2.3 Performansi Pompa
2.3.3. Menghitung Head Kerugian (h l )
kW ……….. (2.5) ρ = massa jenis , kg/m3 g = gaya gravitasi H = head , m Q = kapasitas, m3/s
Untuk setiap pompa, biasanya pabrik pembuatnya memberikan kurva karakteristik yang menunjukkan unjuk kerja pompa pada berbagai kondisi pemakaian. Karakteristik sebuah pompa digambarkan dalam kurva karakteristik menyatakan besarnya head total, daya pompa dan efisiensi pompa terhadap kapasitas.
2.3.3. Menghitung Head Kerugian (hl)
Head kerugian (yaitu head yang mengatasi kerugian-kerugian) terdiri atas head kerugian gesek didalam pipa atau kerugian akibat pipa lurus, head kerugian di dalam belokan-belokan, dan head kerugian karena katup (valve).
- Kecepatan Rata-Rata Aliran (v)
Kecepatan aliran adalah jarak yang mampu ditempuh oleh partikel zat cair dalam satuan waktu tertentu. Untuk mencari nilai kecepatan rata-rata aliran dapat menggunakan persamaan berikut.
v =
⁄
……… (
2.6) v = kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)D = diameter dalam pipa (m) Q = laju aliran (m3/s)
- Bilangan Reynold
Bilangan Reynold adalah bilangan tidak berdimensi yang menyatakan perbandingan gaya-gaya inersia terhadap gaya-gaya kekentalan (viskos) pada pipa bulat dengan aliran penuh. Sedangkan Viskositas (kekentalan) sendiri adalah sifat fluida yang mendasari diberikannya tahanan terhadap tegangan geser oleh fluida tersebut. Viskositas dinyatakan dalam dua bentuk :
1. Viskositas Dinamik
Viskositas dinamik adalah perbandingan tegangan geser dengan laju perubahan, besarnya nilai viskositas dinamik dipengaruhi oleh temperatur, konsentrasi larutan, bentuk partikel dan sebagainya, untuk viskositas dinamik air pada temperatur standar lingkungan (27oC) adalah 8,6 x 10-4 kg/m.s
2. Viskositas Kinematik
Viskositas kinematik merupakan perbandingan viskositas dinamik terhadap kerapatan (densitas) massa jenis dari fluida tersebut. Viskositas kinematik ini terdapat dalam beberapa penerapan antara lain dalam bilangan Reynold yang merupakan bilangan tak berdimensi. Nilai viskositas kinematik air pada temperatur standar (27oC) adalah 8,7 x 10-7 m2/s.
Untuk menentukan jenis aliran, apakah turbulen atau laminar., dapat menggunakan perhitungan sebagai berikut:
Re =
………..
(2.7)Re = bilangan Reynolds (tak berdimensi) v = kecepatan rata-rata aliran dalam pipa (m/s) D = diameter dalam pipa (m)
ν = viskositas kinematik zat cair (m2/s) Keterangan :
Pada Re < 2300 aliran bersifat laminar. Pada Re > 4000 aliran bersifat turbulen. Pada Re 2300 - 4000 aliran bersifat transisi.
- Head Kerugian Gesek Dalam Pipa
Untuk menghitung kerugian gesek di dalam pipa dapat menggunakan rumus berikut ini :
h
f1= λ
………..
(2.8)hf = head kerugian gesek dalam pipa (m)
λ = koefisien kerugian gesek
g = percepatan gravitasi (m/s2)
v = kecepatan rata-rata aliran dalam pipa (m/s2) L = panjang pipa (m)
D = diameter dalam pipa (m)
Dalam hal aliran laminar, koefisien kerugian gesek untuk pipa (λ) di dalam persamaan (2.8)
dihitung dengan rumus :
λ =
………
(2.9)Untuk menghitung kerugian gesek dalam pipa pada aliran turbulen terdapat berbagai rumus empiris. Salah satu rumus yang dapat dipergunakan adalah dengan menggunakan rumus
Darcy. Dengan cara Darcy, koefisien kerugian gesek λ dari persamaan (2.8) dihitung menurut
rumus :
λ = 0,020 +
……….
(2.10)dimana D adalah diameter dalam pipa (m). Rumus ini berlaku untuk pipa baru dari besi cor. Jika pipa telah dipakai selama bertahun-tahun, harga λ akan menjadi 1,5 sampai 2,0 kali
harga barunya. [13]
- Kerugian Gesek Karena belokan 90˚ (hf2)
Kerugian gesek karena belokan 90˚ adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi karena belokan 90˚ pada instalasi perpipaan. Untuk mencari nilai kerugian gesek karena belokan 90˚ dapat menggunakan persamaan berikut :
h
f2= f
hf2 = kerugian head karena belokan (m) f = koefisien gesek pipa
g = percepatan gravitasi (m/s2)
v = kecepatan rata-rata di dalam pipa (m/s)
Tabel 2.1 Koefisien kerugian belokan pipa [13]
θ0
5 10 15 22,5 30 45 60 90
F Halus 0,016 0,034 0,043 0,066 0,130 0,236 0,471 1,129
Kasar 0,024 0,44 0,062 0,154 0,165 0,320 0,6684 1,265
- Head Kerugian Gesek Karena Katup (hf3)
Kerugian head pada katup dapat ditulis sebagai berikut :
h
f3= f
v………. (2.12)
dimana
v = kecepatan rata-rata di penampang masuk katup (m/s) fv = koefisien kerugian katup
hf3 = kerugian head katup (m)
Harga fv untuk berbagai jenis katup dalam keadaan terbuka penuh diberikan dalam tabel berikut.
Tabel 2.2 Koefisien kerugian pada katup [13]
2.3.4. Kavitasi
Kavitasi adalah fenomena perubahan fase uap dari zat cair yang sedang mengalir, karena tekanannya berkurang hingga di bawah tekanan uap jenuhnya. Pada pompa bagian yang sering mengalami kavitasi adalah sisi hisap pompa. Misalnya, air pada tekanan 1 atm akan mendidih dan menjadi uap pada suhu 100 derajat celcius.
Tetapi jika tekanan direndahkan maka air akan bisa mendidih pada temperatur yang lebih rendah bahkan jika tekanannya cukup rendah maka air bisa mendidih pada suhu kamar. Apabila zat cair mendidih, maka akan timbul gelembung-gelembung uap zat cair. Hal ini dapat terjadi pada zat cair yang sedang mengalir di dalam pompa maupun didalam pipa. Tempat-tempat yang bertekanan rendah dan/atau yang berkecepatan tinggi di dalam aliran, maka akan sangat rawan mengalami kavitasi. Misalnya pada pompa maka bagian yang akan mudah mengalami kavitasi adalah pada sisi isapnya. Ketika zat cair terhisap pada sisi isap pompa, tekanan pada permukaan zat cair akan turun, seperti pada gambar dibawah ini.
D (mm)
100 150 200 250 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1350 1500 1650 1800 2000 Jenis katup
Katup sorong 0,14 0,12 0,10 0,09 0,07 = 0 Katup kupu-kupu 0,6 - 0,16 (bervariasi menurut konstruksi dan diameternya)
Katup putar 0,09 - 0,026 (bervariasi menurut diameternya) Katup cegah
1,2 1,15 1,1 1,0 0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 jenis ayun
Katup cegah tutup-
1,2 1,15 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 cepat jenis tekanan
Katup cegah jenis
1,44 1,39 1,34 1,3 1,2 angkat bebas
Katup cegah tutup-
7,3 6,6 5,9 5,3 4,6 cepat jenis pegas
Katup kepak - - - - - - - - - - 0,9 - 0,5 Katup isap
1,97 1,91 1,84 1,78 1,72 (dengan saringan)
Gambar 2.31. Turunnya tekanan mengakibatkan penguapan zat cair.
Kavitasi pada bagian ini disebabkan karena tekanan isap terlalu rendah. Knapp (Karassik dkk, 1976) menemukan bahwa mulai terbentuknya gelembung sampai gelembung pecah hanya memerlukan waktu sekitar 0,003 detik. Gelembung ini akan terbawa aliran fluida sampai akhirnya berada pada daerah yang mempunyai tekanan lebih besar daripada tekanan uap jenuh cairan. Pada daerah tersebut gelembung tersebut akan pecah dan akan menyebabkan shock pada dinding di dekatnya. Cairan akan masuk secara tiba-tiba ke ruangan yang terbentuk akibat pecahnya gelembung uap tadi sehingga mengakibatkan tumbukan.
Peristiwa ini akan menyebabkan terjadinya kerusakan mekanis pada pompa sehingga bisa menyebabkan dinding akan berlubang atau bopeng. Peristiwa ini disebut dengan erosi kavitasi sebagai akibat dari tumbukan gelembung-gelembung uap yang pecah pada dinding secara terus menerus. Fenomena ini dinamakan kavitasi. Jika permukaan saluran/pipa terkena tumbukan gelembung uap tersebut secara terus menerus dalam jangka lama akan mengakibatkan terbentuknya lubang‐lubang pada dinding saluran atau sering disebut erosi kavitasi. Pengaruh lain dari kavitasi adalah timbulnya suara berisik, getaran dan turunnya performansi pompa. [5]
Berikut ini pengaruh-pengaruh kavitasi yang terjadi pada pompa :
Berkurangnya kapasitas pompa
Berkurangnya head (pressure)
Terbentuknya gelembung-gelembung udara pada area bertekanan rendah di dalam
selubung pompa (volute)
Suara bising saat pompa berjalan.
Kerusakan pada impeller atau selubung pompa (volute).
Kavitasi dinyatakan dengan cavities atau lubang di dalam fluida yang kita pompa. Lubang ini juga dapat dijelaskan sebagai gelembung-gelembung, maka kavitasi sebenarnya adalah pembentukan gelembung-gelembung dan pecahnya gelembung tersebut. Gelembung terbentuk tatkala cairan mendidih. Hati-hati untuk menyatakan mendidih itu sama dengan air yang panas untuk disentuh, karena oksigen cair juga akan mendidih dan tak seorang pun menyatakan itu panas. Mendidihnya cairan terjadi ketika ia terlalu panas atau tekananya terlalu rendah. Pada tekanan permukaan air laut 1 bar (14,7 psia) air akan mendidih pada
suhu 212oF (100oC). Jika tekanannya turun air akan mendidih pada suhu yang lebih rendah.
Ada tabel yang menyatakan titik didih air pada setiap suhu yang berbeda.
Satuan tekanan di sini yang digunakan adalah absolute bukan pressure gauge, ini jamak dipakai tatkala kita berbicara mengenai sisi isap pompa untuk menghindari tanda minus. Maka saat menyebut tekanan atmosfir nol, kita katakan 1 atm sama dengan 14,7 psia pada permukaan air laut dan pada sistim metrik kita biasa memakai 1 bar atau 100 kPa. [5]
- Kapasitas Pompa Berkurang
Ini terjadi karena gelembung-gelembung udara banyak mengambil tempat (space), dan kita tidak bisa memompa cairan dan udara pada tempat dan waktu yang sama. Otomatis cairan yang kita perlukan menjadi berkurang. Jika gelembung itu besar pada eye impeller, pompa akan kehilangan pemasukan dan akhirnya perlu priming (tambahan cairan pada sisi isap untuk menghilangkan udara).
- Tekanan (Head) kadang berkurang
Gelembung-gelembung tidak seperti cairan, ia bisa dikompresi (compressible). Nah, hasil kompresi inilah yang menggantikan head, sehingga head pompa sebenarnya menjadi berkurang. Pembentukan gelembung pada tekanan rendah karena tidak bisa terbentuk pada tekanan tinggi.
Kita harus selalu ingat bahwa jika kecepatan fluida bertambah, maka tekanan fluida akan berkurang. Ini artinya kecepatan fluida yang tinggi pasti di daerah bertekanan rendah. Ini akan menjadi masalah setiap saat jika ada aliran fluida melalui pipa terbatas, volute atau perubahan arah yang mendadak. Keadaan ini sama dengan aliran fluida pada penampang kecil antara ujung impeller dengan volute cut water.
- Bagian-bagian Pompa Rusak
• Gelembung-gelembung itu pecah di dalam dirinya sendiri, ini dinamakan imploding kebalikan dari exploding. Gelembung-gelembung itu pecah dari segala sisi, tetapi bila ia jatuh menghantam bagian dari metal seperti impeller atau volute ia tidak bisa pecah dari sisi tersebut, maka cairan masuk dari sisi kebalikannya pada kecepatan yang tinggi dilanjutkan dengan gelombang kejutan yang mampu merusak part pompa. Ada bentuk yang unik yaitu bentuk lingkaran akibat pukulan ini, dimana metal seperti dipukul dengan ball peen.
• Kerusakan ini kebanyakan terjadi membentuk sudut ke kanan pada metal, tetapi
pengalaman menunjukan bahwa kecepatan tinggi cairan kelihatannya datang dari segala sudut.
Semakin tinggi kapasitas pompa, kelihatannya semakin mungkin kavitasi terjadi. Nilai Specific speed pump yang tinggi mempunyai bentuk impeller yang memungkinkan untuk beroperasi pada kapasitas yang tinggi dengan power yang rendah dan kecil kemungkinan terjadi kavitasi. Hal ini biasanya dijumpai pada casing yang berbentuk pipa, dari pada casing yang berbentuk volute seperti yang sering kita lihat.
Kavitasi pada dasarnya dapat dicegah dengan membuat NPSH yang tersedia lebih
besar dari pada NPSH yang diperlukan. Dalam perencanaan instalasi pompa, hal‐hal berikut
harus diperhitungkan untuk menghindari kavitasi.
1. Ketinggian letak pompa terhadap permukaan zat cair yang dihisap harus dibuat serendah mungkin agar head isap statis menjadi rendah pula.
2. Pipa isap harus dibuat sependek mungkin. Jika terpaksa dipakai pipa isap yang panjang, sebaiknya diambil pipa yang berdiameter satu nomor lebih besar untuk mengurangi kerugian gesek.
3. Hindari penggunaan katup yang tak perlu dan menekuk pipa pengisapan.
4. Hindari masuknya udara pada sisi isap pompa.
Berikut adalah cara menentukan apakah pompa mengalami kavitasi/tidak:
1. Hitung pressure static di suction pompa (tidak termasuk pressure akibat velocity fluida). Pakai software simulasi jika sistemnya kompleks. Pastikan anda memasukkan komponen2 yang berpengaruh (valve, orifice, elbow, panjang pipa, dll).
2. Cek NPSHR di curve dari manufacturer pompa (Pada umumnya pompa ditest
menggunakan air pada temperature kamar, jadi berhati-hatilah jika fluida anda bukan air)
3. GPSA databook memberikan guide safety margin 2-3 ft NPSHA lebih tinggi dari
NPSHR.
Menyambung dengan ekspander setidaknya akan membuat restriksi ke suction pompa anda berkurang (meninggikan NPSHA).Menggunakan expander juga akan memperkecil resiko udara terperangkap. Namun dibandingkan dengan menggunakan pipa yang sesuai, grafik sistem akan berubah (perubahan diameter dianggap restriksi).
Beberapa efek yang ditimbulkannya dan klasifikasi kavitasi,yaitu : 1. Vaporisation - Penguapan.
2. Air Ingestion - Masuknya Udara Luar ke Dalam System
Pompa sentrifugal hanya mampu meng'handle' 0.5% udara dari total volume. Lebih dari 6% udara, akibatnya bisa sangat berbahaya, dapat merusak komponen pompa. Udara dapat masuk ke dalam system melalui beberapa sebab, antara lain :
Dari packing stuffing box. Ini terjadi, jika pompa dari kondensor, evaporator atau peralatan lainnya bekerja pada kondisi vakum.
Letak valve di atas garis permukaan air (water line).
Flens (sambungan pipa) yang bocor.
Jika 'bypass line' letaknya terlalu dekat dengan sisi isap, hal ini akan menambah suhu udara pada sisi isap.
Berkurangnya fluida pada sisi isap, hal ini dapat terjadi jika level cairan terlalu rendah.
3. Internal Recirculation - Sirkulasi Balik di dalam System
Kondisi ini dapat terlihat pada sudut terluar (leading edge) impeller, dekat dengan diameter luar, berputar balik ke bagian tengah kipas. Ia dapat juga terjadi pada sisi awal isap pompa. Efek putaran balik ini dapat menambah kecepatannya sampai ia menguap dan kemudian 'pecah' ketika melalui tempat yang tekanannya lebih tinggi. Ini selalu terjadi pada pompa dengan NPSHA yang rendah. Untuk mengatasi hal tersebut, kita harus tahu nilai Suction Spesific Speed, yang dapat digunakan untuk mengontrol pompa saat beroperasi, berapa nilai terdekat yang teraman terhadap nilai BEP(Best Efficiency Point) pompa yang harus diambil untuk mencegah terjadinya masalah.
Catatan penting :
Untuk pompa double suction, kapasitas dibagi 2 karena ada 2 impeller eyes.
Ideal untuk 'membeli' pompa dengan nilai Suction Spesific Speed kurang dari
8500(5200 metrik) kecuali untuk kondisi yang ekstrim.
Mixed Hydrocarbon dan air panas idealnya pada 9000 ÷ 12000 (5500÷7300 metric) atau lebih tinggi, lebih bagus.
Nilai Suction Spesific Speed yang tinggi menandakan impeller eye-nya lebih besar dari biasanya dan biasanya nilai efisiensinya disesuaikan dengan nilai NPSHR yang rendah.
Lebih tinggi nilai Suction Spesific Speed memerlukan desain khusus, operasinya
memungkinkan adanya kavitasi.
Biasanya, pompa yang beroperasi dibawah 50% dari nilai BEP-nya tidak reliable.
Jika kita memakai open impeller, kita dapat mengoreksi internal recirculation dengan mengatur suaian(clearance) impeller sesuai dengan spesifikasi pabrik pembuatnya. Jenis impeller untuk jenis Closed Impeller lebih banyak masalahnya dan kebanyakan pada prakteknya dikembalikan ke pabrik pembuatnya untuk di evaluasi atau mungkin didesain ulang pada impellernya atau perubahan ukuran suaian (clearance) pada wearing ring. [5]