PERANCANGAN POMPA SUBMERSIBEL UNTUK
KEPERLUAN PENYEDIAAN AIR DI ISTANA BUSINESS
CENTER MEDAN BERKAPASITAS 19,5 M
3/JAM DENGAN
HEAD TOTAL 42 M
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
FADLI POHAN NIM : 08 0401 116
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Pompa adalah mesin yang digunakan untuk memindahkan fluida cair dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi, atau dari daerah bertekanan rendah ke daerah bertekanan tinggi, atau melewati saluran dengan tahanan hidrolik tinggi. Salah satu dari sekian jenis pompa adalah pompa sentrifugal.
Salah satu tujuan penggunaan pompa terutama pompa sentrifugal adalah untuk penyediaan air bagi berbagai keperluan. Untuk memperoleh sumber untuk penyediaan air, penggunaan sumur penggunaan sumur adalah salah satu alternatif yang sering dipakai. Pompa submersibel tipe sentrifugal menjadi pilihan yang sesuai untuk sumur yang dalam yang memerlukan tinggi-tekan pengangkatan ( suction lift ) yang cukup besar.
Pada skripsi ini direncanakan sebuah pompa submersibel lima tingkat dengan poros vertikal untuk kebutuhan persediaan air di Business Center Medan. dengan kapasitas 19,5 m3/jam dengan tinggi tekan total 42 m. Penggerak yang digunakan adalah motor submersibel dengan daya 5,5 kW pada putaran 2875 rpm. Perancangan elemen-elemen pompa terdiri dari perancangan impeller, difuser, poros, kopling, bantalan serta komponen-komponen pelengkap lainnya.
KATA PENGANTAR
Ucapan terimakasih serta syukur kehadirhat Allah SWT karena rahmat dan karunianya yang maha besar akhirnya skripsi ini dapat selesai.
Skripsi ini ditulis guna melengkapi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Judul dari Skripsi ini adalah “PERANCANGAN POMPA SUBMERSIBEL UNTUK KEPERLUAN PENYEDIAAN AIR DI ISTANA BUSINESS CENTER MEDAN BERKAPASITAS 19,5 M3/JAM DENGAN HEAD TOTAL 42 M”.
Tak dapat dipungkiri skripsi ini dapat selesai berkat bantuan, semangat, bimbingan, dan dorongan dari berbagai pihak, langsung maupun tidak langsung dan selayaknya Penulis menghaturkan terimakasih dan rasa hormat yang besar kepada :
1. Bapak Ir.H. A.Halim Nasution M.Sc, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak DR.ING.Ir.Ikhwansyah Iranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
3. Bapak / Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU.
4. Kedua orang tua saya Ayahanda, Bustamam Pohan dan Ibunda Lindawati serta kakak saya Fitri Anika Pohan , Melda Mestika Pohan dan adik saya Nicco Satria Pohan, serta kekasihku Rina Hastarita, S.Pd. yang terus membimbing dan mengarahkan saya. 5. Seluruh rekan-rekan mahasiswa teknik mesin stambuk 2006 yang
Penulis menyadari bahwa skripsi ini belumlah sempurna, untuk itu mohon maaf dan semoga dapat bermanfaat bagi kita semua yang membacanya, sebelum dan sesudahnya saya ucapkan banyak terima kasih.
Medan, April 2012 Penulis,
DAFTAR ISI
Abstrak ... i
Kata Pengantar ... ii
Daftar Isi ... iv
Daftar Gambar ... vii
Daftar Tabel ... x
Daftar Notasi ... xi
BAB I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penulisan ... 2
1.3 Metodologi ... 2
1.4 Batasan Masalah ... 3
1.6 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II Tinjauan Pustaka 2.1 Klasifikasi dan Penggunaan Pompa ... 5
2.1.1 Reciprocating Pump ... 6
2.1.2 Pompa Putar... 8
2.1.3 Pompa Sentrifugal... 10
2.2 Dasar Pemilihan Pompa ... 14
2.3 Pra-Rancangan Submersibel Pump ... 19
2.3.1 Wellhead ... 21
2.3.2. Junction Box ... 21
2.3.3 Switchboard ... 21
2.3.5 Motor Listrik Mampu Benam ... 22
2.3.6 Kabel Daya ... 22
2.3.7 Pompa Sentrifugal ... 23
2.3.8 Pipa Kolom ... 25
2.3.9 Well Casing ... 25
BAB III PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA 3.1 Head Total dan Kapasitas Pompa ... 27
3.2 Tinjauan Jumlah Tingkat ... 32
3.3 Pemilihan Bahan Komponen Pompa ... 33
3.4 Daya Pompa... 35
3.5 Pemilihan Motor Listrik Submersibel ... 35
BAB IV PERENCANAAN KOMPONEN UTAMA POMPA 3.1 Perencanaan Impeler ... 38
3.2 Perencanaan Difuser ... 64
3.3 Perencanaan Poros ... 71
3.4 Perencanaan Bantalan ... 76
3.5 Perencanaan Kopling ... 80
3.6 Perencanaan Baut ... 84
BAB V EFISIENSI, KAVITASI, DAN KARAKTERISTIK POMPA 4.1 Efisiensi Pompa ... 87
4.1.1 Efisiensi Volumetrik ... 87
4.1.2 Efisiensi Hidrolik ... 88
4.1.4 Efisiensi Total ... 90 4.2 Kavitasi Pompa... 91 4.3 Karakteristik Pompa ... 92 BAB V I Kesimpulan dan Saran
5.1 kesimpulan ... 101 5.2 Saran ... 104 Daftar Pustaka
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Klasifikasi Pompa
Gambar 2. 2 Jenis-jenis Pompa Resiprok Gambar 2. 3 Jenis-jenis Pompa Putar
Gambar 2. 4 Jenis-jenis Aliran dalam Impeler Gambar 2. 5 Pompa Turbin-Regeneratif Gambar 2.6 Diagram pemilihan jenis pompa Gambar 2.7 Shaft Driven Pump
Gambar 2.8 Instalasi Pompa Submersibel
Gambar 2.9 Contoh konstruksi submersible pump Gambar 3.1 Skema Instalasi Perancangan Pompa Gambar 3.2 Koefisien Gesekan pada Elbow 900 Gambar 3.3 Koefisien Gesekan pada Gate Valve Gambar 3.4 Koefisien Gesekan pada Check Valve
Gambar 3.5 Grafik Efisiensi pompa sebagai fungsi kapasitas dan Kecepatan Spesifik
Gambar 4.1 Diagram Kecepatan Masuk dan Keluar Suatu Impeler Gambar 4.2 Diagram Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar
Gambar 4.3 Bentuk dan Jenis Impeler Berdasarkan Kecepatan Spesifik Gambar 4.4 Profil impeler double curvature dan segitiga kecepatannya Grafik 4.5 Grafik hubungan antara Kcm1 dan Kcm2 dengan nsq
Gambar 4.9 Penggambaran garis alir rancangan Gambar 4.10 Rancangan tip impeler
Gambar 4.11 Pembagian segmen ∆s dan jari-jari r Gambar 4.12 Segitiga kecepatan pada sisi masuk Gambar 4.13 Segitiga kecepatan di sisi keluar impeler Gambar 4.14 Dimensi Difuse ring
Gambar 4.15 Grafik Hubungan Kcv = f(ns) Gambar 4.16 Profil Diffuser yang direncanakan Gambar 4.17 Diagram gaya aksial
Gambar 4.18 Poros yang direncanakan
Gambar 4.19 Diametral clearance minimum yang diijinkan antara journal dengan bantalan berdasarkan diameter journal dan putaran Gambar 4.20 Tata Nama dan Profil Involute SP Line
DAFTAR TABEL
DAFTAR NOTASI
u = kecepatan suatu titik pada impeler tersebut relatif terhadap tanah ( m/s ) w = kecepatan partikel fluida relatif terhadap impeler ( m/s )
c = kecepatan absolut partikel fluida yang mengalir melalui impeler relatif terhadap tanah ( m/s )
= sudut antara c dan u ( º )
= sudut antara w dan perpanjangan u ( º )
.
m = laju aliran massa fluida ( kg/s ) P = daya ( Watt )
= kecepatan sudut ( rad/s )
Hth = head teoritis pompa ( m )
= berat Jenis fluida ( N/m3 )
g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2 n = kecepatan putar poros pompa ( rpm )
Q = kapasitas pompa [ SI ( m3/s ) , British ( gpm ) ] H = tinggi tekan pompa [ SI ( m ), British ( ft ) ] nsq = kecepatan spesifik kinematik ( rpm )
nsp = kecepatan spesifik dinamik ( rpm )
= massa jenis fluida ( kg/m3 )
nsf = bilangan bentuk
= berat jenis fluida (N/m3)
ηt = efisiensi total pompa
σu = kekuatan tarik material ( MPa )
σy = batas elastis ( ksi atau MPa )
τa = tegangan geser poros yang diijinkan ( MPa )
Kt = faktor koreksi momen puntir jika terjadi tumbukan / kejutan Cb = faktor koreksi jika terjadi pembebanan lentur.
dsh = diameter poros ( mm )
dh = diameter untuk hub depan impeler ( mm )
dh’ = diameter untuk hub belakang impeler ( mm )
Kcm1 = koefisien kecepatan pada sisi masuk impeler
cm1 = kecepatan meridian fluida ( m/s )
φ1 = koefisien penyempitan ( constriction coefficient) pada sisi masuk
Ao = luas penampang sisi masuk impeler ( m2 )
co = kecepatan fluida masuk impeler ( m/s )
Ao’ = luas penampang masuk total ( m2 )
do = diameter impeler pada sisi masuk ( mm )
Hth = tinggi tekan teoritis untuk impeler dengan jumlah sudu
terbatas ( m )
cm2 = kecepatan meridian pada sisi keluar ( m/s )
β2 = sudut sisi keluar
Cp = koefisien Pfleiderer untuk impeler dengan jumlah sudu
terbatas
H = head pompa per tingkat
d2 = diameter sisi keluar impeler ( m )
A2 = luas penampang sisi keluar impeler yang telah dikoreksi
φ2 = koefisien kontraksi pada sisi keluar impeler
Q’ = kapasitas fluida yang melewati impeler t2 = lebar pitch pada sisi keluar sudu (mm)
su2 = ketebalan sudu pada sisi keluar dalam arah keliling (mm)
z = jumlah sudu
d2 = diameter sisi keluar impeler ( mm )
su1 = tebal sudu pada sisi masuk dalam arah keliling ( mm )
s2 = tebal sudu pada sisi keluar impeler ( mm )
Mst = momen statis pada garis alir tengah ( A1A2 ) ( mm2 )
e = panjang garis alir tengah ( A1A2 ) ( mm ) s1 = tebal sudu pada sisi inlet ( mm )
t1 = lebar pitch pada sisi masuk impeler ( mm )
λ’1 = sudut antara tip dengan garis alir A1A2 ( º )
r2 = jari-jari lingkaran terluar impeler ( mm )
ψ' = koefisien untuk menentukan Cp
u1A = kecepatan tangensial sudu pada titik A1 ( m/s )
u1B = kecepatan tangensial sudu pada titik B1 ( m/s )
u1C = kecepatan tangensial sudu pada titik C1 ( m/s )
QL = kebocoran aliran ( m3/s )
e = Clearance
HL = perbedaan tinggi-tekan antara sisi-sisi cincin
d4 = diameter sisi masuk difuser ( mm )
s4 = tebal awal sudu difuser ( mm )
b3 = lebar awal difuser ( mm )
K3 = koefisien untuk menghitung rugi-rugi akibat tidak seragamnya
kecepatan, dan adanya arus sekunder antara impeler dan cincin difuser jumlah sudu difuser zd
Ad = luas total sisi masuk difuser ring ( m2 )
cd = kecepatan aliran fluida rata-rata pada inlet difuser ( m/s )
rB = radius Sisi Masuk Difuser ( mm )
l = panjang laluan pada cincin difuser ( mm ) d5 = diameter terluar difuser ( mm )
δ = Sudut Divergensi ( º )
c5 = kecepatan fluida keluar dari cincin difuser ( m/s )
zR = jumlah sudu pengarah balik
b7 = lebar sudu pengarah balik pada sisi masuk ( mm )
s7 = tebal awal sudu pengarah balik ( mm )
α7 = maka sudut inklinasi pada sisi masuk pengarah balik ( º )
K7 = koefisien untuk memperhitungkan gesekan pada U-turns
Ta = resultan gaya aksial (kg)
T1 = gaya yang disebabkan tekanan pada dinding impeler (kg)
T2 = gaya yang disebabkan perubahan momentum fluida (kg)
G = modulus geser elastis ( MPa ) J = momen inersia polar ( m4 )
p = kapasitas beban bantalan luncur ( N )
V = kecepatan linear operasi pada bantalan luncur ( m/s ) f = koefisien gesek bantalan
σc = tegangan desak ( MPa )
σca = tegangan desak yang diijinkan ( MPa )
E = modulus elastisitas ( MPa )
q = tegangan kontak pada permukaan ulir ( MPa ) qa = tegangan kontak yang diijinkan ( MPa )
ηv = efisiensi volumetris
ηh = efisiensi hidrolis
ηm = efisiensi mekanis
ηtot = efisiensi total
NPSH = Net Positif Suction Head ( m ) Hth∞ = head Euler ( m )
Hth = head teoritis ( m )
Hact = head aktual ( m )
hh = rugi-rugi hidrolis selama pemompaan ( m )
hs = kerugian hidrolis karena adanya shock loss atau turbulence los( m )
ABSTRAK
Pompa adalah mesin yang digunakan untuk memindahkan fluida cair dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi, atau dari daerah bertekanan rendah ke daerah bertekanan tinggi, atau melewati saluran dengan tahanan hidrolik tinggi. Salah satu dari sekian jenis pompa adalah pompa sentrifugal.
Salah satu tujuan penggunaan pompa terutama pompa sentrifugal adalah untuk penyediaan air bagi berbagai keperluan. Untuk memperoleh sumber untuk penyediaan air, penggunaan sumur penggunaan sumur adalah salah satu alternatif yang sering dipakai. Pompa submersibel tipe sentrifugal menjadi pilihan yang sesuai untuk sumur yang dalam yang memerlukan tinggi-tekan pengangkatan ( suction lift ) yang cukup besar.
Pada skripsi ini direncanakan sebuah pompa submersibel lima tingkat dengan poros vertikal untuk kebutuhan persediaan air di Business Center Medan. dengan kapasitas 19,5 m3/jam dengan tinggi tekan total 42 m. Penggerak yang digunakan adalah motor submersibel dengan daya 5,5 kW pada putaran 2875 rpm. Perancangan elemen-elemen pompa terdiri dari perancangan impeller, difuser, poros, kopling, bantalan serta komponen-komponen pelengkap lainnya.
BAB I
PENDAHULUAN
1. 1 Latar Belakang
Dewasa ini, pompa yang merupakan mesin yang digunakan untuk mengalirkan atau menaikkan zat cair, sudah sangat luas penggunaanya. Mulai dari pompa untuk keperluan rumah tangga, sampai pompa-pompa untuk industri-industri besar seperti industri-industri perminyakan, gas, dan reaktor nuklir.
Penggunaan pompa yang demikian luas itu dengan berbagai macam jenis dan bentuknya, memerlukan pengetahuan yang cukup untuk merancang, membuat, maupun memilih tipe pompa yang tepat sesuai dengan kondisi dan lingkungan operasi yang dilayaninya. Mulai dari tujuan penggunaanya, jenis dan sifat fluida yang dipompa, keadaan lingkungan, head dan kapasitasnya, pemilihan penggeraknya, bahkan sampai instalasi dan perawatannya.
Salah satu tujuan penggunaan pompa adalah untuk penyediaan air bagi berbagai keperluan. Di rumah tangga penyediaan air digunakan untuk mandi, mencuci, dan juga untuk minum. Sedangkan di industri kebanyakan digunakan untuk keperluan proses, pembersihan peralatan, pemadam kebakaran dan juga untuk pendinginan mesin.
pada daerah tertentu diperlukan sumur yang dalam untuk memperoleh sumber air tanah. Pompa jenis biasa sangat sulit digunakan untuk sumur yang dalam. Selain karena keterbatasan tinggi tekan pengangkatan ( suction lift ), juga karena kendala dimensinya yang tidak sesuai dengan bentuk sumur. Pompa Submersibel memiliki bentuk yang memanjang dengan diameter yang relatif kecil sehingga sesuai dengan bentuk sumur. Karena itu pompa submersibel atau mampu rendam menjadi pilihan yang sesuai.
Mengingat akan pentingnya penggunaan pompa submersible itulah yang mendasari keinginan penulis untuk mencoba merancang sebuah pompa air sumur dalam tipe submersibel yang digunakan untuk penyediaan air.
1. 2 Tujuan Penulisan
1. Memenuhi syarat kelulusan Program Strata-1, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara.
2. Menggunakan ilmu yang telah diperoleh selama di bangku kuliah untuk perancangan sebuah mesin.
3. Mengetahui tata cara perancangan dan pemilihan komponen-komponen utama suatu pompa dengan berbagai permasalahan dan pertimbangannya. 4. Mampu memilih dan menentukan jenis pompa yang tepat sesuai dengan
aplikasi dan kondisi operasinya.
5. Mampu memperkirakan secara cermat karakteristik pompa hasil rancangan. 1. 3 Metodologi
berbagai pertimbangan dan perhitungan parameter-parameter yang dibutuhkan untuk perencanaan pompa dan komponen pendukungnya yang disusun menjadi skripsi.
Metodologi yang dilakukan penulis dalam penulisan Tugas Sarjana ini adalah : 1. Metode wawancara
Penulis melakukan tanya jawab langsung dengan pihak kontraktor yang bersangkutan untuk mendapatkan informasi tentang topik yang dibahas. 2. Metode Observasi
Penulis melakukan peninjauan mengenai pompa sumur dalam tipe submersibel di Istana Business Center Medan.
3. Metode Kepustakaan
Penulis mempelajari buku buku referensi baik mengenai perencanaan pompa, berbagai pertimbangan dan perhitungan parameter-parameter yang dibutuhkan untuk perencanaan pompa dan komponen pendukungnya yang disusun menjadi skripsi.
1. 4 Batasan Masalah.
Penulisan skripsi ini dititikberatkan pada perancangan komponen sistem mekanis pompa sumur dalam tipe submersibel dan perhitungan prestasi pompa tersebut secara teoritis, yang secara umum terdiri dari :
a) Perencanaan impeler meliputi jenis serta dimensi, diffuser ,poros dan bantalan, pasak, pemilihan motor, dan bagian-bagian lain yang akan ditentukan pada bab selanjutnya.
1.5 Sistematika Penulisan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Pompa adalah mesin yang digunakan untuk memindahkan fluida cair dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi, atau dari daerah bertekanan rendah ke daerah bertekanan tinggi, atau melewati saluran dengan tahanan hidrolik tinggi. Pompa bekerja karena adanya perbedaan tekanan antara sisi masuk dan sisi keluar dari elemen bergerak pada pompa seperti impeler, piston, plunyer, lobe dsb.
Pompa memindahkan energi mekanik dari penggerak mula ke fluida yang melewatinya, yang akan meningkatkan energi fluida untuk digunakan memindahkan fluida dan mengatasi tahanan hidrolik pipa. Suatu sistem yang terdiri dari pipa isap, pompa dan pipa buang disebut sistem pemompaan.
2. 1 Klasifikasi dan Penggunaan Pompa
Secara umum pompa dibagi menjadi dua kelompok berdasarkan cara mengalirkan cairan dari sisi isap ke sisi buang casingnya yaitu : pompa kerja positif ( positive displacement pump ) dan pompa kerja dinamis ( Rotodynamic pump ). Secara garis besar klasifikasi pompa dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Pompa Kerja Positif.
Reciprocating pump dan pompa putar termasuk dalam kelompok ini, di
Pompa
Kerja Posit if
Torak Putar
Kerja Dinamis
Sent rifugal Turbin Regenerat ive
Gambar 2.1. Klasifikasi Pompa (Sumber : Tyler G. Hicks, Pump Application Engineering)
Pompa Kerja Dinamis
Pompa dengan elemen bergerak berupa rotor bersudu yang mempercepat aliran fluida dengan putarannya sehingga terjadi kenaikan energi berupa energi kinetik lalu dirubah menjadi energi tekanan dengan melewatkannya pada saluran yang meluas.
2.1.1 Reciprocating Pump
Pada pompa ini fluida dipindahkan dengan gerakan bolak-balik elemen bergerak pompa di dalam silinder. Elemen bergerak ini berupa piston atau
plunyer. Pompa jenis ini biasanya dibuat dengan susunan satu silinder ( simpleks ), dua silinder ( dupleks ) atau tiga silinder ( tripleks ). Kerja pompa ini
dapat berupa Aksi tunggal ( Single Acting ) atau aksi ganda ( Double Acting ). Pada dasarnya pompa ini ada dua jenis yaitu pompa aksi langsung dan pompa tenaga. Namun ada juga beberapa jenis yang merupakan modifikasi seperti pompa diafragma.
a) Pompa Aksi Langsung ( Direct-Acting Pump )
memindahkan cairan diperoleh dari tekanan uap. Pompa ini dibuat dengan sistem simpleks yaitu pasangan satu satu piston uap dan satu piston cairan, atau sistem dupleks yaitu pasangan dua piston uap dan dua piston cairan.
Keperluan pengisian ketel bertekanan rendah hingga menengah, lumpur, beton dan campuran lumpur ( slush ), pemompaan minyak dan air merupakan beberapa penggunaan pompa ini.
b) Pompa Tenaga ( Power Pump )
Pada pompa ini batang piston atau plunyer dihubungkan dengan poros engkol yang digerakkan oleh motor listrik atau motor bakar melalui transmisi. Pompa jenis ini dapat berupa jenis vertikal maupun horizontal.
Pompa tenaga baik dipakai untuk keperluan tekanan tinggi seperti pres-hidrolik, pengisi air ketel, pemrosesan petroleum dan penggunaan yang serupa. c) Pompa Diafragma
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.2 berikut :
Pompa Plunyer Pompa Diagfragma
Pompa Aksi Langsung
Gambar 2.2 Jenis-jenis pompa Resiprok (Sumber : Hicks T.G., Pump Application Eng.)
2.1.2 Pompa Putar
a) Pompa Kam dan Piston
Pompa ini terdiri dari lengan eksentrik dan lengan bercelah pada bagian atasnya.
b) Pompa Roda Gigi
Jenis ini memiliki rotor berupa roda gigi bisa berupa pasangan roda gigi luar ( external-gear pump ) atau pasangan roda gigi dalam ( internal-gear pump ). Pada pompa ini cairan ditekan apabila gerigi bersatu.
c) Pompa Cuping ( Lobe Pump )
Pompa ini mirip dengan pompa roda gigi dalam hal aksinya dan mempunyai dua rotor atau lebih dengan dua, tiga atau empat cuping atau lebih pada masing-masing rotor
d) Pompa Sekrup
Jenis ini mempunyai satu, dua, tiga sekrup yang berputar di dalam rumah pompa yang diam. Fluida tertekan sambil mengalir melalui ulir-ulir sekrup sepanjang sumbu sekrup.
e) Pompa Baling
Pompa baling dibuat dengan berbagai macam desain. Diantaranya pompa baling berayun ( swinging-vane pump ), pompa baling geser ( sliding-vane pump), pompa blok kumparan dan lain-lain. Meskipun demikian prinsip kerjanya sama yakni memerangkap cairan ke dalam volume yang lebih kecil dan memaksanya keluar pada sisi buang pompa.
minyak ( oil burner ), pompa untuk gas-gas yang dicairkan dan lain-lain. Contoh gambar pompa tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.3 berikut :
Gambar 2.3 Jenis-jenis pompa putar (Sumber : Tyler G. Hicks, Pump Application Eng.)
2.1.3 Pompa Sentrifugal
Pompa jenis ini rotor berupa impeler yang diputar oleh penggerak mula, menyebabkan cairan yang ada di dalam pompa ikut berputar karena dorongan sudu-sudu, menyebabkan timbulnya gaya sentrifugal yang akan mempercepat fluida sehingga meninggalkan impeler dalam kecepatan tinggi. Energi kinetik karena kecepatan tinggi ini kemudian diubah menjadi energi tekanan dengan melewatkannya pada saluran dengan penampang yang makin membesar, sehingga fluida meninggalkan pompa dalam kondisi tekanan tinggi.
Berdasarkan aliran dalam impeler pompa dikelompokkan menjadi :
a) Pompa Aliran Radial : arah aliran cairan saat keluar dari impeler tegak lurus dengan poros pompa
b) Pompa Aliran Campur : arah aliran cairan saat keluar dari impeler membentuk sudut sehingga komponen kecepatannya berarah radial dan aksial.
c) Pompa Aliran Aksial : arah aliran cairan saat keluar dari impeler searah dengan poros pompa. ( lihat Gambar 2.4 )
Gambar 2.4 Jenis-jenis aliran dalam impeler (Sumber : Lexicon, Centrufugal Pump)
Berdasarkan selubung impeler :
a) Pompa Impeler tertutup : impeler jenis ini sudu-sudunya diberi selubung depan dan belakang.
b) Pompa Impeler setengah terbuka : impeler jenis ini sudu-sudunya hanya diberi selubung pada bagian belakang, bagian depan terbuka.
Berdasarkan kapasitasnya :
a) Kapasitas rendah : ( < 20 m3 / jam ) b) Kapasitas menengah : ( 20 – 60 m3 / jam ) c) Kapasitas tinggi : ( > 60 m3 / jam )
Berdasarkan bentuk rumahnya :
a) Pompa Volut : rumah ( casingnya ) seperti rumah keong atau rumah spiral. b) Pompa Difuser : rumah ( casingnya ) dilengkapi sudu-sudu yang statis yang
akan membentuk laluan-laluan yang berangsur-angsur membesar ( difuser ). Dilengkapi dengan sudu pengarah ( guide vane ) ke tingkat selanjutnya jika pompa bertingkat.
Berdasarkan sisi masuk impeler :
a) Pompa Isapan Tunggal : pada jenis ini fluida masuk pada satu sisi impeler. b) Pompa Isapan Ganda : pada jenis ini cairan masuk di kedua sisi impeler.
Ada beberapa alasan yang menyebabkan pompa sentrifugal banyak digunakan :
1. Mampu bekerja pada putaran tinggi sehingga dapat langsung dikopling dengan penggerak mula
2. Keausan yang terjadi cukup kecil karena sedikitnya komponen yang bergesekan
3. Dapat beroperasi pada kapasitas besar
4. Fleksibel dalam pengaturan kapasitas dan head
Karena penggunaanya yang banyak, perlu kiranya kita mengetahui jenis-jenis pompa ini berdasarkan aplikasinya. Untuk diketahui aplikasi merupakan dasar perancangan dan pembuatan pompa. Beberapa diantaranya :
a) Pompa Untuk keperluan umum : Pompa ini biasanya dibuat untuk memompakan cairan yang dingin dan jernih pada temperatur lingkungan atau temperatur biasa. Sering berupa unit satu tingkat dengan rumah yang terbelah mendatar dan dengan perlengkapan standar.
b) Pompa Anti Sumbat : Dilengkapi dengan impeler yang mempunyai jumlah sudu sedikit, bisa dua atau tiga sudu saja atau bahkan tidak sama sekali. Impeler bisa jenis terbuka atau tertutup dengan ruang antara sudu cukup besar agar memungkinkan sembarang benda padat yang memasuki pompa keluar. Unit ini dapat memompakan air selokan, bubur kertas, lumpur encer ( slurry), dan cairan yang mengandung bahan padat lainnya.
c) Pompa Logam Cair : Desainnya biasanya tidak memakai paking, dengan poros yang mempunyai bagian tirus yang panjang menuju ke impeler. Beberapa pompa diisolasi, atau diberi jaket uap, bahkan dipanasi oleh tenaga listrik, ada pula yang didinginkan oleh udara atau air. Hal tersebut untuk menjaga elemen-elemen pompa pada temperatur cair logam yang dialirkan agar tidak terjadi pembekuan.
jenis ‘Sump Pump’ dan ‘Submersible Pump’. Pada Sump Pump motor listrik sebagai penggerak berada di permukaan dan dihubungkan dengan impeler melalui poros yang panjang. Pada Submersible Pump motor berada dibawah impeler sehingga ikut terendam.
1. Pompa Turbin Regeneratif
[image:30.595.233.393.360.474.2]Cairan pada jenis pompa ini dipusar oleh sudu impeler dengan kecepatan yang tinggi selama hampir satu putaran di dalam saluran yang berbentuk cincin ( annular ), tempat impeler tadi berputar. Pompa jenis ini pada umumnya hanya satu tingkat dan banyak digunakan untuk mengalirkan asam, garam, propana, butana, etana, freon dan lain-lain. ( lihat Gambar 2.5 )
Gambar 2.5 Pompa Turbin-Regeneratif ( Sumber : Tyler G. Hicks, Pump Application Engineering )
2.2 Dasar Pemilihan Pompa Submersible
Pada Tugas Akhir ini akan direncanakan sebuah pompa sumur dalam untuk keperluan persediaan air dari sumur bor, dengan kapasitas 325 liter / menit, dan tinggi tekan total 42 m, dan bekerja 24 jam. Angka-angka tersebut, kecuali kapasitas, sesuai dengan data yang diperoleh penulis dari survei di Istana Business Center Medan.
terperinci,yang akan berpengaruh pada perancangan dan pemilihan bahan pompa, yakni :
1. Kondisi Operasi : Pompa direncanakan bekerja terus menerus 24 jam dengan debit yang dapat berfluktuasi akibat pengaruh kedalaman permukaan air. Namun perlu diingat kondisi kerja terbaiknya berada pada kapasitas dan tinggi-tekan sesuai desain .
2. Tempat Instalasi : Tempat Instalasi pompa adalah lubang hasil pengeboran yang diberi casing yaitu pipa yang lebih besar daripada diameter keseluruhan pompa yang bagian luarnya diperkuat dengan semen. Karena itu dalam perancangan impeler dan difuser serta rumah pompa diupayakan memiliki dimensi yang kecil. Untuk jelasnnya lihat Gambar.2.6
3. Kondisi fluida kerja : Fluida yang akan dipompa adalah air tanah. Air tanah yang dimaksud diasumsikan air tawar dengan kualitas fresh water, pH normal ( sekitar 7), dengan suhu berkisar antara 20° - 25° C, berat jenis γ sekitar 9784 N/m3, viskositas ≈ 9.52.10-7 m2/s, dan tekanan uap pada suhu tersebut Ps ≈ 2.84 kPa. Sebagaimana air tanah pada umumnya tentu fluida kerja di sini
mengandung bahan metal terlarut seperti : Na, Mg, Ca dan Fe, serta partikel-partikel padat seperti pasir dan butiran lainnya. Namun kandungan mineralnya tidak besar sehingga tidak sampai dikategorikan air sadah.
4. Kapasitas pemompaan diketahui 325 liter / menit atau 0.325 m3 / menit atau 19,5 m3 / jam atau 5,42.10-3 m3 / detik atau 85.86 US GPM.
6. Putaran pompa, yang disesuaikan dengan putaran motor listrik yang dipakai, dan akan dibahas kemudian.
[image:32.595.133.489.214.441.2]7. Suplai listrik yang tersedia terutama tegangan dan frekuensinya. Dari data yang diperoleh suplai listrik yang tersedia tegangannya 380 V dengan frekuensi 50 Hz.
Gambar 2.6 Diagram pemilihan jenis pompa
(sumber: Fritz Dietzel, Turbin Pompa Kompresor )
dalam. Pada pompa submersibel hampir seluruh dayanya digunakan untuk mengatasi head statis dan head discharge-nya. Keuntungan lainnya adalah dengan positive suction head, kemungkinan kavitasi sangat kecil, bahkan boleh dikatakan
tidak ada.
Selain itu pemilihan pompa sentrifugal tipe submersibel ini juga didasarkan pada diagram pemilihan jenis pompa pada Gambar 2.6 di atas.
Berdasarkan diagram tersebut, pompa dengan kapasitas 85,86 US GPM dengan head 137,79 ft termasuk jenis pompa sentrifugal.
Ada dua tipe pompa yang biasa dipakai untuk pompa sumur dalam yaitu Shaft Driven Pump dan Submersible Pump. Perbandingan dari kedua jenis pompa
tersebut adalah sebagai berikut : a. Submersible Pump
Keuntungannya :
1. Biaya awal lebih murah 2. Konstruksinya lebih sederhana 3. Lebih ringan
4. Lebih mudah dipasang Kerugiannya :
1. Kualitas isolasi untuk motor listriknya harus tinggi
b. Shaft Driven Pump
Gambar 2.7 Shaft Driven Pump
( Sumber : Lexicon, Centrifugal Pump )
Keuntungannya :
1. memiliki kehandalan yang tinggi 2. Umur pemakaian lebih lama
3. Dapat digerakkan oleh motor bakar Kerugiannya :
1. Biaya awal lebih mahal 2. Konstruksinya lebih rumit 3. Instalasinya sulit
4. Pada kedalaman yang besar poros yang panjang merupakan permasalahan yang rumit.
Dengan kedalaman di bawah 10 m akan sulit mendesain poros yang panjang, hal ini menyangkut kopling antara sambungan poros dan pemilihan serta tata letak bantalan pendukungnya.
[image:35.595.191.431.222.499.2]2.3 Pra-Rancangan Pompa Submersibel
Gambar 2.8 Instalasi Pompa Submersibel
Pada tahun 1911 di negara Rusia, Armais Arutunoff telah membuat sebuah rancangan motor yang mampu benam atau submersible motor yang digunakan untuk memutar bor demi kepentingan militer. Kemudian tahun 1916 Mr. Arutunoff membuat desain sebuah pompa sentrifugal yang digerakkan dengan motor tadi. Hasil penemuannya itu digunakan untuk memompa air dari sumur dan kapal. Dewasa ini hasil rancangannya itu dikenal sebagai merek dagang Russian Electrical Dynamo by Arutunoff ( REDA ). Nama REDA Pump sangat akrab di
yang digunakan untuk eksplorasi minyak dari perut bumi di seluruh dunia menggunakan REDA Pump. Selain itu ada pula produsen submersible pump yang lain seperti : Centrilift, Grundfos, JMI Korea dan lain-lain.
Sebagai awalan pada Gambar 2.8 dapat dilihat instalasi sederhana sebuah submersible pump yang terdiri dari sebuah pipa casing sebagai sumur,
submersible motor atau motor mampu benam, Saringan masuk ( Strainer ),
Pompa sentrifugal bertingkat, Pipa Kolom ( Column Pipe ), Kabel Daya, dan Well Head ( Kepala Sumur ). Meskipun tidak ada dalam gambar, Junction Box,
Switchboard dan Transformer juga merupakan komponen penting pada Pompa Submersibel.
Secara umum komponen-komponen Submersible Pump yang akan dirancang, dipilih dan dibahas atau dibatasi pembahasannya pada tugas akhir ini terdiri dari :
A. Bagian yang terdapat di permukaan tanah, yaitu : 1. Wellhead
2. Junction Box
3. Switchboard
4. Transformer
B. Bagian yang ada di dalam tanah, yaitu : 1. Electric Submersible Motor
2.3.1 Wellhead
Wellhead atau tubing support merupakan bagian teratas dari instalasi
Submersible Pump. Pada bagian ini terdapat pondasi ( Base ) pompa untuk
menahan berat seluruh komponen pompa yang ada di dalam tanah. Discharge pipe yang dilengkapi check valve untuk mencegah arus balik dari fluida ke pompa.
Selain itu dilengkapi dengan penutup sumur ( Well Seal ) yang berupa pelat. Pada Tugas akhir ini tidak akan dilakukan perhitungan dan perancangan pondasi pompa, karena mengingat perencanaan sebuah pondasi memerlukan analisa dan perhitungan yang cukup rumit.
Untuk check valve, biasanya dipilih tipe Butterfly check valve mengingat konstruksinya yang sederhana, dan pemasangan dan pemeliharaannya cukup mudah. Selain itu cukup tangguh dalam operasinya. Check valve dipasang dimaksudkan untuk menahan tekanan balik dari fluida pada instalasi, sehingga tidak merusak pompa.
2.3.2 Junction Box
Alat ini berfungsi utama untuk menghubungkan kabel daya dari dalam tanah dengan kabel daya pada permukaan tanah. Komponen ini tidak akan dibahas di sini.
2.3.3 Switchboard
instrumen water level control, pengukur suhu cairan dalam motor dan getaran pondasi. Di mana bila parameter tersebut melebihi batas amannya maka secara otomatis pompa akan berhenti beroperasi. Pada Tulisan ini Switchboard tidak akan dibahas.
2.3.4 Transformer
Digunakan untuk mengubah tegangan dari suplay listrik menjadi tegangan yang dibutuhkan oleh motor. Komponen ini juga tidak dibahas pada Tulisan ini. 2.3.5 Motor Listrik Mampu Benam
Motor listrik jenis ini merupakan salah satu peralatan pada instalasi pompa submersibel yang memegang peranan penting dan memerlukan pengawasan yang ketat. Hal ini menyangkut kelangsungan operasi pemompaan. Masalah yang paling sering terjadi pada pompa submersibel adalah pada motor listrik ini. Selain kerusakannya memerlukan biaya perbaikan yang besar, tenaga teknisinya juga terbatas.
Sebagai perencanaan awal motor listrik yang dipilih adalah motor listrik mampu benam ( Submersible Motor ) Franklin Electric, dengan putaran 2875 rpm pada frekuensi 50 Hz, dengan 3 phase dan 2 kutub. Data-data teknis yang lain mengenai motor ini seperti No Seri, Daya, Arus maksimum, dimensi utama dan lain-lain akan dijelaskan pada Bab selanjutnya.
Alasan utama pemilihan motor ini adalah dimensinya yang cukup kecil dan sistem proteksinya satu paket dalam motor.
2.3.6 Kabel Daya
kabel daya di atas permukaan. Kabel daya yang dipakai merupakan satu paket dengan motor listrik mampu benam yang digunkan.
2.3.7 Pompa Sentrifugal
Pompa sentrifugal yang akan dirancang secara garis besar meliputi komponen-komponen dibawah ini :
a) Impeler
Impeler merupakan komponen utama pompa yang berputar bersama-sama dengan poros. Antara poros dan impeler dikunci dengan pasak. Komponen ini berfungsi untuk memberikan gaya sentrifugal ke fluida sehingga fluida dipercepat dan memiliki tambahan energi, sehingga dengan tambahan energi tersebut fluida dapat mengalir ke permukaan.
b) Difuser
Merupakan komponen yang berfungsi mengubah energi kinetik yang tinggi dari fluida yang baru keluar dari impeler menjadi energi tekanan, dengan melewatkannya pada saluran yang semakin membesar. Tujuannya mengurangai kecepatan fluida ( dengan mengkompensasikannya menjadi tekanan ), sehingga rugi-rugi karena gesekan dan turbulensi dapat dikurangi. Untuk pompa bertingkat banyak biasanya Difuser terintegrasi dengan sudu pengarah balik ke tingkat selanjutnya.
c) Sudu Pengarah Balik
d) Housing
Housing adalah rumah pompa yang di dalamnya terdapat impeler, difuser, sudu pengarah balik, seal, wearing ring, neckring, journal bearing dan berbagai komponen pendukung lainnya. Housing dirancang harus mampu menahan tekanan yang fluida pada proses pemompaan. Model housing ada bermacam-macam, bisa dalam bentuk tabung panjang saja ( shell ), bisa juga berupa segmen-segmen tiap tingkat pompa yang dikunci satu sama lain dengan flens, batang penetap atau bisa juga dengan ulir.
e) Poros
Poros merupakan komponen yang meneruskan daya dalam bentuk torsi dan putaran dari motor listrik ( dihubungkan dengan kopling ) ke impeler untuk memberikan gaya sentrifugal kepada fluida. Perencanaan poros harus sebaik mungkin dengan berbagai pertimbangan dan kemungkinan teknis. Poros ini akan didukung dengan berbagai komponen lain seperti kopling, pasak, dan bantalan-bantalan. Khusus untuk bantalan radial, digunakan bantalan luncur dengan air sebagai cairan pelumasnya.
f) Saluran Masuk dan Saluran Keluar
Saluran masuk berupa housing khusus untuk pemasukan fluida, tempat Strainer ( Saringan ) dan bagian yang akan dikunci dengan motor listrik. Sedangkan Saluran keluar juga berupa housing untuk mengalirkan fluida dari pompa ke pipa kolom, serta bagian yang akan dikunci dengan pipa kolom ( biasanya berupa flens ).
Gambar 2.9 Contoh konstruksi submersible pump
( Sumber : Anderson, H.H, Submersible Pump and Their Application )
2.3.8 Pipa Kolom
Pipa ini selain berfungsi sebagai pipa discharge juga berfungsi sebagai srtuktur yang mendukung pompa dan motor. Pipa ini harus mampu menahan gaya-gaya yang timbul pada pompa dan putaran motor seperti gaya aksial, gaya sentrifugal dan getaran akibat putaran motor. Dalam perancangan ini pipa discharge akan dipilih berdasarkan standar pipa Amerika.
2.3.9 Well Casing
BAB III
PERENCANAAN SPESIFIKASI POMPA
3.1 Head total dan kapasitas pompaPompa yang dirancang harus dapat memenuhi kebutuhan baik kapasitas maupun headnya. Dari data di lapangan besarnya kapasitas adalah 325 liter / menit atau 0.325 m3 / menit atau 19,5 m3 / jam atau 5,42.10-3 m3 / detik atau 85.86 US GPM dengan demikian maka dapat dihitung rancangan head pompa sebagai berikut :
[image:43.595.117.544.272.717.2]
Dari skema instalasi perancangan pompa diatas diperoleh perbedaan tinggi muka air adalah 32 meter dan panjang pipa tekan 25 meter.
Head pompa adalah besarnya energi yang diperlukan pompa untuk memindahkan ataupun mengalirkan fluida dari keadaan awal menuju keadaan akhir. Head total pompa yang harus disediakan pompa untuk mengalirkan jumlah fluida seperti yang direncanakan dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani oleh pompa tersebut.
Secara umum rumus head total pompa dinyatakan sebagai berikut :
1. Head statis yaitu head yang besarnya tidak dipengaruhi oleh kecepatan aliran fluida. Head statis dapat diketahui dengan persamaan (Stephen Lazarkiewics, Impeller Pump, hal 67 ) :
Hst = + Hz (3.1)
2. Head dinamis, yaitu head yang besarnya dipengaruhi oleh kecepatan aliran fluida. Head dinamis dapat diketahui dengan persamaan (Stephen Lazarkiewics, Impeller Pump, hal 67 ) :
Hd = ΣΔhs + ΣΔhd +
–
(3.2)
dengan demikian head total dirumuskan dengan persamaan seperti ditunjukkan dibawah ini (Stephen Lazarkiewics, Impeller Pump, hal 66) :
HTotal =
+ Hz + ΣΔhs + ΣΔhd +
–
(3.3) dimana :
H = head total pompa
Pdr = tekanan pada bagian tekan Psr = tekanan pada bagian isap
Hz = perbedaan tinggi muka air = 32 m
ΣΔhs = head losses pada sisi isap
ΣΔhd = head losses pada sisi tekan
cdr = kecepatan rata-rata fluida disisi tekan
csr = kecepatan rata-rata fluida disisi isap (cdr dan csr dianggap sama) g = percepatan gravitasi (9.81 kg/m2)
Maka :
Hst = + Hz (diasumsikan tekanan pada bagian tekan dan isap sama)
= 0 + 32 m = 32 m
Head looses pada sisi isap ΣΔhs serta pada sisi tekan ΣΔhd terdiri dari kerugian gesek dalam pipa, kerugian pada belokan, serta kerugian pada katup isap.
Kerugian gesek pada pompa submersibel hanya pada pipa tekan karena pompa dibenam kedalam fluida, dan dapat diketahui dengan menggunakan persamaan (Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor, hal 31) :
L d C
Q hf 1,85 4,85
85 , 1
666 , 10
(3.4)
Dimana,
hf = kerugian head akibat gesekan pada pipa
D = 4x jari – jari hidrolik (R) untuk pipa berpenampang lingkaran R = perbandingan antara luas penampang pipa, tegak lurus aliran (m2) dengan keliling pipa.
Q = kapasitas pompa (0.005416 m3/s) L = panjang pipa (25m)
C = koefisien pipa, (pipa besi cor baru = 130) Nilai R = Luas penampang pipa
Keliling pipa = 0.25 π D2
π D = 0.25 D
= 0.25 (75) mm (rencana diameter pipa tekan D = 3 in = 7,5 cm = 75 mm) = 18,75 mm
= 0,01875 m Maka :
D = 4 R
Sehingga :
L d C
Q hf 1,85 4,85
85 , 1
666 , 10
= 10,666 (0.005416)1,85 (25) 1301,85 x 0,0754,85
= 0,855 m
Kerugian head akibat alat alat kelengkapan dapat dicari dengan menggunakan persamaan (Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor, hal 32):
l H = z.k
g V
. 2
2
(3.5)
Alat alat kelengkapan yang digunakan adalah : Ellbow 90º (regular flanged 90º)
Gambar 3.2. Koefisien gesekan pada Ellbow 90º
( sumber : The Hydraulic Institute Standart Book )
Gate valve (flanged)
Gambar 3.3. Koefisien gesekan pada Gate Valve
( sumber : The Hydraulic Institute Standart Book )
[image:46.595.272.398.632.706.2] Check valve (Swing check valve)
Gambar 3.4. Koefisien gesekan pada Check Valve
Alat kelengkapan z k HL (m)
Ellbow 90º 3 0,27 Gate valve 1 0,14 Check valve 1 2
Hltot =
Kecepatan rata – rata dalam pipa dapat diketahui dengan: Vd = 2
d . π Q . 4
= 2 2
3 ) 0,075 ( / 0.005416 4 m x s m x
= 1,9 m/s
Maka nilai kerugian untuk belokan, yaitu : l
H = z.k g V
. 2
2
= . , .( , ) = 1,46 m
Nilai kerugian untuk Gate valve, yaitu : l
H = z.k g V
. 2
2
= . , .( , ) = 0,252 m
Nilai kerugian untuk Check valve, yaitu : l
H = z.k g V
. 2
2
= . , .( , ) = 2,61 m
Jali total Head losses = 1,46+0,252+2,61 = 4,322 m ≈ 5m
Maka nilai Head total untuk Submersible Pump ini adalah : 32m + 0.855 m + 5 m = 37,855 m ≈ 38 m
Namun untuk pemakainnya dalam jangka waktu yang lama maka perlu diperhatikan hal – hal sebagai berikut:
− Kondisi permukaan pipa yang dalam waktu jangka panjang akan semakin kasar, sehingga nantinya akan memperbesar kerugian yang terjadi.
− Penurunan kinerja pompa yang dipakai dalam rentang waktu yang lama.
Maka dalam perencanaannya head pompa perlu ditambah ( 10 ÷ 25 ) % [ pump handbook, hal 248 ]. Dalam perencanaan ini dipilih 10 %, maka besarnya
head pompa yang akan dirancang: Htotal = 38+3,8 = 41,8 ≈ 42 m
3.3 Tinjauan Jumlah Tingkat
Pompa bertingkat boleh dikatakan suatu keniscayaan pada submersibel pump. Karena dengan adanya tingkat-tingkat ini memungkinkan diameter pompa menjadi lebih kecil ( konsekuensinya panjangnya bertambah ), sehingga pompa bisa dimasukkan pada sumur atau lubang pengeboran.
Pada kapasitas tetap, semakin banyak tingkatan pompa maka semakin kecil pula diameter terluar pompa. Hal ini dapat dijelaskan karena pembagian head total dengan jumah tingkat membuat head tiap tingkat makin kecil. Dengan kecilnya head tiap tingkat, maka kecepatan tangensial ( pada segitiga kecepatan biasanya dengan notasi u, segitiga kecepatan akan dijelaskan pada di Perencanaan Impeller ) yang dibutuhkan untuk menghasilkan head tersebut, akan kecil pula. Pada putaran yang tetap, maka dengan hubungan :
u
R
(3.6) Dimana :
[image:48.595.117.528.449.716.2]R : Jari- jari ; u : Kecepatan tangensial ; : Kecepatan putar ;
Selain pertimbangan dimensi yang makin kecil p ada pompa bertingkat, perlu pula diperhatikan pengaruh jumlah tingkat tersebut terhadap efisiensi pompa. Sebagaimana lazimnya, efisiensi terbaiklah yang akan dicari. Untuk keperluan desain, diperlukan suatu harga referensi untuk efisiensi pompa. Hal ini berkaitan dengan penentuan daya motor untuk penggerak pompa. Pada Gambar 3.6 dapat dilihat hubungan efisiensi pompa ( ηoverall ) dengan kecepatan spesifik
( Ns ) dan kapasitas ( Q ).
Berdasarkan grafik pada gambar tersebut, diketahui bahwa dengan kapasitas rencana Q = 85,86 GPM maka efisiensi maksimum akan diperoleh mulai pada kecepatan spesifik Ns = 2000 ( rpm, GPM, ft ), dengan efisiensi
ηoverall = 0,69, setelah itu relatif konstan.
Dengan rumus Ns = f ( n, Q, H ),
4 3 H
Q n
Ns dengan n ( rpm ), Q ( US GPM ), H ( ft ) maka head tiap tingkat dapat diperoleh yakni
3 4 Ns Q n
Hi =
43
2000 86 , 85 2875
31,57 ft = 9,62 m
dengan demikian jumlah tingkat ( i ) pada efisiensi tersebut adalah : m m H Htotal i 62 , 9 42
4,36 ≈ 5 tingkat
Atas dasar tersebut, maka penulis memilih pompa 5 tingkat dengan head per tingkat Hi = 9 m atau 29,53 ft, dengan Htotal = 45 m, Ns = 2103 ( rpm, GPM, ft ) atau Ns = 40,73 ( rpm, m3/s, m ), dan ηoverall = 0,69.
3.4. Pemilihan Bahan Konstruksi Pompa
Pemilihan untuk kompenen pompa diatur berdasarkan penggunaan dan jenis cairan yang dipompa. Pada pompa submersibel secara umum, housing ataupun bowl assembly dibuat dari besi tuang atau perunggu ( bronze ). Impeler dan bushing dari Perunggu ( bronze ). Poros dari bahan Staniless Steel dan sleeves yang berfungsi sebagai journal pada pada bantalan luncur (
Sebagai pegangan untuk pemilihan bahan konstruksi pompa, dapat dilihat pada Tabel 3.1. a & b berikut ini :
Tabel 3. 1. Bahan pemilihan pompa untuk masing-masing bagian pompa
3.5. Daya Pompa
Untuk memutar impeler yang terpasang pada poros maka dibutuhkan energi untuk menggerakkannya. Besarnya energi atau daya yang dibutuhkan untuk memutar poros pompa dipengaruhi oleh kapasitas pompa, tinggi tekan total pompa, berat jenis fluida yang dipompakan, serta efisiensi total pompa tersebut. Daya yang dibutuhkan untuk memutar poros pompa ( Psh ) dirusmuskan dengan
persamaan :
t sh
H Q P
(3.7)
Di mana :
Psh = daya yang dibutuhkan pompa ( Watt )
Q = kapasitas pompa ( m3/det ) H = tinggi tekan total pompa ( m )
γ = berat jenis fluida yang dipompa ( N/m3
)
η = efisiensi total pompa
Dengan demikian besar daya yang dibutuhkan pompa pada kondisi kerja yang direncanakan :
69 , 0
45 10 42 , 5
9784 3
sh
P = 3458,43 Watt
3.6 Pemilihan Motor Listrik Submersibel
Dari pembahasan pada sebelumnya diketahui bahwa direncanakan motor listrik yang dipilih adalah motor listrik mampu benam ( Submersible Motor ) Franklin Electric, dengan putaran 2875 rpm pada frekuensi 50 Hz, dengan 3 phase dan 2 kutub, dengan tegangan antar phase 380 V.
Dari hasil perhitungan Psh = 3458,43 Watt, Submersible Motor yang
Franklin Electric Submersible Motor, model : 236 611 90, 6” Water Well, Three Lead DOL.
Daya = 3,5 kW
Voltage = 380 V; f = 50 Hz Putaran, n = 2875 rpm
Poros : Stainless Steel dengan Spline
Sifat kerja kontinyu, dengan suhu air maksimum 30° C ( 86 ° F ) Down Thrust Capacity = 1500 lbs / 6500 N
Shipping Weight = 108 lbs / 49 kg
BAB IV
PERENCANAAN KOMPONEN UTAMA POMPA
4.1. Perencanaan Impeler 4.1.1. Segitiga Kecepatan
Untuk fluida yang mengalir melalui impeler yang sedang berputar, u adalah kecepatan suatu titik pada impeler tersebut relatif terhadap tanah,
w adalah kecepatan partikel fluida relatif terhadap impeler, dan c adalah
[image:53.595.212.414.324.505.2]kecepatan absolut partikel fluida yang mengalir melalui impeler relatif terhadap tanah. c merupakan hasil penjumlahan secara vektor dari u dan w.
Gambar 4.1 Diagram Kecepatan Masuk dan Keluar Suatu Impeler ( Sumber : Austin H. Church, Pompa dan Blower Sentrifugal )
Sudut antara c dan u disebut ; sudut antara w dan perpanjangan u disebut , sudut juga merupakan sudut yang dibuat antara garis singgung terhadap sudu impeler dan suatu garis dalam arah gerakan sudu.
Gambar 4.2 Diagram Segitiga Kecepatan Masuk dan Keluar
4.1.2. Persamaan Utama pada Mesin Turbo
Perpindahan energi di dalam rotor ( pada pompa disebut impeler ) adalah dari torsi yang bekerja pada poros diteruskan sedemikian rupa oleh rotor, sehingga menimbulkan kecepatan absolut c2 dan c1 dengan komponen tangensialnya cu2 dan cu1. Menurut kaidah impuls, torsi di antara sisi bagian keluar dan sisi bagian masuk rotor adalah :
) .(
)
( 2 2 1 1
. 1 1 2
2 cu r cu m r cu r cu r
t m
T (4.1) Di mana :
T = Torsi di antara sisi keluar dan sisi masuk rotor per detik ( N.m/s )
.
m = laju aliran massa fluida ( kg/s )
r2, r1 = jari-jari pada outlet dan inlet rotor ( m )
cu2,cu1 = komponen tangensial kecepatan absolut pada outlet dan
inlet rotor ( m/s )
Dengan mengetahui torsi per detik yang diberikan pada fluida, maka daya yang diberikan pada fluida dapat diperoleh dengan persamaan :
r2 cu2 r1 cu1
m T
P (4.2) Di mana :
P = daya yang diberikan pada fluida ( Watt ) = kecepatan sudut rotor ( rad/s )
Sehingga dari persamaan (3.2) kemudian diperoleh persamaan head teoritis untuk pompa yakni :
2. 2 1. 1
1 . .
u c u c g Q T
Hth u u
Di mana :
Hth = Head teoritis pompa ( m )
= Berat Jenis fluida ( N/m3 ) g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2
4.1.3 Kecepatan Spesifik dan Tipe Impeler
Pada umumnya ada tiga jenis kecepatan spesifik yang sering digunakan yaitu : kecepatan spesifik kinematik dan kecepatan spesifik dinamik
1. Kecepatan Spesifik Kinematik
Kecepatan Spesifik kinematik didefenisikan sebagai kecepatan dari impeler yang secara geometris sama dengan diameter tertentu apabila ukurannya diubah secara proporsional agar dapat memberikan kapasitas 1 m3/s pada tinggi tekan 1 m. Kecepatan spesifik kinematik ( nsq ) dalam dirumuskan :
4 3
H Q n
nsq (4.4)
Di mana :
n = kecepatan putar poros pompa ( rpm ) Q = kapasitas pompa ( m3/s )
H = tinggi tekan pompa ( m ) 2. Kecepatan Spesifik Dinamik
Kecepatan spesifik dinamik didefenisikan sebagai kecepatan dari impeler yang secara geometris sama, di mana untuk mengangkut cairan setinggi 1 m membutuhkan daya sebesar satu Hp dan kapasitas 0.075 m3/s. Kecepatan spesifik dinamik ( nsp ) dalam dinyatakan dengan persamaan,
2 3
. 75 H
Q n
nsp
(4.5)
Di mana : = massa jenis fluida ( kg/s )
Maka, rumus kecepatan spesifik sumber: Stephen Lazarkiewich , Impeller pump,Hal 120 adalah :
sqsf n
H g
Q n
n 3
. 60 1000
4
4.1.4 Tipe impeler
Sebagaimana disebutkan di muka bahwa pemilihan tipe impeler didasarkan pada kecepatan spesifiknya. Maksudnya setelah kecepatan spesifiknya diketahui atau ditentukan berdasarkan efisiensi dan kapasitasnya ( lihat Gambar 4.5), maka bentuk dan jenis impeler dapat diketahui pula.
Bentuk-bentuk dan jenis impeler berdasarkan rentang harga kecepatan spesifik dapat dilihat pada Gambar 4.3 berikut ini :
Gambar 4.3 Bentuk dan Jenis Impeler Berdasarkan Kecepatan Spesifik ( Sumber : Richard F. Neerken, Fluid Movers, Mc Graw-Hill, New York )
Karakteristik jenis-jenis impeler seperti ditunjukkan pada Gambar 4.3, dapat rangkum sebagai berikut:
1. Impeler aliran radial : Arah aliran keluar fluida tegak lurus terhadap poros pompa; Kecepatan spesifik rendah ( nsf = 30÷90 ); Putaran poros pompa
rendah; Kapasitas rendah; Tinggi tekan ( head ) besar; Bentuk sudu satu kelengkungan ( single curvature ); Rasio diameter sisi keluar ( d2 ) dan
diameter sisi masuk ( do ), ( d2 / do ) = 3.5÷2
2. Impeler tipe Francis : Arah aliran keluar fluida tegak lurus terhadap poros pompa; Kecepatan spesifik menengah ( nsf = 90÷240 ); Putaran poros
pompa, kapasitas pemompaan, dan tinggi tekan menengah ; Bentuk sudu dua kelengkungan ( double curvature ); ( d2 / do ) = 2÷1.3
3. Impeler aliran diagonal : Arah aliran keluar fluida miring terhadap poros pompa; Kecepatan spesifik tinggi ( nsf = 120÷450 ); Putaran poros pompa
4. Impeler aliran aksial ( tipe propeler ) : Arah aliran keluar fluida searah poros pompa; Kecepatan spesifik tertinggi ( nsf = 405÷640 ); Putaran
poros pompa tertinggi; Kapasitas pemompaan terbesar; Tinggi tekan terendah; Bentuk sudu seperti propeler.
Dari data hasil survei, telah diketahui bahwa pompa yang direncanakan memiliki :
Kapasitas ( Q ) = 19,5 m3 / jam = 5,42 .10-3 m3 / detik Tinggi tekan / head per tingkat ( H ) = 9 m = 29,53 ft Putaran poros pompa ( n ) = 2875 rpm
Berat jenis fluida ( ) = 9784 N/m3 Massa jenis fluida ( ) = 997.65 kg/m3 Dengan demikian diperoleh :
Kecepatan spesifik kinematik dalam satuan SI ( nsq ) adalah :
4 3 9 10 42 , 5 .
2875 3
sq
n = 40.73
Maka nsf = 3. Nsf = 122,19
Dengan demikian, berdasarkan hasil perhitungan di atas maka tipe impeler yang direncanakan adalah tipe francis ( nsf = 90÷240 ) dengan sudu kelengkungan
ganda, ( d2 / do ) = 2÷1.3, sesuai dengan klasifikasi tipe impeler yang telah
dijelaskan sebelumnya.
Selanjutnya dilakukan pengecekan terhadap head pompa untuk setiap tingkatan, yakni dengan menggunakan pertidaksamaan :
3 2 3 4 0464 ,
0 n Q
H (4.7)
Di mana : n = kecepatan putar poros pompa ( rpm ) Q = kapasitas pompa ( m3/det )
H = tinggi tekan pompa ( m ) Selanjutnya diperoleh :
3 2 3 4 ) 10 42 . 5 ( 2875 0464 ,
0 3
H
Dari hasil tersebut diketahui bahwa tinggi tekan pompa untuk tiap tingkatnya masih dalam batas yang diijinkan artinya tidak melebihi batas maksimal tinggi tekan yang diijinkan.
Impeler yang direncanakan akan memiliki satu aliran masuk ( Single Suction ). Pertimbangan yang dipakai dalam menentukan pilihan ini adalah :
1. Konstruksi pompa submersible untuk sumur dalam hanya memungkinkan untuk single suction, karena terbatasnya ruang untuk pompa pada sumur. Selain itu impeler dengan double suction pada umumnya digunakan pada poros medatar dengan kapasitas pemompaan yang besar.
2. Jika pompa direncanakan bertingkat banyak, maka konstruksi pompa dengan impeler single suction lebih sederhana daripada double suction .
3. Dengan konstruksi yang lebih sederhana, dari sisi ekonomi, diharapkan ongkos produksi menjadi lebih murah karena selain menghemat bahan , juga proses pengerjaanya lebih mudah.
4.1.5 Desain Impeler
Sebenarnya tidak ada suatu prosedur yang pasti dalam mendesain sebuah pompa. Masing-masing pabrik telah melakukan pendekatan sendiri-sendiri dan, walaupun masing-masing prosedur itu mempunyai metode perhitungan yang sedikit berbeda, semua prinsip-prinsipnya adalah sama.
Metode desain yang akan digunakan pada perancangan impeler kali ini, secara umum mengacu pada metode yang digunakan oleh Stephen Lazarkiewich pada bukunya Impeller Pump.
Dalam merancang impeler terdapat prosedur dan urutan-urutan tersendiri, di mana kita harus menghitung dimensi-dimensi utama impeler, mengasumsikan beberapa variabel lalu melakukan pengecekan terhadap variabel tersebut. Prosedur pada perancangan impeler kali ini dengan tipe impeler radial francis ( double curvature ), dengan tiga garis alir ( A1-A2, B1-B2, C1-C2 ) secara umum meliputi
1. Perhitungan diameter poros ( dsh ), dan diameter hub ( dh )
2. Asumsi koefisien penyempitan pada sisi masuk impeler ( φ1 ),
3. Pemilihan sudut β2, asumsi koefisien Pfleiderers ( Cp ), perhitungan
diameter luar impeler ( d2 )
4. Asumsi jumlah sudu ( z ), perhitungan lebar impeler ( b2 )
5. Penggambaran garis alir impeler dan perhitungan sudut βA1
6. Pengecekan terhadap jumlah sudu ( z ), jika tidak sesuai kembali ke No. 4 7. Pengecekan terhadap koefisien penyempitan pada sisi masuk impeler
( φ1 ), jika tidak sesuai kembali ke No. 2
8. Pengecekan terhadap Cp, jika tidak sesuai kembali ke No. 3 9. Perhitungan sudut β1 untuk garis alir B1-B2 dan C1-C2.
10. Penggambaran segitiga kecepatan pada sisi masuk dan sisi keluar impeler 11. Penggambaran sudu impeler
12. Perhitungan kekuatan impeler.
penjelasan lebih lanjut mengenai variabel-variabel tersebut di atas dapat dilihat pada uraian perhitungan.
Yang dimaksud dengan impeler yang mempunyai kelengkungan ganda ( double curvature ) adalah impeler yang memiliki sudut β pada sisi masuk yang berbeda-beda. Hal ini diakibatkan karena sudu impeler diperpanjang ke arah sisi masuk impeler, sehingga kecepatan tangensial pada tepi sudu ( u1 )
berbeda-beda. Diagram potongan samping pompa sentrifugal dengan segitiga kecepatannya dapat dilihat pada Gambar 4.4 berikut :
4.1.6 Diameter Poros
Diameter poros ditentukan sedemikian rupa sehingga akan mampu menahan beban-beban yang akan diterimanya. Suatu poros biasanya akan menderita satu atau lebih beban-beban berikut :
1. Beban torsi ( torsional force ). Beban ini disebabkan oleh putaran motor penggerak, sehingga besar kecilnya sangat tergantung dari daya yang diberikan dan kecepatan motor penggerak.
2. Beban lengkung ( bending force ). Beban ini bisa berupa beban mati dari poros itu sendiri, berat impeler serta bagian-bagian lain yang membebani poros, serta akibat gaya radial yang lain seperti gaya yang timbul akibat ketidakseimbangan massa yang berputar.
3. Gaya aksial ( axial force ). Beban ini diakibatkan oleh berat poros itu sendiri jika poros dipasang vertikal serta dorongan dalam arah aksial dari fluida yang dipompakan akibat perbedaan tekanan fluida. Namun pada umumnya beban jenis ini relatif kecil.
Untuk perhitungan awal, tentu kita belum bisa menentukan besarnya beban lengkung dan beban aksial. Untuk itu, untuk pertama kalinya dimensi poros ditentukan hanya berdasar dengan memperhitungkan besarnya torsi saja. Sehingga diameter poros ( dsh ) dapat dihitung dengan rumus persamaan :
3 1 ) 1
, 5
( Kt Cb T
d
a
sh
(4.8)
Di mana : T = momen puntir ( N.m)
τa = tegangan geser poros yang diijinkan ( MPa )
Kt = faktor koreksi momen puntir jika terjadi tumbukan / kejutan Cb = faktor koreksi jika terjadi pembebanan lentur.
Faktor koreksi beban kejut yang dianjurkan ASME adalah : Kt = 1 ; jika beban dikenakan secar halus
Kt = 1,0 ÷ 1,5 ; jika beban dikenakan dengan sedikit kejutan
Kt = 1,5 ÷ 3,0 ; jika beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan besar.
Cb = 1,2 ÷ 2,3 jika diperkirakan akan terjadi beban lentur Cb = 1,0 jika diperkirakan tidak akan terjadi beban lentur Diperkirakan akan terjadi beban lentur sehingga diambil Cb = 1,5 Besar momen puntir ( T ) ditentukan oleh persamaan:
n P T sh 2 60 (4.9)
Di mana : n = kecepatan putaran poros ( rpm ) T = momen puntir ( N.m )
Psh = daya yang diberikan penggerak ( Watt )
Dengan demikian besar momen punter adalah :
2875 2 3458,43 60
T = 11,49 N.m
Selanjutnya dipilih bahan poros dari Stainless Steel sesuai standar AISI dengan spesifikasi sebagai berikut:
AISI Number : 416 Perlakuan : Cold Worked
Kekuatan tarik = σu = 100 ksi = 689 MPa
Batas elastis = σy = 85 ksi = 585,65 MPa
Tegangan geser yang diijinkan ( τa ) dapat dihitung dengan persamaan :
2 1 Sf Sf u a
(4.10)
Di mana :
σu = kekuatan tarik material ( MPa )
Sf1 = faktor keamanan karena kelelahan puntir. diambil = 5,6
Sf2 = faktor keamanan, diambil = 1,5
Dengan demikian tegangan geser yang diijinkan adalah :
5 , 1 6 , 5 689 a
= 82,02 MPa
Jadi besar diameter poros ( dsh ) :
3 1 ) 49 , 11 5 , 1 2 , 1 10 02 , 82 1 , 5
( 6
sh
Dipilih diameter poros sesuai standar untuk penyambungan kopling pada poros motor listrik Franklin Electric , selain itu juga untuk antisipasi penambahan jumlah tingkat pompa, putaran kritis poros pompa, serta pengaruh Bucling karena gaya aksial pada poros pompa. Dengan demikian poros pompa direncanakan tidak memiliki tingkat. Diameter poros yang dimaksud adalah, dsh = 3/4 “ = 19 mm
Selanjutnya diameter untuk hub depan impeler, dh = ( 1,3÷1,4 ). dsh
diambil dh = 1,3 . dsh = 1,3 . 19 = 24,7 mm
Diameter untuk hub belakang impeler dh’ = ( 1,35÷1,5 ). dsh diambil dh’
= 1,4 . dsh = 1,4 . 19 = 27 mm
4.1.7 Diameter Sisi Masuk
Fluida yang telah keluar dari impeler, mempunyai tekanan yang lebih tinggi daripada fluida yang masih ada di sisi masuk impeler. Karena harus ada celah antara impeler yang sedang berputar dengan casing yang diam, sebagian air yang telah dikeluarkan dari impeler akan kembali ( bocor ) ke arah sisi masuk. Oleh karena itu untuk memperoleh kapasitas air yang dikeluarkan impeler seharusnya lebih besar dari kapasitas pompa. Jumlah aliran total melalui impeler adalah jumlah kebocoran ditambah jumlah aliran yang direncanakan dikeluarkan pompa. Biasanya jumlah aliran bocor tersebut berkisar antara 2 %÷10 % dari kapasitas pompa (sumber : Austin H. C., Hal 93). Jumlah aliran bocor ini haruslah dipekirakan terlebih dahulu dan ditambahkan ke jumlah aliran ( kapasitas ) pompa untuk penentuan ukuran-ukuran impeler.
Pada perencanan ini kebocoran yang terjadi diasumsikan 7 % atau dengan
kata lain pompa ini memiliki efisiensi volumetris, ηvol = 93 %, sehingga
kapasitas fluida yang melewati impeler ( Q’ ) adalah:
vol Q Q
(4.11)
93 , 0
10 42 ,
5 3
Q = 5,828 . 10-3 m3 / detik
Langkah selanjutnya kita menghitung kecepatan tangensial terhadap poros ( meridian ), cm1 dengan persamaan:
H g K
Di mana : Kcm1 = koefisien kecepatan pada sisi masuk impeler
Grafik 4.5 Grafik hubungan antara Kcm1 dan Kcm2 dengan nsq
( sumber : Lazarkiewich S., Hal 134 )
Dari Grafik 4.5 maka dapat dicari besarnya Kcm1 berdasarkan kecepatan
spesifiknya. Untuk nsq = 40,73 ; harga Kcm1 = 0,19, dengan demikian :
9 81 , 9 2 19 , 0
1 m
c = 2,5248 m/s
Selanjutnya harga kecepatan aksial masuk ( co ) untuk pompa dengan
double curvature adalah :
1 1
m
o c
c (4.13)
Di mana :
cm1 = kecepatan meridian fluida ( m/s )
φ1 = koefisien penyempitan ( constriction coefficient ) pada sisi masuk
Nilai φ1, harus diasumsikan terlebih dahulu kemudian diperiksa
setelah menghitung sudut β1 dan jumlah sudu z, jika perlu dikoreksi. Jika
diasumsikan nilai φ1 = 1,41, maka kecepatan fluida masuk impeler :
41 , 1
5248 , 2 o
c = 1,7906 m/s
Selanjutnya dicari luas penampang sisi masuk impeler ( Ao ) yakni dengan
persamaan:
o o
c Q
dengan demikian Ao : 7906 , 1 10 828 ,
5 3
o
A = 3,2547 .10-3 m2
Kemudian dihitung luas penampang yang diambil oleh hub dan poros :
4
2 h h
d
A (4.15)
4 ) 025 , 0 ( 2 h
A = 4,9087 .10-4 m2
Selanjutnya dicari luas penampang masuk total ( Ao’ ) yang merupakan
penjumlahan dari luas penampang sisi masuk impeler ( Ao ) dan luas penampang
hub ( Ah ) :
Ao’ = Ao + Ah (4.16)
Ao’ = 3,2547 .10-3 + 4,9087 .10-4
Ao’ = 3,746 .10-3 m2
Dengan demikian dapat dihitung diameter impeler pada sisi masuk ( do )
dengan persamaan :
o
o
A
d 4 (4.17)
3 -.10 3,746 4 o
d = 69,058 mm Diambil do = 69 mm
4.1.8 Diameter Sisi Keluar impeler
Diameter sisi keluar impeler dapat dic
