commit to user 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
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 :
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.
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)
r
1U1
U2
r
2ω
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
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∞),
=
.,
dimana Cu2 = U2 - Cm2 . Ctg β2 , sedangkan nilai kapasitas(Q), = . . . , sehingga =. , maka :
= −
. .
. (2.1)
= −
.. .
(2.2)
Dimana :
H
th∞= head teoritis
U
2= kecepatan tangensial β
2= sudut sudu keluar impeller D
2= diameter luar impeller
b
2= 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).
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
g u22
.
c. Jika β2>90o menjadi Ctg β2<0
Sudu dilengkungkan ke depan dan Head (H) bertambah dengan naiknya Kapasitas (Q).
2 90o
2 90
o
2 90
o Gambar 2.7 bentuk profil sudut keluaran (β2) impeller (hydrauliccompressible flow turbomachines, 1992)
Gambar 2.8 grafik pengaruh β2 terhadap performa Head (H) dan Kapasitas (Q) (grundfos research, 2010)
u
2C
u2, 2
c
uD Cu
W
22
C
mC
2
2 '
2
Low pressure
High pressure
2.2.3. Pengaruh penambahan jumlah sudu terhadap performa pompa
Pada kondisi nyata sudut fluida meninggalkan impeller ( ) mengalami 2 perubahan. Hal itu disebabkan adanya slip pada fluida (cairan) atau fluid slip.
Adanya fluid slip akan mengurangi besarnya
Cu
2. 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).
Gambar 2.10 kondisi slip (hydraulic and compresibel flow turbomachinery 1990)
Sehingga Cu2 berkurang menjadi Cu2'.
Cu
didefinisikan sebagai slip.Slip faktor (
σ
s) didefinisikan :
s2 ' 2
Cu
Cu
Persamaan Stodola tentang fluid slip : Cu
ωe
e 2
2
z sin r
π
z = jumlah sudu dengan mengabaikan ketebalan Cu
2
2
z sin r . π
ω β
2 2 2
2 sin
r . z
r r π
ω . β
2 2 2
2 πr sin
r . z
u β
z β2
2 πsin
u
Bila tidak ada slip
Cu
2 u
2 Cm
2Cot
2 Slip Faktor
2 2
Cu ΔCu
Cu
Cu2
ΔCu
1
) Cot Cm (u
z
sin π 1 u
2 2
2
2 2
2 2
2 2
u Cot 1 Cm z
sin 1 π
=
.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 :
=
(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 :
=
(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.
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.
=
(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
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 :
= − +
(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 =
.+ +
(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)
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
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.
=
(2.10)Dimana :
σc = Angka kavitasi kritikal NPSHR = NPSH yang diperlukan (m) H = Head total pompa (m)
