Modul Pompa

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Pengertian dan Fungsi Pompa

Pompa adalah suatu alat atau mesin yang digunakan untuk memindahkan cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui suatu media perpipaan dengan cara menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan dan berlangsung secara terus menerus. Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini digunakan untuk mengalirkan cairan dan melawan hambatan yang ada sepanjang aliran fluida. Jadi pompa dalam industri biasanya digunakan untuk transportasi fluida, dimana kerja dari pompa tersebut tergantung dari sifat dan jenis fluida.

1.2 Klasifikasi Pompa berdasarkan Prinsip Kerja.

Sejalan dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi (Iptek) maka banyak dan beraneka ragam jenis pompa yang sudah diproduksi dan digunakan baik didunia permesinan, kedokteran, pengolahan kimia maupun rumah tangga. Ditinjau dari prinsip kerja maka pompa dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

1. Pompa Desak (Positive Displacement Pump), perpindahan fluida akibat adanya dorongan dari komponen (rotor,piston) pompa yang bergerak. Kapasitas yang dihasilkan oleh pompa tekan adalah sebanding dengan kecepatan pergerakan atau kecepatan putaran, sedangkan total head (tekanan) yang dihasilkan oleh pompa ini tidak tergantung dari kecepatan pergerakan atau putaran. Jenis pompa ini dapat dikelompokkan menjadi :

a.Oscilating Pumps : - Pompa Torak/plunger ( Tunggal dan Ganda ) - Pompa Diafragma

b. Rotary Diplacement : - Rotary dan eccentris Spiral - Gear , Vane dan lainnya

Gambar 1.2 Pompa Diafragma

Gambar 1.3 Pompa Roda Gigi (Gear Pump)

2. Pompa Sentrifugal (Centrifugal Pump), perpindahan fluida yang bersentuhan dengan impeler yang sedang berputar menimbulkan gaya sentrifugal menyebabkan fluida terlempar keluar. Kapasitas yang di hasilkan oleh pompa sentrifugal adalah sebanding dengan putaran, sedangkan total head (tekanan) sebanding dengan kuadrat dari kecepatan putaran.

Jenis pompa ini dapat dikelompokkan berdasarkan : a. Kapasitas :

• Kapasitas rendah < 20 m3 / jam

• Kapasitas menengah 20 -:- 60 m3 / jam

• Kapasitas tinggi > 60 m3 / jam b. Tekanan Discharge :

• Tekanan Rendah < 5 Kg / cm2

• Tekanan menengah 5 -:- 50 Kg / cm2

• Tekanan tinggi > 50 Kg / cm2 c. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat :

• Single stage : Terdiri dari satu impeller dan satu casing

• Multi stage : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun seri dalam

satu casing.

• Multi Impeller : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun paralel

dalam satu casing.

• Multi Impeller & Multi stage : Kombinasi multi impeller dan multi stage.

d. Posisi Poros : • Poros tegak • Poros mendatar e. Jumlah Suction : • Single Suction • Double Suction

f. Arah aliran keluar impeller :

• Radial flow

• Axial flow

Gambar 1.6 Pompa Sentrifugal

3. Jet Pumps, Sifat dari jets pump adalah sebagai pendorong untuk mengangkat cairan dari tempat yang sangat dalam. Perubahan tekanan dari nozzle yang disebabkan oleh aliran media yang digunakan untuk membawa cairan tersebut ke atas (prinsip ejector). Media yang digunakan dapat berupa cairan maupun gas. Pompa ini tidak mempunyai bagian yang bergerak dan konstruksinya sangat sederhana. Keefektifan dan efisiensi pompa ini sangat terbatas.

4. Air lift Pumps (Mammoth Pumps), Prinsip kerja pompa ini hampir sama dengan jet pump dan kapasitasnya sangat tergantung pada aksi dari campuran antara cairan dan gas (two phase flow).

Gambar

5. Hidraulic Rams Pump, Pompa ini menggunakan energi kinetik dari aliran fluida yang menekan bandul/pegas pada suatu kolom dan energi tersebut disimpan dan kemudian melawan kembali sehingga terjadi aliran fluida secara terus menerus tanpa bantuan tenaga dari luar.

Gambar 1.9 Hidraulic Rams Pump

6. Elevator Pump, Sifat dari pompa ini mengangkat cairan ke tempat yang lebih tinggi dengan menggunakan roda timbah,archimedean screw dan peralatan sejenis. Ini dapat digunakan untuk zat cair yang mengandung slurry seperti pasir, lumpur dan lainnya.

Gambar 1.10 Archimedean Screw Pump

7.Electromagnetic Pumps, Cara kerja pompa ini adalah tergantung dari kerja langsung sebuah medan magnet ferromagnetic yang dialirkan, oleh karena itu penggunaan dari pompa ini sangat terbatas khususnya pada pemompaan cairan metal.

1.3 Klasifikasi Pompa berdasarkan Instalasi

Yang di maksud dengan pemasangan pompa mencakup : a. Pemasangan pompa secara horizontal/vertical/inclined

b. Pemasangan pompa secara kering/basah

c. Pemasangan Pompa tetap dan dapat dipindah-pindah d. Pemasangan pompa secara pararel/seri

Pembahasan berikut ini ditekankan pada pembahsan mengenai pemasangan pompa secara pararel dan seri saja beserta pengaruhnya.

1. Pemasangan pompa secara pararel

Pemasangan pararel sering dilakukan karena meninjau beberapa faktor yang sangat penting antara lain penghematan energi pada penggerak mula, dan lainnya sehingga tercapai pengoperasian yang optimum. Pada umumnya pada pemasangan pompa secara pararel dipergunakan dua atau lebih pompa yang tipe, jenis, ukuran dan data teknis yang sama. Contoh yang sering di temukan adalah Pemasangan pompa pararel dengan kapasitas paruh, dan penambahan satu unit pompa untuk menambah kapasitas karena peningkatan kebutuhan akan cat cair. Pemasangan pompa pararel dengan kapasitas paruh (pararel dengan dua unit pompa menghasilkan kurva hubungan head dan kapasitas sebagai berikut :

Dari gambar di atas maka yang perlu diperhatikan dalam menentukan unit pompa adalah sebagai berikut :

a. Pada saat hanya satu unit pompa yang bekerja maka titik kerja pompa akan berubah kapasitasnya akan meningkat dan headnya akan menurun tidak

sama dengan pada saat dua unit pompa bekerja. Oleh sebab itu kita harus menentukan pompa yang dapat di rekomendasikan dan di jamin oleh pabrik pompa untuk bekerja pada titik -titik kerja sesuai dengan sistim kurva dan kurva pompa.

b.Untuk penggunaan pompa yang mempunyai sifat kurva curam maka kapasitas yang akan di capai untuk dua unit pompa beroperasi secara pararel lebih besar dari pada pompa yang mempunyai sistim kurva landai. c. Untuk menentukan besar daya penggerak mula maka dasar perhitungan daya yang akan di butuhkan oleh pompa adalah pada daya maksimumnya.

Bahwa dengan penambahan satu unit pompa yang sejenis dan mempunyai data teknis yang sama maka hasil operasi pararel dari dua unit pompa tersebut tidak akan mencapai dua kali kapasitas yang di capai oleh satu unit pompa beroperasi terutama untuk pompa yang mempunyai sistim kurva landai. Biasanya untuk pompa yang mempunyai sistim kurva landai tidak di

rekomendasikan untuk beroperasi pararel.

2. Pemasangan Pompa secara Seri

Untuk keperluan pemindahan fluida yang relatif jauh atau tinggi dalam arti head yang besar maka diperlukan pemasangan pompa secara seri dengan kapasitas relatif sama. Pengoperasi pompa secara seri, pompa 1 dan pompa 2 akan menghasilkan head H1+H2 dengan penjumlahan headnya. Pompa seri banyak keuntungannya terutama untuk kurva sistim yang curam dan sistim kurva pompa yang landai. Pada waktu menjalankan pompa pertama harus dijalankan lebih dahulu sampai mencapai tekanan dan tekanan yang cukup, kalau tidak terjadi masalah pada kavitasi, kemudian pompa kedua dan seterusnya.

Gambar 1.12 Hubungan H – Q Pompa Seri

Sebaliknya pada waktu mematikan pompa, urutan sebaliknya yang harus di lakukan. Dalam praktek laangan, daripada memasang pompa impeler tunggal secara seri lebih baik memakai pompa yang mempunyai impeler ganda atau lebih karena head sama biaya lebih murah dan konstruksi lebih sederhana.

1.4 Faktor Utama dalam Pemilihan Pompa

Pada prinsipnya pemilihan pompa bukan berdasarkan murah dan tahan lama tetapi berdasarkan fungsi yaitu memindahkan sejumlah fluida (Kapasitas) dan seberapa jauh/tinggi (Head) fluida yang diinginkan. Jadi Kapasitas dan Head ini merupakan faktor yang utama.

1. Kapasitas

Kapasitas pompa adalah kemampuan pompa mengalirkan volume fluida dalam waktu tertentu dengan satuan : m3_{/jam, m}3_{/detik, liter/detik, USGPM} (Gallon/menit, 1 Gallon = 231 inc3_{) dan sebagainya. Kapasitas tergantung} pada jenis, ukuran dan sumber penggerak pompa itu sendiri. Kebocoran cairan/fluida pada packing perapat poros atau air balik maupun gesekan tidak diperhitungkan sebagai kapasitas pompa, karena itu maka sering menggunakan istilah efisiensi volumetrik.

2. Tekanan Kerja (Total Head)

Tekanan adalah perbandingan antara Gaya/berat persatuan luas penampang. Tekanan kerja ini sangat kompleks dan hampir di semua bidang eksak menggunakannya. Karena hal tersebut maka satuannya pun dinyatakan sesuai dengan penggunanya, Misal yang berkaitan dengan air mka (meter kolom air), Kedokteran mmHg, udara bebas bars atau atm, (barometer atau atmosphir) udara tertutup kg/cm2 _{atau Psi (1 kg/cm}2 _±12,5 Psi), dan standar ISO menggunakan Pascal (1 Pa = 1 N/m2_). Head yang dibutuhkan untuk memindahkan fluida sebanding dengan jarak ketinggian dan massa jenis fluida tersebut.

3. Jenis dan Data Fluida

Jenis dan data cairan sangatlah perlu dalam menentukan pemilihan pompa. Hal ini karena setiap cairan mempunyai berat jenis yang berbeda-beda yang akan berhubungan langsung dengan kebutuhan daya dari penggerak mula. Jika zat alirnya udara maka bukanlah pompa yang dipilih tapi kompressor. Selain hal tersebut diatas, kita juga harus menentukan material dari pompa yang sesuai dengan cairan yang dipompakan terutama untuk cairan yang bersifat korosi. Cairan yang di pompakan juga mempunyai viscositas yang berbeda-beda akan mempengaruhi kurva pompa. Makin tinggi viscositas suatu cairan maka viscositasnya akan lebih rendah, hal ini akan menurunkan kapasitas, Total head, Efisiensi dan meningkatkan kebutuhan tenaga.

1.5 Penggerak Mula Pompa

Pada dasarnya pompa memerlukan tenaga penggerak mula untuk mengoperasikannya. Dalam pemilihan penggerak mula dari pompa tersebut maka keadaan setempat dan tersedianya sumber energi sangat mempengaruhi, dengan kata lain jika suatu daerah tidak terdapat sumber listrik dan tidak memungkinkan untuk diadakan sumber listriknya maka tidaklah mungkin kita memilih motor listrik sebagai penggerak mulanya. Sebagai contoh ditengah perkebunan yang luas maka kita dapat memilih motor diesel sebagai tenaga penggerak mulanya.

1. Motor Listrik, biasanya memiliki parameter frekwensi dan putaran seperti tabel dengan tenaga bervariasi sesuai jenis motornya.

2. Motor Diesel yang sering digunakan dengan putaran 580 sampai 3500 rpm. 3. Mesin Uap dengan kecepatan putar relatif rendah

4. Turbin Uap dengan kecepatan relatif tinggi sekitar 1750 sampai 8000 rpm. Perubahan kecepatan putaran pada penggerak mula akan mempengaruhi garis kurva pompa. Jika nilai kapasitas (Q1), total head (H1) dan daya (P1) telah diketahui pada kecepatan putaran (n1), maka nilai baru untuk putaran = n2 adalah sebagai berikut :

Daya yang harus tersedia oleh penggerak mula harus mencukupi/lebih besar dari daya yang di butuhkan oleh pompa. Daya yang di butuhkan oleh pompa sebagai berikut :

1.6 Tugas Diskusi

1. Jelaskan pengertian dan fungsi pompa ! 2. Jelaskan Jenis-jenis pompa rotary !

3. Jelaskan prinsip kerja pompa torak dan pompa sentrifugal! 4. Coba analisa dan jelaskan keuntungan masing-masing no.3 ! 5. Tekanan ban mobil biasanya 35, apa satuan tekanan tersebut ? 6. Kebetulan alat ukur tekanan yang ada kg/cm2_{, berapa ukuran tekanan} Ban mobil pada no.5 ?

7. Coba jelaskan empat faktor pemilihan pompa !

8. Coba klasifikasikan, apakah kapasitas pompa dibawah ini termasuk rendah, menengah atau tinggi ?

a. 1,5 Gallon/det b. 12 liter/det c. 1400 inc3_/menit

9. Suatu boiler bertekanan kerja 20 bars, membutuhkan air 18 liter/det. Spesifikasi pompa tersedia, tekanan discharge 125 mka dan kapasitas 3 Gallon/det. Rencanakanlah jumlah pompa yang dipakai dan sistim pemasangannya ?

10. Dalam perencanaan sebuah pompa didapat kapasitas Q = 12 m3_{/jam pada} putaran 900 rpm, bila putaran sumber tersedia 1200 rpm, tentukanlah : a. Kapasitas pompa yang terjadi

b. Total head yang dapat dicapai c. Tenaga pompa

BAB II

POMPA TORAK

2.1 Komponen Pompa Torak

Gambar 2.1 Komponen Pompa Torak

1. Piston/plunger berfungsi untuk mengisap fluida ke dalam dan menekannya kembali keluar selinder.

2. Batang Piston berfungsi sebagai penerus tenaga gerak dari mesin ke piston. 3. Mur Piston berfungsi untuk mengikat piston pada batang piston.

4. Ring/seal berfungsi untuk mencegah kebocoran fluida dari dalam selinder 5. Selinder berfungsi sebagai tempat pergerakan piston dan penampungan sementara fluida.

6. Selinder liner berfungsi sebagai pelapis selinder yang bagian dalamnya harus mempunyai permukaan yang halus guna memperlancar gerak piston. 7. Packing berfungsi sebagai pencegah kebocoran fluida dari dalam selinder. 8. Perapat packing berfungsi sebagai penekan supaya packing tetap pada posisinya sewaktu batang piston bergerak.

9. Katup Isap berfungsi untuk mengatur pemasukan dan penutupan fluida pada saat piston langkah isap.

10.Katup buang berfungsi untuk mencegah kembalinya fluida dari ruang outlet ke dalam ruang selinder pada saat piston langkah tekan.

2.2 Prinsip Kerja Pompa Torak

Sambil memperhatikan Gambar 2.1, prinsip kerjanya dapat diuraikan sebagai berikut :

Piston bergerak mundur / kekiri,

- Katup tekan kanan tertutup rapat, katup tekan kiri terbuka sehingga fluida bagian kiri piston masuk ke ruang outlet dan keluar melalui pipa penyalur. - Katup isap kiri tertutup rapat, tekanan ruang selinder kanan menurun hingga terjadi isapan membuat katup isap terbuka dan fluida masuk ruang selinder bagian kanan piston.

Piston bergerak maju/ kekanan,

- Katup tekan kiri tertutup rapat, tekanan ruang kanan meningkat membuat katup tekan kanan terbuka sehingga fluida mengalir ke ruang outlet dan keluar pompa melalui pipa penyalur.

- Katup isap kanan tertutup rapat, tekanan ruang selinder kiri menurun hingga terjadi isapan membuat katup isap kiri terbuka dan fluida masuk ruang selinder bagian kiri piston, dan selanjutnya kembali piston bergerak mundur – maju secara berkelanjutan.

2.3 Perhitungan Kapasitas Pompa Torak 1. Pompa Torak Kerja Tunggal

Pompa tipe ini mempunyai tekanan kerja tinggi sesuai dengan tenaga penggeraknya. Kerja piston hanya pada satu sisi sehingga disebut kerja tunggal. Operasi pompa ini dapat dilakukan secara manual maupun menggunakan tenaga penggerak mula.

Sesuai konstruksinya, kecepatan gerak piston setiap saat berubah mulai dari nol – cepat – nol dan seterusnya sehingga aliran fluida keluar pompa tidak merata. Dalam satu cicles operasi terjadi satu kali langkah isap dan satu kali langkah tekan sehingga volume fluida yang dialirkan pompa dapat dihitung dengan rumus :

Volume

V

=

π₄

D

2

x S

(m3₎

Bila pompa digerakkan oleh mesin penggerak mula yang mempunyai jumlah putaran “n” maka kapasitas fluida yang dihasilkan adalah :

Kapasitas

Q

=

π₄

D

2

x S x n

(m3_{/menit) atau}

(m3_/detik)

Karena adanya kebocoran, gesekan, sudut mati dan kavitasi maka timbul kerugian volume, jadi kapasitas sesungguhnya disebut kapasitas efektif adalah: (m3_/detik)

dimana : Q kapasitas teoritis pompa (m3_/detik) Qe kapasitas efektif pompa (m3_/detik)

D diameter piston/plunger ( m ) S langkah gerak piston ( m )

n putaran mesin penggerak (rpm) ηv efisiensi volumetrik ( % )

2. Pompa Torak Kerja Ganda

Tipe pompa ini juga termasuk pompa yang mempunya tekanan kerja tinggi sesuai dengan mesin penggeraknya. Dalam operasinya, setiap langkah piston melakukan pengisapan dan penekanan fluida. Pada langkah mundur, sisi bagian kiri piston menekan fluida ke outlet dan sisi bagian kanan mengisap fluida dari inlet dan begitu pula sebaliknya pada langkah piston maju. Karena kedua sisi piston bekerja secara bersama maka disebut pompa kerja ganda yang menghasilkan aliran fluida merata dengan kapasitas yang lebih besar.

Gambar 2.3 Pompa Torak Kerja Ganda

Dalam satu cicles operasi, volume fluida yang dialirkan ke outlet adalah : Volume langkah maju V = π₄

.

D

2

xS

(m3₎

Volume langkah mundur V = π₄

.

D

2

x S

−

π₄

.

d

2

xS

(m3₎

Bila pompa digerakkan oleh mesin yang mempunyai putaran “n”, maka kapasitas pompa adalah :

Kapasitas langkah maju

Q

_{m j}

=

π₄

D

2

x S x n

(m3_/menit) Kapasitas langkah mundur

Q

_{m d}

=

π₄

(

D

2

−

d

2

)

x S x n

(m3_/menit) Kapasitas Pompa Torak Kerja Ganda Q = Qmj + Qmd

Q

=

π₄

(

2

D

2

−

d

2

)

x S x n

(m 3_{/menit) atau}

3. Pompa Diferensial

Pompa diferensial ini merupakan gabungan antara pompa kerja tunggal dan kerja ganda dimana aliran fluida lebih stabil tapi kapasitasnya sama dengan pompa kerja tunggal. Pada saat operasi, ruang kanan dan kiri piston penuh berisi fluida. Prinsip kerja dari pompa ini dapat diuraikan sebagai berikut :

Piston bergerak ke kanan

a. Ruang kiri piston terjadi pengisapan fluida, volume fluida yang terisap masuk ke dalam selinder Vi = _.D2xS

4

π _(m3₎

b. Ruang kanan piston terjadi penekanan sehingga volume fluida mengalir keluar Vtkn = π₄

.

D

2

x S

−

π₄

.

d

2

xS

(m3₎

Gambar 2.4 Pompa Diferensial Piston bergerak ke kiri

a. Fluida di ruang kiri piston ditekan sehingga mengalir ke ruang piston bagian kanan dan sebagian keluar pompa.

Volume fluida yang tertekan (Vt) = _.D2xS

4 π

Volume fluida yang masuk ke ruang kanan Vkn = π₄

.

D

2

x S

−

π₄

.

d

2

xS

(m3₎ b. Volume keluar Pompa Vtkr = Vt – Vkn = π₄

.

d

2

xS

(m3₎

Dalam satu cicles gerak piston, volume fluida yang keluar pompa adalah : V = Vtkn + Vtkr = π₄

.

D

2

x S

−

π₄

.

d

2

xS

+ π₄

.

d

2

xS

V = _.D2xS

4 π

(m3_{), Bila terjadi jumlah cicles atau putaran mesin} penggerak adalah “n” maka Kapasitas Pompa Diferesnsial sama dengan Kapasitas Pompa torak kerja tunggal yaitu sebesar :

Kapasitas Teoritis Pompa Diferensial (m3_/detik)

Kapasitas Efektif Pompa Diferensial (m3_/detik) dimana : Q kapasitas teritis pompa (m3_/detik) Qe kapasitas efektif pompa (m3_/detik)

D diameter piston/plunger ( m ) S langkah gerak piston ( m )

n putaran mesin penggerak (rpm) ηv efisiensi volumetrik ( % )

Kapasitas langkah maju berbeda dengan kapasitas langkah mundur, ini akan menyebabkan terjadi getaran pada gerak rotor secara keseluruhan yang dapat menurunkan usia pemakaian pompa. Untuk mencegah hal ini maka diusahakan kapasitas maju dan mundur harus sama dengan jalan menghitung perbandingan diameter piston dan batangnya sebagai berikut :

Vtkn = Vtkr

→

π₄

.

D

2

x S

−

π₄

.

d

2

xS

= π₄

.

d

2

xS

π₄

.

D

2

xS

= π₄

.

d

2

xS

+

π₄

.

d

2

xS

_{D =} 2 _{2 d.} 2

D : diameter piston (m) d : diameter batang piston (m)

4. Contoh Perhitungan Kapasitas Pompa Torak

Sebuah pompa mempunyai ukuran diameter plunger 140 mm, diameter batang plunger 80 mm dan langkah 200 mm berosilasi dua kali setiap detik. Randemen volumetrik 90 %. Tentukanlah kapasitas efektif (m3_{/menit) bila menggunakan :}

a. Pompa Torak Kerja Tunggal

b. Pompa Torak Kerja Ganda

c. Pompa Torak Diferensia langkah maju dan langkah mundur Penyelesaian

a. Kapasitas Pompa Kerja Tunggal (Qkt)

Qkt = = Ltr/det Qkt = 6,1544 liter/det = 22,16 m3_/jam

Qekt = = 0,90 x 22,16 = 19,94 m3_/jam b. Kapasitas Pompa Kerja Ganda (Qkg)

Qkg = =

Qkg = 10,2992 liter/det = 37,077 m3_/jam Qekt = = 0,90 x 37,077 = 33,37 m3_/jam c. Kapasitas Pompa Diferensial (Qkd)

Qmaju = 240 . ). .(D2−d2 Sn π ₌ 240 120 . 2 ). 8 , 0 4 , 1 .( 14 , 3 2− 2 = 4,145 ltr/det = 14,921 m3_/jam Qmundur = 240 . . .d2 Sn π ₌ 240 120 . 2 8 , 0 . 14 , 3 2 _{= 2,009 ltr/det = 7,235 m}3_/jam 240 120 . 2 . 4 , 1 . 14 , 3 2 240 120 . 2 ). 8 , 0 4 , 1 . 2 .( 14 , 3 2− 2

Jadi Kapasitas total Qkd = Qmaju + Qmundur = 14,921 + 7,235

Qkd = 22,16 m3_/jam

Qekd = = 0,90 x 22,16 = 19,94 m3_/jam 2.4 Tekanan (Head) Pompa Torak

Secara umum pompa mempunyai head isap dan tekan, seperti pompa yang sering digunakan dirumah tangga mempunyai head isap 9 mka dan head tekan 23 mka. Jadi secara teoritis pompa ini mampu memindahkan fluida air setinggi 32 meter. Kemampuan tekan ini tergantung pada konstruksi dan tenaga penggerak pompa.

Head tekan pada pompa torak sebanding dengan gaya dorong mesin penggerak dan berbanding terbalik dengan luas penampang plungernya, hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut :

( N/m2 ₎ dimana , Pt : Tekanan pompa ( N/m2 ₎ F : Gaya dorong batang plunger dari mesin ( N ) A : Luas penampang plunger ( m2 ₎ H : Head tekan/tinggi pemindahan fluida ( N/m2 ₎ Hl : Kerugian tinggi angkat total ( N/m2 ₎

Head isap pada pompa torak mengikuti teori Boyle-Gay Lussac dan Toricelli. Teori Boyle-Gay Lussac berhubungan dengan penampang dan langkah gerak plunger yaitu : P o_{T o}.V o

=

P s_{T s}.V s sedangkan menurut Toricelli terkait dengan letak pemasangan pompa dan tekanan udara sekitarnya yang secara umum dapat dijelaskan seperti pada Gambar 2.5.

Tekanan udara normal sebanding dengan76 mmHg, bila air raksa diganti air maka tinggi air Ha = 10,336 meter. Posisi ketinggian pemasangan pompa sangat berpengaruh terhadap head isap atau tekanan awal dalam pompa. Bila pompa diletakkan pada ketinggian I , II atau III dari permukaan air maka :

hl adalah jumlah kerugian tinggi tekan akibat adanya belokan, orifice, gesekan turbulen, katup maupun tekanan penguapan karena perubahan tempratur.

Gambar 2.5 Tinggi Tekan Udara Normal

Pemasangan pompa pada posisi III lebih dari 10 meter dari permukaan air, maka Hi3 berharga minus artinya menurut Toricelli air tidak dapat naik sehingga pompa tidak dapat mengisap atau tidak berfungsi sebagaimana mestinya. Kerugian tekanan akibat penguapan dapat dilihat pada Tabel 2.1

Contoh lain dalam pemasangan pompa boiler, suhu air dari ekonomiser 60 o_C dan hambatan-hambatan lain 2,5 mka, tentukan ketinggian (Hz) pompa dari permukaan sumber fluidanya ?

Kerugian tekanan penguapan pada suhu 60 o_{C = 2,03 mka, Jadi tinggi} pemasangan pompa maksimal Hz = 10,333 – 2,5 – 2,03 = 5,803 meter dari permukaan sumber air.

2.5 Tingi Angkat dan Randemen Hidrolis

Tinggi angkat adalah merupakan jumlah tinggi isap dan tinggi tekan. Misalkan air dalam sumur kedalaman 6 meter dipindahkan ke reservoir ke atas gedung tingkat lima (15 meter) dari tanah maka tinggi angkat H = Hi + Ht sebesar 21 meter. Tinggi angkat yang dilakukan pompa harus lebih besar dari tinggi angkat di atas karena harus melawan kerugian gesekan, belokan, orifice dan sebagainya. Untuk mengetahui besarnya tinggi angkat pompa maka dipasang manometer vakum pada langkah isap dan manometer tekan pada langkah tekan.

Gambar 2.6 Manometer Ketel Angin

Manometer isap menunjukkan 52 cmHg,

H

_{im a n}

=

_{7 6}5 2

x

1 0

mka = 6,84 mka, berarti kerugian tinggi isap karena katup, gesekan dan lain-lain adalah hli = 0,84 mka.

Manometer tekan menunjukkan 122 CmHg,

H

_{tm a n}

=

1 2 2_{7 6}

x

1 0

mka =16,05 mka, Berarti kerugian tinggi tekan karena hambatan dan sebagainya hlt = 1,05 mka. Perbandingan anatara tinggi angkat dan tinggi angkat manometer disebut Randemen/efisiensi hidrolis yang besarnya adalah :

X

dimana, ηh : Randemen / Efisiensi hidraulis (%)

H = Hi + Ht tinggi angkat total (m) Hi : Tinggi isap (tinggi dari air ke sumbu pompa) (m) Ht : Tinggi tekan (dari sumbu pompa ke reservoir) (m) Hman= Hmi + Hmt + Hl tinggi angkat total pompa (m) Hmi : Tinggi manometer isap (tinggi isap pompa) (m) Hmt : Tinggi manometer tekan (tinggi tekan pompa) (m) Hl : Kerugian tinggi tekan total (m) 2.6 Tenaga Pompa Torak

Dalam proses pemindahan zat alir dibutuhkan suatu usaha baik secara manual maupun menggunakan permesinan. Usaha adalah merupakan perkalian gaya dan jarak yang dapat dirumuskan sebagai berikut :

U = F x S = G x Ht (Joule)

G adalah Gaya berat zat cair (fluida) G = V x ρx g (N) Ht adalah tinggi total dan sering dikenal dengan Hman = H + Hl

Daya atau Tenaga adalah kemampuan melakukan usaha setiap detik yang mana besarnya dapat dirumuskan : Tenaga secara umum

N = FxS_t = G xH t_t = t H H xgx Vxρ ( + _l) _watt

Kapasitas Q = . Dengan mensubstitusikan harga kapasitas pompa torak kerja tunggal dan ganda ke persamaan di atas maka tenaga pompa torak dapat dirumuskan :

Kerja Tunggal ( watt ) Kerja Ganda ( watt )

Karena adanya faktor gesekan antara komponen pompa maka tenaga yang dibutuhkan untuk menggerakkan pompa disebut tenaga penggerak yang besarnya adalah :

Tenaga Penggerak Pompa ( watt ) dimana : N tenaga pompa torak (watt)

Ne tenaga penggerak pompa ( watt ) D diameter piston/plunger ( m ) d diameter batang piston ( m )

t Vxρ

S langkah gerak piston ( m )

n putaran mesin penggerak (rpm) ρ massa jenis fluida (Kg/m3₎

g gravitasi bumi (m/det2₎ ηm efisiensi mekanik ( % )

H tinggi isap + tekan ( m ) Hl kerugian tinggi tekan total (m)

Contoh Perhitungan Tenaga Pompa

1. Pompa torak Kerja ganda digunakan untuk mengisap air dari kedalaman 6 meter dan menekannya setinggi 42 meter dimana kerugian tinggi angkat diperkirakan 5 mka. Diameter dan Langkah gerak plunger masing-masing 6 dan 10 inci, diameter batang plunger 3 inci. Mesin penggerak pompa berputar pada 100 rpm. Randemen volumetrik dan mekanik masing-masing 95 dan 85 %. Hitunglah Kapasitas dan tenaga efektip pompa tersebut ! Penyelesaian :

D = 6 inci = 1,5 dm S = 10 inci = 2,5 dm d = 3 inci = 0,75 dm n = 100 rpm, ηv =95% η_m =85% H + Hl = 53 mka

a. Kapasitas Pompa teoritis

Q = = 5,52 liter/det Kapasitas sesungguhnya Qe = ηvx Q = 0,95 x 5,52 = 5,24 liter/det

b. Tenaga teoritis 240 53 . 81 , 9 . 1 . 100 . 5 , 2 ). 75 , 0 5 , 1 . 2 .( 14 , 3 2− 2

=

N

= 2870,0 watt

Tenaga Penggerak Pompa Np =

m N η = 0,85 0 , 2870 = 3376,5 watt

2. Mesin uap dengan putaran 90 rpm digunakan untuk menggerakkan pompa Diferensial yang berkapasitas 270 liter/menit dan pemindahan total ketinggian H+Hl =50 mka. Langkah piston S = 2D dan diameter piston 0,7D.

240 100 . 5 , 2 ). 75 , 0 5 , 1 . 2 .( 14 , 3 2₋ 2

Akibat gesekan dan kerugian lainnya menimbulkan efisiensi volumetrik dan mekanik masing-masing 95 dan 90 %.

Hitunglah a. Ukuran D, S dan d (mm)

b. Kapasitas langkah Isap dan Tekan (liter/detik) c. Tenaga Penggerak Pompa (Kw)

Penyelesaian :

Q = 270 liter/menit = 4,5 dm3_{/det n = 90 rpm H + Hl = 50 mka} S = 2D d = 0,7 D ηv =95% η_m =90%

a. Perhitungan ukuran komponen Pompa Kapasitas Pompa = 240 . 2 . .D2 Dn π Diameter Piston D =

3

240_2.πxQ_.n =

3

₂240_.3,14x4_.90,5 = 1,241 dm = 125 mm Langkah Piston S = 2D = 2x125 = 250 mm Diameter batang Piston d = 0,7D = 0,7 x 125 = 87,5 mm

b. Kapasitas Isap dan Tekan Pompa Kapasitas Isap Qi = 240 . ). .(D2−d2 Sn π ₌ 240 90 . 5 , 2 ). 875 , 0 25 , 1 .( 14 , 3 2− 2 _{= 2,35 liter/det} Kapasitas Tekan Qt = π.₂₄₀d2S.n = 240 90 . 5 , 2 . 875 , 0 . 14 , 3 2 _{= 2,25 liter/det}

c. Tenaga Penggerak Pompa

Tenaga Penggerak Pompa Np =

m v Hl H g Q η η ρ . ) .( . . + Np = = 2581,58 watt Np = 2,582 Kw 90 , 0 95 , 0 50 81 , 9 1 5 , 4 x x x x

2.7 Perhitungan Ukuran Utama Pompa Torak

Konstruksi umum pompa torak berbentuk selinder dan didalamnya terdapat torak/piston dan batang torak. Pompa ini harus mampu menampung sejumlah fluida yang bertekanan sesuai kebutuhan

1. Perhitungan Diameter didasarkan pada kapasitas pompa yaitu:

a. Pompa Kerja Tunggal

Diameter Piston Kerja Tunggal/Diferensial (m) b. Pompa Kerja Ganda dimana d = (0,4 – 0,7) D, Bila diambil d = 0,5D maka harga diameter piston dapat ditentukan : Diameter piston kerja Ganda (m)

dimana : D diameter piston / selinder ( m ) d diameter batang piston ( m ) S langkah gerak piston ( m )

n putaran mesin penggerak (rpm) ηv efisiensi volumetrik ( % )

2. Perhitungan Tebal Selinder didasarkan pada tekanan yang bekerja yang mengakibatkan timbulnya tegangan tarik pada dinding yang besarnya dapat diuraikan sebagai berikut :

σ

_t

=

F_A

≤

σ

_{tiz in} A ≥

tizin

F

σ

2 x t x L ≥ tizin L D P σ. . ... t ≥ tizin D P σ . 2 .

... untuk mencegah ketidak rata-an, korosi dan faktor penyusutan maka harga tersebut ditambah 0,5 cm. Tebal Selinder berdinding tipis (Cm) Untuk selinder berdinding tebal, dapat menggunakan Rumus menurut Bach Tebal selinder berdinding tebal

Keterangan :

t ; tebal dinding selinder ( Cm ) P = ρ.g. Hman : tekanan kerja pompa (Kg/cm2₎ D : diameter dalam selinder ( Cm ) R1 : Jari-jari dalam selinder ( Cm ) R2 : Jari-jari luar selinder ( Cm ) σtizin : Tegangan tarik izin bahan selinder (Kg/cm2)

σtizin Besi tuang 150 – 250 (Kg/cm2)

σtizin Baja tuang 350 – 550 (Kg/cm2)

3. Perhitungan Batang Piston, alat ini berfungsi untuk meneruskan gaya dorong mesin penggerak ke piston guna menekan dan mengisap fluida. Besarnya gaya dorong yang dibutuhkan dapat dihitung sebagai berikut : Gaya dorong F = A x P = π₄

.

D

2

.

ρ

.

g

.

H

_t ( N )

Gaya ini menimbulkan tegangan tekan pada batang piston yang besarnya : Tegangan tekan

σ

_d

=

F_a

≤

σ

_{tiz in} a = π₄

d

2 dengan

stitusikan ke dua persamaan tersebut maka diperoleh ukuran diameter :

Diameter batang piston ( m )

Untuk menjaga supaya batang piston tidak bengkok / buckling, maka gaya dorong yang terjadi harus lebih kecil dari gaya buckling yang besarnya

menurut Euler adalah :

F b

F

L v I E

≥

=

2 2 . . . π

Jadi Panjang batang Piston

Keterangan :

L : panjang batang piston ( cm ) E : modulus elastis bahan Besi-Baja Tuang (20 – 22).105 _(Kg/cm2₎ F : gaya dorong piston ( Kgf ) v : vaktor keamanan untuk gaya bolak-balik (4 – 8 )

I = A.y2 _{momen inertia (cm}4 ₎ y : radius of gyration (jari-jari gyrasi) yang harganya adalah : y = _AI untuk benda bulat I = ₆₄π

.d

4 dan A = π₄

.d

2 Jadi, jari-jari girasi y = d₄

Faktor kelangsingan batang piston

λ

=

L_y yang harganya adalah Besi tuang ≥ 90 dan Baja tuang ≥ 135.

Contoh

Pompa Diferensial mempunyai randemen hidraulis 85 %, volumetrik 95 % dan mekanik 90 % digunakan untuk memindahkan air 19 liter/det dari reservoir ke gedung lantai 12 yang tingginya 42,5 m. Langkah piston dua kali diameternya dan panjang batang piston 750 mm. Putaran mesin uap sebagai penggerak pompa 90 rpm. Bahan komponen pompa dari baja tuang. Hitunglah :

a. Diameter dalam selinder ( mm ) b. Tebal selinder ( mm ) c. Diameter batang torak ( mm ) d. Kapasitas langkah isap dan tekan (liter/det) e. Tenaga yang dibutuhkan ( Kw ) Penyelesaian

H = 42,5 m ηh =0,85 S = 2.D L = 750 mm n = 90 rpm ηm =0,90

Qe = 19 lit/det ηv =0,95 σtizin Baja tuang 350–550 (Kg/cm2) = 350

(Kg/cm2₎

a. Diameter dalam Selinder (D)

Kapasitas Pompa Diferensial S = 2.D Q =

v Qe η D = v n Q η π. . . 2 . 240

3

=

3

_2.3,14240_.90.19_.0,95 = 2,04 dm = 204 mm Diameter torak = diameter dalam selinder D = 204 mm b. Tebal Selinder (t) ( cm ) P = ρ.g.H ₌ h H

g

_η

ρ

.

.

= 1000 x 10 x 42,5/0,85 P = 500000 N/m2 _{= 5 Kgf/cm}2 _{D = 20,4 cm} tizin σ = 350 kgf/cm2 Jadi tebal selinder

t

≥

5₂._.2 0_{3 5 0},4

+

0

5,

≥

0,65 cm = 7 mm

Menurut Bach

R2 = 10,2 350₃₅₀+₋₁0_,,₃4_..₅5 = 10,33 cm

T = 10,33 – 10,2 = 0,13 cm = 1,3 mm Dari ke dua perhitungan di atas lebih aman menggunakan t = 7 mm c. Diameter Batang Torak (d)

F = A x P = π₄

D .

2

P

= 0,785 x 20,42 _{x 5 = 1633,43 (Kgf)}

d

≥

4₃._,1633_14.350,43 ≥ 2,44 Cm

Jadi lebih aman menggunakan d = 145 mm, mengingat panjang batang piston = 750 mm, apakah kuat terhadap buckling ? ( syarat F ≤ Fb )

4606,62 ≥ 1633,43 jadi sangat aman terhadap buckling

d. Kapasitas Isap dan Tekan Pompa Diferensial

Kapasitas Isap b Qi = = = 9,9 lit/det Kapasitas Tekan Qt = 240 . ._d2_Sn π ₌ 240 90 . 08 , 4 . 45 , 1 . 14 , 3 2 = 10,1 liter/det

e. Tenaga yang dibutuhkan (Np)

N = Q x ρ x g x Ht watt

N = 20 x 1 x 10 x 50 = 10000 watt

N = 10 Kw jadi tenaga yang dibutuhkan

N

_p

=

₀1 0_,99

=

1 1

1,

K w

2.8 Tugas Diskusi

1. Jelaskan keuntungan pompa Diferensial bila dibandingkan dengan pompa kerja tunggal !

2. Jelaskan keuntungan dan kerugian pompa torak kerja ganda ! 3. Jelaskan 10 jenis dan fungsi komponen utama pompa torak !

4. Dalam berita di TV, tabung selinder suatu pompa torak pecah, coba anda Jelaskan arah pecahnya tabung tersebut, apakah memanjang atau tang ! dan jelaskan kemungkinan faktor-faktor penyebabnya !

5. Dalam manual sebuah pompa torak kerja ganda yang mempunyai spesifikasi bahan dari baja tuang, kapasitas efektif 18 m3_{/jam dan head total 50 meter.} Dengan mengambil referensi Randemen mekanik 85 %, volumetrik 90 %,

F

F b

=

_vLEI

≥

2 2 . . . π

₁₆₃₃

_,

₄₃

2 4 6 2 75 . 8 5 , 14 . 05 . 0 . 10 . 2 . 14 , 3

_≥

240 . ). .(D2−d2 Sn π 240 90 . 08 , 4 ). 45 , 1 04 , 2 .( 14 , 3 2₋ 2

hidraulis 88 %, langkah piston dua kali diametrnya dan putaran penggeraknya 120 rpm ,maka rencanakan ukuran utama pompa tersebut !

BAB III

POMPA SENTRIFUGAL

3.1 Komponen Pompa Sentrifugal

Adapun jenis dan fungsi komponen utama pompa sentrifugal dapat dikelompokkan menjadi dua komponen utama yaitu Rotor dan Stator yang dapat dijelaskan sebagai berikut :

A. Komponen yang bergerak (Rotor)

1. Impeler (sudu-sudu) berfungsi untuk mengubah energi kinetis/putar poros menjadi energi potensial sehingga menarik dan melemparkan fluida dengan gaya sentrifugal yang timbul akibat adanya massa fluida dan putaran.

2. Shaft (Poros) berfungsi untuk meneruskan putaran dan torsi dari mesin penggerak ke impeler.

3. Impeler Nut ( Mur Sudu) berfungsi untuk mengikat impeler pada ujung poros 4. Key (Pasak) berfungsi untuk mengunci impeler pada poros

5. Radial bearing berfungsi untuk menahan gaya radial yang timbul akibat adanya berat rotor dan memperkecil gaya gesekan sehingga memperlancar gerak putar rotor itu sendiri

6. Thrust bearing berfungsi untuk menahan gaya aksial yang ditimbulkan oleh penguraian gaya sentrifugal pada kelengkungan konstruksi impeler dan juga memkecil gaya gesek pada poros

B. Komponen yang diam (Stator)

1. Pump Casing (Rumah Pompa) merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar, tempat

kedudukan inlet dan outlet flange serta tempat memberikan arah aliran dari impeller dan mengkonversikan energi kecepatan cairan menjadi energi dinamis

2. Inlet / Suction berfungsi sebagai saluran masuk/isap fluida ke dalam pompa

3. Outlet / Discharge berfungsi sebagai saluran keluar/tekan fluida

4. Suction Flange berfungsi sebagai tempat penyambungan pipa inlet ke rumah Pompa

5. Discharge Flange berfungsi sebagai tempat penyambungan pipa outlet/tekan ke rumah pompa

6. Casing Cover berfungsi sebagai tutup impeler dan penahan/pengarah aliran fluida pada saat pompa beroperasi

7. Casing Wear Ring berfungsi untuk memperkecil kebocoran cairan yang melewati bagian depan impeller maupun bagian belakang impeller, dengan cara memperkecil celah antara casing dengan impeller.

8. Cooling Jacket merupakan ruangan ventilasi untuk pendingin cover dan rumah pompa pada saat beroperasi

9. Casing Drain Conecting adalah tempat penyambungan pipa cerat ke rumah pompa yang biasanya dalam waktu-waktu tertentu dibuka guna membuang kotoran yang mengendap di dalam pompa

10.Botton Feet (Landasan Kaki) merupakan dudukan rumah pompa berfungsi sebagai tempat pemasangan pompa pada fondasinya

11.Seal Flushing Pipe adalah pipa penghubung antara outlet dan ruang operasi yang berfungsi untuk pelepas tekanan fluida yang berlebihan antara kedua ruang tersebut.

12.Bearing Bracket adalah rumah tempat pemasangan bearing aksial / radial 13.Bearing Cover adalah tutup bearing yang berfungsi untuk menahan dan

menutup bearing supaya bearing tetap pada posisi dan bebas dari debu 14.Bearing Bracket Support berfungsi sebagai pendukung rumah bearing

15.Oil Chamber berfungsi sebagai wadah dan tempat pembuangan minyak pelumas antara poros dan bearing

16.Oil / splash seal biasanya dipasang pada ujung poros guna mencegah kebocoran oli pelumas bearing melalui poros yang sedang berputar

17.Shaft Protection Sleeve berfungsi untuk melindungi poros dari erosi keausan maupun untuk mencegah gerak aksial yang akan terjadi

18. Mechanic Seal berfungsi untuk mencegah kebocoran fluida melalui poros 3.2 Prinsip Kerja Pompa Sentrifugal

Bila dilihat dari samping gambar di atas maka bentuk impeler adalah bulat dan bersirip seperti gambar di bawah ini. Ketika motor penggerak pompa dihidupkan maka poros meneruskan putaran ke impeler sehingga fluida masuk melalui lubang inlet dan disentuh oleh sirip impeler. Fluida yang berada diantara sirip-sirip impeler akan terlempar keluar akibat gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh putaran impeler tersebut. Terlemparnya fluida keluar secara otomatis akan terjadi isapan fluida melalui saluran inlet. Peristiwa ini akan terus berlangsung selama motor penggerak pompa dihidupkan sehingga terjadi aliran paksa terhadap fluida mulai dari reservoir sampai keluar pompa.

Gambar 3.2 Konstruksi Impeler

Poros dan Impeller pada pompa sentrifugal didukung dengan bantalan pada kedua ujung porosnya ataupun hanya salah satu ujungnya saja. Pada pemasangan satu bantalan menghemat satu seal tetapi akan terjadi peningkatan dari lendutan/defleksi pada poros, sedangkan lainnya sama. Untuk meningkatkan kapasitas dapat di buat impeller dengan double suction, ini juga berguna untuk menyetimbangkan gaya axial yang terjadi. Untuk memenuhi kebutuhan akan total head yang tinggi maka dapat di konstruksikan dengan pemasangan inpeller lebih dari satu atau jamak (multi-stage). Untuk membantu menghilangkan gaya axial dari impeller jamak tersebut maka dapat dilakukan pemasangan impeller dengan posisi berlawanan (back to back).

c. Impeler bertolak Belakang d. Impeler Multi Stage Gambar 3.3 Jenis-jenis Pompa Sentrifugal

3.3 Perhitungan Head dan Tekanan

Pompa sentrifugal adalah salah satu tipe pompa yang bekerja menurut gaya sentrifugal yaitu gaya yang timbul akibat adanya massa yang berputar dan arahnya keluar tegak lurus meninggalkan sumbu putar. Massa yang dimaksud dalam hal ini adalah massa fluida yang masuk ke dalam impeler yang sedang berputar. Gaya lempar fluida yang terjadi yang lebih umum disebut gaya sentrifugal yang besarnya adalah :

Gaya sentrifugal Fsf = m. ω . R2 (N) dan ω = 2. π . n rad/menit

Akibat gaya ini maka timbul percepatan yang meningkatkan kecepatan dan berubah menjadi energi kinetis Ek = ½. m . V2 joule. Sesuai dengan bentuk

casing dan fungsi pompa maka energi kinetis fluida ini berubah menjadi energi potensial Ep = m . g . H joule. Menurut Hukum Kekekalan Energi :

Ek = Ep jadi Head (Tinggi tekan) meter, ini berarti bahwa tinggi

angkat fluida pada pompa sentrifugal merupakan fungsi kuadrat dari kecepatan putar impelernya. Tinggi angkat ini berkaitan langsung dan sebanding dengan dengan tekanan pompa yaitu :

Keterangan , Fsf : gaya sentrifugal fluida ( N ) Ek : energi kinetik (joule)

Ep : energi potensial (joule) H : tinggi angkat/tekan pompa (mka)

Psf : Tekanan pompa (Pa) m : massa fluida ( Kg ) V : kecepatan keliling/putar impeler (m/det)

ω : kecepatan sudut impeler (rad/det) n : jumlah putaran impeler (rpm)

ρ : massa jenis fluida (Kg/m3₎ Contoh

Pompa sentrifugal mempunyai diameter impeler 300 mm berputar pada 1200 rpm, tentukanlah tinggi angkat dan tekanan impelernya bila randemen hidraulis 80 % dan massa jenis air yang dipindahkan 1 Kg/liter ?

Penyelesaian

D = 300 mm = 0,3 m n = 1200 rpm ηh =0,8 ρ = 1 Kg/liter = 1000 Kg/m3 Kecepatan keliling sudu V = π.D.n / 60 = 3,14 x 0,3 x 1200 / 60 = 18,84 m/det Tinggi angkat = = (18,84)2 _{: (2 x 10) = 17,75 mka}

Tinggi angkat efektif H =η_hxH _{= 0,8 x 17,75 = 14,20 mka}

Tekanan fluida pada impeler

Psf = 1000 x 10 x 17,75 = 177500 Pa

3.4 Kerja Spesifik dan Tinggi Angkat

Perpindahan energi sudu terjadi pada saat sudu diputar dimana fluida masuk di bagian dalam dengan kecepatan relatif ω1 dan arah θ2

θ

1.

Kecepatan relatif ini merupakan resultan dari kecepatan V1 fluida mengalir ke dalam sudu dengan kecepatan U1 keliling sudu. Pada saat sudu berbutar ω1

bergerak menelusuri sisi sudu dan keluar dengan kecepatan relatif ω2dengan

arah θ2. Karena adanya gesekan antara fluida dan sisi sudu maka harga ω2

dapat dirumuskan : ω2

=

ϕ

1

.

ω1

.

Gabungan atau resultan antara ω2 dan

Gambar 3.4 Segi tiga Kecepatan

Adapun harga parameter diatas dapat dijelaskan sebagai berikut :

Kecepatan keliling sudu bagian dalam U1 = π.₆₀D1.n _(m/det)

Kecepatan fluida masuk sudu V1 = K apasitas )_Ai (Q (m/det) Luas saluran sudu bagian dalam Ai = π.D1. b1 . z ( m2 ₎

Arah / sudut masuk fluida secara teoritis α1 = 900 tapi karena ada faktor

gesekan maka α1 ≥ 900 , jika diambil 900 maka harga ω1 dapat

menggunakan Rumus Phitagoras, tapi bila > 900 _{maka dapat menggunakan} Aturan Cosinus.

Besaran dari sudut-sudut di atas dapat ditentukan sebagai berikut :

1

α ≥ 900

θ1 = didapat dari hitungan

2

α = 5 - 120 _{Pompa dengan saluran pengarah (Bertingkat)}

2

α = 10 - 250 _{Pompa tanpa saluran pengarah ( 1 tingkat )} θ2 = 25 – 320

Kecepatan keliling sudu bagian luar U2 = π.₆₀D2.n _(m/det)

Kecepatan relatif fluida keluar sudu ω2

=

ϕ

1

.

ω1

.

(m/det)

Kecepatan keliling sudu bagian luar mempunyai batasan sesuai dengan bahan yang digunakan antara lain adalah sebagai berikut :

U2 = 35 meter/detik untuk Besituang Kelabu U2 = 60 meter/detik untuk Perunggu Tuang U2 = 70 meter/detik untuk Logam ringan U2 = 80 meter/detik untuk Baja tuang

Koefisien gesek antara fluida dan sirip sudu

ϕ

1 = 0,95 – 0,98

Dengan menggunakan Aturan Cosinus maka didapat harga kecepatan V2 fluida keluar sudu. Komponen Kecepatan fluida yang berpengaruh terhadap tenaga gerak pompa adalah V1x = V1u = V1 . Cos α1 = 0

V2x = V2u = V2 . Cos α2

Menurut kaidah Momentum, akibat adanya putaran akan menimbulkan Momen puntir (Torsi) yang besarnya adalah :

T = F x R = m. a . R = m . R . dV_dtu

T = m_t

(

R

₂

V

_2u

−

R

₁

V

_1u

)

Torsi ini dihasilkan oleh tenaga penggerak yang besarnya adalah : Tenaga Pompa N = T x ω dimana kecepatan keliling U = R x ω N = ω x m_t

(

R

₂

V

_2u

−

R

₁

V

_1u

)

N = m_t

(

U

₂

V

_2u

−

U

₁

V

_1u

)

jika ruas kiri dan kanan dibagi

t m

m

.

=

massa setiap detik, maka diperoleh Tenaga Spesifik ( Nm/Kg)

Tenaga Spesifik adalah tenaga yang dibutuhkan untuk memindahkan 1 Kg fluida.

Kerja spesifik berkaitan langsung dengan tinggi angkat pompa yang harganya menurut Euler adalah Y = g . H

Tinggi angkat, Persamaan Euler (mka)

Dari persamaan Euler tersebut dapat dijelaskan bahwa tinggi angkat berlaku untuk semua jenis fluida tanpa tergantung pada kerapatan/massa jenis. Bila

memperhitungkan massa jenis setiap fluida maka tinggi angkat ini berubah menjadi tekanan yang besarnya dapat dirumuskan sebagai berikut :

Tekanan Pompa P = ρ . g . H (Pa) 1 bar = 10.000 Pa

Keterangan,

Y : kerja spesifik (Nm/kg) U1/2 : kecepatan keliling dalam/luar sudu m/det H : tinggi angkat ( mka ) V1/2 : kecepatan fluida masuk/keluar sudu m/det P : tekanan pompa (Pa) ρ : massa jenis fluida (kg/m3₎

g ; gravitasi bumi (m/det2₎

3.5 Tenaga dan Efisiensi Pompa

Tinggi angkat merupakan faktor utama dalam penentuan ukuran dan tenaga pompa. Dari uraian sebelumnya telah dijelaskan bahwa besarnya tenaga dapat dihitung dengan persamaan :

Tenaga Pompa watt

Dalam pengoperasian pompa terdapat berbagai jenis kerugian seperti tinggi angkat , volumetrik dan mekanis sehingga menurunkan efisiensi secara keseluruhan. Jenis-jenis efisiensi yang terjadi pada pompa adalah :

1. Efisiensi Hidraulis

x

1 0 0

%

m a n HH h

=

η

2. Efisiensi Volumetrik

η

_v

=

Q e_Q

x

1 0 0

%

3. Efisiensi Mekanis

x

1 0 0

%

p NN m

=

η

4. Efisiensi Pompa η =_p η_hxη_vxη_mx100%

Harga Efisiensi hidraulis dan mekanik tergantung pada kecepatan putar spesifik yang besarnya adalah :

Gambar 3.5 Grafik Kecepatan putar Spesifik dan Randemen Tabel 3.1 Hubungan antara Kecepatan Putar Spesifik dan

Randemen Hidraulis

(nq) adalah kecepatan spesifik yaitu kecepatan putar yang dibutuhkan untuk menghasilkan tinggi angkat Hq = 1 meter dengan kapasitas Q = 1 m3_/det Harga (nq) ini berpengaruh terhadap pemilihan bentuk impeler yang

digunakan apakah impeler tekanan tinggi atau rendah.

Contoh

Sebuah pompa sentrifugal mempunyai kapasitas efektif 126 m3_{/jam dengan putaran 1450 rpm dan Randemen Volu} metrik 95 %. Dari hasil pengukuran impelernya terdapat data seperti gambar disamping

b. Tekanan Kerja Pompa (P) Pa c. Tenaga Penggerak Pompa (Np) Kw (Data lain lihat Referensi )

Penyelesaian

Qe = 126 m3_{/jam = 0,035 m}3_{/det D1 =100 mm = 0,10 m b1 = 30 mm = 0,03 m} n = 1450 rpm ηv =0,95 D2 =220 mm = 0,22 m b2 =12 mm = 0,012m a. Kerja Spesifik (Y)

Kecep. Keliling sudu bagian dalam U1 = π.₆₀D1.n ₌

60 1450 . 10 , 0 . 14 , 3 = 7,59 m/det

Kecep. Keliling sudu bagian luar U2 = π.₆₀D2.n ₌

60 1450 . 22 , 0 . 14 , 3 = 16,94 m/det Kapasitas pompa v Q e

Q

=

_η = 0₀,_,035₉₅ = 0,037 m3_/detik

Luas saluran masuk sudu A1 = π.D1.b1.z = 3,14 x 0,10 x 0,03 x 6 A1 = 0,057 m2

Kecepatan fluida masuk sudu V1 =Q_A

=

₀0_,,₀₅₇037 = 0,65 m/det Bila sudut masuk α1 = 900 maka V1u = V1 . Cos 900 = 0,00 m/det

Kecepatan Relatif masuk sudu ω1 2 1 2 1 V U + = ω1 = 7,592 +0,652 = 7,62 m/det

Sudut masuk relatif θ1 =

1 1 U V

arctg

=

arctg

₇0_,,₅₉65 = 4,90

Kecepatan Relatif keluar sudu ω2 =

ϕ

1

.

ω1

ϕ

1 = 0,95 – 0,98

ω2 = 0,95 . 7,62 = 7,24 m/det

Sudut Relatif keluar sudu θ2 = 25 – 320 _{diambil 30}0

Kecepatan fluida keluar sudu V2 = 0

2 2 2 2 2 2 U 2.ω .U Cos30 ω + − V2 = 7,242 ₊16,942 ₋2.7,24.16,94.0,866 V2 = 11,27 m/det

Sudut fluida keluar sudu

( )

2 2 2 2 2 2 2 2 . .2 2 U V V U

a r c C o s

ω

α

₌

+ −

α

₂

=

a rcC os

(

1 6,94_2.2₁₆+1 1_{,9 4},2 7_{.1 1}2−_,277,242

)

α2 =18,750 dapat diterima karena

α2 = 10 - 250 Pompa tanpa saluran pengarah ( 1 tingkat )

Bila sudut α2= 18,750 maka V2u = V2 . Cos 18,75 = 11,75 x 0,9469

V2u = 11,13 m/det

Jadi Kerja Spesifik Y = (16,94 x 11,13 - 7,59 x 0 ) = 188,54 Nm/Kg b. Tekanan Kerja Pompa ρair = 1000 Kg/m3 Jadi Tekanan Kerja Pompa P = 1000 x 188,54 = 188540 Pa

c. Tenaga Penggerak Pompa (Np)

Tinggi angkat H = Y_g

=

1 88_{1 0},54

=

18

,

854

meter Putaran spesifik = _{4 18,854}3

037 , 0

x 1450 = 30,83 rpm

Jika nq = 30,83 rpm dan Q = 0,037 m3_{/det , maka dari Tabel 2.2 dan} Gambar 3.4 didapat : ηh =0,96 dan ηm = 78 %

Tenaga Pompa = 1000 x 10 x 18,854 x 0,037 N = 6975,98 watt

Tenaga Penggerak Pompa Np =

m h N η η . = 0,96.0,78 98 , 6975 Np = 9316,21 watt = 9,4 Kw

3.6 Perencanaan Dasar Ukuran Utama Pompa

Secara umum perencanaan ukuran utama dari pompa sentrifugal didasarkan pada tinggi angkat dan kapasitas yang diperlukan. Dari parameter

ini maka dapat ditentukan tenaga pompa yang mana harganya lebih kecil dari tenaga penggeraknya. Perbandingan ke dua tenaga ini disebut Randemen mekanik yang dapat dirumuskan sebagai berikut :

Tenaga Penggerak Pompa ( watt ) Tenaga Pompa N = ρ . g . Hman . Q ( watt )

Tenaga pompa sama dengan tenaga mekanik porosnya N = Nmp = F x V watt N = F₆₀.π_.1000.2R.n Kwatt, sedangkan Torsi T = F x R dari persamaan tersebut didapat harga Torsi : ( Nm )

1. Perhitungan Diameter Poros

Poros berfungsi sebagai tempat pemasangan impeler dan sekaligus sebagai penerus putaran dari motor penggerak. Akibat berat dan gaya sentrifugal impeler akan menimbulkan tegangan bending sedangkan akibat putaran motor akan menimbulkan tegangan geser puntir. Karena hal tersebut maka perhitungan ukuran didasarkan pada :

a. Diameter poros berdasarkan Torsi

b. Diameter poros berdasarkan Bending

bi

pi σ

τ =(0,5−0,8)

Bahan poros dapat diambil dari Baja yang mempunyai tegangan puntir izin : Pompa satu tingkat ringan τpi = 20 N/mm

_{Pompa bertingkat ringan}

pi

τ = 15 N/mm2 Pompa bertingkat berat τpi = 10 N/mm2

Untuk mendapatkan perhitungan diameter poros yang lebih aman maka dapat menggunakan resultan dari pengaruh torsi dan momen bending. Dari hasil perhitungan diameter maka dilakukan penyesuaian dengan standar bearing, alur pasak dan jari-jari (fillet) maupun teknik assembling sehingga didapat gambar poros yang diinginkan.

Gambar 3.6 Poros Pompa 2. Perhitungan Diameter Impeler

Banyak tipe sudu yang dijumpai dilapangan, tapi secara umum dapat dibagi tiga yaitu tipe terbuka, semi terbuka dan tipe tertutup yang masing-masing mempunyai kekurangan dan kelebihan sesuai dengan kebutuhannya.

a. Terbuka b. Semi Terbuka c. Tertutup Gambar 3.7 Tipe Impeler

Dalam perencanaan Ukuran Impeler tergantung pada ukuran poros yang harganya dapat dijelas kan sebagai berikut :

Diameter dalam inlet DN = (1,2 – 1,4 ) D Diameter luar inlet DS = D1 = 2

0 . . 4 '

_DN

V Q

₊

π Diameter luar outlet D2 = 60_π.U_.n2

Q’ _{= (1,02 – 1,05 ) Q karena ada sebagian fluida kembali ke saluran inlet}

melalui celah-celah casing.

Vo : kecepatan aliran fluida masuk mulut/ inlet pompa yang harganya dapat diperoleh dari Grafik Kapasitas dan Putaran pada Gambar 3.8

Gambar 3.8 Grafik Kapasitas dan Putaran 3. Perhitungan Lebar Impeler

Ukuran lubang saluran sudu (t) dibatasi oleh dinding yang tebalnya (s) : s = (2 – 10) mm untuk Besi tuang

s = (3 - 6 ) mm untuk Logam non Ferro

Karena hal tersebut maka terjadi penyempitan yang menimbulkan

peningkatan kecepatan masuk sudu. Faktor penyempitan dapat ditentukan:

δ

=

_{( st−}t ₎ untuk saluran inlet δi = 1,1 - 1,2

saluran outlet δo = 1,03 – 1,08

Kecepatan fluida masuk sudu V1 = δi x Vo dan V2 = δo x V2m

Luas saluran inlet A1 = (t-s) . b1 . z Lebar saluran inlet

Lebar saluran outlet

Fungsi sudu adalah mengarahkan aliran fluida dari arah aksial menjadi arah radial yang tegak lurus poros. Semakin banyak sudu semakin baik arah aliran tetapi meningkatkan faktor gesekan antara fluida dengan dinding sudu. Jumlah sudu ini dipengaruhi oleh perbandingan diameter inlet dan outlet maupun jumlah sudut relatif yang harganya dapat ditentukan melalui grafik berikut ini.

Gambar 3.9 Grafik Sudut Relatif dan Jumlah Sudu

Contoh

Rencanakanlah ukuran utama ( Diameter poros dan ukuran Impeler) pompa sentrifugal yang dapat menghasilkan kapasitas 300 m3_{/jam dan tinggi angkat} total 120 meter pada putaran 1450 rpm , bahan sudu diambil dari besi tuang ! Penyelesaian :

a. Jumlah Tingkat / Impeler

Kapasitas fluida Q = 300 m3_{/jam = 0,083 m}3_/detik Tinggi angkat bila 1 tingkat H = 120 meter

Kecepatan Spesifik = _{4 120}3

1450

083 ,

0

_x

nq = 11,5 permenit

Bila nq = 11,5 maka tipe impeler yang dipakai adalah Impeler Tekanan tinggi H’ _{= 100 meter} nq = 11,5 dan Q = 0,083 m3_{/detik didapat}

m

η = 74 %

Jumlah tingkat i = H : H’ _{= 120 : 100 = 1,2 dibulatkan menjadi 2 tingkat,}

Kecepatan Spesifik = ₃

1450

60 4 083 , 0

_x

= 19 permenit

Bila nq = 19 dan 2 tingkat maka tipe impeler yang dipakai adalah Impeler Tekanan tinggi nq = 19 dan Q = 0,083 m3_{/detik didapat}

m

η = 77 % b. Tenaga dan Torsi Pompa

Tenaga penggerak pompa =

m Q H g η ρ . 1000 . . . = 1000.₁₀₀₀9,81_..120_0,77.0.083 Np =128Kwatt

Momen puntir / Torsi

1 4501 28 3 3

₉

_,

₅₅

_.

₁₀

10

.

55

,

9

=

=

N_np

T

T =843Nm =843000Nmm c. Diameter Poros Pompa

Diameter poros bertingkat ringan τpi =15 3 15 843000 1 , 5 x

d

≥

= 66 mm

Dengan penyesuaian standard bantalan dan pasak maka diambil D = 70 mm

d. Perhitungan Diameter Impeler

Diameter dalam inlet DN = (1,2 – 1,4 ) D = 1,28 x 70 = 90 mm = 0,09 m Kapasitas fluida masuk impeler Q’ _{= 1,05 x 0,083 = 0,087 m}3_/det Dari Grafik Kapasitas Q’ _{= 0,087 m}3_{/det dan n = 1450 rpm maka didapat} harga kecepatan fluida masuk impeler Vo = 3,5 m/det

Diameter luar inlet DS = D1 = 2 0 . . 4 '

DN

V Q

₊

π = ₃4_,x₁₄0,_x087_3,5

+

0

,

09

2 = 0,1994 m = 200 mm Diameter luar outlet D2 = 60_π.U_.n2

Kecepatan keliling impeler U2 = 35 m/det untuk Besi tuang diambil 33 m/det

D2 = _3,1460_xx₁₄₅₀33 = 0,435 m = 435 mm

e. Perhitungan Segitiga Kecepatan

Kecepatan fluida masuk sudu V1 = δi x Vo

→

δi = 1,1 - 1,2

V1 = 1,15 x 3,5 = 4 m/det Kecep. Keliling sudu bagian dalam U1 = π.₆₀D1.n ₌

60 1450 2 , 0 14 , 3 x x U1 = 15,2 m/det Kecepatan Relatif masuk sudu ω1 2

1 2 1 V U + = = _15,22 ₊₄2 ω1 = 15,5 m/det Sudut masuk relatif θ1 =

1 1

U V

arctg

=

a rctg

₁₅4_,2 = 14,70

→

₁₅0 _{Kecepatan Relatif keluar sudu ω2 =}

1

ϕ

_.

ω1

ϕ

1 = 0,95 – 0,98

ω2 = 0,95 . 15,5 = 14,7 m/det

Sudut Relatif keluar sudu θ2 = 25 – 320 _{diambil 28}0

Dengan memperhatikan ketentuan sebelumnya dan menggunakan Aturan Sinus – Cosinus maka harga kecepatan fluida dan besar sudut lainnya didapat sebagai berikut :

α2 = 190 θ2 = 280

ω2 = 14,7 m/det V2 = 24,5 m/det

f. Perhitungan Lebar Sudu

Lebar saluran inlet

=

₃0_,14,087_x0x_,1₂,15_x4

b1 = 0,0398 m = 40 mm Lebar saluran outlet

=

_3,140,_x087_0,435x1,05_x6,9

b2 = 0,0097 m = 10 mm g. Perhitungan Jumlah dan Jarak Sudu

Perbandingan D2 : D1 = 435 : 200 = 2,175 dan jumlah sudut relatif

θ1 + θ2 = 150 _{+ 28}0 _{= 43}0_{, maka dari Gambar 3.9 didapat jumlah sudu (z) =7}

Jarak pembagian sudu (t) = Keliling impeler : jumlah sudu Jarak sudu inlet 1 3,14₇x200

z xD i

t

=

π

=

= 89,7 mm

→

90 mm Jarak sudu outlet 2 3,14₇x435

z xD o

t

=

π

=

= 195 mm

Jadi dari perhitungan ukuran sudu-sudu diatas maka hasilnya dapat digambarkan berikut ini.

h. Pengecekan Tinggi Angkat setiap sudu (H1s)

Tinggi angkat setiap sudu menurut Euler :

H

_s U V u_gU Vu x

80

,

7

meter

81 , 9 ) 0 24 33 ( ) . ( 1

=

2 2 1 1

=

=

− −

Karena dari awal sudah ditentukan pompa sentrifugal 2 tingkat atau 2 impeler maka tinggi angkat total 2 x 80,7 meter = 161,4 meter berarti cukup memenuhi sebab > 120 meter walaupun sedikit boros.

3.7 Tugas Diskusi

1. Jelaskan perbedaan antara sudu dan impeler ! 2. Jelaskan pengertian dari Kerja spesifik pompa !

3. Apa yang dimaksud dan manfaat Segitiga Kecepatan !

4. Pompa sentrifugal tiga tingkat, bahan impeler besi tuang berputar pada putaran 900 rpm, D1 = 140 mm, D2 = 300 mm , jumlah sudu 6 buah dengan lebar b1= 36 mm dan b2 = 12 mm, data lain lihat ketentuan/standard pompa Hitunglah : a. Tinggi angkat Pompa

b. Kapasitas efektif Pompa (m3_{/jam) bila}

v

η = 94 % c. Tenaga Penggerak Pompa (Kwatt)

5. Rencanakanlah ukuran utama ( Diameter poros dan ukuran Impeler) pompa sentrifugal yang dapat menghasilkan kapasitas 280 m3_{/jam dan tinggi angkat} total 140 meter pada putaran 1450 rpm , bahan sudu diambil dari besi tuang!

BAB IV

KATUP POMPA

4.1 Fungsi dan Klasifikasi Katup

Katup adalah salah satu komponen penting untuk menunjang proses kerja pompa. Katup (Valve) sering juga disebut klep yang berfungsi untuk