3 BAB II LANDASAN TEORI II.1. Tinjauan Pustaka II.1.1.Fluida Fluida dipergunakan untuk menyebut zat yang mudah berubah bentuk tergantung pada wadah yang ditempati. Termasuk di dalam definisi ini adalah cairan dan gas. Karena sifatnya yang mudah dialirkan daripada diangkut sering dinamakan zat alir dan disingkat zalir. Salah satu sifat fluida adalah rapat massa atau densitas. Rapat massa fluida dipengaruhi oleh suhu dan tekanan. Pada cairan, rapat massa dipengaruhi oleh suhu, tetapi hanya sedikit dipengaruhi oleh tekanan. Fluida dengan sifat ini disebut sebagai fluida inkompresibel. Pada gas-gas, rapat massa sangat dipengaruhi oleh suhu dan tekanan, dan disebut sebagai fluida kompresibel. Pada saat fluida mengalir melalui suatu saluran tertutup, ada dua tipe aliran yang mungkin terjadi yaitu aliran laminer dan aliran turbulen. Pada tipe aliran laminer, fluida mengalir secara pararel dan jejak partikel merupakan garis lurus. Ketika kecepatan aliran meningkat, pada kecepatan tertentu, partikel fluida tidak lagi bergerak membentuk jejak yang lurus, melainkan berkelak-kelok. Pada kondisi ini, tipe aliran disebut turbulen. Tipe aliran pada fluida yang mengalir di dalam pipa sirkuler dapat dilihat pada bilangan Reynolds yang diformulasikan dengan Dρu/μ. Jika nilai bilangan Reynolds lebih kecil dari 2100 maka tipe aliran adalah laminer. Jika nilai bilangan Reynolds lebih besar dari 4000 maka tipe aliran adalah turbulen. II.1.2. Pompa Pompa merupakan salah satu jenis mesin yang berfungsi untuk memindahkan zat cair dari suatu tempat ke tempat yang diinginkan. Zat cair tersebut contohnya adalah air, oli, minyak pelumas, atau fluida lainnya. Industri-
4 industri banyak menggunakan pompa sebagai salah satu peralatan bantu yang penting untuk proses produksi. Sebagai contoh pada pembangkit listrik tenaga uap, pompa digunakan untuk menyuplai air umpan ke boiler atau membantu sirkulasi air yang akan diuapkan di boiler. Pada industri, pompa banyak digunakan untuk mensirkulasi air atau minyak pelumas atau pendingin mesin-mesin industri. Pompa juga dipakai pada motor bakar yaitu sebagai pompa pelumas, bensin atau air pendingin. Jadi pompa sangat penting untuk kehidupan manusia secara langsung yang dipakai dirumah tangga atau tidak langsung seperti pada pemakaian pompa di industri. Pada pompa akan terjadi perubahan dari dari energi mekanik menjadi energi fluida. Pada mesin-mesin hidrolik termasuk pompa, energi fluida ini disebut head atau energi persatuan berat zat cair. Ada tiga bentuk head yang mengalami perubahan yaitu head tekan, kecepatan, dan potensial. Selain dapat memindahkan cairan, pompa juga dapat berfungsi untuk meningkatkan kecepatan, tekanan, dan ketinggian pompa. (Djati Nursuhud, 2006) Pompa juga memiliki komponen-komponen pendukung dalam proses produksi. Komponen-komponen tersebut antara lain: 1. Mesin penggerak, berupa: motor listrik, mesin diesel atau sistem udara. 2. Pipa atau pemipaan,digunakan untuk membawa fluida. 3. Kran, digunakan untuk mengendalikan aliran dalam sistem. 4. Sambungan, pengendalian dan instumentasi lainnya. 5. Peralatan pendukung, yang memiliki berbagai persyaratan. Misalnya: tekanan (manometer), kapasitas/ debit (flowmeter), dan susunan sistem pemompaan. Contoh: alat penukar panas atau heat exchanger, tangki penampungan fluida dan mesin hidrolik. II.1.3. Klasifikasi Pompa Pompa dapat diklasifikasikan dalam beberapa cara yang berbeda, misalnya berdasarkan kondisi kerjanya, cairan yang dilayani/ dipindahkan, bentuk elemen yang bergerak, jenis penggeraknya, serta berdasarkan cara menghantar fluida dari
5 pipa hisap ke pipa tekan. Namun secara umum pompa dapat diklasifikasikan sebagai berikut: Gambar II.1. Jenis-Jenis Pompa II.1.4. Pompa Dinamik Pompa dinamik juga dikarakteristikkan oleh cara pompa tersebut beroperasi: impeler yang berputar mengubah energi kinetik menjadi tekanan atau kecepatan yang diperlukan untuk memompa fluida, yang termasuk dalam jenis pompa ini adalah pompa sentrifugal. II.1.4.1. Pompa Sentrifugal Merupakan pompa yang sangat umum digunakan untuk pemompaan air dalam berbagai penggunaan industri. Biasanya lebih dari 75% pompa yang dipasang di sebuah industri adalah pompa sentrifugal. Pompa sentrifugal adalah salah satu peralatan sederhana yang sering digunakan pada berbagai proses dalam suatu pabrik. Pompa sentrifugal ini mempunyai tujuan untuk mengubah energi dari suatu pemindah utama (motor elektrik atau turbin) menjadi kecepatan atau energi kinetik dan kemudian menjadi energi tekanan dari suatu fluida yang dipompakan. Perubahan energi terjadi melalui sifat dari kedua bagian utama pompa yaitu impeller dan volute/ diffuser. Impeller adalah bagian yang berotasi (berputar) yang mengubah energi menjadi energi
6 kinetik. Volute dan diffuser adalah bagian yang stationer (tidak bergerak) yang mengubah dari energi kinetik menjadi energi tekanan. (Sularso, 1991) II.1.4.2. Karakteristik Pompa Sentrifugal Beberapa hal penting pada karakteristik pompa adalah: 1. Head (H) Head adalah energi angkat atau dapat digunakan sebagai perbandingan antara suatu energi pompa per satuan berat fluida. Pengukuran dilakukan dengan mengukur beda tekanan antara pipa hisap dengan pipa tekan, satuannya adalah meter. Head ada dalam tiga bentuk yang dapat saling berubah: Head potensial/head aktual Didasarkan pada ketinggian fluida di atas bidang datar. Jadi, suatu kolam air setinggi 2 meter mengandung jumlah energi yang disebabkan oleh posisinya dan dikatakan fluida tersebut mempunyai head sebesar 2 meter kolam air. Head kinetik/head kecepatan Adalah suatu ukuran energi kinetik yang dikandung satu satuan bobot fluida yang disebabkan oleh kecepatan dan dinyatakan oleh persamaan yang biasa dipakai untuk energi kinetik (V2/2g). Head tekanan Adalah energi yang dikandung oleh fluida akibat tekanannya dan persamaannya adalah p γ jika sebuah menometer terbuka dihubungkan dengan sudut tegak lurus aliran, maka fluida di dalam tabung akan naik sampai ketinggian yang sama dengan p γ. 2. Kapasitas/ debit (Q) Kapasitas/ debit adalah jumlah fluida yang dialirkan persatuan waktu. Setiap pompa dirancang pada kapasitas dan head tertentu, meskipun dapat juga dioperasikan pada kapasitas dan head yang lain. Dalam menganalisis aliran fluida diterapkan prinsip neraca massa dan neraca energi. Pada kondisi aliran ajeg (steady), berlaku persamaan kontinuitas:
7 m1 = m2... (1) sehingga: 1u1A1 2u 2A2.. (2) Pada dua titik dalam pipa di mana fluida mengalir, dapat dituliskan persamaan Bernoulli: z 1 2 2 u1 P1 g u2 P2 Ws F z2.. (3) c gc 1 gc gc 2 g g Ws adalah energi diberikan pompa untuk melawan gesekan fluida dengan dinding pipa dan lain sebagainya. Besarnya energi pompa dapat dihitung dengan beberapa penyederhanaan. Ws = P P 1 2.. (4) 1 2 Pada pompa sentrifugal dianggap tidak terdapat rugi gesekan, densitasnya tetap selama aliran, dengan mengukur tekanan fluida pada arus atas dan arus bawah (sebelum dan sesudah pompa), maka: P Ws.. (5) g P h( Hg fluida ).. (6) g c Apabila nilai tekanan dinyatakan dalam ketinggian fluida maka disebut julang (head) fluida serta pada saat yang sama diukur debitnya, maka dengan mengubah-ubah umpan yang masuk pompa didapat data hubungan debit dengan head, sebagai karakteristik pompa. Dengan melaksanakan praktikum ini, praktikan akan memahami bagaimana pompa sentrifugal bekerja, bagaimana cara menilai performa pompa, dan bagaimana susunan pompa yang cocok untuk keperluan tertentu.
8 II.1.5. Operasi Pompa Tunggal, Pararel dan Seri dengan pompa yang 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 pararel. 1. Susunan Tunggal Pompa yang digunakan hanya satu pompa karena head dan kapasitas yang diperlukan sudah terpenuhi. Gambar II.2. Susunan Tunggal 2. Susunan Pararel Susunan pararel dapat digunakan bila diperlukan kapasitas yang besar yang tidak dapat di-handle oleh satu pompa saja, atau bila diperlukan pompa cadangan yang akan dipergunakan bila pompa utama rusak atau diperbaiki. Gambar II.3. Susunan Pararel
9 3. Susunan Seri Bila head yang diperlukan besar dan tidak dapat dilayani oleh satu pompa maka dapat digunakan lebih dari satu pompa yang disusun secara seri. Gambar II.4. Susunan Seri II.1.6. Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal Karakteristik pompa yang disusun seri/pararel dapat dilihat pada gambar berikut ini: Gambar II.5. Operasi Tunggal, Seri dan Pararel dari pompa pompa dengan karakteristik yang sama Gambar II.5. menunjukan kurva head-kapasitas dari pompa-pompa yang mempunyai karakteristik yang sama yang di pasang secara tunggal, seri, maupun pararel. Dalam gambar ini kurva untuk pompa tunggal diberi tanda (1) dan untuk
10 susunan seri yang terdiri dari dua buah pompa diberi tanda (2). Harga head kurva (2) diperoleh dari harga head kurva (1) dikalikan (2) untuk kapasitas (Q) yang sama. Kurva untuk susunan pararel yang terdiri dari dua buah pompa, diberi tanda (3). Harga kapasitas (Q) kurva (3) ini diperoleh dari harga kapasitas pada kurva (1) dikalikan (2) untuk head yang sama. Dalam gambar ditunjukkan tiga buah kurva head-kapasitas sistem, yaitu R1, R2, dan R3. Kurva R3 menujukkan tahanan yang lebih tinggi dibanding dengan R2 dan R1. Jika sistem mempunyai kurva headkapasitas R3, maka titik kerja pompa 1 akan terletak di (D). Jika pompa ini disusun seri sehingga menghasilkan kurva (2) 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 R1 maka titik kerja pompa (1) akan terletak di (A). Jika pompa ini disusun pararel sehingga menghasilkan kurva (3) maka titik kerjanya akan berpindah ke (B). Disini terlihat bahwa kapasitas dititik (B) tidak sama dengan dua kali lipat kapasitas di titik (A), karena ada perubahan (kenaikan) head sistem. Jika sistem mempunyai kurva karakteristik seperti R2 maka laju aliran akan sama untuk susunan seri maupun pararel. Namun jika karakteristik sistem adalah seperti R1 dan R3 maka akan diperlukan pompa dalam susunan pararel atau seri. Susunan pararel 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. II.2. Kerangka Pemikiran Pompa sentrifugal merupakan salah satu peralatan sederhana yang sering digunakan pada berbagai proses dalam suatu pabrik. Pompa sentrifugal ini mempunyai tujuan untuk mengubah energi dari suatu pemindah utama (motor elektrik atau turbin) menjadi kecepatan atau energi kinetik dan kemudian menjadi energi tekanan dari suatu fluida yang dipompakan. Dalam penelitian ini akan diujikan seberapa besar debit dan head yang dihasilkan pada rangkaian pompa seri,
11 pararel, dan tunggal. Diharapkan nantinya pada percobaan akan didapatkan hasil dari debit dan head sehingga didapatkan susunan pompa yang cocok untuk keperluan tertentu sehingga dapat dilakukan pemilihan penggunaan rangkaian pompa tunggal, pompa seri, ataupun pompa pararel.