BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mesin Fluida Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi mekanis poros menjadi energi potensial fluida, atau sebaliknya mengubah energi fluida (energi potensial dan energi kinetik) menjadi energi mekanis poros. Dalam hal ini fluida yang dimaksud adalah berupa cair, gas dan uap. Sesuai dengan pengertian diatas, maka berdasarkan fungsinya mesin fluida dapat dibedakan atas dua golongan, yaitu: 1. Mesin tenaga, yaitu mesin fluida yang berfungsi mengubah energi (energi potensial atau energi kinetik) menjadi energi mekanis poros. Mesin yang termasuk golongan ini adalah: turbin, kincir air dan kincir angin. 2. Mesin kerja, yaitu mesin fluida yang berfungsi mengubah energi mekanis poros menjadi energi fluida (energi potensial atau energi kinetik). Mesin yang termasuk golongan ini adalah: pompa, kompresor dan blower. 2.2 Pompa Pompa adalah salah satu mesin fluida yang termasuk dalam golongan mesin kerja. Pompa berfungsi untuk mengalirkan fluida dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi atau dari tempat yang bertekanan rendah ke tempat yang bertekanan lebih tinggi. Disamping itu juga pompa digunakan untuk memindahkan fluida dari tempat yang lebih tinggi ke tempat yang lebih rendah, misalnya pada sistem pemipaan yang panjang dan berkelok-kelok.
2.3 Klasifikasi Pompa Pompa dapat diklasifikasikan secara umum berdasarkan pemberian energi pada fluida kerjanya, yaitu: 1. Pompa Tekanan Statis (Positive Displacement Pump) 2. Pompa Tekanan Dinamis (Dynamic Pressure Pump) 2.3.1 Pompa Tekanan Statis (Positive Displacement Pump) Pompa jenis ini bekerja dengan prinsip memberikan tekanan secara periodik pada fluida yang terkurung dalam rumah pompa sehingga tekanan statisnya naik. Pompa jenis ini umumnya digunakan untuk kapasitas kecil dan head yang tinggi. Pompa yang termasuk jenis ini adalah: Pompa Putar (Rotary Pump) Pada pompa putar, fluida masuk melalui sisi isap, kemudian dikurung antara ruangan rotor dan rumah pompa, selanjutnya didorong keruang tekan dengan gerak putar dari rotor sehingga tekanan statisnya naik dan fluida akan dikeluarkan melalui sisi tekan. Contoh pompa jenis ini adalah: gear pump, srew pump dan vane pump. Gambar 2.1 Screw Pump
Gambar 2.2 Gear Pump Gambar 2.3 Vane Pump Pompa Torak (Reciprocating Pump) Pompa torak mempunyai bagian utama berupa torak yang bergerak bolak- balik didalam 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 pompa tipe ini adalah: pompa diafragma dan pompa plunyer.
Gambar 2.4 Torak Pump 2.3.2 Pompa Tekanan Dinamis (Dynamic Pressure Pump) Pompa tekanan dinamis disebut juga rotodynamic pump, turbo pump atau interpeler pump. Pompa ini memiliki ciri-ciri sebagai berikut: Mempunyai bagian utama merupa sudu dengan kurungan sudu disekeliling poros putar. Melalui sudu-sudu, fluida mengalir secara kontinue, dimana fluida berada diantara sudusudu tersebut. 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 memiliki energi kinetik. Kecepatan keluar fluida ini selanjutnya akan berkurang dan energi kinetik akan berubah menjadi energi tekanan di sudu-sudu pengarah atau di dalam rumah pompa. Berdasarkan arah aliran fluida, maka impeler dapat dibedakan atas: Impeler Jenis Radial
Arah aliran fluida masuk impeler sejajar dengan poros pompa dan keluar dari impeler dengan arah radial. Head yang dihasilkan dapat mencapai di atas 50 meter kolom air dengan putaran 500-1500 rpm. Perbandingan diameter buang (discharge) dengan diameter mata sisi masuk (inlet eye diameter) adalah sekitar 2 dan secara praktis dipakai pada mesin-mesin yang bertingkat banyak. Gambar 2.5 Impeler Jenis Radial Impeler Jenis Francis Pada impeler ini, arah aliran fluida sama dengan aliran pada jenis radial hanya head yang dihasilkan lebih kecil tetapi kapasitas lebih besar. Kecepatan putar spesifiknya berkisar 1500-4500 rpm. Sudut sisi masuk harus berkurang sesuai dengan jari-jarinya (kecepatan keluar impeler) untuk menjamin masuknya fluida dengan mulus, sehingga bentuknya seperti turbin francis. Jenis impeler ini dapat juga dipakai untuk impeler isapan ganda. Gambar 2.6 Impeler Jenis Francis
Impeler Jenis Aliran Campuran Arah aliran fluida impeler sejajar dengan poros pompa dan keluar dari impeler dengan arah radial dan aksial. Bila dibandingkan dengan jenis impeler francis, head yang dihasilkan lebih rendah dengan putaran spesifik yang lebih besar sekitar 4500-8000 rpm. Diameter buang rata-rata besarnya sama dengan diameter sisi masuk, walaupun dapat juga lebih kecil. Impeler dibuat berbentuk sekrup. Gambar 2.7 Impeler Jenis Aliran Campuran Impeler Jenis Aksial Jenis impeler ini memiliki aliran fluida masuk dan keluar dengan arah aksial. Gaya sentrifugal yang bekerja tidak ada sehingga semua head yang ditimbulkan adalah akibat dari tekanan sudu-sudu. Impeler jenis ini digunakan untuk head yang rendah (3-40) ft dengan kapasitas aliran yang besar. Impeler jenis aksial ini mempunyai putaran spesifik yang tinggi yaitu diatas 8000 rpm. Gambar 2.8 Impeler Jenis Aksial
Pompa tekanan dinamis dapat dibedakan berdasarkan berbagai kategori, yaitu: A. Berdasarkan bentuk rumah. 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. Gambar 2.9 Pompa Volut 2. Pompa Difuser Konstruksi pompa ini dilengkapi dengan sudu pengarah (diffuser) disekeliling saluran keluar impeler. Pemakaian diffuser ini akan memperbaiki efisiensi pompa. Diffuser ini sering digunakan pada pompa bertingkat banyak dengan head yang tinggi.
Gambar 2.10 Pompa Difuser 3. Pompa Vorteks Pompa ini mempunyai aliran campur dan sebuah rumah volut. Pompa ini tidak menggunakan diffuser, namun memakai saluran yang lebar. Dengan demikian pompa ini tidak mudah tersumbat dan cocok untuk pemakaian pada pengolahan cairan limbah. Gambar 2.11 Pompa Vorteks B. Berdasarkan jumlah tingkat. 1. Pompa satu tingkat Pompa ini hanya mempunyai sebuah impeler. Pada umumnya head yang dihasilkan pompa ini impeller rendah, namun konstruksinya sederhana. 2. Pompa bertingkat banyak Pompa ini menggunakan lebih dari satu impeler yang dipasang secara berderet pada satu poros. Zat cair yang keluar dari impeller 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.
Gambar 2.12 Pompa Bertingkat Banyak C. Berdasarkan jenis impeler. 1. Pompa Sentrifugal Pompa ini menggunakan impeler jenis radial atau francis. Aliran zat cair yang keluar dari impeler akan melalui bidang tegak lurus poros pompa. Impeler dipasang pada satu ujung poros dan pada ujung lainnya dipasang kopling sebagai penggerak poros pompa. Gambar 2.13 Pompa Sentrifugal
2. Pompa aliran campur. Pompa ini menggunakan jenis aliran campur (mix flow). Aliran akan keluar dari impeler sesuai dengan arah bentuk permukaan kerucut rumah pompa. Gambar 2.14 Pompa Aliran Campuran 3. Pompa aliran aksial. Pompa ini menggunakan impeler jenis aksial dan zat cair yang meninggalkan impeler akan bergerak sepanjang permukaan silinder rumah pompa ke arah luar. Konstruksinya mirip dengan pompa aliran campur, kecuali bentuk impeler dan difusernya. Gambar 2.15 Pompa Aliran Aksial D. Berdasarkan letak poros 1. Pompa poros mendatar. Pompa ini mempunyai poros dengan posisi horizontal (Gambar 2.9 s/d 2.15). Pompa jenis ini memerlukan tempat yang relatif lebih luas. 2. Pompa jenis poros tegak
Poros pompa ini berada pada posisi vertikal. Poros ini dipegang di beberapa tempat sepanjang pipa kolom utama bantalan. Pompa ini memerlukan tempat yang relatife kecil dibandingkan dengan poros mendatar. Penggerak pompa umumnya diletakkan diatas pompa. Gambar 2.16 Pompa Aliran Campur Poros Tegak dan pompa isapan ganda E. Berdasarkan belahan rumah 1. Pompa belahan mendatar. Pompa ini mempunyai belahan rumah yang dapat 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. 2. Pompa belahan radial. Rumah pompa ini terbelah oleh sebuah bidang tegak lurus poros. Belahan rumah pompa seperti ini sering digunakan pada pompa kecil dan umumnya untuk pompa pompa dengan poros tegak.
F. Berdasarkan sisi masuk impeler 1. Pompa isapan tunggal Pada pompa ini fluida masuk dari sisi impeler. Konstruksinya sangat sederhana, sehingga sangat sering dipakai untuk kapasitas yang relatif kecil. Adapun bentuk konstruksinya terlihat pada gambar 2.9 s/d 2.16. 2. Pompa Isapan ganda Pompa ini memasukkan fluida melalui dua sisi isap impeler. 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 itu banyak dipakai untuk kebutuhan dengan kapasitas yang besar. 2.3.3 Pompa-pompa Jenis Khusus Pompa dengan Motor Benam (Submersible Motor) Pompa biasanya digunakan untuk memompa fluida dari sumur yang sangat dalam. Pompa dan motor penggeraknya merupakan satu kesatuan dan keduanya dipasang terbenam dibawah permukaan fluida. Pompa Kriogenik Pompa jenis ini mempunyai konstruksi dimana penggeraknya merupakan satu unit dengan pompa. Pompa jenis ini digunakan untuk melayani pemompaan yang mengharuskan tidak terjadinya kebocoran yaitu pada fluida-fluida hasil proses pendinginan kriogenik. Pompa memancing sendiri (Self Priming Pump) Tidak seperti pompa yang lainnya, pompa ini beroperasi tanpa perlu dipancing terlebih dahulu. Pompa ini biasanya berukuran kecil dan digunakan untuk keperluan darurat atau tidak terus menerus.
Pompa Pasir Pompa ini digunakan untuk memindahkan zat cair yang mengandung pasir atau butiran zat padat dalam ukuran besar. Pompa ini mempunyai impeler terbuka dengan jumlah sudu sedikit untuk mencegah terjadinya sumbatan pasir pada celahnya. 2.4 Dasar Perencanaan Pompa Dalam merencanakan sebuah pompa sebagai peralatan untuk memindahkan fluida dari satu tempat ke tempat yang lain dengan head (tinggi tekan) tertentu, diperlukan beberapa syarat utama, antara lain: 1. Kapasitas Kapasitas pompa adalah jumlah fluida yang dialirkan oleh pompa tersebut persatuan waktu. Kapasitas pompa tergantung kepada kebutuhan yang harus dipenuhi dengan fungsi pompa yang direncanakan. 2. Head Pompa Head Pompa adalah besarnya energi yang dibutuhkan oleh pompa untuk dapat menaikkan/memindahkan fluida dari keadaan awal ke keadaan baru. Head pompa dinyatakan dalam satuan tinggi kolom air (dalam meter). 3. Sifat Zat Cair Pengertian sifat zat cair disini adalah sifat dari zat cair yang meliputi tekanan, temperatur, viskositas, massa jenis dan kandungan zat padat. 4. Kondisi Kerja Pada perencanaan pompa harus dipertimbangkan jumlah operasi pompa (dalam jam) yang dihitung pertahun, kondisi pemakaian pompa apakah bekerja terus menerus atau terputus-putus, dan pengaruh kondisi kerja terhadap pemilihan pompa. 5. Motor Penggerak Motor penggerak disini dapat meliputi motor listrik, motor bakar torak atau turbin.
6. Tempat instalasi Dalam hal ini perlu diketahui pembatasan pembatasan pada ruang instalasi, ketinggian di atas permukaan laut, kondisi tempat pompa di luar atau di dalam gedung, fluktuasi temperatur lingkungan. 2.5 Dasar Pertimbangan Pemilihan Pompa Dalam hal pemilihan jenis pompa ini, sebagai dasar pertimbangan adalah keuntungan dan kerugian dari jenis-jenis pompa tersebut. Untuk memenuhi kebutuhan pemindahan zat cair, pompa yang digunakan pada umumnya adalah jenis pompa torak dan pompa sentrifugal. Yang perlu diperhatikan dalam pemilihan jenis pompa yang akan digunakan tersebut adalah fungsi pompa dan instalasi, kapasitas, head atau tekanan, viskositas fluida, lokasi kerja pompa dan jenis penggerak. Sebagai dasar pertimbangan lain adalah keuntungan dan kerugian dalam hal teknis dan ekonomisnya. Dalam perencanaan ini, pompa digunakan untuk memindahkan lateks dari truk tangki ke tangki penampungan. Kondisi yang diinginkan pada perencanaan ini adalah: Kapasitas dan head pompa harus dapat dipenuhi pada kondisi operasi maksimum sehingga mampu mengalirkan lateks. Aliran harus bersifat kontinue dan merata Fluida yang dialirkan adalah lateks. Tidak adanya kebocoran untuk menghindari penurunan kapasitas produksi. Untuk memilih pompa yang tepat dan sesuai dengan kondisi pengoperasian, maka perlu dipertimbangkan sifat-sifat pompa dalam pengoperasiannya, seperti pada tabel berikut:
Tabel 2.1 Perbandingan Sifat Pompa Sentrifugal dan Pompa Torak No. Masalah Pompa Sentrifugal Pompa Torak 1 2 3 4 5 6 7 8 Alirannya Putaran poros Kapasitas Head Biaya pemeliharaan Pondasi Getaran Motor penggerak Kontinue Lebih tinggi Lebih besar Kecil / medium Murah Biasa Kecil Dapat dikopel langsung Berfluktuasi Lebih rendah Lebih kecil Tinggi Mahal Kokoh Cukup besar Tidak dapat dikopel langsung Melihat dan mempertimbangkan kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini, maka dengan membandingkan sifat pompa dan cara kerjanya, dipilih pompa sentrifugal dalam perencanaan ini, karena sesuai dengan sifat pompa sentrifugal, yakni: 1. Aliran fluida lebih merata 2. Putaran poros dapat lebih tinggi 3. Rugi rugi transmisinya lebih kecil karena dapat dikopel langsung dengan motor penggerak 4.. Konstruksinya yang lebih aman dan lebih kecil. 2.6 Putaran Spesifik Pompa Putaran spesifik pompa adalah besarnya putaran impeler untuk menghasilkan kapasitas 1 m 3 /det dan head 1 meter pada efisiensi maksimum. Putaran spesifik ini diperlukan untuk menentukan jenis impeler dan jumlah tingkat suatu pompa. Putaran spesifik dapat dihitung dengan persamaan : dimana: n s = Q H 3/4...[lit.14 hal.177] n = putaran pompa (rpm) n s = kecepatan spesifik (rpm)
Q = kapasitas pompa (gpm) H = head pompa (ft) Persamaan diatas berlaku untuk pompa satu tingkat. Untuk hal-hal yang khusus dimana tinggi kenaikan pompa-pompa yang besar atau pada kapasitas pompa yang kecil, akan didapatkan kecepatan spesifik yang sangat kecil, sehingga dengan demikian pompa dibuat bertingkat banyak. 2.7 Daya Pompa Daya yang diberikan kepada pompa harus lebih besar dari daya akibat fluida dan akibat dari kerugian-kerugian yang terjadi. Daya pompa dapat dihitung dengan persamaan: P p= ρ.q.h.g η p...[lit.14 hal.177] dimana: H = head pompa (m) P p = daya pompa (watt) ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) Q = kapasitas pompa (m 3 /det) η p = efisiensi pompa (%) g = gravitasi bumi (m/det 2 )