Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
5
BAB II DASAR TEORI
2.1 Tinjauan Pustaka
Instalasi sistem perpipaan yang menggunakan pompa sentrifugal sangat
mungkin terjadi kavitasi yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan perbedaan
penampang yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan sampai turun dibawah
tekanan uap jenuhnya sehingga menyebabkan terjadinya fenomena yang disebut
kavitasi. Kavitasi diindentifikasi utama penyebab utama turunnya unjuk kerja pompa
di dunia industri (World Pumps Magazine 2011).
Bacharoudis (2008) melakukan penelitian dengan menggunakan variasi
besaran sudut keluaran impeller (β2) dengan diameter dan tinggi impeller sama. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa semakin besar sudut keluaran (β2) maka semakin
meningkat nilai head (tinggi tekan) untuk kapasitas yang sama.
Dazhuan (2009) melakukan penelitian pada pompa sentrifugal dengan impeller
sudu (Z) 5 yaitu memvariasi kecepatan putar pada rpm rendah, medium dan tinggi.
Hasil penelitian ini menunjukkan dengan putaran (n) semakin besar nilai head (H)
semakin besar dan semakin besar kapasitasnya.
Houlin (2010) melakukan penelitian mengenai efek jumlah sudu impeller
tertutup pada karakteristik pompa sentrifugal. Penelitian menggunakan variasi
impeller dengan jumlah sudu (Z) 4, 5, 6 dan 7. Pengujian dilakukan dengan
menggunakan standar GB3126 (standar cina). Hasil penelitian ini menunjukkan
dengan bertambahnya jumlah sudu (Z) pada impeller, head semakin besar. Hasil
penelitian juga menunjukkan bahwa pompa dengan jumlah sudu 7 mempunyai efisiensi
tertinggi. Sedangkan nilai kavitasi sangat komplek.
Khalid (2011) melakukan penelitian dengan memvariasi 5 impeller semi open
pada karakteristik pompa sentrifugal. Variasi impeller dengan jumlah sudu (Z) 2, 3, 4
dan dua impeller dengan Z = 3 diberi tambahan spliter(pemisah aliran) diatara sudu.
Hasil penelitian ini menunjukkan dengan bertambahnya sudu, pada kapasitas yang
sama nilai head semakin besar. Efisiensi terbesar sudu 4 sebesar 68% dan terendah
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
6
sudu 2 sebesar 63%. Hasil penelitian yang lain dengan penambahan spliter nilai
menaikan 1% head dan 1% efisiensi.
Spyridon (2012) melakukan penelitian dengan memvariasikan 3 impeller
tertutup dengan sudu masuknya (β1) 9o, 15o, 21o sedangkan sudu keluar (β2) tetap 20o.
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa pada kapasitas yang sama, nilai β1 semakin
besar maka head, NPSHR dan efisiensi semakin besar. Sedangkan β1 semakin kecil
semakin mudah terjadi kavitasi, karena nilai NPSHR yang kecil pada head yang sama.
2.2 Landasan Teori
2.2.1. Pompa Sentrifugal
Pompa sentrifugal adalah mesin atau peralatan yang digunakan untuk
memberikan energi pada fluida (cairan) berdasarkan gaya sentrifugal yang dihasilkan
oleh impeller yang di putar. Sehingga cairan dapat dipindahkan atau dipindahkan dari
tempat tertentu ke tempat yang lain. Karena menerima energi melalui impeller,
kecepatan fluida akan naik. Energi kinetik ini kemudian dikonversi menjadi energi
tekan oleh rumah pompa (casing) yang berbentuk spiral (volute) atau pompa sentrifugal
atau sudu-sudu tetap (diffuser) yang mengelilingi impeller, sehingga cairan keluar dari
pompa dengan kecepatan yang rendah.
Prinsip kerja dan operasi pompa sentrifugal yaitu langkah awal melakukan
proses priming (memancing). Hal yang dilakukan di dalam proses priming adalah
mengisi cairan pada pipa hisap dan rumah pompa, sehingga tidak terdapat kantong
udara. Kemudian selanjutnya memutar impeller. Perputaran impeller menyebabkan
gaya sentrifugal pada cairan. Perputaran impeller menyebabkan menurunnya tekanan
pada pusat impeller. Hal ini menyebabkan cairan pada pipa hisap mengalir ke impeller.
Pompa sentrifugal jenis pompa yang sangat banyak digunakan oleh industri,
khususnya industri pengolahan dan pendistribusian air. Beberapa keunggulan pompa
sentrifugal adalah konstruksinya sederhana, kapasitas dan tinggi tekan (head) yang
tinggi, mudah pemasangan maupun perawatan, ketahanan dan kehandalan yang tinggi
serta harga yang lebih murah. Konstruksi pompa sentrifugal sebagai berikut :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
7
Keterangan : 1. Casing Volute 3.Impeller 5.Seal mekanik
2. Penyangga 4.Poros 6.O-ring Gasket
Gambar 2.1 Pompa sentrifugal Grundfos NS BASIC 13-18
Fungsi bagian-bagian pompa sentrifugal grundfos NS Basic 13-18 sebagai
berikut :
a. Casing Volute
Berfungsi sebagai pengarah aliran dan rumah pompa.
b. Penyangga
Berfungsi sebagai dudukan atau pijakan casing pompa.
c. Impeller
Berfungsi sebagai memberikan kecepatan pada zat cair.
d. Poros
Berfungsi sebagai penerus energi listrik ke mekanik.
e. Seal mekanik
Berfungsi sebagai bantalan dan penyumbat kebocoran pada bantalan.
f. O-ring Gasket
Berfungsi sebagai penahan kebocoran pada casing volute dan penyangga.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
8
Karakteristik pompa adalah prestasi pompa sentrifugal dapat dinyatakan dalam
bentuk gafik hubungan antara paramaeter-parameter : Head (H), Daya (N) dan
efisiensi (η) terhadap debit (Q).
Gambar 2.2 kurva karakteristik pompa sentrifugal (Grundfos Data Booklet)
2.2.2. Pengaruh Geometri Impeller
Pembuatan impeller oleh enginer pompa berdasarkan diagram kecepatan
pompa. Diagram kecepatan pompa mepengaruhi bentuk geometri impeller pompa.
Diagram kecepatan pompa sebagai acuan menentukan prediksi nilai head dan kapasitas
untuk mendapatkan nilai maksimum efisiensi. Diagram kecepatan pompa dapat
ditunjukkan sebagai berikut :
Gambar 2.3 Diagram kecepatan pompa pada impeller (rotodynamic pumps, 2008)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
9
r1
U1
U2 r2
ω
A
Pada titik A1dan B1 diagram kecepatan :
Gambar 2.4 segitiga kecepatan pompa titik A1 dan B1 pada impeller
Hubungan head Euler dengan Head teoritis atau ideal (Hth∞) pompa, yaitu
head teoritis adalah head yang dihasilkan oleh pompa dengan asumsi :
a. Sudu-sudu sangat tipis dan jumlahnya tak terhingga.
b. Tidak ada kerugian tekanan didalam pompa.
Kecepatan tangensial impeller di titik A dan B :
Gambar 2.5 ilustrasi kecepatan tangensial (grundfos,2010)
U1 = r1 . ω
U2 = r2 . ω
Dimana :
U1, U2 = kecepatan tangensial 1 dan 2
W1, W2 = kecepatan relative 1 dan 2
C1, C2 = kecepatan mutlak 1 dan 2
β1, β2 = sudut masuk titik 1 dan sudut keluar titik 2
Cm1, Cm2 = kecepatan meridian 1 dan 2
α = sudut absolut antara C dan U
B
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
10
Berdasarkan segitiga kecepatan impeller dapat dinyatakan hubungan Head
teoritis (Hth∞) dengan kapasitas (Q) sebagai berikut :
Gambar 2.6 segitiga kecepatan titik luar impeller
Nilai head teoritis(Hth∞), 퐻 = . , dimana Cu2 = U2 - Cm2 . Ctg β2 ,
sedangkan nilai kapasitas(Q), 푄 = 휋 .퐷 .푏 .퐶 , sehingga 퐶 = .
, maka :
퐶 = 푈 − . .
.퐶푡푔훽 (2.1)
퐻 = 푈 − . . .
(2.2)
Dimana :
Hth∞ = head teoritis
U2 = kecepatan tangensial
β2 = sudut sudu keluar impeller
D2 = diameter luar impeller
b2 = tinggi sudu impeller sisi luar impeller
g = percepatan gravitasi
Head teoritis (H) sebagai fungsi Kapasitas (Q) ditentukan pula oleh sudut sudu
keluaran (β2) :
a. Jika β2<90o menjadi Ctg β2>0 maka :
Sudu dilengkungkan ke belakang (backward), Head (H) berkurang dengan naiknya
kapasitas (Q).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
11
H
Q
β2>90o
β2=90o
β2<90o
b. Jika β2=90o menjadi Ctg β2 = 0 maka :
Sudu tipe radial dan Head (H) tidak tergantung pada Kapasitas (Q) dan sama
dengan gu2
2 .
c. Jika β2>90o menjadi Ctg β2<0
Sudu dilengkungkan ke depan dan Head (H) bertambah dengan naiknya Kapasitas
(Q).
o2 90 o
2 90 o2 90
Gambar 2.7 bentuk profil sudut keluaran (β2) impeller (hydraulic
compressible flow turbomachines, 1992)
Gambar 2.8 grafik pengaruh β2 terhadap performa Head (H) dan Kapasitas (Q)
(grundfos research, 2010)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
12
u2
Cu2
,2uc DCu
2W2mC
2C2 '
2
Low pressure
High pressure
2.2.3. Pengaruh penambahan jumlah sudu terhadap performa pompa
Pada kondisi nyata sudut fluida meninggalkan impeller ( 2 ) mengalami
perubahan. Hal itu disebabkan adanya slip pada fluida (cairan) atau fluid slip.
Adanya fluid slip akan mengurangi besarnya 2Cu . Salah satu penjelasan
terjadinya slip karena adanya arus eddy (aliran sekunder/circulating flow).
Gambar 2.9 pengaruh penambahan sudu (hydraulic and compresibel flow
turbomachinery 1990)
• Pada bagian depan sudu (leading side) terdapat daerah dengan tekanan
tinggi dan belakang sudu (trailing side) terdapat daerah dengan tekanan rendah.
Pada daerah tekanan rendah, kecepatan fluida lebih tinggi daripada pada daerah
tekanan tinggi. Hal ini menyebabkan sudut cairan meninggalkan sudu impeller
akan berbeda dengan β2 (diasumsikan pompa slip).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
13
Gambar 2.10 kondisi slip (hydraulic and compresibel flow turbomachinery 1990)
Sehingga Cu2 berkurang menjadi '2Cu . Cu didefinisikan sebagai slip.
Slip faktor ( sσ ) didefinisikan :
s 2
'2
CuCu
Persamaan Stodola tentang fluid slip : Cu e ω
e 2
2 sin
zr π
z = jumlah sudu dengan mengabaikan ketebalan
Cu 2
2
sin zr π
. ω β
22
22 sin
r . zr π
r . ω β
22
2
2 sin r πr . z
u β
z
β22 sin πu
Bila tidak ada slip
2Cu 222 Cot Cmu
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
14
Slip Faktor 2
2
CuCu ΔCu
2Cu
Cu Δ1
)Cot Cm(u z
sin πu1
222
22
22
2
2
Cot u
Cm1 z
sin π1
퐻 = .
Sehingga dengan bertambahnya jumlah sudu nilai head meningkat
dimana nilai Cu2 semakin besar pada kapasitas yang sama.
2.2.4. Perhitungan Pompa Sentrifugal
Adapun dasar-dasar perhitungan yang digunakan untuk mempelajari karakteristik
pompa sentrifugal adalah :
a. Tinggi tekan (head) pompa
Head pompa adalah energi fluida yaitu kesanggupan melakukan kerja,
dinyatakan dalam feet atau meter tinggi tekanan fluida yang mengalir. Head terdiri
dari tiga bentuk yang dapat saling dipertukarkan, yaitu head potensial (head statis),
head kinetik dan head tekanan.
1. Head potensial (head statis) adalah energi partikel fluida yang dihitung
berdasarkan ketinggian dari datum plane. Jadi, suatu kolom air setinggi Z meter
mengandung jumlah energi disebabkan oleh posisinya, dan disebutkan bahwa
fluida tersebut mempunyai head sebesar Z meter kolom air.
2. Head kinetik adalah suatu ukuran energi kinetic yang terkandung satu satuan
bobot fluida yang disebabkan kecepatannya. Head kinetik dinyatakan dalam
persamaan sebagai berikut :
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
15
퐻 =
(2.3)
Dimana :
H = head kenetik (m)
V = kecepatan fluida (m/s)
g = percepatan grafitasi (m/s2)
3. Head tekanan adalah energi yang dikandung fluida akibat tekanannya.
Head tekanan dapat dinyatakan dengan persamaan :
퐇 = 퐏후
(2.4)
Dimana :
H = Head tekanan (m)
P = tekanan pada fluida (Pa)
γ = spesifik grafity (N/m3)
b. Daya Pompa
Daya adalah sejumlah energi yang dihantarkan untuk meningkatkan energi
fluida cair melewati sisi masuk pompa dan keluaran pompa. Dalam pompa daya
terdiri dari :
1. Daya Input (Pin): adalah daya aktual listrik yang digunakan untuk menggerakkan
poros (shaft) pompa 1 phasa.
Pin = V . I . Cos φ (2.5)
Dimana :
Pin = Daya listrik (watt)
V = Tegangan listrik (volt)
I = Arus listrik (ampere)
Cos φ = Faktor daya
2. Daya Output (Pout) : adalah daya fluida atau daya yang dihasilkan fluida untuk
kerja.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
16
Pout = ρ . g . Q . H (2.6)
Dimana :
Pout = Daya keluaran (watt)
ρ = Density atau massa jenis (kg/m3)
g = Percepatan gravitasi (m/s2)
Q = Debit atau Kapasitas (m3/s)
H = Total head (m)
c. Efisiensi total adalah ratio daya air (Pout) yang dihasilkan dengan daya sumber (Pin)
yang digunakan untuk meningkatkan energi fluida.
훈 = 퐏퐨퐮퐭퐏퐢퐧
(2.7)
Dimana :
η = Efisiensi total
Pin = Daya input (watt)
Pout = Daya output (watt)
d. Net Positive Suction Head (NPSH)
NPSH adalah perbedaan head suction dan head uap jenuh. NPSH dapat
diartikan sebagai pembacaan alat ukur dalam meter air yang diambil pada sisi
suction pompa dan pengukur tekanan uap jenuh fluida dalam meter pada suhu
pemompaan ditambah head kecepatan pada saat itu.
Fungsi NPSH membantu dalam rancangan pompa sentrifugal dalam
menentukan nilai minimum yang dibutuhkan untuk menghasilkan kapasitas tanpa
terjadi kavitasi. Jika NPSH tidak mencukupi maka kavitasi dapat terjadi dalam
pompa sentrifugal.
Ada dua macam NPSH dalam pompa yaitu sebagai berikut :
1. Net Positif Suction Head Available (NPSHA atau NPSH yang tersedia)
NPSHA adalah energi yang tersedia dalam fluida yang akan dipindahkan
atau head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa dikurangi dengan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
17
tekanan uap jenuh zat cair tersebut. Dalam hal ini pompa yang menghisap zat
cair dari tempat terbuka, maka besarnya NPSHA dapat ditulis seperti persamaan
sebagai berikut :
푵푷푺푯푨 = 푷풂휸− 푷풗풂
휸+ 풉풔 (2.8)
Dimana :
Pa = Tekanan atmosfir (Pa)
Pva = Tekanan uap jenuh (Pa)
γ = Berat zat cair persatuan volume (N/m3)
hs = Head hisap statis (m)
ℎ =.
+ 푍 +
(2.9)
Ps = tekanan vacum gauge (Pa)
ZPs = faktor koreksi tekanan (m)
V = kecepatan fluida (m/s)
Gambar 2.11 difinisi sket perhitungan NPSH (pump handbook,1976)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
18
2. Net Positive Suction Head Required (NPSHR atau NPSH yang diperlukan)
NSPHR didefinisikan energi minimum yang terdapat didalam fluida agar
sebuah pompa dapat bekerja dengan baik. Besarnya NPSHR untuk setiap pompa
berbeda, untuk suatu pompa tertentu NPSHR berubah menurut kapasitas dan
putarannya. Nilai NPSHR ditentukan dari hasil pengujian ataupun pembuat
pabrik pompa. Agar tidak terjadi kavitasi maka pompa harus memenuhi syarat
NPSHA > NPSHR.
Dalam standar API 610 nilai NPSHR kritikal adalah 3% pengurangan
nilai head pada kurva performa. Sehingga batas kritis pada NPSHR terjadi
sepanjang kurva 3% dibawah kurva performa pompa sentrifugal pada kondisi
normal.
Gambar 2.12 NPSHR dengan tekanan suction konstan (API 610)
e. Angka Kavitasi kritikal
Kavitasi adalah kondisi dimana terjadinya bubble (gelembung udara) di dalam
pompa akibat kurangnya NPSHA (terjadi vaporisasi) dan pecah pada saat
bersentuhan dengan impeller atau casing. Hal ini terjadi karena tekanan suction
suatu aliran zat cair turun sampai di bawah tekanan uap jenuhnya. Kavitasi banyak
terjadi pada sisi hisap pompa, untuk mencegahnya nilai head aliran pada sisi hisap
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
19
harus di atas nilai head pada tekanan uap jenuh zat cair pada temperatur
bersangkutan.
Angka kavitasi kritikal didefinisikan sebagai ratio antara NPSHR terhadap head
total pompa.
흈풄 = 푵푷푺푯푹
푯 (2.10)
Dimana :
σc = Angka kavitasi kritikal
NPSHR = NPSH yang diperlukan (m)
H = Head total pompa (m)