BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Mesin - mesin fluida Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis poros menjadi energi potensial atau sebaliknya mengubah energi fluida ( energi kinetik dan energi potensial ) menjadi energi mekanik poros. Dalam hal ini fluida yang simaksud berupa cair, gas dan uap. Secara umum mesin - mesin fluida dapat dibagi menjadi dua bagian besar, yaitu : 1. Mesin Tenaga yaitu mesin fluida yang berfungsi mengubah energi fluida ( energi potensial dan energi kinetik ) menjadi energi mekanis poros. Contoh : turbin, kincir air, dan kincir angin. 2. Mesin kerja yaitu mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis poros menjadi energi 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. 2.3. Klasifikasi Pompa Secara umum pompa ada dikasifikasikan dalam dua jenis kelompok besar yaitu : 1. Pompa Tekanan Statis 2. Pompa Tekanan Dinamis ( Rotodynamic Pump )
2.3.1. Pompa Tekanan Statis Pompa jenis ini bekerja dengan menggunakan prinsip memberi tekanan secara periodik pada fluida yang terkurung dalam rumah pompa. Pompa ini dibagi menjadi dua jenis. a. Pompa Putar ( rotary pump ) Pada pompa putar, fluida masuk melalui sisi isap, kemudian dikurung di antara ruangan rotor, sehingga tekanan statisnya naik dan fluida akan dikeluarkan melalui sisi tekan. Contoh tipe pompa ini adalah : screw pump, gear pump dan vane pump Gambar 2.1. Pompa Roda gigi dan Pompa ulir b. Pompa Torak ( Reciprocating Pump ) Pompa torak ini mempunyai bagian utama berupa torak yang bergerak bolak-balik dala silinder. Fluida masuk melalui katup isap (Suction valve) ke dalam silinder dan kemudian ditekan oleh torak sehingga tekanan statis fluida naik dan sanggup mengalirkan fluida keluar melalui katup tekan (discharge valve). Contoh tipe ini adalah : pompa diafragma dan pompa plunyer.
Gambar 2.2. Pompa Diafragma 2.3.2. Pompa Tekanan Dinamis Pompa tekanann dinamis disebut juga rotodynamic pump, turbo pump atau impeller pump. Pompa yang termasuk dala kategori ini adalah : pompa jet dan pompa sentrifugal Ciri - ciri utama dari pompa ini adalah : - Mempunyai bagian utama yang berotasi berupa roda dengan sudu-sudu sekelilingnya yang sering disebut dengan impeler. - Melalui sudu - sudu, fluida mengalir terus-menerus, dimana fluida berasal diantara sudu-sudu tersebut. Prinsip kerja pompa sentrifugal adalah energi mekanis dari luar diberikan pada poros untuk memutar impeler. Akibatnya fluida yang berada dalam impeler, oleh dorongan sudu-sudu akan terlempar menuju saluran keluar. Pada proses ini fluida akan mendapat percepatan sehingga fluida tersebut mempunyai energi kinetik. Kecepatan keluar fluida ini selanjutnya akan berkurang dan energi kinetik akan berubah menjadi energi tekanan di sudu-sudu pengarah atau dalam rumah pompa. Adapun bagian-bagian utama pompa sentrifugal adaah poros, impeler dan rumah pompa (gambar 2.3).
Gambar 2.3. Bagian-bagian utama pompa sentrifugal Pompa tekanan dinamis dapat dibagi berdasarkan beberapa kriteria berikut, antara lain : a. Klasifikasi menurut jenis impeler 1. Pompa Sentrifugal Pompa ini menggunakan impeler jenis radial atau francis. Konstruksinya sedemikian rupa (gambar 2.4) sehingga aliran fluida yang keluar dari impeler akan melalui bidang tegak lurus pompa. Impeler jenis radial digunakan untuk tinggi tekan (head) yang sedang dan tinggi, sedangkan impeler jenis francis digunakan untuk head yang lebih rendah dengan kapasitas besar. Gambar 2.4. Pompa Sentrifugal
2. Pompa Aliran Campur Pompa ini menggunakan impeler jenis aliran capur (mixed flow), seperti pada gambar 2.5. Aliran keluar dari impeler sesuai dengan arah bentuk permukaan kerucut rumah pompa. Gambar 2.5. Pompa aliran campur 3. Pompa Aliran Aksial Pompa ini menggunakan impeler jenis aksial dan zat cair yang meninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan silinder rumah pompa kearah luar. Konstruksinya mirip dengan pompa aliran campur kecuali bentuk impeler dan bentuk difusernya.
Gambar 2.6. Pompa aliran aksial b. Klasifikasi menurut bentuk rumah pompa 1. Pompa Volut Pompa ini khusus untuk pompa sentrifugal. Aliran Fluida yang meninggalkan impeler secara langsung memasuki rumah pompa yang berbentuk volut (rumah siput) sebab diameternya bertambah besar. Bentuk dan konstruksinya terlihat pada gambar 2.4. 2. Pompa Difuser Konstruksi ini dilengkapi dengan sudu pengarah (diffuser) di sekeliling saluran impeler (gambar 2.7). Pemakain diffuser ini akan memperbaiki efisiensi pompa. Difuser ini sering digunakan pada pmopa bertingkat banyak dengan head yang tinggi. Gambar 2.7. Pompa diffuser
3. Pompa Vortex Pompa ini mempunyai aliran campur dan sebuah rumah volut seperti pada gambar 2.8. Pompa ini tidak menggunakan difuser, namun memakai saluran yang lebar. Dengan demikian pompa ini tidak mudah tersumbat dan cocok untuk pemakaian pada pengolahan cairan limbah. Gambar 2.8. Pompa Vortex c. Klasifikasi menurut jumlah tingkat 1. Pompa satu tingkat Pompa ini hanya mempunyai sebuah impeler (gambar 2.4 s/d 2.8). Pada umumnya head yang dihasilkan pompa ini relative rendah, namun konstruksinya sederhana. 2. Pompa bertingkat banyak Pompa ini menggunakan lebih dari satu impeler yang dipasanag berderet pada satu poros (gambar 2.9). Zat cair yang keluar dari impeler tingkat pertama akan diteruskan ke impeler tingkat kedua dan seterusnya hingga tingkat terakhir. Head total pompa merupakan penjumlahan head yang dihasilkan oleh masing - masing impeler. Dengan demikian head total pompa ini relatif tinggi dibanding dengan pompa satu tingkat, namun konstruksinya lebih rumit dan besar. Gambar 2.9. Pompa bertingkat banyak
d. Klasifikasi menurut letak poros 1. Pompa poros mendatar Pompa ini mempunyai poros dengan posisi horizontal (gambar 2.4 s/d 2.9), pompa jenis ini memerlukan tempat yang relatif lebih luas. 2. Pompa jenis poros tegak Poros pompa ini berada pada posisi vertikal, seperti terlihat pada gambar 2.10. Poros ini dipegang di beberapa tempat sepanjang pipa kolom utama bantalan. Pompa ini memerlukan tempat yang relatif kecil dibandingkan dengan pompa poros mendatar. Penggerak pompa umumnya diletakkan di atas pompa. Gambar 2.10. Pompa aliran campur poros tegak e. Klasifikasi menurut belahan rumah 1. Pompa belahan mendatar Pompa ini mempuyai belahan rumah yang dapat yang dibelah dua menjadi bagian atas dan bagian bawah oleh bidang mendatar yang melalui sumbu poros. Jenis pompa ini sering digunakan untuk pompa berukuran menengah dan besar dengan poros mendatar.
Gambar 2.11. Pompa jenis belahan mendatar 2. Pompa belahan radial Rumah pompa ini terbelah oleh sebuah bidang tegak lurus poros. Konstruksi seperti ini sering digunakan pada pompa kecil dengan poros mendatar. Jenis ini juga sesuai dengan pompa-pompa dengan poros tegak dimana bagianbagian yang berputar dapat dibongkar ke atas sepanjang poros. 3. Pompa jenis berderet Jenis ini terdapat pada pompa bertingkat banyak, dimana rumah pompa terbagi oleh bidang-bidang tegak lurus poros sesuai dengan jumlah tingkat yang ada. f. Klasifikasi menurut sisi masuk impeler 1. Pompa isapan tunggal Pada pompa ini fluida masuk dari sisi impeler. Konstruksinya sangat sederhana, sehingga sangat sering digunakan untuk kapasitas yang relatif kecil. Adapun bentuk konstruksinya terlihat pada gambar 2.4 s/d 2.10. 2. Pompa isapan ganda Pompa ini memasukkan fluida melalui dua sisi isap impeler (gambar 2.12). Pada dasarnya pompa ini sama dengan dua buah impeler pompa isapan tunggal yang dipasang bertolak belakang dan dipasang beroperasi secara paralel. Dengan demikian gaya aksial yang terjadi pada kedua impeler akan saling mengimbangi dan laju aliran total adalah dua kali laju aliran tiap impeler. Oleh sebab itu pompa ini banyak dipakai untuk kebutuhan dengan kapasitas besar.
Gambar 2.12. Pompa isapan ganda 2.4. Unit Penggerak Pompa Umumnya unit penggerak pompa terdiri dari tiga jenis yaitu: a. Motor bakar b. Motor listrik, dan c. Turbin Penggerak tipe motor bakar dan turbin sangat tidak ekonomis untuk perencanaan pompa karena konstruksinya berat, besar dan memerlukan sistem penunjang misalnya sistem pelumasan, pendinginan dan pembuangan gas hasil pembakaran. Sistem penggerak motor listrik lebih sesuai dimana konstruksinya kecil dan sederhana, sehingga dapat digabungkan menjadi satu unit kesatuan dalam rumah pompa. Faktor lain yang membuat motor ini sering digunakan adalah karena murah dalam perawatan dan mampu bekerja untuk jangka waktu yang relatif lama dibanding penggerak motor bakar dan turbin. 2.5. Dasar-dasar Pemilihan Pompa Dasar 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, temperature 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 kontinu. 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 dalam perencanaan ini, karena sesuai dengan sifat pompa sentrifugal, yakni : a. Aliran fluida lebih merata. b. Putaran poros dapat lebih tinggi. c. Rugi-rugi transmisinya lebih kecil karena dapat dikopel langsung dengan otor penggerak. d. Konstruksinya lebih aman dan kecil. e. Perawatannya murah. 2.6. Head 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. Untuk lebih jelasnya perhitungan dari head pompa dapat dilihat pada gambar 2.13 berikut ini. Gambar 2.13. Prinsip hukum Bernoulli
Pada gambar ini terdapat dua buah titik dengan perbedaan kondisi letak, luas penampang, tekanan serta kecepatan aliran fluida. Fluida kerja mengalir dari kondisi pertama (titik 1) ke kondisi yang kedua (titik 2), aliran ini disebabkan oleh adanya suatu energi luar. Energi luar ini terjadi merupakan perbedaan tekanan yang terjadi pada kedua kondisi operasi (titik 1 dan 2), atau = ( - ).Q Sedangkan pada setiap kondisi tersebut terdapat juga suatu bentuk energi, yaitu energi kinetik (E k ) dan energi potensial (E p ) atau dapat dituliskan sebagai berikut : - Untuk titik 1 : Energi yang terkandung E 1 = E k1 + E p1 = m 1. + m 1.g.h 1 - Untuk titik 2 : Energi yang terkandung E 2 = E k2 + E p2 = m 2. + m 2.g.h 2 Dan hubungan dari kondisi kerja ini adalah E o = E 2 - E 1, atau dapat dituliskan: (P 2 -P 1 ).Q = [ m 2. + m 2.g.h 2 ] - [ m 1. + m 1.g.h 1 ] (P 2 -P 1 ).Q = {( m 2. ) - (m 1. ) + (m 2.g.h 2 ) - (m 1.g.h 1 ) } (1) Dimana : Q = A. V = Konstan M = ρ. A. V, dimana ρ 1 = ρ 2 Sehingga persamaan (1) di atas dapat dituliskan sebagai berikut : (P 2 -P 1 )A.V = [(ρ.a.v 3 ) 2 - (ρ.a.v 3 ) 1 ] + ρ.a.v.g(h 2 - h 1 ) (P 2 -P 1 ) = ρ( - ) + ρ.g(h 2 - h 1 )..(2) Jika ρ (kg/m 3 ). g (m/s 2 ) = γ (N/m 3 ), maka persamaan (2) dapat disederhanakan menjadi : = + ( h 2 -h 1 ) yaitu : Atau persamaan untuk mencari head pompa digunakan hukum Bernoulli + + Z 1 + H p = + + Z 2 + H L Maka :
H P = + + Z 2 - Z 1 + H L Dimana : adalah perbedaan head tekanan. adalah perbedaan head kecepatan Z 2 - Z 1 adalah perbedaan head potensial H L adalah kerugian head ( head losses ) Dari rumus di atas dapat dilihat bahwa head total pompa diperoleh dengan menjumlahkan head tekanan, head kecepatan, head potensial, dan head losses yang timbul dalam instalasi pompa. Sementara head losses sendiri merupakan jumlah kerugian head mayor (h f ) dan kerugian head minor (h m ). H L = h f + h m 2.7. Putaran 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 (Khetagurov. hal 205) n s = 3,65 Dimana : n s = putaran spesifik [rpm] n = putaran pompa [rpm] Q = kapasitas pompa [m 3 /s] H p = head pompa [mh 2 O] 2.8. Daya pompa Daya pompa ialah daya yang dibutuhkan poros pompa untuk memutar impeler didalam memindahkan sejumlah fluida denga kondisi yang diinginkan. Besarnya daya poros yang dibutuhkan dapat dihitung berdasarkan ( Fritz dietzel. Hal 243 ) N P =
Dimana : N p = daya pompa [watt] Q = kapasitas pompa [m 3 /s] H p = head pompa [m] ρ = rapat jenis fluida [kg/m 3 ] η p = effisiensi pompa 2.9. Aliran fluida Aliran dalam pemipaan akan terjadi dari titik yang mempunyai head hidrolik yang lebih tinggi (energi internal per satu-satuan berat air) ke head yang lebih rendah, dimana terjadi kehilangan energi hidrolik di sepanjang pipa. Kehilangan energi hidrolik sepanjang pipa secara umum disebabkan oleh : A. Kerugian head mayor Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat digunakan untuk mencari headlosses akibat gesekan dalam pipa dapat dilakukan dengan menggunakan : a. Persamaan Darcy - Weisbach b. Persamaan Hazen - Williams Kedua persamaan diatas memiliki kelebihan dan kekurangan masingmasing yaitu : a. Persamaan Darcy - Weisbach 1. Memberikan hasil yang lebih baik untuk pipa yang relatif pendek. 2. Untuk sistem terdiri dari bermacam-macam pipa akan lebih rumit perhitungannya. 3. Populer atau sering dipakai untuk perhitungan dengan beda energi besar. 4. Persamaan ini secara teori paling bagus dan dapat digunakan ke semua jenis fluida. b. Persamaan Hazen-Williams : 1. Umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatf sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. 2. Untuk sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa, perhitungannya akan lebih mudah disbanding Darcy - Weisbach.
3. Persamaan Hazen - Williams paling banyak digunakan untuk menghitung headlosses, tetapi biasa digunakan untuk semua fluida selai dari air dan digunakan hanya untuk aliran turbulen. B. Kerugian Minor Kerugian ini diakibatkan adanya perubahan dalam geometri aliran seperti katup, belokan, perubahan diameter pipa, sambungan saluran masuk dan keluar pipa. Dan kerugian minor dapat dihitung berdasarkan h m = K Dimana : V = Kecepatan rata-rata aliran fluida dala suatu pipa [m/s] g = gravitasi bumi [m/s 2 ] K = Koefisien minor loses 2.10. Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent Computational Fluid Dynamic (CFD) dapat dibagi menjadi dua kata, yaitu: a. Computational : Segala sesuatu yang berhubungan dengan matematika dan metode numerik atau komputasi. b. Fluid Dynamic : Dinamika dari segala sesuatu yang mengalir. Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau zat-zat yang mengalir. Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi n fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya denga menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Dan Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode elemen hingga dan Fluent juga menyediakan fleksibilitas mesh yang lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh (grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah. Penggunaan CFD umumya berhubungan dengan keempat hal berikut:
1. Studi konsep dari desain baru 2. Pengembangan produk secara detail 3. Analisis kegagalan atau troubleshooting 4. Desain ulang 2.10.1. Proses simulasi CFD Pada uumnya terdapat tiga thapan yang harus dilakukan ketika kita melakukan simulasi CFD, yaitu: a. Preprocessing Preprocessing merupakan langkah pertama dala membangun dan menganalisis sebuah model dalam paket CAD (Computer Aided Design), membuat mesh yang sesuai kemudian menerapkan kondisi batas dan sifat-sifat fluidanya. b. Solving Solvers (program inti pencari solusi) CFD menghitung kondisi-kondisi yang diterapkan pada saat preprocessing.
Gambar 2.14 Diagram Alir Algoritma Numerik volume hingga dengan metode SIMPLE Proses pemecahan matematika pada solver memiliki 3 tahapan yaitu: 1) aproksimasi aliran yang tidak diketahui dilakukan dengan menggunakan fungsi sederhana;
2) diskretisasi dengan mensubstitusi hasil aproksimasi ke dalam persamaan aliran disertai dengan manipulasi matematis; 3) penyelesaian persamaan aljabar. Pada proses solver, terdapat 3 persamaan atur aliran fluida yang menyatakan hukum kekekalan fisika, yaitu : 1) massa fluida kekal; 2) laju perubahan momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II Newton); 3) laju perubahan energi sama dengan resultansi laju panas yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel fluida (Hukum I Termodinamika). a. Kekekalan Massa 3 Dimensi steady state Keseimbangan massa untuk fluida dinyatakan sebagai berikut: Laju kenaikan massa dalam elemen fluida = Laju net aliran fluida massa ke dalam elemen batas ρv (ρ v + δy) δzδx y w ρw (ρ + δz) δy x z δ ρuδyδz ρwδyδx δx δy δz ρu (ρ u + δx) δyδz x ρ v δ x δ z Gambar 2.16 Elemen Fluida pada persamaan kekekalan massa
Atau dapat ditulis dalam bentuk matematika sebagai berikut: Persamaan diatas merupakan persamaan kontinuitas untuk fluida. Ruas kiri menggambarkan laju net massa keluar dari elemen melewati batas dan dinyatakan sebagai faktor konveksi. b. Persamaan Momentum 3 Dimensi Steady State Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Stokes dalam bentuk yang sesuai dengan metode finite volume sebagai berikut: τ (τ + δy) δx y yx δ yx z pδyδz τ zx (τ zx + δz) δxδy z σ xx (σ xx + δx) δyδz x σ δyδz xx τ δxδy zx δy fx p ( p + δ x)δyδz x δx τ δxδz yx δz Gambar 2.17 Elemen fluida pada persamaan momentum Momentum x : Momentum y :
Momentum z : c. Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang menyatakan bahwa : laju perubahan energi partikel fluida = laju penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematika dapat ditulis sebagai berikut : Untuk Gas ideal : c. Postprocessing Postprocessing adalah langkah akhir dalam analisis CFD. Hal yang dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar, kurva, dan animasi. 2.10.2. Metode Diskritisasi CFD CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar. CFD merupakan pendekatn dari persoalan yang asalnya kontinum (memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga). Perhitungan / komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-persamaan diferensial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi), diantaranya adalah: a. Metode beda hingga b. Metode elemen hingga c. Metode volume hingga d. Metode elemen batas e. Metode skema resolusi tinggi
2.10.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal Pada pompa sentrifugal, yang dapat dianalisa oleh CFD Fluent ini adalah airan fluidanya, dimana dengan CFD Fluent ini kita dapat mensimulasikan vektor - vektor kecepatan yang terjadi pada impeler dan rumah keong pompa tersebut. CFD Fluent juga dapat mensimulasikan distribusi tekanan yang terjadi dalam pompa tersebut. Hasil simulasi aliran fluida ini adaah gambaran aliran fluida nantinya yang terjadi di lapangan. Pada gambar 2.14 dan gambar 2.15 merupakan contoh hasil dari simulasi pompa sentrifugal dengan massa alir 0,5 kg/s dan tekanan pompa 0,5 atm. Gambar 2.15 Hasil simulasi untuk vektor-vektor kecepatan yang terjadi
Gambar 2.16 Hasil simulasi untuk distribusi tekanan yang terjadi