Alat dan Proses Aliran Fluida

Alat Pemindah Fluida ì

Dr. Elvi Restiawaty

Pompa dan Pemompaan

ì Pompa adalah alat pemasok energi secara kontinyu untuk mengalirkan fluida.

ì Pemompaan adalah proses mengalirnya fluida secara kontinyu dalam pipa atau saluran menggunakan energi kerja yang

dipasok ke sistem fluida oleh pompa.

ì Pemompaan fluida menyebabkan level fluida lebih tinggi dari z₁ ke z₂, tekanan yang lebih tinggi dari p₁ ke p₂, dan kecepatan fluida yang lebih tinggi dari u₁ ke u₂.

ì Fluida yang mengalir merupakan fluida incompressible.

Blowers dan Blowing

ì Blower adalah alat untuk mengalirkan fluida gas

ì Blowing (hembusan) adalah proses untuk mengalirkan gas secara kontinyu dari sumber ke lokasi target dengan bantuan blower.

ì Berfungsi menambah laju alir fluida daripada menambah tekanan.

ì Menghembuskan fluida gas dalam sistem aliran terbuka, bukan memampatkan dalam sistem aliran tertutup.

ì Untuk memampatkan diperlukan kompresor.

Masalah yang dihadapi

ì Dalam operasi tranportasi fluida, masalah yang sering dihadapi adalah memilih pompa atau kompresor yang sesuai untuk

sistem yang dipunyai atau mengatasi problem sesaat (trouble shooting) yang mungkin timbul pada sistem aliran.

ì Beberapa karakteristik perlu diketahui: menyangkut pompa dan kompresor serta fluidanya.

5

ì Sifat fisik & kimia fluida yang ditransportasikan: korosifitas, temperatur, tekanan uap, viskositas, densitas, kandungan zat padat dan lain-lain.

ì Rentang kapasitas pompa atau kompresor.

ì Kondisi saluran hisap (suction): ketinggian, tekanan.

ì Kondisi saluran buang (discharge): ketinggian, tekanan yang diperlukan, kehilangan energi karena gesekan yang harus diatasi, dan sebagainya.

ì Sifat operasi transportasi: kontinyu, terputus-putus.

ì Sumber energi atau power yang tersedia untuk menggerakkan pompa dan kompresor.

ì Letak pompa dan kompresor pada sistem perpipaan.

Karakteristik

6

ì Kapasitas

ì kemampuan untuk mengalirkan fluida persatuan waktu.

ì Head

ì kemampuan untuk memindahkan energi ke fluida per satuan massa fluida.

ì Daya

ì kemampuan untuk menerima energi dari sumber per satuan waktu.

ì Efisiensi

ì perbandingan antara energi yang diberikan kepada fluida dan energi yang diterimanya dari sumber.

Karakteristik

Persamaan Neraca Energi: Pompa

ì Neraca Energi dari titik 1 ke titik 2:

P₁

ρ + gz₁+ 1

2 u₁² = P₂

ρ +gz₂ + 1

2 u₂² −w_s +e_f

⇒ P₁

ρ + gz₁+ 1

2 u₁² = P₂

ρ +gz₂ + 1

2 u₂² −w_p +e_f

z₁ = z_s = suction potential head z₂ = z_d = discharge potential head u₁ = u₂

P₁ = P_s P₂ = P_d

h_p = w_p

g = head pump h_f = e_f

g = head loss

Persamaan Neraca Energi: Pompa

ì Neraca Energi dari titik 1 ke titik 2:

P₁

ρ +gz₁ + 1

2 u₁² = P₂

ρ +gz₂ + 1

2 u₂² −w_p +e_f

w

_p

= e

_f

+ g z (

_d

− z

_s

) + P

^d

− P

^s

ρ h

_p

= h

_f

+ z

_d

− z

_s

+ P

_d

− P

_s

ρ g

Persamaan Neraca Energi: Pompa

ì Head loss (h_f) dapat disusun dari head loss dalam sistem hisap (h_fs) dan sistem pembuangan (h_fd)

ì Head pompa kemudian dinyatakan sebagai:

h_f = h_fs +h_fd

h_p = h_fs +h_fd + z_d − z_s + P_d − P_s ρ^g h_p = z_d + P_d

ρ^{g +hfd}

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟ − z_s + P_s

ρ^{g − hfs}

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟

Persamaan Neraca Energi: Pompa

ì Neraca Energi dari titik 3 ke titik 4:

ì Asumsi: diameter pipa suction and discharge sama

ì e_f adalah hilang panas dalam pompa yang diperhitungkan dalam efisiensi pompa,

sehingga:

P₃

ρ + gz₃ + 1

2 u₃² = P₄

ρ +gz₄ + 1

2 u₄² +e_f −w_p z₃ = z₄, u₃ = u₄

w_p = P₄ − P₃

ρ

, h_p = w_p

g = P₄ − P₃

ρ

^g

Persamaan Neraca Energi: Pompa

ì Persamaan energi kemudian dapat dinyatakan sbb:

ì Head losses dirumuskan sbb:

P₄ − P₃

ρ^{g = hp = zd +} P_d

ρ^{g +hfd}

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟ − z_s + P_s

ρ^{g −hfs}

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟

Total suction head, h_s.

Total discharge head, h_d.

h_p = h_d − h_s

Soal Latihan

ì Air dipompa dengan laju 250 gallon per menit (gpm) dari tangki 1 ke tangki 2. Hitung daya yang diperlukan untuk memompa air tersebut jika efisiensi 70%. Koefisien gate valve = 0,17. Koefisien kontraksi = 0,4,

koefisien ekspansi = 1, koefisien elbow 90^o = 0,75.

12

a

e

c

Tank 1

L2=10 ft

5” Sch. 40 Steel

P_e= 30 psig Tank 2

d

b

L2=90 ft

4” Sch. 40 Steel

∆Z_ab= -10 ft

∆Z_bc= +0.5 ft

∆Zcd= +75 ft

∆Z_de= +15 ft

gate valve (open)

gΔz + Δp ρ ^+Δ

u² 2

⎛

⎝⎜ ⎞

⎠⎟=η^w_P −e_f

Net Positive Suction Head (NPSH)

ì Tekanan pada titik hisap

pompa harus lebih kecil dari tekanan pada titik sumber fluida cair.

ì Kecepatan fluida sama dengan nol, terjadi saat:

P

_s

− P

₃

ρ g + z

^s

− h

^fs

≤ 0

Net Positive Suction Head (NPSH)

ì Tekanan terendah pada titik 3 = tekanan uap cairan (P_υ)

ì Saat P₃ = P_υ, cairan menguap dan uap yang terbentuk memblok aliran dalam pipa

hisap. Kondisi ini disebut "aliran kavitasi”.

ì Persamaan Energi dari titik s ke titik 3:

P₃ = P_υ

P_S − P_υ

ρ^{g +zs −hfs =} 1 2

u₃²

g = NPSH Perhatikan nilaiz_s!

Net Positive Suction Head

Zs

1

2

Zd

Zs

1

2

Zd

Kasus A

Kasus B

v fs s s

s v h

g P z P

g

h P - -

+

= -

= r r

NPSH _s ^v _s ^{s v} h_fs

g P z P

g

h P - -

+ -

= -

= r r

NPSH

Net Positive Suction Head (NPSH)

ì Agar pompa dapat mengalirkan (memompa) fluida cair, maka NPSH harus bernilai positif.

P

_S

− P

_υ

ρ g + z

^s

− h

^fs

= NPSH > 0

Net Positive Suction Head

ì

NPSH

_avaiable

(disebut juga NPSH

_operasi

) adalah NPSH yang sesuai keadaan di lapangan atau berdasarkan

konfigurasi sistem perpipaan dan fitting/valve.

Perbedaan konfigurasi akan menyebabkan perbedaan nilai NPSH.

ì

NPSH

_required

(atau spesifikasi) adalah NPSH yang disyaratkan dari manufaktur.

ì

NPSH

_avaiable

(disebut juga NPSH

_operasi

) sebuah pompa harus lebih besar dari NPSH

_required

(atau spesifikasi) pompa dari pembuat/manufaktur.

ì

Untuk aliran dengan laju alir yang besar, NPSH yang dibutuhkan besar.

17

Klasifikasi dan Operasi Pompa ì

Pompa Sentrifuga

ì Prinsip Kerja: impeler berkecepatan tinggi menghisap cairan pada daerah sumbu dan

mendorong cairan tsb

melengkung ke arah radial di dalam ruangan pompa untuk menghasilkan tekanan buang yang lebih tinggi.

Pompa Sentrifuga

ì Pada titik hisap dan buang pompa:

P_I : suction pump pressure; P_o : discharge pump pressure; dan z_I = z_o

ì Asumsi u_I≈ u_o, maka: Head pompa:

h_p = w_s

g = P_O − P_I ρg Daya pompa netto:

w_s = g⋅h_p → w_s = W!_s

!

! m

W_s =V!ρgh_p = mgh! _p Daya pompa yang dipasok:

W!_P = W!_s

η_p Efisiensi pompa

Pompa Sentrifuga

Kinerja pompa dapat digambarkan sbb:

ì Aliran buang pompa dilengkapi dengan suatu valve. Bukaan valve dikecilkan, maka laju aliran fluida juga berkurang, sehingga tekanan aliran buang

meningkat.

ì Saat valve dibuka penuh, tekanan aliran buang menurun.

ì Tekanan maksimum teoritis dari aliran buang pompa diperoleh ketika laju alir menjadi nol.

Kurva Kinerja Pompa (h p vs V)

Shutoff Head

h_p1 h_p2

V!₁ V!₂

h_p1 > h_p2 →V!₁ < V!₂

Developed head (m)

Discharge (m³/min)

Efficiency Daya

Daya Efficiency Developed head

Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal

Positive displancement pump

ì Karakteristik pompa positive displacement ditentukan

oleh volume kerja pompa yang menjadi tempat

"dipindahkannya" fluida kerja.

Positive displancement pump

25

ì Pompa positive displacement:

ì Cairan yang dialirkan ditangkap di dalam badan pompa, lalu didorong keluar oleh torak (piston/plunger)

ì Reciprocating: torak bekerja maju-mundur

ì Rotary: cairan terperangkap di dalam ruangan à berputar bersama dengan ruangannya à cairan terlempar keluar

ì Jumlah cairan yang dipindahkan bergantung pada kecepatan gerak (maju-mundur atau putar)

ì Pada jenis ini, kecepatan tetap/mantap (stabil)

Kriteria Pemilihan Pompa

26

1.

Jumlah cairan yang akan dipindahkan.

2.

Besarnya head yang harus dicapai.

3.

Sifat fisik dan kimia cairan yang akan dipindahkan.

4.

Sumber tenaga yang tersedia, jenis pompa yang akan dipilih harus disesuaikan dengan sumber tenaga yang tersedia.

5.

Efisiensi operasi pemompaan.

Kriteria Pemilihan Pompa

ì Pompa Positive Displacement (reciprocating atau rotary)

ì Debit relatif konstan dan headyang bisa divariasikan.

ì Untuk service yang membutuhkan rentang head yang tinggi dan beragam.

ì Pompa Centrifugal

ì Biasanya lebih murah, biaya maintenance rendah, dan space kecil (praktis).

ì Kecepatan operasi 1200-8000 rpm (ada juga 23,000 rpm tapi untuk kapasitas rendah)

ì Memompa cairan hingga head yang tinggi.

ì Sebagian besar pompa centrifugal beroperasi pada head yang relatif konstan dan kapasitas yang beragam (bisa naik turun).

27

Soal

ì Benzen (r = 54 lb_m/ft³) pada 100^oF dipompa melalui sistem perpipaan (lihat gambar) pada laju 40 gal/min.

Tangki A bertekanan atmosferik.

Tekanan gauge pada ujung jalur buang adalah 50 lb_f/in². Tinggi

ujung pipa buang dan bagian hisap pompa masing-masing adalah 10 ft dan 4 ft di atas permukaan tangki A.

Jalur pipa buang adalah 1,5 in SN 40. Friksi di jalur hisap adalah 0,5 lb_f/in² dan di jalur buang adalah 5,5 lb_f/in². Efisiensi pompa 60%.

a'

Zb’

Z_b Za

a b

28

¨ Tekanan uap benzen pada 100^oF adalah 3,8 lb_f/in².

¤ Hitung developed head pompa (w_p)

¤ Daya input yang dibutuhkan (Ŵ_p)

¤ Jika perusahaan pompa menspesifikasi NPSH required sebesar 10 ft, apakah pompa bekerja baik pada kondisi tersebut?