BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Definisi Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal adalah suatu alat atau mesin yang digunakan untuk memindahkan cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui suatu media perpipaan dengan cara menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan dan berlangsung secara terus menerus. Suatu pompa sentrifugal pada dasarnya terdiri dari satu impeller atau lebih yang dilengkapi dengan sudu-sudu, yang dipasangkan pada poros yang berputar dan diselubungi dengan atau oleh sebuah rumah (casing). Pompa ini bekerja dengan prinsip putaran impeller sebagai elemen pemindah fluida yang digerakkan oleh motor. Zat cair yang berada di dalam akan berputar akibat dorongan sudusudu dan menimbulkan gaya sentrifugal yang menyebabkan cairan mengalir dari tengah impeller dan keluar melalui saluran di antara sudu-sudu dan meninggalkan impeller dengan kecepatan tinggi. Cairan dengan kecepatan tinggi ini dilewatkan ke saluran yang penampangnya makin membesar (volute) sehingga terjadi perubahan head (tinggi tekan) kecepatan menjadi head tekanan. Setelah cairan dilemparkan oleh impeller, ruang di antara sudu-sudu menjadi vacuum, menyebabkan cairan akan terhisap masuk sehingga terjadi proses penghisapan. Moh. Zadli 8
Gambar 2. 1 Intalasi Pompa Selisih energi persatuan berat atau head total dari zat cair pada flens keluar dan flens masuk disebut sebagai head total pompa. Sehingga dapat dikatakan bahwa pompa sentrifugal berfungsi mengubah energi mekanik motor menjadi energi aliran fluida. Energi inilah yang mengakibatkan pertambahan head kecepatan, head tekanan dan head potensial secara kontinu. 2.2 Tinjauan Umum Sistem Perpipaan Pipa adalah suatu batang silinder berongga yang dapat berfungsi untuk dilalui atau mengalirkan zat cair, uap, gas ataupun zat padat yang dapat dialirkan yang berjenis serbuk atau tepung. Untuk pembuatan pipa baja dapat dibuat dengan beberapa metode antara lain seamless pipe, butt welded pipe dan spiral welded Moh. Zadli 9
pipe. Pembuatan pipa disesuaikan dengan kebutuhan dan dibedakan dari batas kekuatan tekanan, ketebalan dinding pipa, temperatur zat yang mengalir, jenis material berkaitan dengan korosi dan kekuatan pipa tersebut. Penamaan pipa sering disebut dari jenis pipa dan ukuran pipa yaitu diameter pipa. Diameter pipa sendiri dibagi dua : diameter luar dan diameter dalam, selain itu ada yang menamakan pipa dari ketebalan pipa yaitu ketebalan antara diameter luar dan diameter dalam dan sekarang dikenal dengan istilah schedules. Untuk instalasi pipa dikapal tentu pipa-pipa tersebut tidak hanya pipa lurus melainkan terdapat belokan, cabang, mengecil, naik dan turun. Panjang dari pipa pun beraneka ragam ada yang panjang ataupun pendek. Berkaitan dengan hal ini maka kita akan mengenal beberpa jenis sambungan pipa seperti sambungan ulir, sambungan shock, sambungan dengan las (butt welded) dan sambungan dengan menggunakan flange. Selain itu dikenal juga istilah belokan atau ellbow, cabang T atau tee, cabang Y dan ada juga pipa yang diameternya mengecil disebut reducer. Pada setiap kapal yang memiliki perlengkapan permesinan yang terdiri dari mesin induk, mesin bantu dan pompa-pompa atau kapal yang tidak dilengkapi mesin penggerak namun memiliki permesinan lain dan pompa-pompa, selalu dilengkapi dengan instalasi perpipaan. Instalasi pipa dikapal digunakan untuk mengalirkan fluida dari satu tangki atau kompartment ke tangki lain, atau dari satu tangki ke peralatan permesinan dikapal, atau mengalirkan fluida dari kapal keluar kapal atau sebaliknya. Moh. Zadli 10
Selain itu terdapat instalasi pipa yang lain berfungsi mengalirkan gas non cair seperti pipa gas buang, pipa sistim CO2, atau instalasi pipa yang mengalirkan udara dan uap bertekanan. Jenis pipa yang terdapat dikapal memiliki beragam jenis ditinjau dari material pipa sesuai dengan kegunaannya. Material pipa dikapal pada umumnya terbuat dari baja galvanis, baja hitam, baja campuran, stainless steel, kuningan, tembaga ataupun alumunium. Pada kegunaan tertentu terdapat pula pipa yang terbuat dari bahan non metal seperti rubber hose, gelas dan PVC. Untuk kapal-kapal yang dibangun mengikuti peraturan klasifikasi maka instalasi pipa harus pula mendapat persetujuan atau gambar instalasi pipa harus mendapat pengesahan dari badan klasifikasi. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah sistem pemeliharaan atau sistem reparasi terhadap pipa-pipa dikapal, untuk memudahkan hal tersebut maka sistem penyambungan pipa-pipa dikapal menggunakan sistem baut dan flange. Sambungan pada pipa, Ada berbagai macam faktor yang mempengaruhi hilangnya energi di dalam pipa jenis-jenis sambungan ikut mempengaruhi hilangnya energi pada pipa. Dengan adanya sambungan dapat menghambat aliran normal dan menyebabkan gesekan tambahan. Pada pipa yang pendek dan mempunyai banyak sambungan, fluida yang mengalir di dalamnya akan mengalami banyak kehilangan energi. Dalam sistem pipa salah satu konstruksinya adalah menggunakan sambungan yang berfungsi untuk membelokan arah aliran fluida ke suatu tempat tertentu. Salah satu efek yang muncul pada aliran ketika melewati suatu Moh. Zadli 11
sambungan yang berkaitan dengan pola aliran adalah adanya ketidakstabilan aliran atau fluktuasi aliran. Fluktuasi aliran yang terjadi terus menerus pada belokan pipa akan memberikan beban impak secara acak pada sambungan tersebut. Akibat pembeban impak secara acak yang berlangsung terus menerus bisa menyebakan getaran pada pipa. Pada sambungan pipa bekerja gaya yang disebabkan oleh aliran zat cair yang berbelok, disamping berat pipa dan isinya. Cara penyambungan pipa, Penyambungan tersebut dapat dilakukan dengan : a. Pengelasan Jenis pengelasan yang dilakukan adalah tergantung pada jenis pipa dan penggunaannya, misalnya pengelasan untuk bahan stainless steel menggunakan las busur gas wolfram, dan untuk pipa baja karbon digunakan las metal. b. Ulir (threaded) Penyambungan ini digunakan pada pipa yang bertekanan tidak terlalu tinggi. Kebocoran pada sambungan ini dapat dicegah dengan menggunakan gasket tape pipe. Umumnya pipa dengan sambungan ulir digunakan pada pipa dua inci ke bawah. c. Menggunakan Flens (flange) Kedua ujung pipa yang akan disambung dipasang flens kemudian diikat dengan baut. 2.3 Definisi Fluida Fluida merupakan suatu zat atau bahan yang dalam keadaan setimbang tak dapat menahan gaya atau tegangan geser (shear force). Moh. Zadli 12
Dapat pula didefinisikan sebagai zat yang dapat mengalir bila ada perbedaan tekanan dan atau tinggi. Suatu sifat dasar fluida nyata, yaitu tahanan terhadap aliran yang diukur sebagai tegangan geser yang terjadi pada bidang geser yang dikenai tegangan tersebut adalah viskositas atau kekentalan atau kerapatan zat fluida tersebut. Berdasarkan wujudnya, fluida dapat dibedakan menjadi dua bagian yaitu: 1. Fluida gas, merupakan fluida dengan partikel yang renggang dimana gaya tarik antara molekul sejenis relatif lemah dan sangat ringan sehingga dapat melayang dengan bebas serta volumenya tidak menentu. 2. Fluida cair, merupakan fluida dengan partikel yang rapat dimana gaya tarik antara molekul sejenisnya sangat kuat dan mempunyai permukaan bebas serta cenderung untuk mempertahankan volumenya. 2.4 Sifat Dasar Fluida Fluida merupakan zat yang dapat mengalir yang mempunyai partikel yang mudah bergerak dan berubah bentuk tanpa pemisahan massa. Ketahanan fluida terhadap perubahan bentuk sangat kecil sehingga fluida dapat dengan mudah mengikuti bentuk ruang. Zat tersebut dapat berupa cairan maupun gas. Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida. Sifat sifat dasar fluida tersebut yaitu; kerapatan, berat jenis, tekanan, temperatur, kekentalan. Moh. Zadli 13
2.5 Aliran Fluida Karakteristik struktur aliran internal (dalam pipa) sangat tergantung dari kecepatan rata-rata aliran dalam pipa, densitas, viskositas dan diameter pipa. Ada 3 tipe aliran fluida didalam sistem pipa, dapat dikategorikan yaitu : 1. Aliran Laminer,aliran fluida dengan kecepatan rendah. Partikel-partikel fluida mengalir secara teratur dan sejajar dengan sumbu pipa. Reynold menunjukkan bahwa untuk aliran laminer berlaku Bilangan Reynold, NRe < 2100. 2. Aliran Turbulen,aliran fluida dengan kecepatan tinggi. Partikel-partikel fluida mengalir secara tidak teratur atau acak didalam pipa. Reynold menunjukkan bahwa untuk aliran turbulen berlaku Bilangan Reynold, NRe > 4000. 3. Aliran Transisi,aliran fluida dengan kecepatan diantara kecepatan linear dan kecepatan turbulen. Aliran berbentuk laminar atau turbulen sangat tergantung oleh pipa dan perlengkapannya. Reynold menunjukkan bahwa untuk aliran transisi berlaku hubungan Bilangan Reynold, NRe 2100-4000. Moh. Zadli 14
Gambar 2. 2 Ilustrasi jenis aliran 2.6 Tekanan Aliran Fluida Pipa atau tabung adalah suatu saluran yang tertutup, umumnya mempunyai penampang sirkular dan digunakan untuk mengalirkan fluida melalui tekanan pompa. Bila pipa mengalir dengan terisi penuh maka itu disebabkan oleh adanya tekanan yang menyebabkan mengalir. Tekanan fluida disebut juga dengan energi aliran adalah jumlah kerja yang dibutuhkan untuk memaksa elemen fluida bergerak menyilang pada jarak tertentu dan berlawanan dengan tekanan fluida. Dalam suatu sistem perpipaan aliran fluida pasti akan mengalami tekanan dan penurunan tekanan seiring dengan panjang pipa yang dilalui oleh aliran fluida tersebut. Dalam mekanika fluida tekanan dan penurunan tekanan tersebut dikarenakan fluida yang mengalir mengalami berbagai macam kerugian sepanjang Moh. Zadli 15
aliran fluida seperti panjang pipa, model penempatan pipa, besar kecilnya diameter pipa, kekasaran permukaan dan viskositas dari fluida tersebut. Besarnya tekanan fluida dinyatakan dalam Azas Bernoulli yaitu secara kuantitatif dalam bentuk persamaan, yang disebut persamaan Bernoulli. Persamaan ini menyatakan hubungan antara tekanan, kecepatan dan tinggi-rendah (letak) berbagai titik pada aliran fluida. Besarnya tekanan fluida dalam persamaan Bernoulli, yaitu : P = ρ g h + ρ (Ref. 8, hal. 42) Dimana : P = tekanan fluida (Pa) ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) h = tingi pipa (m) v = kecepatan aliran rata-rata fluida (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) 2.7 Kecepatan Aliran Fluida Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada suatu penampang memungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran sehingga pengukuran kecepatan merupakan fase yang sangat penting dalam menganalisa suatu aliran fluida. Kecepatan dapat diperoleh dengan melakukan pengukuran terhadap waktu yang dibutuhkan suatu partikel yang dikenali untuk bergerak sepanjang jarak yang telah ditentukan. Moh. Zadli 16
Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol pada dinding pipa dan mencapai maksimum pada tengah-tengah pipa. Kecepatan biasanya sudah cukup untuk menempatkan kekeliruan yang serius dalam masalah aliran fluida sehingga penggunaan kecepatan sesungguhnya adalah pada terbukanya katup dalam sistem perpipaan. Bentuk kecepatan yang digunakan pada aliran fluida umumnya menunjukkan kecepatan yang bisa diukur menggunakan suatu alat yang nilainya dapat terdeteksi. Jumlah zat cair yang mengalir melalui tampang lintang aliran tiap satu satuan waktu disebut debit aliran dan diberi notasi Q. debit aliran biasanya diukur dalam volume zat cair tiap satuan waktu, sehingga satuannya adalah meter kubik per detik (m 3 /dt). Besarnya kecepatan rata-rata aliran fluida akan mempengaruhi besarnya fluida yang mengalir dalam suatu pipa. Besarnya kecepatan rata-rata aliran fluida dinyatakan dalam: V = (Ref. 10, hal. 98) Dimana : V = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s) Q = debit aliran (m 3 /s) A = luas penampang (m 2 ) 2.8 Kerugian Aliran Fluida Dalam suatu sistem perpipaan aliran fluida pasti akan mengalami tekanan dan penurunan tekanan seiring dengan panjang pipa yang dilalui oleh aliran fluida tersebut. Dalam mekanika fluida tekanan dan penurunan tekanan tersebut Moh. Zadli 17
dikarenakan fluida yang mengalir mengalami berbagai macam kerugian sepanjang aliran fluida seperti panjang pipa, model penempatan pipa, besar kecilnya diameter pipa, kekasaran permukaan dan viskositas dari fluida tersebut. Penampang pipa dengan ukuran yang berbeda atau karena pembesaran atau pengecilan mendadak akan menimbulkan pola aliran fluida menjadi tidak beraturan dan kondisi ini merupakan suatu bentuk kerugian aliran dalam suatu sistem perpipaan. Perubahan tekanan dalam aliran fluida terjadi karena adanya perubahan ketinggian, perubahan kecepatan akibat perubahan penampang dan gesekan fluida. Sehingga perhatian utama dalam menganalisa kondisi aliran nyata adalah pengaruh dari gesekan. Gesekan akan menimbulkan penurunan tekanan atau kehilangan tekanan dibandingkan dengan aliran tanpa gesekan. Berdasarkan lokasi timbulnya kehilangan, secara umum kehilangan tekanan akibat gesekan atau kerugian ini dapat digolongkan menjadi 2 yaitu: kerugian mayor dan kerugian minor. Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida pada sistem aliran penampang pipa yang konstan. Sedangkan kerugian minor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi pada alat kelengkapan pipa seperti katup, belokan, tee, filter dan pada penampang pipa yang tidak konstan. Kerugian ini untuk selanjutnya akan disebutkan sebagai head losses. Moh. Zadli 18
Adapun kerugian-kerugian aliran (head losses) tersebut, ialah : 2.8.1 Kerugian Mayor (head losses mayor) Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan yang terjadi akibat adanya gesekan aliran fluida dengan dinding pipa pada pipa lurus dan perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida (kerugian kecil). Profil aliran fluida dalam pipa ditentukan dari bilangan Reynolds, yaitu : Re = (Ref. 6, hal. 78) Dimana : ρ = massa jenis fluida (kg/m 3 ) D = diameter pipa (m) μ = viskositas dinamik (kg/m s) V = kecepatan aliran fluida (m/s) Dengan memasukkan konsep angka Reynolds maka head losses mayor, yaitu : hl = f (Ref.6, hal. 92) Dimana : hl = kerugian head losses mayor (m) f = faktor gesekan = ( ) D = diameter dalam pipa (m) L = panjang pipa (m) v = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) Moh. Zadli 19
2.8.2 Kerugian Minor (head losses minor) Kerugian minor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi disebabkan oleh gangguan pada alat kelengkapan pipa seperti katup, belokan, tee, filter dan pada penampang pipa yang tidak konstan. Kerugian minor ini dapat diketahui dari persamaan, yaitu : hlm = K (Ref.6, hal. 96) Dimana : hlm = kerugian head losses minor (m) K = Koefisien rugi v = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) Tabel.2.1 Values of loss factors for pipe fitting No Fitting K L/D 1 Globe valve, wide open 10,00 350 2 Angle valve, wide open 5,00 175 3 Close return bend 2,20 75 4 T, through side outlet 1,80 67 5 Short-radius elbow 0,90 32 6 Medium-radius elbow 0,75 27 7 Long-radius elbow 0,60 20 8 45'elbow 0,42 15 9 Gate valve, wide open 0,19 7 (Sumber : Ir. M. Orianto, BSE. Mekanika Fluida : Surabaya.1984, hal. 97) Moh. Zadli 20
Kerugian ini untuk selanjutnya akan disebut sebagai head losses dari penjumlahan antara kerugian mayor (head losses mayor) dengan kerugian minor (head losses minor). head losses = kerugian mayor (head losses mayor) + kerugian minor (head losses minor). Moh. Zadli 21