTD, Rem Nagar,New delhi, 1982. Hal 243 2.9.8. Diameter Poros 5,1 d p =. Kt. Cb. T τ dimana : d p = Diameter poros (mm) τ = Tegangan geser (N/mm²) = Faktor koreksi momen puntir Cb = Momen puntir pada poros (N.mm) T = Faktor koreksi untuk tegangan puntir 2.9.9. Diameter Mata Impeller 4. Q D S = + Dn π. V 0 2 dimana : Ds Q Vo Dn = Diameter mata impeller (mm) = Kapasitas pompa (m³/s) = Kecepatan fluida masuk lewat mata impeller (m/s) = Diameter naaf (mm) TEKNIK 33 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA

DIAGRAM ALIR PERHITUNGAN POMPA SENTRIFUGAL TEKNIK 34 MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA