Perhitungan Daya dan Instalasi Pompa

(1)

BAB IV

PERHITUNGAN DAYA DAN INSTALASI POMPA

Pada bab ini akan dibahas tentang : Daya pompa berdasarkan persamaan energi aliran, Instalasi pompa, Macam-macam daya pompa, NPSH dan Pemilihan pompa

4.1 Perhitungan Daya Pompa Berdasarkan Persamaan Energi Aliran

Untuk memepersingkat pembahasan, berikut ini akan langsung diberikan contoh soal perhitungan daya pompa pada sebuah instalasi pompa yang sederhana.

Sebuah pompa air pengisi ketel dipergunakan memompa air dari suatu reservoir- terbuka ke ketel yang bertekanan 3 bar (dari Manometer), seperti pada gambar. Kapasitas pemompaan diinginkan 10 liter/s. Bila massa jenis air ρ = 990 kg/m³, viskositas absolute air μ = 10^-5 kg/m.s dan efisiensi pompa ηp = 70%, tentukan daya motor listrik yang dibutuhkan untuk menggerakkan pompa. Instalasi pompa terdiri dari:

Gambar 4.1. Instalasi-pompa sederhana Bagian hisap

- bahan pipa Cast iron - panjang pipa Ls = 8 m

(2)

- diameter pipa Ds = 10 cm - satu buah saringan dengan ks = 0.2 - satu buah chek valve, kcv = 0.3 - satu buah elbow 90^o, Le/D = 0.25 Bagian tekan

1. bahan pipa Cast iron 4. panjang pipa Ld = 15 m 2. diameter pipa Dd = 10 cm 5. satu buah gate valve, kgv = 0.3 3. dua buah elbow 90^o, Le/D = 0.25 6. satu buah entrance, ke = 0.25

Pembahasan:

Persamaan dasar



+ + +

= + +

+ ^s P v gz h_LT

m gz W v P

2 2 2 2 1

2 1 1

2



^



(4-1) dimana: P₁=P_atm dan v₁= 0 karena luas reservoir 1 >>> luas penampang pipa

maka daya poros yang dibutuhkan pompa adalah:

( )

_



 



 + + − +

= ^gage



^LT

s P v g z z h

m

W ₂ ₁

2 2 2



2

  _(4-2)

dimana: z1 = -2 m dan z2 = 8 m Ds = Dd = D = 10 cm = 0.1 m

Kapasitas aliran, Q = 10 liter/s = 0.01 m³/s ( ctt : 1 m³ = 1000 liter)

1. Kecepatan

(

m

)

^m^s

s m D

v Q 1.27

1 . 0

01 . 0 4 4

2 3

2 2  =



 





=

=  ( Rumus : Q = v. A)

2. P2gage = 3 bar = 3x10⁵ N/m²

3. Laju aliran massa

( )

s m kg

s x x m m A kg

v

m 0.1 9.87

27 4 . 1

990 ₃ ²

2 = =

= 



4. Menghitung kerugian total

a. Kerugian head mayor

2 v2

D L f L

h_L ^s ^d 



 



 +

= _(4-3)

(3)

dari Gambar 4.2 untuk bahan pipa cast iron dengan diameter 10 cm didapat kekasaran relative pipa e/D = 0.003

Gambar 4.2. Hubungan antara D, jenis pipa dan e/d Bilangan Reynold

turbulen

s m

kg

m s x x m m kg

vD = = →

=

− 12,573,000

10 .

1 . 0 27 . 1 990 Re

5 3





(4)

dari diagram Moody (Gambar 9.3) untuk e/D = 0.003 dan Re = 12,573,000 didapat faktor gesek f = 0.022

Gambar 4.3. Moody diagram

maka kerugian head mayor

ℎ

_𝐿

= 0.026 (

^8𝑚+15𝑚

0.1𝑚

)

^(1.27

𝑚 𝑠)²

2

= 2.78

^𝑚²

𝑠² atau Joule/kg b. Kerugian head minor

ℎ_𝐿𝑚 = 𝑘^𝑣²

2 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝑓^𝐿^𝑒

𝐷 𝑣²

2 (4-4)

(5)

2 2

v2

D k f L D k

f L k

k _e

elb e gv

elb e cv

s 



 



  +



 

 + 

 +



 

 +  +

=

( ) ( )

 

₂²

2

s 86m . 2 0

s 27m . 1 25 . 0 25 . 0 015 . 0 x 2 3 . 0 25 . 0 015 . 0 3 . 0 2 .

0 =



 



 + +

+ +

+

=

c. Maka kerugian head total

_Lt

( )

₂² ₂²

s 64m . s 3 86 m . 0 78 . 2

h = + =



Catatan : m²/s² sama dengan J/kg. Jadi ada kerugian energi sebesar 3,64 J/kg.

Ada satuan yang berbeda untuk head loss, yaitu bersatuan meter, berarti rumusnya juga berbeda.

Jadi daya poros yang dibutuhkan pompa adalah:

( )

 













+

−

− +



 



 +

= kg.m

s . xN s 64m . 3 m 2 m s 8 81m . 2 9

s 27m . 1 m

990kg m 10 N x 3 s 87kg . 9 W

2 2

2

3 2 5

s

Watt 2 . 828 , s 5

m . 2N . 828 ,

5 =

= , bisa dibulatkan 6 kW

Bila efisiensi pompa ηp = 70%, maka daya motor yang dibutuhkan pompa adalah:



=

= 8326Watt

7 . 0

Watt 2 . 5828 W W

p s

p 

  atau 8,3 kW ,dibulatkan 10 kW

4.2. Instalasi Pompa

Berikut ini adalah salah satu contoh dari instalasi pompa yang umum dijumpai di lapangan / industri, dan beberapa contoh yang lain. Data-data yang perlu diperhatikan adalah : Head suction, head dischard dan Head statis, posisi dan tekanan permukaan air.

Data-data yang lain : diameter pipa hisap, diameter pipa tekan, kapasitas aliran, panjang pipa, belokan, percabangan, dsb.

(6)

Gambar 4.4. Contoh Instalasi Pompa pada umumnya.

Gambar 4.5. Contoh Instalasi Pompa Hz

Hd= 9 m

Hs = 5 m

Hs = Head suction (tinggi hisap), negatif Hd = Head dischard (tinggi tekan) Hz = Head Statis (tinggi tetap)

Hz = Hd – Hs (10-1) Hz = 9m – (-5)m = 14 m

Hz = Head statis ( Hs + Hd )

(7)

Gambar 4.6. Contoh Head suctian negatif ( Misalnya Hs = 4 m, dan Hd = 10 m) Seperti telah dijelaskan di bab sebelumnya, bahwa besarnya Head Statis (Hz) dapat dinyatakan : Hz = Hd - Hs.

Jadi untuk Gambar 10.4. besarnya Hz adalah :

Hz = Hd – Hs = 10- (-4) = 14 m, lihat persamaan (10-1)

Gambar 4.7. Contoh Head suctian positip (artinya Hs diberi harga + )

(8)

Gambar 4.8. Contoh instalasi pompa dengan Hs negatip dan Hs positip

Misalnya pada gambar yang kiri : Hs = 3 m dan Hd = 10 m, maka Hz = 10 – (-3) = 13 m Misalnya pada gambar yang kanan : Hs = 6 dan Hd = 13 m, maka Hz = 13 – (+6) = 7 m

Gambar 4.9. Contoh instalasi pompa torak tangan

(9)

Gambar 4.10. Contoh instalasi dan pompa jet (jet-pump)

Gambar 4.11. Contoh instalasi pompa Jet-pump

(10)

Gambar 4.12. Contoh instalasi pompa yang dielngkapi dengan satu tandon dan filter

Gambar 4.13. Contoh instalasi pompa yang dilengkapi dengan dua filter dan dua tandon

(11)

Gambar 4.14. Contoh instalasi pompa yang dilengkapi dengan filter

(12)

Gambar 4.16. Contoh instalasi pompa yang dilengkapi beberapa alat ukur

Gambar 4.17. Contoh instalasi pompa dilengkapi optomatis ketinggian permukaan

(13)

Gambar 4.19. Contoh instalasi pompa rumah tangga yang mengambil air dari sumur

(14)

Gambar 4.21. Contoh instalasi yang tidak baik dan baik.

Gambar 4-22 Pompa Jet-pump

(15)

Gambar 4-23 Prinsip pompa Jet-pump, sesuai dengan Hukum bernoulli

Gambar 4-24. Tipe 1 dan Tipe 2 penggunaan prinsip Jet-pum

(16)

Tabel 4.1. Data spesifik, untuk pemilihan Jet-pump

(17)

4.3. Daya Air, Daya Poros dan Daya Motor, VA PLN

4.3.1 Daya Air

Energi per satuan waktu yang secara efektif diterima oleh air disebut dengan daya air (WHP) water horse power, yang secara sederhana dapat ditulis :

) 746 (

.

. Q H HP WHP = 

^e

(4-5)

dimana :  = berat jenis fluida (N/m³),  = ρ.g He = Head efektif ( m )

Q = kapasitas (m³/s)

Gambar 4-26. Posisi WHP, BHP (daya poros pompa) dan efisiensi motor listrik

4.3.2 Head Efektif dan Daya Poros Pompa (BHP)

Head Efektif atau Head Instalasi pompa dapat dinyatakan dengan rumus :

_e

( Z Z ) HLoss

g v v P

H P   + − + 

 

 +  −

 

 



=  −

² ¹ ²² ¹² ₂ ₁

 2

^(4-6)

dimana : P = Tekanan pada bagian delivery reservoir (penampung atas), N/m²

(18)

P1 = Tekanan pada bagian suction reservoir (penampung bawah), N/m² P2 = Tekanan pada bagian disvchar reservoir (penampung atas), N/m Z2 = Tinggi permukaan fluida bagian delivery terhadap datum, m Z1 = Tinggi permukaan fluida bagian suction terhadap datum, m v2 = Kecepatan rata-rata pada bagian delivery, m/s

v1 = Kecepatan rata-rata pada bagian suction, m/s H_Loss= Jumlah total kerugian gesekan pada instalasi, m

Daya poros adalah daya yang diperlukan untuk menggerakkan poros pompa, sama dengan daya air (WHP) ditambah dengan kerugian daya di dalam pompa. Sehingga dapat dinyatakan dengan rumus :

p w p

P P

= 

_(4-7)

dimana : Pp = daya poros, atau Break horse power, HP Pw = daya air atau WHP, Hp

p = efisiensi pompa

4.3.3. Daya Penggerak / Motor Listrik

Penggerak pompa pada umumnya adalah motor listrik, besarnya daya motor listrik dapat dinyatakan dengan rumus :

m p m

P P

= 

_(4-8)

dimana : Pm = daya motor listrik atau Break Horse Power, HP m = efisiensi motor listrik.

(19)

4.3.4. Volt Amper (VA) yang dibutuhkan oleh Pompa

Besarnya VA yang dibutuhkan oleh pompa yang diambil dari Listrik PLN dapat dihitung dengan rumus :

Pm = V.I. Cos φ (4-9)

𝑉. 𝐼 = 𝑃_𝑚 𝐶𝑜𝑠 𝜑

Dimana : Cos φ = Faktor daya, Watt/Volt.Amper V = voltase/tegangan, Volt

I = arus listrik, Ampere

Faktor daya adalah nilai Cosinus dari sudut pergeseran fasa, nilainya berkisar antara 0 s/d 1. Berikut ini adalah beberapa nilai faktor daya dari beberapa peralatan listrik.

a. Mesin Las : 0,3 s/d 0,5 b. Lampu TL : 0,5 s/d 0,7 c. Motor Listrik : 0,8 s/d 0,9

d. Lampu Pijar : 1,0 ( kalau komponen elektronik itu pada Resistor)

Soal : Sesuai dengan : Name Plat, tertera : 200 W, 220 V. Bila Cos φ = 0,8 maka berapa VA listrik (setrum) yang diambil oleh pompa dari listrik PLN ?

𝑉. 𝐼 = 𝑃_𝑚

𝐶𝑜𝑠 𝜑 = 200 𝑊 0,8 𝑊 𝑉𝐴

= 250 𝑉𝐴

Inilah alasannya, mengapa NCB sudah Off, walaupun Daya pasang listrik lebih besar dari pada daya peralatan yang terpakai. Misalnya daya pasang listrik 900 VA, peralatan listrik yang terpakai masih 860 Waat, NCB sudah Off.

(20)

Contoh soal :

Misalnya diketahui : He = 10 meter, Q = 0,001 m³/s, ρ = 1000 kg/m³ dan anggap g = 10 m/s² , Efisienesi pompa 0,8 ,Efisiensi motor listrik 0,9 dan factor daya 0,85

Hitunglah : WHP, BHP atau daya poros pompa, Pm , V.I , Energi Listrik yang diambil dari PLN bila menyala (hidup) selama 1 jam. Berapa harus bayar ke PLN bila harga 1 kWh = Rp. 1500,-

Penyelesaian :

a. WHP = γ.Q.He / 746 = 0,134 HP atau 100 Watt

b. BHP (break horse power) atau Pp = WHP/ p = 125 Watt c. Pm = Pp / m = 139 Watt

d.

𝑉𝐼 =

^𝑃^𝑚

𝐶𝑜𝑠 𝜑

=

^{139 𝑊𝑎𝑡𝑡}

0,85 = 164 VA

e. Energi Listrik. E = V.I.

t

= 164 VA . 1 h = 164 Wh = 0,164 kWh Energi listrik itu dihitung secra otomatis oleh alat ( kWh – meter).

f. Uang yg harus dibayar = 0,164 kWh . Rp. 1500,- = Rp. 246,- = Rp. 250,-

4.4. NPSH (Net Positive Suction Head)

NPSH ini diperlukan untuk mencegah supaya tidak terjadi kavitasi. Oleh karena itu sebelum membahas NPSH, terlebih dahulu perlu diketahui tentang kavitas, berikut ini adalah penertian tentang kavitasi

4.4.1. Pengertian Kavitasi

Kavitasi adalah gejala menguapnya zat cair yang sedang mengalir (di dalam pompa), karena tekanannya berkurang sampai di bawah tekanan uap jenuhnya. Ini terjadi di tempat-tempat yang bertekanan rendah atau berkecepatan tinggi di dalam aliran sangat rawan terjadinya kavitasi. Misalnya pada sisi isapnya, kavitasi akan terjadi di sini, bila tekanan isapnya terlalu rendah.

(21)

Akibat-akibat Kavitasi :

- Timbul suara berisik dan getaran - Menurunkan performance

- Permukaan dinding saluran hisap akan mengalami kerusakan berupa lubang-lubang (bopeng). Peristiwa ini disebut Erosi Kavitasi sebagai akibat dari gelembung- gelembung uap yang pecah pada dinding secara terus menerus.

4.4.2. NPSHa dan NPSHr a. NPSHa

NPSHa (available yang tersedia ) adalah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa (ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi hisap pompa) dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair di tempat tersebut. Dapat dinyatakan dengan rumus :

s

v

a

P Hs hl

NPSHa = P −  − 



^(4-10)

dimana : Pa = tekanan (abs) permukaan air di suction reservoir, Pa ( biasanya Pa besarnya 1 atm atau 101325 Pa) Pv = Tekanan uap jenuh pada temperatur tertentu, Pa (dapat dilihat pada tabel 10-2). Pada temperatur 25 ôC, Pv = 3,170 kPa dan 30 ôC = 4,247 kPa 40 ôC, Pv = 7,385 kPa dan 80 ôC = 47,42 kPa Hs = tinggi hisap (head suction), m

Berharga negative bila permukaan air-hisap dibawah pompa γ = berat jenis , N/m³ , ( γ =ρ.g = 1000 kg/m³ . 9,81 m/s² ) hl_s= jumlah total kerugian pada pipa hisap, m

(22)

Tabel 4.2 Tabel H20 untuk Pv, v, u, h dan s berdasarkan temperaturnya

b. NPSHr

NPSHr (required = yang dibutuhkan oleh pompa ) adalah NPSH yang dipersyaratkan oleh pompa untuk bisa bekerja dengan baik tanpa terjadinya kavitasi. Oleh karena itu dipersyaratkan :

NPSHa ≥ NPSHr (4-11)

Besarnya NPSHr ditentukan oleh pabrik pembuat pompa (biasanya tercantum dalam spesifikasi pompa), besarnya tergantung beberapa factor, antara lain : desain impelernya, kecepatannya (n), sifat fluida, dsb.

(23)

Contoh : Istalasi Pompa, sudah dihitung : Σhls = 0,5 m. NPSHr yg tertera dalam spec = 2 m, suhu air 20 ^oC. Terjadi kavitasi atau tidak ?

Gambar 4-27. Instalasi pompa menunjukkan Hs, Hd dan Hs Jawab :

s

v

a

P Hs hl

NPSHa = P −  − 



𝑁𝑃𝑆𝐻𝑎 = 101325 𝑃𝑎 1000 𝑘𝑔

𝑚². 10 𝑚 𝑠²

− 3170 𝑃𝑎 1000𝑘𝑔

𝑚³. 10𝑚 𝑠²

− 5𝑚 − 0,5 𝑚 = 3,45 𝑚

Karena : NPSHa ≥ NPSHr , maka tidak terjadi Kavitas.

4.5. Pemilihan Pompa

Jika kapasitas, head efektif, dan NPSH yang tersedia dari suatu pompa telah ditentukan, maka putaran dan jenis pompa dapat ditentukan pula. Untuk pompa besar atau

Hz

Hd= 9 m

Hs = 5 m

Hs = Head suction (tinggi hisap), negatif Hd = Head dischard (tinggi tekan) Hz = Head Statis (tinggi tetap)

Hz = Head statis ( Hs + Hd )

(24)

total yang diminta. Namun untuk pompa berukuran kecil atau sedang, lebih ekonomis jika dipilih dari pompa-pompa standar atau yang diproduksi secara masal.

Hubungan antara putaran medan magnet dalam motor tanpa beban atau sering disebut putaran sinkronus (ns) dan jumlah kutup ( p ) serta frekuensi (f) dapat dinyatakan dengan : (Suharto, Pompa Centrifugal : 265, 2016)

𝑛

_𝑠

=

^120.𝑓

𝑝

^(4-12)

Dimana : ns = putaran sinkronus, rpm

f = frekuensi, Hz, listriknya PLN f = 50 Hz) p = jumlah kutup

Selisih kecepatan sinkronus (ns) dengan kecepatan pada beban penuh (n) disebut dengan Slip. Misalnya ns = 3000 rpm, setelah pompa bekerja terus diukur kecepatannya menunjukkan 2885 rpm, maka terjadi Slip sebesar 15 rpm.

Tabel 4.2. Putaran sinkron motor listrik pada frekuensi 50 Hz No Jumlah kutup Putaran sinkronus

1 2 3000 rpm

2 4 1500 rpm

3 6 1000 rpm

4 8 750 rpm

5 10 600 rpm

6 12 500 rpm

Salah satu cara untuk memilih pompa adalah dengan menggunakan Diagram Pemilihan Pompa Standar. Pompa-pompa standar berukuran kecil dan sedang pada umumnya dilengkapi dengan diagram pelilihan. Diagram semacam ini akan lebih memudahkan pemilihan pompa. Sebagai contoh dapat dilihat pada gambar di bawah ini

(25)

Gambar 4.28. Contoh diagram pemilihan pompa tertentu

Misalnya diketahui kapasitas poma 0,4 m³/min dan Head total pompa 15 meter, maka nomor katalog pompa yang dipilih adalah : 65 x 50 A 2 – 5 2,2.

Diameter pipa hisap = 65 mm Diameter pipa keluar = 50 mm Jenis rumah = A Jumlah kutup motor listrik = 2 phase

Frekuensi = 50 Hz Daya motor 2,2 kW

(26)

Gambar 4.29. Diagram pemilihan jenis pomp

Gambar 4.30. Contoh diagram pemilihan pompa ( n = 3000 rpm)

(27)

Tabel 4.3 Data-data yang diperlukan untuk pemilihan pompa

Soal-soal singkat. Persiapan UTS

1. Gambarkan sket instalasi pompa secara umum, kemudian tunjukkan : head discharge, head suction , dan Head statis.

2. Diketahui head suction 5 meter di bawah pompa, dan head dischard 15 meter di atas pompa. Kapastas yang direncakan 200 lt/min. Head los total 10 % dari head statisya. Hitunglah :

- WHP.

- Daya pompa ( efisiensi pompa 0,85) - Daya motor ( efisiensi motor 0,9) - Volt-Amper, bila Cos φ = 0,85

(28)

3. Jelaskan secara singkat apa yang dimaksud dengan kavitasi.

Apa syaratnya supaya tidak terjadi kavitasi

4. Contoh soal : Bila kapasitas 600 liter.menit. diameter pipa hisap dan tekan sama sebesar 1 inchi, maka hitunglah besarnya daya pompa yang diperlukan.

Gambar 4.31. Instalasi untuk soal no. 4 5. Jelaskan secara singkat apa yang dimaksud dengan :

a. Head suction negatip dan head suction positip b. Jet-pump

c. Slip

b. Minimal apa yang harus diketahui untuk pemilihan pompa.