BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Klasifikasi pompa secara umum dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump). Salah satu jenis pompa kerja dinamis adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetik (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pada Instalasi Pengolahan Air (IPA),sebagian besar pompa yang digunakan ialah pompa bertipe sentrifugal. Gaya sentrifugal ialah sebuah gaya yang timbul akibat adanya gerakan sebuah benda atau partikel melalui lintasan lengkung (melingkar). Pompa sentrifugal merupakan pompa kerja dinamis yang paling banyak digunakan karena mempunyai bentuk yang sederhana dan harga yang relatif murah. Keuntungan pompa sentrifugal dibandingkan jenis pompa perpindahan positif adalah gerakan impeler yang kontinyu menyebabkan aliran tunak dan tidak berpulsa,keandalan operasi tinggi disebabkan gerakan elemen yang sederhana dan tidak adanya katupkatup,kemampuan untuk beroperasi pada putaran tinggi, yang dapat dikopel dengan motor listrik, motor bakar atau turbin uap ukuran kecil sehingga hanya membutuhkan ruang yang kecil, lebih ringan dan biaya instalasi ringan,harga murah dan biaya perawatan murah. 2.1 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. 2.2 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 2.1. 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) 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 ) : Atau persamaan untuk mencari head pompa digunakan hukum Bernoulli yaitu + + Z 1 + H p = + + Z 2 + H L Maka : H P = + + Z 2 - Z 1 + H L 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 ). 2.3 Putaran spesifik H L = h f + h m
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 = n Q 3 4 H t n s = putaran spesifik [rpm] n = putaran pompa [rpm] Q = kapasitas pompa [gpm] H p = head pompa [ft] 2.4 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 = 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 2.5 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 masing-masing 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 V = Kecepatan rata-rata aliran fluida dala suatu pipa [m/s] g = gravitasi bumi [m/s 2 ] K = Koefisien minor loses
2.6 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 2.6.1 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. 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.
2.6.2 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 Fluen sendiri menggunakan metode volume hingga