REKAYASA INSTALASI POMPA UNTUK MENURUNKAN HEAD LOSS Edi Widodo 1,*, Indah Sulistiyowati 2 1,2, Program Studi Teknik Mesin, Universitas Muhammadiyah Sidoarjo, Jl. Raya Gelam No. 250 Candi Sidoarjo Jawa Timur Indonesia * ediwidodo@umsida.ac.id Abstrak Kebutuhan pompa sangat luas dalam dunia industri dan rumah tangga. Dengan banyak jenis pompa yang beredar di pasaran penggunaan pompa disesuaikan dengan kebutuhan. Dengan luasnya penggunaan pompa dibutuhkan uji untuk mengetahui performa dari pompa. Pompa sentrifugal salah satu jenis pompa yang banyak dipakai dalam industri. Pompa sentrifugal merupakan salah satu jenis pompa pemindah fluida, dengan prinsip kerja mengubah energi kinetik (kecepatan ) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pada umumnya pompa dinilai memiliki kualitas yang bagus jika dinilai memiliki daya dorong yang kuat. Dalam istilah yang lebih umum disebut sebagai head pompa. Semakin tinggi head maka semakin baik kualitas dari pompa. Masyarakat awam menilai pompa yang baik jika memiliki daya hisap yang dalam dan memliki daya angkat/dorong yang tinggi. Melihat dari penilaian yang umum dipahami oleh masyarakat, diperlukan rekayasa untuk menaikkan daya angkat pompa dan kekuatan isapnya. Penurunan daya angkat pada pompa sering disebut head looss. Arti fisik dari head loss adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida. Satuan head loss adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satuan panjang yang bersesuaian. Head loss terjadi dengan adanya belokan pada pipa. Dengan semakin banyak belokan maka head loss yang terjadi semakin besar. Dengan penambahan tube flow conditioner head loss yang timbul dikurangi dengan mempertahankan tekanan dan menurunkan kecepatan aliran. Kata kunci : head loss, performansi pompa,rekayasa 1. PENDAHULUAN Pemanfaatan pompa sangat luas dalam menunjang proses-proses produksi mulai dari industri besar sampai tingkat rumahan.jenis pompa yang beredar di pasaran memiliki varian yang beragam, penggunaan pompa pun disesuaikan dengan kebutuhan. Bahkan bisa dikatakan kehadiran pompa tidak dapat dipisahkan dalam kehidupan industri. Dengan luasnya penggunaan pompa dibutuhkan uji untuk mengetahui performa dari pompa. Pompa sentrifugal salah satu jenis pompa yang paling banyak dipakai dalam rumah tangga. Pompa sentrifugal merupakan salah satu jenis pompa pemindah fluida, dengan prinsip kerja mengubah energi kinetik (kecepatan ) cairan menjadi energy potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing.pada umumnya pompa dinilai memiliki kualitas yang bagus jika memiliki daya dorong yang kuat dan daya hisap yang dalam. Dalam istilah yang lebih umum daya dorong pompa disebut sebagai head pompa. Semakin tinggi head menunjukkan tingginya daya yang dihasilkan pompa. Melihat dari penilaian yang umum dipahami oleh masyarakat, diperlukan rekayasa untuk menaikkan daya angkat pompa dan kekuatan isapnya. Penurunan daya angkat pada pompa sering disebut head looss. Arti fisik dari head loss adalah kehilangan energi mekanik persatuan massa fluida. Satuan head loss adalah satuan panjang yang setara dengan satu satuan energi yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan massa fluida setinggi satu satuan panjang yang bersesuaian. Perhitungan head loss didasarkan pada hasil percobaan dan analisa dimensi. Head loss terjadi dengan adanya belokan pada pipa. Dengan semakin banyak belokan maka head loss yang terjadi semakin besar. Untuk mendapatkan performa yang baik pompa diperlukan rekayasa dalam mengurangi besar head loss pada pompa sehingga didapat daya dorong yang kuat. Berdasarkan latar belakang di atas diperoleh rumusan masalah sebagai berikut: 1. Bagaimana merancang suatu alat uji performansi pompa yang dapat memberikan out put akurat dari daya yang dihasilkan 2. Bagaimana merancang instalasi yang memiliki efisiensi tinggi, untuk menekan adanya head loss pada pompa. 2. TUJUAN PENELITIAN
Adapun tujuan penelitian ini sebagai berikut: 1. Mendapatkan rancangan alat uji performansi yang akurat dalam menentukan performansi dari pompa 2. Mendapatkan metode baru yang lebih efektif dalam mengadakan pengujian performa pompa 3. Mendapatkan model instalasi yang baik dalam menurunkan terjadinya head loss pada pompa. 3. METODE PENELITIAN Metode eksperimental diaplikasikan untuk menentukan instalasi yang optimal dalam menurunkan head loss pompa. Rancangan instalasi pompa sebagai berikut: Gambar 1. Instalasi pompa Komponen instalasi meliputi : 1. Reservoir 2. Emergency overflow 3. 5 buah katub 4. 4 buah manometer 5. 2 buah pompa sentrifugal dan peralatan pendukung 4. TAHAPAN PENELITIAN Penelitian dilakukan sebagai berikut: a. Pengujian head losses pada belokan pipa 180 0 tanpa pipa uji Pada pengujian ini tahapan yang dilakukan adalah sebagai berikut 1. Tahap Persiapan Pengambilan Data. Persiapan meliputi uji kelayakan dan uji teknis dari setiap alat yang akan digunakan. Meliputi uji ketepatan instalasi dengan desain rancangan penelitian, dan visibilitas peralatan 2. Tahap pengambilan data. Untuk Pengambilan data dilakukan pengaturan kesamaankecepatan aliran input dan out put, menghitung kecepatan fluida, mencatat kecepatan aliran air dan mencatat tekanan input dan output.
b. Pengujian head losses pada belokan pipa 180odengan pipa uji ukuran 0,25 inchi 1. Tahap persiapan dan pengambilan data. Menyiapkan belokan pipa 180 0 yang dipasang menggunakan pipa ujidengan ukuran 0,25 inchi kemudian dilakukan percobaan atau pengecekan terlebih alat uji. 2. Tahap pengambilan data. Pengambilan data dilakukan dengan mengkondisikan alat uji sesuai dengan kondisi tahap pengambilan data sebelumnya. c. Pengujian head loss pada belokan pipa 1800dengan pipa uji ukuran 0,5 inch 1. Tahap persiapan pengambilan data Pipa 180 0 dipasang menggunakan pipa uji dengan ukuran 0,25 inch 2. Tahap Pengambilan data Setelah semua peralatan tersusun dan siap dioperasikan dilakukan pengambilan data. 5. HASIL DAN PEMBAHASAN Proses aliran fluida dalam pipa dihitung kecepatan aliran, debit dan laju aliran massa. Pipa berdiameter 0,75 inch dan 1 inch digunakan untuk mendapatkan data pressure drop, dengan memanfaatkan hasil pengambilan data kecepatan aliran, debit dan laju aliran massa. Aliran air di dalam pipa menyebabkan penurunan tekanan pada sisi keluar pipa. Perbedaan tekanan air yang masuk pipa dan keluar pipa disebabkan oleh hambatan aliran, misalnya kekasaran permukaan dalam pipa, gesekan air dengan permukaan pipa, panjang pipa, diameter pipa dan kecepatan aliran. Untuk menghitung perbedaan tekanan antara sisi masuk pipa dan sisi keluar pipa sering kali menggunakan rumus Bernoulli : (1) Tekanan pada sisi masuk pipa disimbolkan PA dan tekanan sisi luar disimbokan dengan PB. Penurunan tekanan terjadi karena : Untuk aliran dalam pipa berdiameter seragam dan tidak dapat perbedaan ketinggian: Dalam kondisi ini, diameter pipa seragam menyebabkan kecepatan aliran masuk dan keluar pipa sama sehingga persamaan VA = VB. Dalam kasus ini tidak terdapat beda ketinggian antara sisi masuk dan sisi keluar maka ZA = ZB. maka persamaan beda tekanan sebagai berikut: (2) : Untuk aliran dalam pipa berdiameter seragam dan memiliki perbedaan ketinggian maka persamaan Persamaan diatas diperoleh karena kecepatan aliran di dalam pipa dianggap konstan VA = VB, serta terdapat perbedaan ketinggian z1 dan z2, sehingga didapat. Untuk menghitung kecepatan aliran volume digunakan rumus sebagai berikut: (3)
(4) Dengan persamaan ini, menyatakan debit air yang mengalir di dalam pipa tergantung pada kecepatan aliran (V) dan diameter dalam pipa (d). Bilangan reynolds (Re) Bilangan reynolds merupakan ukuan untuk menyatakan apakah modus aliran berupa aliran laminer atau turbulen. Bilangan Reinolds dinyatakn dalam rumus: 1. Faktor gesekan Faktor gesekan dicari dengan diagram Moody atau dihitung dengan menggunakan rumus Colebrook ( jika aliran yang terbentuk aliran turbulen): (6) (7) Tekanan keluar pipa (p B ), satuan kpa. Persamaan keluar pipa didapat dengan penurunan persamaan Bernoulli : Beda tekanan (pressure loss, p ), satuan kpa Persamaan beda tekanan : p = P A - P B (9) 2. Debit, satuan liter/detik Persamaan debit: (8) Q = V. (10) 3. Laju aliran massa, satuan kg/detik M = ρq (11) Penelitian yang telah dilakukan untuk mengetahui besarnya head pompa adalah dengan menambahkan tube bundle setelah belokan 180 0 dan 90 0. Penambahan tube bundle ini memberikan penurunan head losses yang signifikan. Head loses terjadi diakibatkan pergesekan air/fluida dengan dinding pipa. adanya belokan menyebabkan head loses yang terjadi semakin besar, disebabkan gesekan fluida dengan dinding pipa menjadi meningkat. Dengan penambahan tube bundle setelah belokan, dapat diketahui bahwa tube bundle memberikan pengurangan head loses yang terjadi. Pengukuran tekanan dilakukan untuk mendapatkan nilai penurunan yang terjadi. Penurunan tekanan drastis terjadi pada belokan pipa. Terjadi turbulensi dan kenaikan kecepatan fluida yang menyebabkan penurunan tekanan. Turbulensi akibat belokan membuat kecepatan fluida
menjadi naik tidak beraturan dan menurunkan tekanan. Untuk menaikkan tekanan kembali dipasang tube bundle. Tube bundle berfungsi dalam mengurangi turbulensi fluida, mengubah aliran menjadi lebih teratur, dan cenderung menjadi aliran laminer. Kehilangan tekanan akibat belokan distabilkan dengan laminarisasi tube bundle. Kenaikan tekanan fluida diikuti penurunan kecepatan aliran. Sesuai dengan hukum Bernoulli, tekanan aliran fluida yang makin tinggi maka nilai kecepatan menjadi turun. Demikian sebaliknya. Kecepatan fluida memberikan pengaruh head loses yang besar. Berdasarkan pengambilan data kecepatan fluida, head loses semakin mencolok dengan adanya penambahan kecepatan aliran. Tube bundle memiliki karakteristik yang baik jika dipasang pada aliran turbulensi. Aliran ini akan ditranformasi menjadi lebih stabil menjadi aliran laminer, gesekan fluida dengan dinding berkurang dengan perubahan jenis alirannya. Tumbukan fluida dengan dinding menjadi berkurang. Dengan aliran laminer ini, head loses yang terjadi menjadi lebih rendah. Namun jika dipasang pada aliran laminer, tube bundle memberi pengaruh yang buruk. Fluida yang mengalir akan melewati bidang permukaan pipa yang lebih luas, memperbesar gesekan yang terjadi, dan akan menambah besarnya headloss karena kerugian gesekan pipa. Pemasangan tube bundle dalam pipa beraliran fluida akan menurunkan kecepatan aliran dan menambah nilai head loses. Jika dipasang pada aliran turbulen tube bundle efektif dalam mengurangi besarnya head losses yang timbul. Hal ini tube bundle berfungsi menghilangkan turbulensi, mengurangi gesekan fluida dengan dinding, menstabilkan kecepatan dan tekanan fluida yang mengalir. Gambar 2. Penampang tube bundle Penambahan tube bundle dalam instalasi. Untuk menganalisa head loss, dipergunakan tuble bundle. Tube ini bekerja menstabilkan aliran turbulen menjadi laminer. Dengan variasi ukuran tube bundle, head loss dapat dikurangi sampai angka optimal. Tube bundle berfungsi sebagai flow conditioner. Dengan alat ini gangguan yang terjadi pada aliran instalasi perpipaan dapat dikurangi. Aliran-aliran turbulen diminimalisir sehingga dihasilkan aliran yang dihasilkan memiliki tekanan yang konstan. Gangguan-gangguan belokan, katup, perubahan luas penampang dan orifice, dan gangguan lain dapat dilakukan dengan menghilangkan vortex.
Gambar 3. Grafik tekanan fluida dengan penambahan tube bundle 0.25 inch pada pipa 1.5 inc Nilai tekanan tanpa pemasangan tube bundle pada titik 1 adalah 16540 N/m2 dan kecepatannya memiliki nilai 0,5 m/s. Untuk tekanan dengan pemasangan tube bundle ukuran 0,25 inchi yang diletakkan sebelum belokan 180 o pada titik 1 adalah 17598 N/m2 dan kecepatannya memiliki nilai 0,3 m/s. Sedangkan nilai tekanan dengan pemasangan tube bundle ukuran 0,25 inchi yang diletakkan setelah belokan 180 o pada titik 1 adalah 15732 N/m2 dan kecepatannya memiliki nilai 0,4 m/s. Untuk nilai tekanan tanpa pemasangan tube bundle pada titik 2 sampai dengan 5 memiliki karakter sebagaimana grafik pada gambar 3. Tekanan pada tiap titik mengalami penurunan diakibatkan adanya head loss yang terjadi sepanjang pipa.. Dari grafik 3 terjadi penurunan tekanan drastis pada titik 2 ke titik 3. Hal ini dikarenakan terjadinya turbulensi aliran akibat belokan sehingga kecepatan meningkat. Sedangkan dengan pemasangan tube bundle penurunan tekanan yang drastis terjadi pada titik 3 ke titik 4. Hal tersebut dikarenakan terjadinya turbulensi aliran yang terjadi sebelum tube bundle. Meskipun demikian terjadi kenaikan tekanan pada aliran dengan pemasangan tube bundle yang ditandai bergesernya grafik ke arah kanan atas dari grafik aliran fluida tanpa pemasangan tube bundle. Hal ini membuktikan bahwa dengan penambahan alat ini dapat mengurangi kehilangan tekanan yang diakibatkan adanya belokan. Dari ketiga karakteristik tekanan fluida, pipa dengan tube bundle yang dipasang menunjukkan bahwa tekanan fluida masih dapat dipertahankan dibandingkan pipa tanpa penambahan tube bundle. Hal ini memberikan nilai head loss yang lebih rendah dibandingkan pipa dengan tekanan yang lebih rendah (tanpa penambahan tube bundle). Head loss dapat dikurangi dengan pengkondisian aliran yang timbul. Aliran turbulen setelah belokan dinetralisir dengan pipa searah homogen, yang memaksa turbulensi melewati pipa linier/pipa lurus. Pengkondisian ini memberikan dampak partikel-partikel fluida terkumpul dalam satu pipa dan mengurangi tumbukan antar partikel. Arah aliran menjadi linear sesuai dengan dinding pipa. setelah fluida melewati pipa-pipa penyearah dalam tube bundle ini, aliran akan menjadi laminer dan kecepatan akan berkurang sedangkan penurunan tekanan tidak terlalu besar. Gambar 4. Pengaruh perbandingan kecepatan terhadap head losses dengan pemasangan tube bundle 0.25 inchi
Kesimpulan Kesimpulan dari penelitian ini adalah penambahan tube bundle mampu menurunkan kecepatan fluida dan penurunan nilai head loss. Tekanan fluida dapat dipertahankan serta dampak dari belokan pipa dapat dikurangi. Disamping itu nilai penurunan head loss yang tinggi pada pemasangan tubebundle yang dekat dengan belokan pipa. Semakin jauh head loss yang terjadi menjadi besar. Tekanan fluida berbanding balik dengan kecepatan aliran Referensi Ari Wibowo, Priyo. Analisis Penurunan Head Losses pada Belokan Pipa 180 0 dengan Variasi Non Tube Bundle, Tube Bundle 0,25 inchi dan Tube Bundle 0,5 inchi. Skripsi. Universitas Jember. 2013 Hazen-Williams Coefficients, Engineering ToolBox, retrieved 7 October 2012 Nugraha, Adiputra, Rudy Soenoko, Djoko Sutikno. Perancangan pompa sentrifugal 5 tingkat untuk air umpan boiler di PT. Badak NGL. Jurnal Skripsi. Universitas Brawijaya Malang. 2014. Pratikto, Slamet Wahyudi. Penurunan Kerugian Head pada Belokan Pipa dengan PeletakanTube Bundle. Jurnal teknik mesin vol. 12. No. 1, april 2010 : 51-57 Prabowo, Agung. Instrumentasi Untuk Pengukuran Kinerja Pompa Irigasi. Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian, Bogor. Shu San, Gan, Gunawan Santoso. Studi Karakteristik Volume Tabung Udara dan Beban Katup Limbah terhadap Efisiensi Pompa Hydraulic Ram. Jurnal Teknik Mesin Vol. 4, No. 2, Oktober 2002: 81 87 Tukiman, Puji Santoso, Ari Satmoko. Perhitungan dan Pemilihan Pompa pada Instalasi Pengolahan Air Bebas Mineral Iradiator Gamma Kapasitas 200 KCi. Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat Nuklir. PRPN-BATAN, 2013 Yurianto. Karakteristik Pompa Sentrifugal dengan Sudu Impeller Streamline. Jurnal Teknik Mesin Universitas Diponegoro Semarang - Rotasi, volume 3 nomor 2 April 2001.