Bahan Ppt 3.pdf

BAHAN AJAR

POMPA DAN KOMPRESOR BAGIAN I : POMPA

OL E H :

IR. MADE SUARDA, M.ENG.

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA 2015 6

BAB I DEFINISI DAN PRINSIP KERJA POMPA 1.1. Definisi Pompa Pompa adalah suatu mesin yang digunakan untuk menaikkan cairan dari head (elevasi, tekanan, kecepatan) yang rendah ke head yang lebih tinggi, seperti ilustrasi pada gambar 1.1. Agar supaya bisa bekerja, pompa membutuhkan gaya putar (daya poros) dari mesin penggerak (motor, engine). Di dalam roda jalan (impeller) fluida

mendapat

percepatan sedemikian rupa sehingga fluida tersebut mempunyai kecepatan mengalir ke luar sudu dari sudu-sudu roda jalan. Kecepatan keluar fluida ini selanjutnya akan berkurang dan berubah menjadi head statis di sudu-sudu pengarah atau rumah pompa.

Htinggi

Hrendah

Gambar 1.1 Ilustrasi definisi pompa

I-1

1.2. Prinsip Kerja Pompa Jadi pompa dalam kerjanya akan mentransfer energi mekanis dari suatu sumber energi luar (prime mover) ke cairan yang mengalir melaluinya, sehingga cairan tersebut dapat mengalir seperti skema pada gambar 1.2 dan 1.3.

Energi M ekanik (Putaran Poros)

Pompa

Energi Fluida (Head: hz, hp, hv)

Gambar 1.2 Konversi energi pada pompa

Gambar 1.3 Transformasi energi pada pompa

Jadi, pompa adalah alat untuk mengisap dan menekan/ mengalirkan fluida seperti skema pada gambar 1.4.

Gambar 1.4 Kerja pompa

I-2

Gambar 1.5 Instalasi sistem pompa

Sistem instalasi pompa seperti pada gambar 1.5, dilengkapi dengan :
Perpipaan isap (suction) yang terdiri dari: o stop-valve (1), pada pompa yang didesain bekerja positive-suction valve/katup ini digunakan untuk menyetop aliran fluida ke pompa sewaktuwaktu dibutuhkan misalnya saat perbaikan pompa supaya air tidak meluber ke ruang/rumah pompa. Tetapi untuk pompa yang didesain bekerja negativesuction valve/katup ini tidak diperlukan dan sebaiknya tidak ada, namun untuk pompa yang didesain bekerja negative-suction justru foot-valve/klep dibutuhkan agar supaya fluida yang ada dalam pipa isap tidak kembali dan pipa isap tidak kosong sehingga saat menghidupkan pompa kembali tidak dibutuhkan pancingan fluida.

Foot-valve with strainner

Gambar 1.6 Pompa bekerja negative-suction

I-3

o strainer (2), untuk mengamankan pompa dari pasir atau benda-benda asing yang mungkin terbawa oleh aliran fluida. o flexible-joint (3), dibutuhkan supaya getaran pompa tidak diteruskan ke sistem instalasi perpipaannya. o inconcentric-reducer (4), bagian datarnya harus diletakkan dibagian atas agar supaya tidak ada udara terperangkap.
Perpipaan tekan (discharge) yang terdiri dari : o concentric-diffuser (5), pembesaran ini dibutuhkan untuk menurunkan kecepatan aliran fluida dalam pipa (berkisar 0,6 ~ 2,5 m/det) sehingga headlosses yang terjadi tidak terlalu besar. o flexible-joint (6), dibutuhkan supaya getaran pompa tidak diteruskan ke sistem instalasi perpipaannya. o check-valve (7), untuk mencegah supaya pada saat pompa mati/distop aliran balik fluida tidak menghantam impeller pompa. o stop-valve (8), untuk mengatur operasi pompa dan menutup aliran fluida saat maintenen pompa. o presure-gauge/manometer, untuk mengetahui tekanan operasi pompa.
Panel pompa Operasi pompa diatur oleh panel pompa. Jenis panel pompa sangat tergantung dari besar-kecilnya pompa dan kompleksitas sistem pengaturannya, jenisjenisnya antara lain: DOL (Direct On Line) Is = (4 ~ 8) In Ts = (0,5 ~ 1,5) Tn Lonjakan I & T tinggi & Penurunan tegangan Sederhana, untuk daya motor rendah S tar-Delta Is = (2 ~ 4) In Ts = (0,3 ~ 0,75) Tn Lonjakan I & T tinggi Daya motor rendah s/d menengah Auto Transformer Is = (1,7 ~ 4) In

Ts = (0,6 ~ 0,85) Tn

Lonjakan I & T tinggi & penurunan tegangan besar Kompleks, untuk Daya motor besar

I-4

S oft-S tart dan/atau S oft-S top Start & Stop aman & terkendali & halus Proteksi thermal, overload & underload Tidak terjadi Lonjakan I & T & penurunan tegangan Kompleks & Investasi tinggi M enghilangkan Water Hammer Optimasi catu daya Variable S peed / Inverter Sama dengan Soft Starter ditambah kemampuan merubah putaran : Flow :

Q 1/Q2 = n1/n2

Head :

H1/H2= (n1)2/(n2)2

Power :

P1/P2 = (n1)3/(n2)3

1.3. Pemakaian Pompa Pemakaian pompa sangat luas, antara lain:
Supplai air bersih (domestik), yaitu untuk pelayanan pada rumah-rumah, kebun dan kebutuhan lainnya.
Sistem pelayanan pemanas dan air panas, yaitu untuk mensirkulasikan air panas sistem pemanas dan mensirkulasikan pelayanan air panas.
Sistem pendingin dan AC, yaitu untuk mensirkulasikan air pendingin dan cairan lainnya dalam sistem pendingin dan AC.
Aplikasi pada industri, yaitu mengalirkan air, pelumas dan cairan lainnya pada sistem industri dan proses.
Penguat tekanan (Pressure Boosting) dan mentransfer cairan, yaitu untuk mengalirkan cairan dan penguat (booster) tekanan pada sistem distribusi air.
Supplai air bawah tanah, seperti pompa submersible (deep well pump) banyak digunakan untuk supplai air bawah tanah, dan irigasi.
Sistem air kotor (sewerage) dan air buangan (drainage), yaitu pemakaian pada bangunan-bangunan untuk menglairkan air kotor dan/atau air buangan.
Pompa dosing (injeksi zat kimia), yaitu untuk sistem pengolahan air kotor, kolam renang dan industri.

I-5

BAB II PERSAMAAN-PERSAMAAN DASAR MEKANIKA FLUIDA UNTUK POMPA 2.1. Persamaan Kontinyuitas Persamaan kontinyuitas dikembangkan dari prinsip dasar konservasi massa. dm =0 dt

(2.1)

∂ ρ.dυ + ∫ ρ.v.dA = 0 ∂t cv∫ cs Dengan catatan bahwa pada pompa, volume spesifik ν biasanya diabaikan, dan sebaliknya pada kompresor. Perhatikan aliran steady melalui tabung/pipa seperti pada gambar 2.1. v2 dA 2

Control volume

v1

dA 1

Gambar 2.1 Aliran steady melalui tabung

Karena alirannya steady, oleh karena itu

∂ ρ.dυ = 0 , maka: ∂t cv∫

∫ ρ.v.dA = 0 cs

ρ 1.v1 .dA1 = ρ 2 .v2 .dA2

(2.2)

Persamaan kontinyuitas, pers.(2.2), mungkin ditulis dalam bentuk debit menjadi: ρ 1.Q1 = ρ 2 .Q 2

(2.3)

Dan untuk aliran tak termampatkan (incompressible), Q = Α1 .v1 = Α 2 .v2 Persamaan ini adalah sangat bermanfaat dalam analisa aliran dalam pompa.

II-1

(2.4)

2.2. Persamaan Euler Dalam gambar 2.2, sebuah partikel fluida dengan massa ρ.δA.δs bergerak sepanjang garis streamline pada arah +s. Diasumsikan bahwa viskositasnya adalah nol (tanpa gesekan). z

Gaya tekan pada arah -s

(p +

δs Gaya tekan pada arah +s

∂p δs)δA ∂s

δz p.δA

θ

ρ.g.δA.δs

Gaya gravitasi

Gambar 2.2 Komponen-komponen gaya pada partikel fluida dalam garis streamline Komponen gaya partikel pada arah s adalah -ρ .g.δA.δs.cosθ. Substitusikan ke dalam hukum Newton II, maka:

Σ fs = δm. as p.δA - ( p +

∂p δs)δA - ρ .g.δA.δs. cosθ = ρ .g.δA.δs.as ∂s

Dengan sama-sama dibagi ρ .g.δA.δs, maka: 1 ∂p + g cosθ + as = 0 ρ ∂s Dimana: ∂z δz = cosθ = ∂s δs as =

dv ∂v ds ∂v = + dt ∂s dt ∂t

dv =

∂v ds ∂v + ∂s dt ∂t

Jadi, 1 ∂p ∂z ∂v ∂v + g +v + =0 ρ ∂s ∂s ∂s ∂t

II-2

(2.5)

Jika alirannya adalah steady, maka

∂v = 0 , dan p,z,v hanya fungsi dari s, serta ∂t

tanpa gesekan (viskositas = 0), maka: dp

ρ

+ g .dz + v.dv = 0

(2.6)

2.3 Persamaan Energi Berdasarkan hukum Thermodinamika I untuk sebuah sistem, maka: Q H – WS = E2 – E1

(2.7)

δQH δWS δE ∂ − = = ρ .e.dv + ∫ ρ .e.v.dA δt δt δt ∂t ∫cv cs δWS = δt .∫ p.v.dA e=

dE v2 = g. z + + u dm 2

p δQH δWS ∂ − = ∫ ρ .e.dv + ∫ ( + e )ρ .v.dA ∂t cv δt δt ρ cs

(2.8)

WS QH

2

ρ2 u2 z2

1

ρ1 u1 z1

v1

v2

Gambar 2.3 Volume kontrol dengan aliran melintasi bidang kontrol

Jika pers.(2.8) digunakan pada aliran steady dalam gambar 2.3, integral volumenya dikeluarkan maka menjadi: 2

2

p v p v δWS δQH + ( 1 + g. z1 + 1 + u1 )ρ 1.v1 .A1 = + ( 2 + g .z2 + 2 + u2 )ρ 2 .v2 . A2 2 2 δt ρ2 δt ρ1 Karena alirannya steady, berarti: m& = ρ 1. A1 .v1 = ρ 2 . A2 .v2

II-3

M aka: 2

2

Q H p1 v W p v + + g.z1 + 1 + u1 = S + 2 + g.z2 + 2 + u2 m ρ1 2 m ρ2 2

(2.9)

2.4. Persamaan Bernoulli Integrasi dari persamaan Euler, pers.(2.6), untuk massa jenis yang konstan (incompressible flow, steady, frictionless) menghasilkan: p

ρ

+ g .z +

v2 = konstan 2

(2.9)

Dimana: p/ρ = Energi aliran per satuan massa g.z = Energi potensial per satuan massa v 2/ρ = Energi kinetik per satuan massa Jika pers.(2.9) dibagi dengan g (gravitasi), maka: p

γ

+ z+

v2 = konstan 2g

atau p1

γ

2

+ z1 +

2

v1 p v = 2 + z2 + 2 2g γ 2g

(2.10)

Ini dapat diinterprestasikan sebagai energi per satuan berat. Persamaan ini sangat bermanfaat dalam penyelesaian masalah-masalah fluida cair. Setiap bagian dari persamaan Bernoulli dapat diinterprestasikan sebagai bentuk energi.

2.5. Persamaan Momentum Hukum Newton-II untuk suatu sistem adalah: ∑F =

d ( m.v ) d = ∫ ρ.v.dV + ∫ ρ.v.v.dA dt dt cv cs

Gaya resultan yang bekerja pada volume konrol adalah sama dengan laju perubahan momentum linear di dalam volume kontrol ditambah net efflux momentum dari volume kontrol.

II-4

v2

v1x

A2

Fx

X v1x v1

A1

Gambar 2.4 Volume control dengan aliran uniform pada arh tegak lurus penampang

Dalam gambar 2.4, dengan aliran steady, gaya Fx yang bekerja adalah: Fx = ρ 2 . A2 .v2 .vx 2 − ρ1 . A1 v1 .v x1

(2.11)

Fx = ρ.Q (v x 2 − v x1 )

(2.12)

atau

Jika kecepatan bervariasi sepanjang bidang potong, maka diperlukan faktor koreksi momentum (β). 2

1 v β = ∫   .dA A A V 

(2.13)

dimana: β = 4/3, untuk aliran laminer di dalam tabung bulat lurus β < 1, untuk aliran uniform

2.6. Hukum Kesebangunan (Similarity Law) Untuk pompa-pompa yang geometrisnya sebangun berlaku: Q1 n1 .D13 = Q 2 n2 .D23

(2.14)

H 1 n12 .D12 = H 2 n22 .D 22

(2.15)

P1 n13 .D15 = P2 n23 .D25

(2.16)

II-5

BAB III KLASIFIKASI POMPA Pompa dapat diklasifikasikan berdasarkan aplikasinya, meterialnya, fluida yang dialirkan, tempat pemasangannya, prinsip transformasi energinya, dan sebagainya. Namun pengklasifikasian tersebut banyak yang overlaping.

3.1. Klasifikasi Berdasarkan Tempat Pemasangannya Berdasarkan tempat pemasangannya pompa dapat dibedakan menjadi: 1) Land Pump Adalah pompa yang dipasang di atas tanah. Karakteristiknya : M urah, harganya relatif lebih murah M udah monitoring, karena mudah dilihat dan dipantau operasinya M udah maintenennya M embutuhkan rumah pompa, harus dihindarkan dari air M embutuhkan pipa isap Lebih beisik

Gambar 3.1 Land pump

2) S umersible Pump Adalah pompa yang beserta motornya dipasang terendam di dalam air/fluida kerjanya. Karakteristiknya : Tidak perlu rumah pompa

III-1

Tidak perlu pipa isap Tidak berisik M ahal Susah monitoring Service lebih mahal

Gambar 3.2 Submersible pump

Pompa submersible ini sering dibedakan lagi menjadi: i. Fresh water service submersible pump ii. Water draining service submersible pump

3.2. Klasifikasi Berdasarkan Transformasi Energi Pengklasifikasian lebih mendasar adalah berdasarkan prinsip bagaimana energi ditambahkan pada fluida, dengan cara bagaimana prinsip ini diimplementasikan, dan geometri spesifik yang digunakan. M aka pompa diklasifikasikan menjadi: 1) Pompa Displacement (Positive Displacement Pump) Adalah pompa dalam mana energi secara periodik ditambahkan dengan menggunakan gaya ke satu atau lebih piston/sudu yang dapat berpindah pada suatu bidang batas tertutup, yang menghasilkan peningkatan tekanan sehingga fluida dipindahkan melewati katup/valve ke saluran discharge/buang. a. Reciprocating Pump i. Piston/Plunger Pump ii. Diaphragma Pump b. Rotary Pump i. Gear Pump ii. Screw Pump iii. Lobe Pump iv. Vane Pump v. Rotary Piston Pump vi. Flexible Member Pump vii. Roller Pump

III-2

Pompa displacement ini lebih detail akan dibahas pada Bab V tentang pompa reciprocating, dan pada Bab VI tentang pompa rotary.

2) Pompa Dinamik Adalah pompa dalam mana energi secara kontinyu diberikan untuk meningkatkan kecepatan fluida di dalam rumah pompa yang kemudian didalam sudu-sudu hantar atau ruang volute kecepatan tersebut berkurang untuk meningkatkan tekanan untuk mengalirkan fluida ke saluran buang. Arah aliran idealnya akan mengikuti bentuk kelengkungan sudu. Aliran dihasilkan oleh efek dinamik antara sudu dengan fluida kerja, yang mengacu pada persamaan ‘momentum of momentum’. a. Centrifugal Pump i. Radial Pump ii. Axial Pump iii. Mixed Flow Pump Pompa sentrifugal akan dibahas lebih detail pada Bab VII tentang pompa sentrifugal radial dan pada Bab VIII tentang pompa radial. b. Special Effect Pump i. Jet Pump

Gambar 3.3 Jet-pump

Pompa Jet adalah salah satu tipe pompa diffuser yang digunakan untuk memompa air dari sumur dengan kedalam sekitar 8-60 meter. Output dari diffuser dipisahkan menjadi dua, setengah hingga tige-per-empat air dialirkan

III-3

kembali ke bawah/pipa isap melalui pressure-pipe, pipa sebelah kanan pada gambar 3.3. Pada ujung pressure-pipe air dipercepat melalui cone-shaped nozzle, kemudian air mengalir melalui Venturi di dalam pipa isap. Venturi mempunyai dua bagian yaitu : •

Venturi Throat, which is the pinched section of the suction tube;

•

Venturi, which is the part where the tube widens and connects to the suction pipe.

Venturi menambah laju aliran air yang menyebabkan tekanannya turun sehingga lebih banyak air terisap melalui ujung bawah pipa isap/intake, selanjutnya air mengalir ke atas melalui pipa isap.

ii. Hydraulic Ram Pump Pompa hydram (hydraulic ram) atau pompa air tanpa motor (motorless pump) atau pompa impulse [US AID, 1982] adalah suatu alat untuk mengangkat/ mengalirkan air (sebagain air sumber) dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi secara kontinyu dengan menggunakan energi potensial sumber air yang akan dialirkan sebagai daya penggerak, tanpa adanya sumber energi luar seperti energi listrik atau energi bahan bakar minyak [Taye, 1998]. Dengan cara ini air dari suatu sumber mata air dapat dialirkan ke suatu desa/pemukiman atau irrigasi pertanian disekitarnya. Jadi, dimana saja terdapat terjunan air maka pompa hydram dapat digunakan sebagai suatu alat untuk memompa air yang relatif sederhana dan murah harganya.

Gambar 3.4 Hydraulic-Ram pump

III-4

3.3. Klasifikasi Berdasarkan Casingnya Berdasarkan casingnya pompa dibedakan menjadi : i. Volute pump Fluida yang mengalir dari impeler pompa adalah pada kecepatan tinggi, yang mana harus dirubah menjadi tekanan. Pada pompa volute, perubahan tersebut terjadi akibat casingnya yang berbentuk spiral. Tipe pompa ini lebih banyak digunakan karena efisiensinya lebih tinggi dan konstruksinya yang lebih sederhana dan lebih kompak. ii. Diffuser pump Perubahan kecepatan fluida menjadi tekanan dilakukan oleh guide-vane yang terdapat pada pompa tersebut.

Gambar 3.5 (a) Pompa diffuser, (b) Pompa volute

3.4. Klasifikasi Berdasarkan Primingnya Berdasarkan casingnya pompa dibedakan menjadi : i. Non-Self-Priming pump Pada pompa jenis ini harus dipancing (mengisi air fluida secara manual) terlebih dahulu sebelum pompa distart/dioperasikan untuk mengisi fluida pada saluran isapnya. Agar tidak setiap akan mengoperasikan pompa harus dipancing, maka pada ujung pipa isap dipasang klep/foot-valve. ii. Self-Priming pump Pada pompa jenis ini, pompa dapat distart tanpa memerlukan fluida pancingan, sepanjang dalam impeller pompa, seperti pada gambar 3.6, walaupun pada pipa isapnya kosong. Kerja pompa ini adalah sebagai berikut:

III-5

a. Sebelum dioperasikan, sudah ada fluida didalam casing pompa dan impeller terendam di dalam air. b. Setelah pompa distart, impeler pompa mensirkulasikan fluida dan membuat tekanan vakum di dalam pompa, dan udara di dalam pipa isap secara teratur diisap ke dalam pompa. Pada sisi outlet pompa, udaranya didorong keluar. c. Pada tahap awal fluida bercampur udara akan keluar dari pompa dan setelah semua udara pada pipa isap keluar, maka fluida akan dipompa secara penuh.

Gambar 3.6 Proses pada Self-priming pump

III-6

BAB IV KARAKTERISTIK POMPA Performansi pompa yang utama adalah kapasitas discharge atau laju aliran (Q), dan head total pompa (H). Kedua parameter tersebut harus diketahui dalam pemilihan pompa, disamping karakteristik lainnya seperti efisiensi, daya, putaran dan lain sebagainya.

4.1. Kapasitas (Q) Kapasitas adalah jumlah fluida yang dialirkan oleh pompa dalam satu satuan waktu (m3/det atau m3/menit, dsb.). Di dalam standar JIS, dijabarkan hubungan antara kapasitas (Q) dan diameter isap pompa (Ds) seperti pada tabel 4.1.

Tabel 4.1 JIS B8313: pompa volute ukuran kecil 40

Q (m3/menit)

Ds (mm) 50 Hz

60 Hz

4 pole

65

80

0,1÷0,32

0,2÷0,63

0,4÷1,25

≤ 0,16

2 pole

-

4 pole

≤ 0,2

2 pole

50

0,12÷0,4

0,25÷0,8

100

125

150

200

0,63÷2

0,8÷3,2

1,6÷5,0

2,5÷10

0,8÷2,5

1,2÷6,3

-

-

0,8÷2,5

1,0÷4,0

2,0÷6,3

3,2÷12

1,0÷3,2

1,6÷8,0

0,5÷1,6

-

Catatan: Sesuai kesepakatan antara kelompok pengirim dan penerima, kapasitas dijabarkan dalam batasan 63% untuk kapasitas minimum dan125% untuk kapasitas maksimum. Berdasarkan persamaan kontinyuitas, maka kapasitas pompa sentrifugal adalah: Q=

π 4

( Di2 − D 2hub )C i

Dimana: Q = kapasitas pompa (m3/det) D i = diameter luar impeler (m) D hub = diameter hub impeler (m) Ci = kecepatan fluida (m/det)

IV-1

Tabel 4.1 Kebutuhan air per orang per hari

Sumber: Sularso & Tahara, 2000, hal. 21

Sedangkan

kapasitas

pompa

yang

dibutuhkan

ditentukan

berdasarkan

jumlah/volume air yang diperlukan untuk disuplai. Tergantung dari jenis gedung atau komunitas yang dilayani. Adapun standar kebutuhan air minum adalah : 1. M enurut WHO jumlah air minum yang harus dipenuhi agar dapat mencapai syarat kesehatan adalah 86,4 liter/kapita/hari 2. M enurut Direktorat Jendral Cipta Karya Departemen Pekerjaan Umum membagi lagi standar kebutuhan minimum air minum tersebut berdasarkan lokasi wilayah sebagai berikut: Pedesaan dengan kebutuhan 60 liter/kapita/hari. Kota Kecil dengan kebutuhan 90 liter/kapita/hari. Kota Sedang dengan kebutuhan 110 liter/kapita/hari.

IV-2

Kota Besar dengan kebutuhan 130 liter/kapita/hari. Kota M etropolitan dengan kebutuhan 150 liter/kapita/hari Untuk pelayanan berbagai jenis gedung adalah seperti pada Tabel 4.2. Kapasitas pompa dihitung berdasarkan kebutuhan air yang harus ditransmisikan untuk memenuhi kebutuhan penduduk, atau berdasarkan kapasitas sumber air yang tersedia yang akan dipompa jika kapasitas sumber air lebih kecil dari kapasitas yang dibutuhkan. M aka kapasitas pompa dapat dihitung dengan persamaan berikut: [Kebutuhan Air, m3/hari] (4.1)

Q= [Lama Operasi Pompa] x [JM L Pompa] Lama Operasi : ± 10 jam/hari, jika penggeraknya Genset ≤ 24 jam/hari, jika penggeraknya PLN

Jumlah Pompa : sebaiknya lebih dari 1 satu unit pompa, untuk flexibilitas operasional Beberapa istilah kapasitas yang umum digunakan adalah: a. Kapasitas Teoristis (Q th) Adalah laju aliran ideal pompa tanpa adanya kebocoran internal dan eksternal (QL). Kebocoran ini terjadi dalam celah antara silinder dan piston/plunyer (pada pompa reciprocating), kebocoran di dalam gap antara impeler dan ‘shroud’ (pada pompa sentrifugal. b. Kapasitas Optimum (Q opt) Adalah kapasitas pompa jika pompa bekerja pada efisiensi-total maksimum pompa (Q op). c. Kapasitas Aktual (Q act) Adalah laju aliran pompa yang dialirkan melalui pipa tekan dalam satu satuan waktu. d. Kapasitas Internal/Indikatif (Q i) Adalah laju aliran di dalam pompa. Oleh karena itu: Q i = Q act+ Q L

(4.2)

4.2. Head (H) Head merupakan tekanan yang dihasilkan oleh pompa. Head pada umumnya dinyatakan dalam tinggi kolom air dam umumnya dalam satuan meter. Pressure gauge, vacuum gauge, atau compound gauge digunakan untuk mengukur head pompa dalam operasinya.

IV-3

vd p d hLd zd

zs

vo p o

hgp

vi pi

hLs

hgd titik ref., z=0

hgs vs p s

Gambar 4.1. Head pompa

Persamaan energi per satuan berat fluida untuk sistem pompa Gambar 4.1 adalah: zs +

ps

γ

+

v 2s p v2 + H p = zd + d + d + H L 2g γ 2g

Dimana: z s = head statis elevasi isap/suction pompa (m) z d = head statis elevasi buang/discharge pompa (m) p s = head statis tekanan isap/suction pompa (N/m2) p d = head statis tekanan buang/discharge pompa (N/m2) vs = head dinamis kecepatan fluida pada ujung isap/suction pompa (m/det) vd = head dinamis kecepatan fluida pada ujung buang/discharge pompa (m/det) H p = head pompa (m) H L = head losses total instalasi perpipaan sistem pompa (m) Oleh karena itu head total pompa adalah: H p = ( zd − zs ) + (

pd − ps

γ

) +(

v 2d − vs2 ) + HL 2g

(4.3)

Unjuk kerja pompa pada umunya digambarkan dalam kurva Q-H, seperti pada gambar 4.2. H (m)

Q (m3/menit) Gambar 4.2 Kurva unjuk kerja pompa

IV-4

Ada beberapa istilah tentang head, yaitu: 1). Head Geometris Head geometris isap pompa adalah: hgs = (

ps − p i

γ

) +(

v s2 − v i2 ) − hLs 2g

(4.4)

Head geometris buang pompa adalah: pd − po

hgd = (

γ

vd2 − vo2 ) +( ) − hLd 2g

(4.5)

Head geometris total pompa adalah: hz = hgs + hg + hgd = zs + z d

(4.6)

Dimana: hg = adalah jarak lubang-lubang tap pressure-gauge p i dan p o. 2). Head Manometris Head manometris pompa adalah kenaikan energi tekan (pressure energy) per unit berat jenis fluida yang mengalir melalui pompa tersebut. hmp = (

p o − pi

γ

) + hg

(4.7)

Head manometris instalasi pompa adalah jumlah dari head geometris total, perbedaan head tekanan antara manometer isap dan buang, head-loss pipa isap dan buang (tidak termasuk head-loss dalam pipa itu sendiri, hLp), perbedaan head kecepatan di pipa isap dan buang, dikurangi head kecepatan yang dihasilkan pompa. hmi = hz + hLs + hLd + (

vd 2 − vs 2 v 2 − vi 2 ) −( o ) 2g 2g

(4.8)

3). Head Efektif (Head Total) Adalah kenaikan energi daripada fluida antara flens-inlet dan flens-outlet pompa per unit berat fluida yang dipompa. He = (

p o − pi

γ

v o 2 − vi 2 ) + hg + ( ) 2g

(4.9)

Head statis: H st = (

pd − ps

γ

Head dynamis:

IV-5

) + hz

(4.10)

H dyn

vd 2 − vs 2 =( ) + hLs + hLd 2g

(4.11)

Bila kedua reservoir terbuka, berarti p s = p d = p a , maka: H dyn

vd 2 − v s 2 =( ) + hz + hLs + hLd 2g

(4.12)

4). Head Indikatif (Internal/Theoritis) Adalah jumlah head efektif (He ) dengan seluruh head-losses hidrolis di dalam pompa (∆hp) yang disebabkan gesekan fluida di dalam pompa. H i = H th = hLe + ∆h p

(4.13)

4.2.1. Head Losses Head kerugian yang terjadi pada instalasi pompa terdiri atas head kerugian gesek di dalam pipa dan head kerugian di dalam asesories perpipaan seperti belokanbelokan, reducer/diffuser, katup-katup dan sebagainya.

4.2.1.1. Major Losses ( Head kerugian gesek dalam pipa) Untuk menghitung kerugian gesek di dalam pipa dapat dipakai persamaan berikut, yaitu: HM = ƒ

L V2 D 2g

(4.14)

Dimana: HM

= Head kerugian gesek dalam pipa (m)

ƒ

= Koefisien kerugian gesek

g

= Percepatan gravitasi (9.8 m/dt 2)

L

= Panjang pipa (m)

D

= Diameter dalam pipa (m)

Untuk aliran yang laminar dan turbulen, terdapat persamaan yang berbeda. Sebagai patokan apakah aliran itu laminar atau turbulen, dipakai bilangan Reynolds, yaitu: Re =

VD

(4.15)

υ

Dimana: Re

= Bilangan Reynolds

IV-6

V

= Kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/dt)

D

= Diameter dalam pipa (m)

ύ

= Viskositas kinematik zat cair (m2/dt)

Pada Re < 2300, aliran bersifat laminar. Pada Re > 4000, aliran bersifat turbulen. Pada Re = 2300-4000, terdapat daerah transisi. Aliran dapat bersifat laminar atau turbulen tergantung pada kondisi pipa dan aliran. a. Aliran laminar Dalam aliran laminer, koefisien kerugian gesek untuk pipa dapat dinyatakan dengan persamaan: ƒ=

64 Re

(4.16)

b. Aliran turbulen Untuk menghitung koefisien kerugian gesek dalam pipa pada aliran turbulen dapat dinyatakan dengan persamaan Darcy, yaitu: ƒ = 0.020 +

0.0005 D

(4.17)

Dimana: D = Diameter dalam pipa (m) Faktor gesekan ( ƒ ) ditentukan dengan grafik dalam lampiran 1. Kemudian menghitung head kerugian untuk aliran fully developed dengan kondisi yang diketahui yaitu, Reynolds number, Relative roughness (

e/D

) yang diberikan dalam

lampiran 2.

4.2.1.2 Minor Losses ( kerugian Head dalam jalur pipa) Dalam aliran melalui jalur pipa, kerugian juga akan terjadi apabila ukuran pipa, bentuk penampang atau arah aliran berubah. Kerugian head di tempat-tempat transisi yang demikian itu dapat dinyatakan secara umum dengan persamaan, yaitu: Hm = K

V2 2g

(2.39)

Dimana: Hm

= Kerugian head dalam jalur pipa (m)

IV-7

K

= Koefisien kerugian dalam jalur pipa

V

= Kecepatan rata-rata di dalam pipa (m/dt)

g

= Percepatan gravitasi (9.8 m/dt 2)

4.2.2. Net Positive Suction Head (NPSH) NPSH adalah tinggi isap total dikurangi tekanan absolut, uap absolut (dalam tinggi kolom fluida yang dipompa).

4.2.2.1. NPS H Yang Tersedia (NPS HA) NPSH A (dalam satuan meter kolom fluida) adalah head yang dimiliki oleh fluida pada sisi isap pompa dikurangi tekanan uap jenuh fluida di tempat tersebut. NPSH A =

ps

γ

−

pv

γv

+ zs − hLs +

v s2 2g

(4.26)

Dimana: Pv = tekanan penguapan dari fluida/zat cair pada temperatur cairan di dalam impeler (N/m2) γv = berat jenis fluida/zat cair pada temperatur cairan di dalam impeler (N/m3)

4.2.2.2. NPS H Yang Diperlukan (NPS HR)

Gambar 4.6 Grafik NPSH R dari brosur pompa

IV-8

NPSH R (dalam satuan meter kolom fluida) adalah head tekanan yang besarnya sama dengan penurungan tekanan di dalam pompa. Grafik NPSH R ini biasanya dapat diperoleh dari pabrik pembuat pompa, seperti pada Gambar 4.6. Sebagai pendekatan dapat dihitung dengan persamaan berikut: NPSH R = ( 0 ,3 ~ 0 ,5 ).

n . Q 60

(4.27)

Dimana: n = putaran pompa (rpm) Q = Kapasitas pompa (m3/det) NPSH

tersebut

diatas

sangat

penting untuk dihitung untuk mengecek

kemungkinan terjadinya kavitasi pada instalasi pompa. Syarat agar tidak terjadi kavitasi adalah: NPSH A > NPSH R

(4.27)

Jadi NPSH yang tersedia harus lebih besar dari NPSH yang dibutuhkan pompa.

4.2. Daya 4.2.1. Water Horse Power Daya output pompa (Water Horse Power = WHP) adalah daya efektif yang merupakan fungsi dari kapasitas dan head pompa, yang dihitung berdasarkan persamaan: Pp = γ.Q.H p

(4.13a)

Pe = γ .Qact .H e = Psh η . op

(4.13b)

WHP =

Pe 745

(4.13c)

Dimana: Pp = daya air pompa (Watt) WHP = Daya air pompa / Water Horse Power (HP). Pe

= daya output/efektif pompa (Watt).

γ = berat jenis air (N/m3) Q = kapasitas pompa (m3/det) H p = head total pompa (m) ηop = efisiensi total pompa

IV-9

4.2.2. Shaft Power EL (Pm ) SHP

P

M otor

Gambar 4.3 Daya Pompa

Daya poros adalah daya yang masuk pada poros pompa yang diberikan oleh mesin penggerak mula (prime-mover), seperti terlihat pada gambar 4.3. Kurva daya penggerak pompa dapat digambarkan seperti pada gambar 4.4. SHP = P sh = H p x Q x γ / ηop Pmot = Pem / η t

(4.14)

Plis = Pm / η mot

(4.15)

Dimana: Pm ot = daya motor / prime-mover (Watt) Plis = daya listrik untuk motor (Watt) ηop = Effisiensi total pompa ηt = Effisiensi transmisi ηm ot = Effisiensi motor

H (m)

SHP

Q (m3/menit) Gambar 4.4 Daya penggerak pompa

Besarnya catu daya Genset atau PLN (kVA) yang harus disediakan besarnya daya seluruh pompa ditambah daya cadangan untuk start pompa. PG/PLN ≅ Plis / (cos φ ) + Pstart [kVA] IV-10

(4.16)

Arus nominal pompa (Amp) tergantung pada besarnya daya pompa dan tegangannya. M aka untuk motor listrik 3 phase: I = Pm ot / (1,73 x 380 x cos φ) [Amphere]

(4.17)

2

Luas penampang kabel, (AK dalam mm ) ditentukan oleh besarnya arus yang mengalir dan jenis konduktor kabel serta panjang kabel (Lk dalam meter). Jenis konduktor kabel (ϕ) power yang direncanakan adalah kabel tembaga untuk menghindari besarnya drop tegangan (∆V dalam volt) yang terjadi. A K = 1,73 x I x L k cos φ / (ϕ x ∆V)

(4.18)

4.2.3. Indicatif/Internal Power Adalah daya total yang diberikan kepada fluida oleh impeler pompa ataupun plunyer dan menghasilkan kapasitas Qi. Pi = γ .Qi .H i + Phf

(4.19a)

= γ .( Q act + Q L )( H e + ∆h p ) + Phf

(4.19b)

Pi = Psh − Pmf = Psh .η h .η v

(4.19c)

atau

Dimana: Phf = daya yang hilang antara cairan dengan impeler atau dengan dinding silinder dalam bentuk panas (Watt). Q act = kapasitas aktual yang dihasilkan pompa (m3/det) Q L = kapasitas yang bocor pada pompa (m3/det) ηh = efisiensi hidrolis pompa ηv = efisiensi volumetris pompa

4.3. Efisiensi 4.3.1. Efisiensi Hidrolis Adalah efisiensi yang disebabkan oleh adanya kerugian head akibat gesekan antar partikel fluida dan dengan dinding rumah pompa.

ηh =

H e H i − ∆h p H e = = H i H e + ∆hp H th

IV-11

(4.20)

4.3.2. Efisiensi Volumetris Adalah efisiensi yang disebabkan oleh adanya kebocoran (sejumlah QL) fluida dari dalam rumah pompa ke luar, misalnya lewat seal-seal pompa.

ηv =

Q act Q act = Qi Qact + Q L

(4.21)

4.3.3. Efisiensi Internal/Indikatif Akibat kerugian head dan kapasitas yang terjadi pada pompa maka akan menyebabkan kerugian daya. Pe = η h .η v Pi

ηi =

(4.22)

4.3.4. Efisiensi Mekanis Adalah efisiensi akibat kerugian gesekan antara bantalan dan poros pompa.

ηm =

P − Pmf Pi = sh Psh Psh

(4.23)

4.3.5. Efisiensi Total atau Stagnasi Adalah perbandingan antara daya air dengan daya yang masuk ke poros pompa. Kurva efisiensi pompa dapat dilihat seperti pada gambar 3.5.

ηop =

WHP Pe = = η h .η v η . m SHP Psh

(4.24)

M aka daya poros dari mesin penggerak pompa yang dibutuhkan adalah: Psh =

γ .Qact .He η op

(4.25)

H (m)

ηop

Q (m3/menit) Gambar 4.5 Efisiensi pompa

IV-12

4.5. Putaran Pada umumnya, motor listrik digunakan sebagai penggerak (prime mover) dengan putaran motor tergantung pada jumlah kutub motornya dan frekuensi listrik (di Indonesia adalah 50 Hz). Tabel 4.1 menunjukkan berbagai kecepatan putar motor. Namun, kecepatan motor aktualnya akan lebih kecil 3% sampai dengan 5% dari kecepatan sinkron motornya akibat adanya slip yang terjadi. Tabel 4.2. Putaran (Rpm) motor listrik Jumlah Kutub 2

4

6

50 Hz

3.000

1.500

1.000

60 Hz

3.600

1.800

1.200

Frekuensi

Putaran motor (Rpm) dapat dihitung dengan: n=

120. f Kutub

IV-13

(4.28)

BAB V RECIPROCATING PUMP 5.1. Prinsip Kerja Pompa reciprocating adalah pompa perpindahan positif (positive displacement pump) yang merubah energi mekanis mesin/motor penggeraknya menjadi energi aliran fluida dengan menggunakan bagian pompa yang bergerak bolak-balik (piston/plunger di dalam silinder).

5.2. Klasifikasi Pompa reciprocating dapat diklasifikasikan dalam berbagai tinjauan. 1). Berdasarkan gerakannya (action) a. Single Acting Pump b. Double Acting Pump 2). Berdasarkan tekanannya a. Low Pressure Pump ( < 5 atm.) b. M edium Pressure Pump ( 5 ~ 50 atm.) c. High Pressure Pump ( > 50 atm.) 3). Berdasarkan kapasitasnya a. Low Capacity Pump ( < 20 m3/jam ) b. M edium Capacity Pump ( 20 ~ 60 m3/jam ) c. High Capacity Pump ( > 60 m3/jam ) 4). Berdasarkan putarannya (Rpm) a. Low Rpm Pump ( < 80 Rpm ) b. M edium Rpm Pump ( 80 ~ 150 Rpm ) c. High Rpm Pump ( 150 ~ 350 Rpm ) d. Extra-High Rpm Pump (350 ~ 750 Rpm ) 5). Berdasarkan fluida yang dipompa a. Water Pump b. Oil Pump c. Fuel Pump d. Dsb.

V-1

6). Berdasarkan konstruksinya a. Torak / Plunger Pump b. Simplex, Duplex, Triplex Pump c. Vertical, Inclined, Horizontal Pump 7). Berdasarkan cara menggerkannya a. Power Pump b. Direct Acting Pump

5.3. Power Pump Piston/plunger digerakkan tidak langsung oleh prime-mover, melainkan melalui mekanisme engkol.

5.3.1. Single Acting Pump ω β

Q

π

2π

Gambar 5.1. Skema single-acting power pump

Pada saat piston bergerak ke kanan akan terjadi langkah isap, dan sebaliknya bergerak ke kiri terjadi langkah tekan/buang. Pada saat mula langkah isap hanya udara yang terisap dan permukaan cairan di dalam pipa isap akan makin naik, kemudian campuran cairan dan udara, selanjutnya cairan saja. Pada umunya pada pipa isap dilengkapi dengan vacuum-chamber dan pada pipa tekan/buang dilengkapi air-chamber. V-2

Tinggi fluida dapat naik dalam pipa isap dalam satu siklus adalah: p a = p s + γ .h s

(5.1)

    p − ps 1  1  hs = a = pa − A.S 1  γ γ  −  V . p p p  p p  Jika p p = p a , maka: hs =

pa p   γ  1 + p  A.S  

(5.2)

Dimana: Vp = volume pipa isap yang tidak ditempati fluida sebelum dihubungkan dengan silinder melalui klep isap (m3) p p = tekanan dalam pipa isap sebelum dihubungkan dengan silinder melalui klep isap (N/ m2) S = stroke/panjang langkah (m) A = luas penampang plunger (m2)

Displacement pompa adalah: dQ = A.ds = A.c .dt Jarak yang ditempuh plunger adalah: x = r(1 − cos β ) Kecepatan sesaat plunger adalah: c = r .ω . sin β Jadi untuk satu langkah plunger: 180

Q=

∫ A.r. sin β .dβ = A.S 0

M aka kapasitas teoritis pompa adalah: Q t = A.S .z.

n 60

Dimana: Z = jumlah piston n = putaran (rpm)

V-3

(m3/det)

(5.3)

Kapasitas aktual pompa adalah: Q act = η v .Q t (m3/det)

(5.4)

Variabilitas aliran adalah:

δv =

Q max = π = 3,14 Qrata − rata

(5.5)

5.2.2. Differential Plunger Pump

Gambar 5.2 Skema pompa plunger diferensial

Tujuan dari pompa differential ini adalah untuk mendapatkan aliran yang lebih uniform. Displacement fluida yang dipindahkan pada kedua langkah plunger adalah: Q = ( A − a r ).S + a r .S = A.S

[m3/det]

(5.6)

Jadi sama dengan displacement pompa plunger kerja tunggal (single action pump).

5.2.3. Double Acting Pump

d D

Q A.S

(A-a)S π Gambar 5.3 Skema pompa kerja ganda V-4

2π

Gambar 5.3 menunjukkan pompa torak kerja ganda. Kedua langkah piston menghasilkan kapasitas. Kapasitas teoritisnya adalah: Q t = (2 A − a ).S .z .

n 60

[m3/det]

(5.7)

Dimana: A = ¼ π D2 a = ¼ π d2 Kapasitas aktualnya adalah: Q act = η v .Q t (m3/det)

(5.8)

Variabilitas aliran adalah:

δv =

Q max π = Qrata − rata 2

Untuk pompa kerja ganda multi-silinder: Z = 5 ⇒ δv = 1,016 Z = 6 ⇒ δv = 1,047 Z = 7 ⇒ δv = 1,008 Z = 8 ⇒ δv = 1,026 Z = 9 ⇒ δv = 1,005

5.3. Direct Acting Pump

Gambar 5.4 Skema pompa direct acting

V-5

(5.9)

Sebagai contoh pompa kerja langsung (direct acting) seperti pada gambar 5.4, batang torak mesin uap dihubungkan langsung dengan sebuah kopling dengan batang torak pompa. Kecepatan torak pompa bervariasi menurut tekanan uap yang terjadi dalam silinder, sehingga kapasitas alirannya tidak uniform. Akselerasi dan deselerasi terjadi dalam waktu yang pendek. Jadi, kecepatan torak dapat dikatakan konstan sepanjang langkah torak, maka menghasilkan aliran yang relatif uniform. Variabilitas alirannya adalah: δv = 1,0

(teoritis)

δv = 1,05 ~ 1,10 (aktual)

5.3.1. Daya Press. Head

pd

γ Hi

Wd Piston Travel

Ws

pa

pS

γ

Suction S

γ

Discharge S

Gambar 5.5 Grafik kerja pompa torak

Kerja indikatif pompa torak/plunger adalah: Wi = Ws + Wd  p − ps   v 2 − vs2   + H L  Wi = γ .A.S  o + (z d − z s ) +  d  2g   γ 

(5.10)

Dimana HL adalah head losses pada pipa dan klep pompa. HL =

  2 r 2ω 2  A2 .  R + + Rs  + (hs + hd )  d 2 3 2 g  a  

(5.11)

Head tekanan indikatif pompa adalah: Hi =

pi

γ

=

po − ps

γ

 v 2 − v s2   + H L + (z d − z s ) +  d  2g 

V-6

(5.12)

Kerja indikatif pompa untuk satu kali putaran poros adalah: Wi = k .γ .A.S .H i

(5.13)

Dimana k adalah koefisien langkah tekan/buang.

Prime M over

EL

SHP

BHP ηm

ηm ot

IHP ηh

ηv

Gambar 5.6 Skema transformasi energi pada pompa torak

Daya indikatif teoritis adalah: N i .t = Wi .

n n = k .γ . A.S . H i 60 60

(5.14)

Daya berguna aktual adalah: N u = η v .k .γ .A.S .

n ( H − H Lm ) 60 i

(5.15)

Daya poros pompa adalah: N sh = SHP =

N i. t

ηm

k .γ .A.S . =

ηop

n H 60 = γ .Q.H

η op

(5.16)

Dimana head aktual (H) adalah head indikatif (Hi) dikurangi head-loss (HLm ). Daya motor (prime-mover) adalah: N mot =

N sh

η mot

(5.17)

Dimana efisiensi motor: ηm ot = 0,8 ~ 0,95 untuk motor listrik = 0,6 ~ 0,85 untuk mesin uap

5.3.2. Efisiensi Efisiensi volumetris diakibatkan oleh adanya kerugian akibat kebocoran fluida yang besarnya berkisar 0,85 ~ 0,99, atau merupakan fungsi dari kapasitas.

ηv =

Q act N = i Qt N i. t

V-7

(5.18)

Efisiensi hidrolis adalah diakibatkan oleh adanya kerugian gesekan fluida yang besarnya berkisar 0,75 ~ 0,98. H act Ht

(5.19)

Nu = η v .η h N i. t

(5.20)

ηh = Efisiensi indikatif adalah :

ηi =

Efisiensi mekanis adalah dakibatkan oleh adanya kerugian gesekan antara poros pompa dan bantalannya yang besarnya berkisar antara 0,85 ~ 0,95.

ηm =

N i. t N sh

(5.21)

Efisiensi total atau stagnasi pompa yang besarnya berkisar antara 0,55 sampai dengan 0,92 adalah:

ηop =

Nu = ηv .η h .η m N sh

(5.22)

5.3.3. Dimensi Dasar Diameter piston/plunger/silinder adalah: D=

Dimana: ψ =

4.Qact 2

n ηv .k .π .S . 60

=

4.Q act 3

n η v .k .π .ψ . 60

(5.23)

S , yang nilainya terdapat pada tabel 15 buku Khetagurov. D

Stroke adalah: S=

30.Cm 1800.Cm = n n 60

Dimana: Cm adalah kecepatan piston rata-rata, lihat tabel 12 buku Khetagurov.

V-8

(5.24)

Contoh S oal-1 Sebuah pompa torak bekerja pada putaran 50 rpm, mengalirkan air 0,00736 m3/dt. Diameter pistonnya adalah 200 mm, panjang langkahnya 300 mm. Head isapnya adalah 3,5 m, dan head deliverinya adalah 11,5 m, dan efisiensi total pompa adalah 75 %. Tentukan : a) Kapasitas teoritis pompa, Qt b) Koefisien discharge pompa, Cd c) Persentase slip pompa, %Slip d) Daya yang dibutuhkan pompa, SHP Jawab: n 60 = (π 4 x 0, 22 m 2 )(0,3 m )(50 60 put/dt ) = 0,00785 m3 /dt

a)

Q t = i .A.S .

b)

Cd =

Qa Qt

(Jika dinyatakan

dalam prosentase maka disebut efisiensi

volumetris) = ( 0,00736 m 3 /dt) / (0,00785 m 3 /dt) = 0,937 c)

Qt − Q a Q x 100% = (1 − a ) x 100% = (1 − Cd ) x 100% Qt Qt

%Slip = =

d)

0 ,00785 -0 ,00736 x 100% = 6,24% 0,00785

WHP = γ .Qt .H = {(1000 kg/m3)(9,81 m/dt 2)}(0,00785 m3/dt)(3,5 m + 11,5 m) = 1.155 Watt WHP SHP =

ηop

= (1.155 Watt) / (0,75) = 1.540 Watt Latihan S oal: Sebuah pompa torak ‘tiga silinder’, mempunyai silinder dengan diameter 250 mm dan langkah 500 mm. Pompa tersebut dibutuhkan untuk mengalirkan air dengan kapasitas 0,1 m3/dt pada head 100 m. Kerugian gesekan diperkirakan 1 m pada pipa isap, dan 19 m pada pipa penyalur/delivery. Kecepatan aliran air adalah 1 m/dt. Efisiensi total pompa adalah 85% dan prosentase slip adalah 3%. Tentukan: a) Kecepata putar pompa, n (Petunjuk: gunakan dua pers. Qt dan %Slip) b) Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan pompa, SHP Ingat:

H = ( Zd − Zs ) + ( pd − ps ) / γ + ( v d2 − v 2s ) + H L

V-9

Contoh S oal-2 Sebuah pompa torak ‘double-acting’ satu silinder mempunyai diameter silinder 150 mm dan panjang langkah 300 mm. As pompa berada 4,5 m diatas permukaan air di bakintake, dan 32 m di bawah permukaan air reservoar. Pipa isap dimeter 75 mm dan panjang 6 m, pipa penyalur diameter 75 mm dan panjang 36 m. Pompa bekerja pada putaran 30 rpm. Efisiensi total pompa 80%, head tekanan udara luar 10,3 m, dan koefisien gesekan pipa adalah 0,01. Tentukan: a) Head tekanan pada piston saat posisi awal, tengah, dan akhir pada langkah isap dan tekan b) Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan pompa c) Head maksimum pompa Jawab: a) Pada Langkah Isap l A 2 has = s ω r cosθ Head percepatan: g as has =

6 ( π/4 x 0,15 2 ) ( 2π x 30/60)(0,3/2)(cos θ ) = 3,62 cos θ 9 ,81 ( π/4 x 0,075 2 )

Head loss gesekan:

l h fs = 4. f s ds

2

A   ω .r. sin θ  1  as  2g 2

6  0 ,01767  1 h fs = 4.( 0 ,01 ) ( 3 ,14 )( 0 ,15 ) sin θ  = 0 ,578 sin 2 θ  0,075  0 ,00442  2( 9 ,81 ) Head tekanan pada piston saat langkah isap pada setiap posisi crank adalah H ps = hs + has + h fs Pada langkah awal: θ = 0° adalah H ps = hatm − ( hs + has + h fs ) = 10 ,3 − ( 4 ,5 + 3,67 + 0 ) = 2 ,13 m (absolut) Pada langkah awal: θ = 90° adalah H ps = hatm − ( hs + has + h fs ) = 10 ,3 − ( 4 ,5 + 0 + 0,578 ) = 5,22 m (absolut) Pada langkah awal: θ = 180° adalah H ps = hatm − ( hs + has + h fs ) = 10 ,3 − ( 4 ,5 − 3 ,67 + 0 ) = 9,42 m (absolut) Pada Langkah Delivery/tekan l A 2 has = s ω r cosθ Head percepatan: g as 6 ( π/4 x 0,15 2 ) has = ( 2π x 30/60)(0,3/2)(cos θ ) = 3,62 cos θ 9 ,81 ( π/4 x 0,075 2 ) Head loss gesekan:

l h fs = 4. f s ds

2

A   ω .r. sin θ  1  as  2g 2

6  0 ,01767  1 h fs = 4.( 0 ,01 ) ( 3 ,14 )( 0 ,15 ) sin θ  = 0 ,578 sin 2 θ  0,075  0 ,00442 2 ( 9 , 81 )  Head tekanan pada piston saat langkah isap pada setiap posisi crank adalah H ps = hs + has + h fs

V-10

Pada langkah awal: θ = 0° adalah H ps = hatm − ( hs + has + h fs ) = 10 ,3 − ( 4 ,5 + 3,67 + 0 ) = 2 ,13 m (absolut) Pada langkah awal: θ = 90° adalah H ps = hatm − ( hs + has + h fs ) = 10 ,3 − ( 4 ,5 + 0 + 0,578 ) = 5,22 m (absolut) Pada langkah awal: θ = 180° adalah H ps = hatm − ( hs + has + h fs ) = 10 ,3 − ( 4 ,5 − 3 ,67 + 0 ) = 9,42 m (absolut)

V-11

BAB VI POMPA ROTARI 6.1. Definisi Pompa rotari adalah pompa positive-displacement, dimana energi penggeraknya ditransmisikan ke cairan dengan jalan dorongan dibantu bagian pompa yang berptar dan berosilasi di dalam rumah pompa. Tekanan dihasilkan akibat gerakan putar dari elemenelemennya atau gerak gabungan berputar dan berosilasi. Karena tidak memakai katupkatup, maka pompa rotari dapat bekerja terbalik (sebagai pompa atau motor). Kelebihan pompa rotari adalah: •

Ukurannya relatif kecil dan relatif ringan

•

Dischargenya relatif uniform

•

Dapat beKerja pada putaran tinggi (sampai dengan 10.000 rpm), sehingga bisa dikopel langsung dengan motornya.

•

Head yang dihasilkan tinggi sekali (sampai dengan 750 atm.)

•

M ampu beroperasi self-priming

•

Efisiensi mekanis dan efisiensi volumetrisnya relatif tinggi Adapun pemakaiannya antara lain:

•

Pompa bahan bakar cair

•

Pompa booster dalam sistem penyaluran bahan bakar

•

Pompa penguras tangki bahan bakar

•

Pompa sirkulasi sistem pelumasan

•

Pompa vacuum (500 ~ 640 mmHg)

•

Pompa hidrolik dalam sistem hidrolik dan power steering Berdasarkan desainnya, pompa rotari dapat diklasifikasikan menjadi:

1. Gear Pump 2. Screw Pump 3. Lobe/Root Pump 4. Vane Pump 5. Rotary Piston Pump 6. Flexible M ember Pump 7. Roller (Excentric) Pump VI-1

6.2. Pompa Roda Gigi (Gear Pump) Pompa roda gigi adalah pompa rotari dimana satu atau lebih roda gigi melakukan kerja pemompaan. Dua tipe utama pompa roda gigi adalah: 1. External Gear Pump, seperti pada gambar 6.1a 2. Internal Gear Pump, seperti pada gambar 6.1b

Gambar 6.1 Pompa roda gigi

b

2h R

Gambar 6.2 Skema ukuran-ukuran roda gigi

Kapasitas aktual pompa roda gigi adalah: Q = η v .2.z.Vg . Q = ηv .2.( 2.π .R.h .b )

n 60

n π = η v . .R .n.b.m 60 15

Dimana: z = Jumlah gigi/satu roda Vg = Volume satu buah gigi h = addendum m = module VI-2

(6.1) (6.2)

b = lebar gigi R = pitch radius ηv = efisiensi volumetris

6.3. Pompa Sekrup (Scew Pump) Prinsip kerja pompa sekrup adalah sama dengan pompa roda gigi, hanya elemennya berbentuk ulir, sehingga aliran berarah tiga dimensi.

(a)

(b)

Figure 6.2 Pompa sekrup: (a) single rotor, (b) double rotor

Kapasitas aktual pompa sekrup adalah: Q = ηv .A.R .

n 60

(6.3)

Untuk pompa sekrup triple rotor – single end, kapasitas aktualnya adalah: 2 Q = ηv .( 1,243.d dc )( 3,333.d dc ).

n 60

(6.4)

Dimana: A = Luas penampang rotor efektif ddc = Diameter dedendum/dalam n = Rpm R = pitch ulir rotor ηv = efisiensi volumetris (0,85 ~ 0,99)

6.4. Pompa Lobe (Lobe Pump) Pompa lobe diberi nama sesuai dengan bentuk bulatan rotornya pada permukaan arah radialnya yang memungkinkan rotor-rotornya bersinggungan secara kontinyu pada setiap posisi putarannya.

VI-3

Dr

Do

(b)

(a)

Gambar 6.3 Pompa Lobe: (a) Single-lobe, (b) M ulti lobe Kapasitas aktual pompa lobe adalah: Q = ηv .4.A p .Lc .

n n = ηv .4.( 0,2.D r2 ).Lc . 60 60

(6.5)

Dimana: D r = Diameter root D o = Jarak atar poros rotor = (0,63 ~ 0,67). Dr Lc = Panjang rumah pompa = (0,6 ~ 1,5). Dr ηv = efisiensi volumetris (0,85 ~ 0,99)

6.5. Pompa Bilah (Vane Pump) Rotor dengan celah-celah (tempat sudu) dipasang eksentrik terhadap rumah pompa yang silindris. Sudu-sudu menekan rapat pada alur rumah pompa, karena gaya sentrifugal.

e

(b)

(a)

Gambar 6.4 Pompa Bilah: (a) Internal, (b) External Kapasitas aktual pompa bilah adalah:  2.( R − e )  n Q = ηv .2.e .b. − δ  .z . z   60 VI-4

(6.6)

Dimana: R = Radius track ring E = Eksentrisitas Z = Jumlah sudu/vane b = lebar bilah δ = tebal bilah ηv = efisiensi volumetris

6.6. Pompa Piston Rotari (Rotary Piston Pump) Rotor (cylinder barrel) dipasang eksentrik terhadap rumah pompa dengan mempergunakan track ring, sehingga putarannya menyebabkan piston berisolasi (mengisap & menekan). Saluran isap dan tekan yang dipisahkan oleh plat-pemisah, terletak di dalam rongga barrel.

track ring piston barrel e = eksentrisitas lubang outlet lubang inlet Gambar 6.5 Pompa piston rotari

Kapasitas aktual pompa piston rotari adalah: Q = ηv.

πd 2 4

.2 e.z.

n 60

Dimana: d = diameter piston z = jumlah piston

6.7. Pompa Flexible (Flexible Member Pump) Prinsip kerja pompa fleksible mirip dengan pompa bilah. Volume fluida yang dipindahkan adalah sama dengan volume ruang antara bodi pompa dan rotornya.

VI-5

(6.7)

(a) Flexible Vane Pump

(b) Flexible Liner Pump

(c) Flexible Tube Pump

Gambar 6.6 Pompa Fleksibel

6.8. Pompa Roller (Roller Pump) Pompa roller terdiri dari silinder dan rotor yang berputar di dalam silinder. Sumbu putar rotor berimpit dengan sumbu silinder, tetapi sumbu poros rotor dipasang eksentrik terhadap titik pusat rotor, sehingga ketika poros rotor berputar rotor akan terus kontak dengan permukaan silinder. Untuk memisahkan inlet-port dan outlet-port dipasang plat/roller pemisah yang dibebani lengan pegas, sehingga plat akan selalu menekan permukaan rotor.

A B

Gambar 6.7 Pompa piston rotari Kapasitas aktual pompa piston rotari adalah:

π n Q = η v . ( d A2 − d B2 ).L 4 60 Dimana: dA = diameter silinder D B = diameter roller L = panjang silinder

VI-6

(6.8)

BAB VII POMPA SENTRIFUGAL/RADIAL 7.1. Prinsip Kerja Pompa Sentrifugal Pompa pada dasarnya merupakan suatu alat untuk mengisap (suck) dan menekan/ mengalirkan (deliver) fluida dari suatu tempat ke tempat yang mempunyai head yang lebih tinggi.

Gambar 7.1 Skema unit pompa

Bagaimanakah pompa dapat mengisap fluida?. Hal ini dapat dijelaskan dengan suatu analogi seperti pada gambar 7.2. Karena nafas ditarik melalui mulut maka di dalam mulut terjadi tekanan yang rendah atau mendekati keadaan vakum. Sehingga juice yang ada dalam gelas dapat dihisap keatas ke dalam mulut, dan kemudian juice tersebut ditelan dan seterusnya juice dihisap secara kontinyu.

Gambar 7.2 Analogi proses pengisapan pada pompa

VII-1

Di dalam pompa, karena impeller pompa berputar di dalam rumah pompa maka terjadi tekanan rendah (hampir vakum) pada sisi isap pompa (suction-port). Akibat air/fluida dialirkan dari impeller ke sisi tekan (discharge) mengakibatkan fluida dapat diisap secara kontinyu. Secara teoritis, tinggi air maksimum yang dapat diisap oleh pompa adalah 10,33 meter ( 1 atm. = 10,33 meter kolom air). Kemudian, bagaimnakah pompa dapat menekan/mengalirkan fluida?. Sekali lagi, hal ini dapat dijelaskan dengan analogi seperti pada gambar 7.3. Jika sebuah payung yang basah diputar, maka akan timbul gaya sentrifugal yang mengakibatkan butiranbutiran air terlempar keluar.

Gambar 7.3 Analogi proses pengaliran pada pompa sentrifugal

Prinsip pengaliran/discharge pada pompa juga terjadi akibat phenomena yang sama. Saat impeller pompa berputar, sudu-sudu pompa membangkitkan gaya sentrifugal, dan seperti butiran-butiran air yang terlempar keluar payung, fluida disekeliling sudu-sudu pompa akan terlempar ke arah sisi luar impeller (dischrage-port) akibat gaya sentrifugal. Arah gaya sentrifugal adalah tegak lurus (normal) terhadap arah putaran impeller.

Gambar 7.4 Pompa sentrifugal VII-2

Pompa sentrifugal akan bekerja normal bila pda saat start rongga casing, ruang antara sudu maupun saluran isap terisi penuh cairan. Begitu impeller berputar, fluida yang ada diantara sudu-sudu juga ikut berputar karena menerima gaya mekanis sudu, dan partikel-partikel fluida mendapat kecepatan keliling sebesar u (yang arahnya menyinggung lingkaran impeller). Selanjutnya keliling u tersebut membangkitkan gaya sentrifugal pada fluida diantara sudu-sudu dan akibatnya timbul tekanan fluida yang relatif kuat pada sekeling luar impeller. Kemudian, partikel fluida bergerak dari titik pusat kearah sekeliling luar impeller dengan kecepatan relatif w (arahnya menyinggung permukaan sudu). M aka fluida keluar impeller pompa dengan kecepatan c. Kecepatan absolut aliran adalah: v v v c =u+w

(7.1) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Shaft Shroud Shroud Vane Volute chamber Impeller Streamlined nut Inlet Outlet The narrowest part Inlet guide vanes (optional)

Gambar 7.5 Aliran fluida di dalam pompa

Berdasarkan berbagai karakteristiknya pompa sentrifugal dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 1. Berdasarkan tipe casingnya: a) Volute pump b) Turbine pump atau Diffusion pump 2. Berdasarkan headnya: a) Low lift centrifugal pump (H ≤ 15 m) b) M edium lift centrifugal pump (15 < H ≤ 40 m) c) High lift centrifugal pump (H > 40 m) 3. Berdasarkan impellernya: a) Closed impeller pump b) Semi-open impeller pump c) Open impeller pump

VII-3

4. Berdasarkan jumlah impeler pada setiap poros: a) Single stage centrifugal pump b) M ulti stage centrifugal pump (untuk head tinggi) 5. Berdasarkan jumlah masukan ke impeler: a) Single entry or single suction pump b) Double entry or double suction pump (untuk kapasitas besar) 6. Berdasarkan arah aliran melalui impeler: a) Radial flow pump b) M ixed flow pump c) Axial flow pump

VII-4

7.2. Komponen Pompa Sentrifugal

1. Shaft

2. Shroud

3. Shroud

4. Vane

5. Volute chamber

6. Impeller

7. Streamlined nut

8. Inlet

9. Outlet

10. The narrowest part

11. The guide vanes (optional)

Principal of centrifugal pump
Poros berputar

impeller berputar


Partikel-partikel fluida mendapat kec. Kll.u (arahnya menyinggung lingkaran impeller)
Untuk membangkitkan gaya sentrifugal Pada cairan diantara sudu-sudu

tekanan fluida pada diameter luar

impeller
Partikel-partikel fluida bergerak dari pusat ke diameter luar dengan kecepatan relatif w (arahnya menyinggung permukaan sudu →

→

→

fluida c = u + w

Head pompa centrifugal Berdasarkan hukum ”Euler” :

VII-5

kecepatan absolut

Energi (head) yang diberikan cairan di celah-celah sudu impeller sama dengan perbedaan momen daripada momentum aliran pada lingkaran luar impeller dengan aliran pada lingkaran dalam impeller F .∆t = ∆M = m.dv •

•

F = m .c2 u − m c1u T = r.F •

•

= r2 . m .c 2 u − r1 . m .c1u •

•

= r2 . m .c 2 .cos α 2 − r1 . m 1 .c1 . cosα 1 Daya, N = T.ω

M omen, M = N/ω

•

= m .g .H t ∞ M aka : •

•

•

m . g.H t∞ = ω.r2 .m .c 2 . cosα 2 − ω.r1 . m .c1 .cos α 1 . H t∞ = =

u 2 .c 2 .cos α 2 − u1 .c1 .cos α 1 g u 2 .c 2 u − u1 .c1u g

Dari persamaan W 2 = c 2 + u 2 − 2.c.u.cos α M aka : H t∞ =

u 22 − u12 W 2 − W22 c 2 − c12 + 1 + 2 2g 2g 2g

Dimana : H t∞

= head theoritis impeller, yang jumlah sudunya = ∞

u 22 − u12 = kenaikan head statis yang disebabkan oleh gaya inersia, harganya selalu + 2g W12 − W22 = perubahan head statis yang diakibatkan oleh perubahan kecepatan aliran 2g diantara sudu-sudu akibat perubahan luas penampang harganya bias +/- > 75 % c22 − c12 = kenaikan head dinamis yang disebabkan oleh perubahan kecepatan absolute 2g aliran diantara sudu harganya selalu + 25%

VII-6

Head Actual Yang Dihasilakn Pompa H = k 2 cu .η h .H t∞ Dimana : k 2cu

: factor sirkulasi aliran diantara sudu-sudu

ηh

: efisiensi hidrolis

ns

Ls

Ms

Hs

k 2cu

0,87 – 0,9

0,9 – 0,92

0,92 – 0,94

ηh

0,6 – 0,82

0,82

0,82

Untuk pompa sentrifugal tanpa inlet guide vane chamber semua tidak punya j diarahkan sepanjang jari-jari, α1 =900, maka H = k 2 cu .η h .

u 2 .c 2 . cos α 2 g

= k 2 cu .η h .

u 2 .c 2 u g

H = f(u2) dan u2 = f (D2,n) H = kh .

u2 g

Dimana : kh

= factor head = 0,4 – 0,55 untuk pompa dengan inlet guide vane = 0,3 – 0,5 untuk pompa tanpa inlet guide vane

Berdasarka pertimbangan metalurgi : •

U 2. max = 220 ∞ 250m / det •

U 2 diijinkan

≤ 35 m/det untuk impeler dengan gray cast iron ≤ 60 m/det untuk impeler dengan cast bronze ≤ 70 m/det untuk impeler dengan light steel ≤ 80 m/det untuk impeler dengan cast steel

Biasanya diambil : C1 =C2r, maka : 2

c 2 − c12 c 22 − c 22 r c 2 u H t∞ dyn = 2 = = 2g 2g 2g

VII-7

c1

(u =

2 2

+ c 2 r . cot β 2 2g

)

2

H t∞ st = H t∞ − H t∞ dyn u 22 (c 2 r . cot β 2 )2 = − 2g 2g β2 dimana tidak menghasilkan head H t∞ =

u 2 − c2 u u 22 u 2 .c2 r = + . cot β 2 max = 0 2g g g

Cot β2 m ax = Cot (180o- β2 m ax ) = Bila β2 < β2 m in

u2 c2 r

terjadi proses separasi aliran ( stream separation ) dan Ht∞ =

negative (-), jadi β2 = 45o ~ 170o Bila

β2 >>

H t∞st >>, H t∞dyn <<, c2 <<

β2 <<

H t∞s t<<, H t∞dyn >>, c2 >>

hlh >>

Pengaruh β2 Terhadap Head Pompa

tan β 2 =

H t∞

c 2r → c 2u = u 2 + c 2 r .cot β 2 c 2u − u 2

u 2 .c 2 u u22 u 2 .c 2 r = = + .cot β 2 g g g


Untuk sudu melengkung ke depan (forward curve vanes) β2 < 900 dan H t∞ >

u 22 g


Untuk sudut lurus atau radial (straight or radial vanes)

VII-8

β2 = 900 dan H t∞ =

u 22 g


Untuk sudut melengkung kebelakang ( back curve vanes ) β2 > 900 dan H t∞ <

u 22 g

Arah aliran halus (uniform)

hLh <<

Perubahan H-Q stabil Yang umum dipakai

β2 = 1600 ~ 1700

β1 ~ 155 ~ 165

β2 ≤ 300 keluar α2

= 50 ~ 120 untuk pompa dengan saluran pengarah = 100 ~ 250 untuk pompa tanpasaluran pengarah

7.3. Ukuran-Ukuran Utama Pompa Radial


Berdasarkan Q, H, dan n yang telah diketahui ( dihitung berdasarkan kebutuhan)
Ingat : standar DIN 24255 H ≤ 100 m (untuk 1 tingkat), karena gaya sentrifugal yang bekerja sebagai beban pada materialimpeller, dan Q ≤ 400 m3/jam. Kenyataannya : untuk mendapatkan pompa radial satu tingkat dengan H ~ 50 m sudah sangat sulit (lihat pada brosur pompa).
Tentukan/ pilih jumlah tingkat impeller pompa jika H yang dibutuhkan terlalu tinggi Q


Hitung putaran spesifik impeller pompa ns = n. 4

VII-9

H     i 

3

1. Diameter Poros Pompa Diameter poros pompa dapat dihitung denga menempatkan harga tegangan torsi (τt) yang paling kecil yang diijinkan. Untuk poros pejal : τt = T/Wt Wt = 0,2.d3momen tahanan dari diameter poros minimum yang dibutuhkan T=

P , momen puntir/torsi (N.m) w

ω = 2.π . P=

n , kecepatan angular, 1/dt 60

ρ .g .Q.H , daya penggerak pompa, watt (SHP) η op

M aka diameter poros minimum yang dibutuhkan : dsh. min = 3

T (m) 0,2.τ ijin

dsh = .....................(diambil ± 50% lebih besar) Dimana : τijin = 20 N/mm 2 untuk pompa 1 tingkat τijin = 15 N/mm 2 untuk pompa bertingkat banyak

2. Diameter Hub Impeller Biasanya diambil sebesar : dhub = (1,2 ~1,4).dsh

(m atau mm)

3. Diameter Mulut Isap Impeller (Inlet Chamber) Dari persamaan Q t = A.C0, maka didapat : D0 =

4.Q t Q + d hub 2 , Q t = π .C 0 ηv

Dimana : Qt = (1,02 ~ 1,05).Q, Kapaitas theoritis pompa. Kecepatan Absolute fluida masuk impeller dapat ditentukan dari grafik dibawah, atau C 0 = k C 0 . 2 .g .H kco = (0,058 ~ 0,06).ns2/3 = faktor kecepatan masuk impeller

VII-10

4. Diameter Dalam Impeller D 1 besarnya dikira-kira atau ditaksir. Ujung permulaan sudu biasanya dibuat paralel arah alirannya sehingga : D1 ~ D 0 5. S egitiga Kecepatan S isi Masuk Impeller Kecepatan keliling pada diameter dalam impeller U 1 = π .D1 .n / 60 (m/dt) = k u1 . 2.g .H

k u1 = 0,0244.ns2/3

Kecepatan absolute fluida masuk impeller c1 = f 1 .c0 f1 =

, faktor penyempitan ( crowding f ) = 1,1 ~ 1,15 t1 t1 − σ 1

Untuk t dan σ lihat pada tabel sudu. Asumsi aliran masuk secara radial, maka : c1 = c1m = c1r atau α1 = 900

Kecepatan relatif fluida terhadap sudu : W1 = c12 + u12  c1  c   = sin −1  1   u1   W1 

β 1 = tg −1 

c1m = k c1m . 2. g.H .(m / dt )

VII-11

ns

: 20

k c1m

: 0,125

30

40

50

60

0,126

0,128

0,136

0,142

6. Lebar Impeller Pada S isi Masuk b1 =

Qt π .D1 .c1

 c1 m  c1

  

α 1 = sin −1 

W1 = c12m + (u1 − c1 . cos α 1 )2  c1 m  W1

  

β 1 = sin −1 

7. Diameter Luar Impeller D2 =

60.U 2 π .n

Dimana : U 2 = k u 2 . 2.g.h

(m/dt)

ku2 = 1 + 0,1 (ns/2,5 – 1) Atu bisa juga dari :

Dimana :

D2 = f ( ns ) D1 D2 = 2 ,5 D1

ns = ≤ 20 = 20 ~ 40

=2

= 40 ~ 80

= 1,8 ~ 1,4

= 80 ~ 160 (fixed flow) = 1,2 ~ 1,1 = 160 ~ 320 (axial)

= 0,8

Kecepatan keliling yang diinginkan : U 2 ≤ 35 m/det

impeler dengan grey cast iron

≤ 60 m/det

impeler dengan bronze

≤ 70 m/det

impeler dengan logam ringan

≤ 80 m/det

impeler dengan steel

VII-12

8. S egitiga Kecepatan S isi Keluar Impeller Sudut relatif β2 sedapat mungkin tidak melampaui 300 keluar, atau sin (1800 – β2) = c2 m

W2 ns

10

25

40

50

60

70

β2

145

150

155

160

165

165

Kecepatan Absolute c2 pada arah u2 H = η h .U 2 .k. c 2 u g

c2u = ? c2 u =

g .H η h .U 2 .k

Dimana : k = faktor penyusutran kerja (lihat nomogram gambar 4.2.4) Agar segitiga kecepatan bisa digambaar, maka dipilih besarnya c2m ≈ c1

W2 = C22m + (U 2 − C2 u ) 2  C 2m  C2

α 2 = sin −1 

  

C  = tg −1  2 m   C2 u  ns

10

25

40

50

60

70

ηh

0,86

0,91

0,94

0,96

0,97

0,98

Biasanya : α2 = 50 ~ 120 α2 = 100 ~ 250

VII-13

9. Lebar S udu Pada S isi Keluar

b2 =

Qt . f 2 π .D2.C 2 m

Dimana : f2 = 1,05 ~ 1,10 = faktor penyempitan

VII-14

10. Tebal dan jumlah sudu impeller Tebal sudu biasanya :

S = 2 ~ 10 mm, grey cast iron S = 3 ~ 6 mm, bronze, steel Proyeksi sisi sudu pada arah keliling roda Σ = s sin β i Factor penyempitan (crowding factor) t = t (t − σ ) f1 = 1,1 ~ 1,15 f2 = 1,05 ~ 1,10 c1 = f1.c0 t1 = π . D1 z , jarak antar sudu Z >>

H L>>

Z <<

distribusi kecepatan aliran di celah sudu-sudu tidak uniform

Jumlah sudu yang optimal (empiris) Z=

Q1 .H i   r 2  2,25.η op .U 2 .br .r2 1 −  1     r2  

Dimana : Q i = kappa. Impeller, m3/det H i = head yang dihasilkan impeller, mH20 ηop = efisiensi pompa

VII-15

HL>>

Br = jari-jari rata-rata penampang celah sudu, m Atau : Z = 6,5. Bds ns

D2 + D1 β + β2 .sin 1 D 2 − D1 2

ns = 40 ~ 60,

z=9

ns = ≤ 20

ns = 60 ~ 180,

z=8

ns = 20 ÷ 45

ns = 180 ~ 350,

z=6

ns = 45 ÷ 75

ns = 350 ~ 580,

z=5

ns = 75 ÷ 150

VII-16

7.4. Menentukan Bentuk Sudu Ada 3 M etode dasar : 1. Circular arc method -

Single arc method

-

Two Arc method

2. Point by point method 3. The conformal representation method

7.4.1. S ingle Arc method

Diketahui : Z, D1, D 2, β1 dan β2 Langkah-langkah : 1. Gambar lingkaran dalam (D1) dan luar (D2) 2. Tentukan titik A sembarangan di lingkaran luar impeller 3. Dari titik A tarik garis ke titik pusat lingkaran O, maka terjadi garis AO 4. Dari titik O buat garis yang membentuk sudut (γ1 + γ2) terhadap garis AO, yang memotong lingkaran dalam impeller di titik B, dimana γ1 = 1800 - β1, dan γ2 = 1800 – β2, sehingga terbentuk garis OB 5. Tarik garis AB (dari titik B ke A), yang memotong lingkaran dalam disisi lain di titik D 6. Buat garis sumbu di tengah-tengah dari garis AD 7. Buat garis yang membentuk sudut γ2 dengan garis AO, yang kemudian memotong garis sumbu tadi di titik C. CA adalah jari-jari busur sudu 8. Tarik busur lingkaran dari D ke A yang berpusat di C. Jadi profil sudu terbentuk Perhatikan Bahwa posisi titik B dan D, untuk γ1 + γ2 > 900 adalah berbeda 9. Untuk menggambarkan sudu berikutbya, tebtukan posisi A berikutnya dengan membagi lingkaran luar (π D2) dengan jumlah sudu (z) 1 r22 − r12 Jari-jari busur, ρ = C .A = C.D = . 2 2 r2 . cos β 2 − r1 . cos β 1

VII-17

7.4.3. Two Arc Method Diketahui : z, D1, D 2, β1, β2. Langkah-langkah : 1. Buat lingkaran dalam (D1) dan lingkaran luar (D2) 2. Buat lingkaran bantu yang sepusat dengan diameter δ = di.sin β 1 3. Buat titik A1, A 2, dan seterusnya pada lingkaran dalam impeller, dengan membagi π .D1 z untuk menentukan posisi titik-titik A. 4. Buat garis singgung dari titik A1, A 2, dst yang menyinggung lingkaran bantu (δ) di titik E. M aka didapatkan titik E1, E2, dst. 5. Buat busur lingkaran I dengan radius ρ1 = E1, A 1, dstyang merupakan segmen bagian dari profil sudu. 6. Tarik garis-garis dari O melewati titik A1, A 2, dst. Yang memotong ligkaran luar dititik B1, B2, dst. 7. Buat agris yang membentuk sudut β2 dengan garis OB. 8. Buat garis dari titik O melalui titik E yang memotong busur lingkaran sebelumnya di titik F. 9. Perpotongan garis 7 dan garis 8 berpotongan di titik G yang merupakan pusat busur lingkaran II. Jadi r22 − rf2 1 ρ 2 = GF = GB = . 2 r2 . cos β 2 − rf . cos β f 10. Buat busur dengan jari-jari ρ2 yang memotong secara halus busur lingkaran I

VII-18

7.5. Contoh Soal Diketahui : Pompa radial dengan kapasitas, Q = 300m3/Jam = 0,083 m3/detik. Head pompa, H = 120 meter. Kecepatan putar, n = 1450 rpm, roda jalan (impeiler) terbuat dari besi tuang kelabu. Tentukan : Ukuran – ukuran utama dari roda jalan!. Jawab : Kecepatan spesifik : Untuk 1 tingkat

Q1 / 2 0,083 : ns = n ⋅ 3 / 4 = 1450rpm ⋅ = 11,5rpm H (120)0 ,75

Untuk 2 tingkat

: ns = 1450 ⋅ 0 ,083 = 19,0rpm 0 ,75

Untuk 3 tingkat

: ns = 1450 ⋅

(60)

0,083 = 26rpm (40)0, 75

Untuk menghidari harga U2 dan β2 yang ekstrim (lihat table hubungan bentuk sudu), maka sebaiknya dipilih pompa dengan 2 tingkat atau 3 tingkat. Disini dipilih 2 tingkat supaya harga instalasi pompa bisa lebih murah.

Diameter poros pompa : Daya mesin/motor penggerak pompa : P=

γ ⋅Q⋅H ηP

Efisiensi efektif (ηe ) atau efisiensi pompa dapat ditentukan (estimasi) dari diagram (ns-ηp) diatas. ns = 19rpm → η p = 77%

(

)

1000 kg ⋅ 9,81 m  × 0,083 m3 × (120m ) dt m3 dt 2   P= 0,77 = 128.000watt = 128kW

Diameter minimum poros : D s.min = 3

T 0,2 ⋅τ ijin

VII-19

Dimana : Torsi (T) =

P

ω

128.000 = 840 N ⋅ m  2 ⋅ π ⋅ 1450    60  

=

Harga untuk τ ijin

τ ijin =20 N/mm2, untuk pompa 1 tingkat yang ringan τ ijin =15 N/mm2, untuk pompa >1 tingkat yang ringan τ ijin =20 N/mm2, untuk pompa >1 tingkat yang berat  Disini untuk 2 – tingkat diambil τ ijin =18N/mm2 840.000 N ⋅ mm = 61,8mm 0,2. 18N / mm 2

 D s. min = 3

(

)

Jadi diameter poros dibuat, Ds = 70 mm Diameter Hub poros menurut standard : D H = (1,2........1,4) ⋅ DS ≅ 1,3 × 70mm ≅ 90mm Diameter bagian hisap DO =

Qt + DH 2 π ⋅ Co

Dimana kapasitas theoritis, Qt = 1,05 x Q = 0,087 m3/dt Co = kco ⋅ 2 ⋅ g ⋅ h Faktor kecepatan masuk impeller : k co = (0,058 ÷ 0,06)ns( 2 / 3) Atau dari gambar 4.2.7, untuk Qt = 0,087 m3/dt dan n = 1450rpm → Co = 3,5m / dt

(

3

)

4 ⋅ 0,087 m dt  Do = + (0,09m )2 m π ⋅ 3,5 dt

(

)

= 0,2m = 200 mm

Diameter dalam impeller Ujung permukaan sudu harus dibuat pararel arah alirannya, sehingga

VII-20

D 1 = D 0 = 0,2 m = 200mm M aka kecepatan keliling U 1 = π ⋅ D1 ⋅ n 60 → m dt =

π ⋅ (0,2 )⋅ (1450 ) 60

= 15,2 m dt

Kecepatan absolute fluida masuk impeller C1 = C1r (Aliran masuk secara radial) C1 = C o × f 1 Dimana : f1 =

t1 = 1,1 ÷ 1,15 t1 − σ1

C1 = (3,5m / dt )× (1,15) = 4,0 m / dt Asumsi untuk pompa radial α 1(diambil) = 90o

Kecepatan relatif fluida masuk : w1 = C 12 + U 12 w1 = 15,5m / dt tan β 1 =

C1 → β 1 = 15 o U1

Lebar sudu : b1 = =

Qt π ⋅ D1 ⋅ C1

(0,087 m / dt ) = 0,035m = 35mm π ⋅ (0,2m )⋅ (4m / dt )

Kecepatan keliling U2 yang dijinkan : Impeller : Besi tuang kelabu

U2 ≤ 35 m/dt

VII-21



Perunggu tuang

U2 ≤ 60 m/dt

Logam – logam ringan

U2 ≤ 70 m/dt

Baja tuang

U2 ≤ 80 m/dt

Diambil : U2 = 33 m/dt M aka : D2 =

60 ⋅ U 2 (60 )⋅ (33) = = 0,435m = 435mm π ⋅n π ⋅ (1450)

Atau D2/D1 = fungsi dari putaran spesifik. Cth: Ns = 19 maka D2/D1 = 2,5 H=

ηh ⋅U 2 ⋅ k ⋅ C2 u

C 2U =

g g⋅H η h ⋅ U2 ⋅ k

η h = 0,94 untuk ns = 20 ns

10

15

20

30

50

100

ηh

0,86

0,91

0,94

0,96

0,97

0,98

B = 0,81 , untuk saluran – saluran yang sempit, (β 2 = 28°) k = 0,78 , faktor penyusutan gambar 4.2.4 C 2U = 24,2 m dt Supaya segitiga kecepatan keluar dapat digambarkan maka dipilih besarnya C2m = 3,7 m/dt

Atau dari sin (180o - β 2 ) =

C 2r atau Diktat halaman 127 W2

Jumlah sudu

VII-22

Z = 6,5 ⋅

D2 + D1  β + β2  ⋅ sin  1 D2 − D1  2 

=7 Jarak antar sudu t1 =

π ⋅ D1 Z

=

π ⋅ ( 0 ,2 m ) 7

= 0,0895m = 89,5mm

Tebal sudu S1 = 3mm → Untuk dari besi tuang kelabu S = 2mm∞10mm → besi tuang kelabu S = 3mm ∞6 mm → Perunggu, baja tuang, logam ringan Tebal miring :  σ 1 = S1 sin(β

1

)

= 3 0,26 = 11,5mm Faktor penyempitan / keributan : f1 =

t1 89,5 = = 1,15(cocok ) t1 − σ1 89,5 − 11,5

Lebar sudu b2 b2 =

Qt ⋅ f 2 0,087 ⋅1,5 = D2 ⋅ π ⋅ C2 m 0,435 ⋅π ⋅ 3,7

b2 = 0,018m = 18mm

VII-23

The overwhelming majority of contractor pumps use centrifugal force to move water. Centrifugal force is defined as the action that causes something, in this case water, to move away from its center of rotation. All centrifugal pumps use an impeller and volute to create the partial vacuum and discharge pressure necessary to move water through the casing. The impeller and volute form the heart of the pump and help determine its flow, pressure and solid handling capability.

Gambar 7.3 An impeller is a rotating disk with a set of vanes coupled to the engine/motor shaft that produces centrifugal force within the pump casing. A volute is the stationary housing (in which the impeller rotates) that collects, discharges and recirculates water entering the pump. A diffuser is used on high pressure pumps and is similar to a volute but more compact in design. M any types of material can be used in their manufactire but cast iron is most commonly used for construction applications. In order for a centrifugal pump, or self priming, pump to attain its initial prime the casing must first be manually primed or filled with water. Afterwards, unless it is run dry or drained, a sufficient amount of water should remain in the pump to ensure quick priming the next time it is needed. As the impeller churns the water (see figure above), it purges air from the casing creating an area of low pressure, or partial vacuum, at the eye (center) of the impeller. The weight of the atmosphere on the external body of water pushes water rapidly through the hose and pump casing toward the eye of the impeller. Centrifugal force created by the rotating impeller pushes water away from the eye, where pressure is lowest, to the vane tips where the pressure is highest. The velocity of the VII-24

rotating vanes pressurizes the water forced through the volute and discharges it from the pump. Water passing through the pump brings with it solids and other abrasive material that will gradually wear down the impeller or volute. This wear can increase the distance between the impeller and the volute resulting in decreased flows, decreased heads and longer priming times. Periodic inspection and maintenance is necessary to keep pumps running like new. Another key component of the pump is its mechanical seal. This spring loaded component consists of two faces, one stationary and another rotating, and is located on the engine shaft between the impeller and the rear casing (see figure below). It is designed to prevent water from seeping into and damaging the engine. Pumps designed for work in harsh environments require a seal that is more abrasion resistant than pumps designed for regular household use.

Gambar 7.4 Komponen-komponen pompa sentrifugal

VII-25

BAB VIII OPERASI POMPA 8.1. Kurva Head – Kapasitas Pompa

Titik perpotongan antara kurva H – Q dari pompa dan dari instalasi merupakan titik kerja pompa dan instalasi (sistem). Pada titik ini head yang diperlukan oleh sistem sama dengan head yang dapat diberikan oleh pompa pada laju alian yang sama. Hp =

pd − ps

γ

2

2

v − vs + d + zd − zs + H L 2⋅g

Karakteristik instalasi (pipa saluran) Adalah hubungan antara volume cairan yang mengalir melalui pipa saluran persatuan waktu dengan kerugian head yang dihasilkan. H inst = H statis + H hy draulis/Dy n H Dy n = H L = H may or + H minor H may or = kerugian head pada pipa lurus = f⋅

L v2 ⋅ D 2⋅g

H minor = kerugian head pada accesoris Le v 2 =f⋅ ⋅ D 2⋅g v2 =K⋅ 2⋅ g

VIII-1

8.2. Pengaturan Operasi Pompa Dalam praktek sering diperlukan merubah performance pompa dengan cara mengatur kapasitas dan head.


Pengaturan secara kuantitatif (n = konstant)




Pengaturan secara kualitatif (n = berubah)

8.2.1.Pengaturan Secara Kuantitatif a. Mengatur Katup pada pipa Discharge (H L>>)

b. Pengaturan Katup Pada Pipa Hisap Hal ini dilakukan kalau kita tidak ingin mendapatkan tekanan yang bervariasi pada pipa discharge dan menghidari terjadinya kavitasi pada bagian masuk impeller. c. Membuat Aliran By-Pass dari Pipa Discharge ke Pipa Isap

VIII-2

8.2.2. Pengaturan Secara Kualitatif Yaitu dengan mengatur pompa, misal dengan gear box, motor listrik dengan inverter

Q1 n1 ⋅ D13 = Q 2 n2 ⋅ D23 H 1 n12 ⋅ D12 = H 2 n22 ⋅ D22 p1 n13 ⋅ D15 = p2 n32 ⋅ D25

VIII-3

8.3. Operasi Pararel dan Operasi Seri Jika head (H) atau kapasitas (Q) yang diperlukan dapat dicapai dengan satu pompa saja, maka dapat digunakan dua pompa atau lebih yang disusun secara pararel atau seri.


Operasi Paralel

Untuk mendapatkan head yang lebih besar (tdentik dengan multistage pump). Dua atau lebih unit pompa dipasang paralel. Untuk mendapatkan Kapasitas yang lebih besar. Namun:

Qp < Q1 + Q2,

VIII-4

Tapi :

Hp > H1




Operasi Seri Untuk mendapatkan Q yang lebih besar.

Dua atau lebih unit pompa dipasang Seri Untuk mendapatkan Head yang lebih tinggi Namun: Tapi :

Hs < H1 + H2 Qs > Q1

VIII-5

BAB IX POMPA AXIAL

9.1. Karakteristik pompa axial


Q>> (0,1 m 3/dt sampai dengan 30 m 3/dt)




H<< (1 sampai dengan 5 m) →untuk H ↑ → multistage




Impeller selalu terbenam




Aliran pararel →U 1 = U 2 =U

Menurut Rumus Euler : H t∞ =

U 22 − U 12 w12 − w22 C22 − C12 + + 2⋅g 2⋅ g 2⋅ g

w12 − w22 C22 − C12 = + 2⋅ g 2⋅ g H t∞ = =

U 2 ⋅ C2 ⋅ cosα 2 − U 1 ⋅ C1 ⋅ cos α 1 g U (C − C1U ) g 2U

⇒ CU = U − Ca ⋅ cot (180 − β °) ⇒ asumsi : C1a = C2 a = Ca H t∞ =

U ⋅ C ⋅ (cot ⋅ β 2 − cot β 1 ) g a

Karena H t∞ > 0 ⇒ cot β 2 ° > cot β1 ⇒ β 2 < β1 Head Aktual (empiris): U2 2 ⋅ g ⋅ k u2

H=

Dimana : ku2 = 0,0244ns 2 / 3 ( ns versi Ketagurov) = factor head

9.2. Dimensi-Dimensi Utama Pompa Aksial Diameter Impeller : Di = (4,5∞ 5,5 )⋅ 3

Qt (m) n

Diameter Hub Impeller : D Hub =

Di (2∞3,5)⋅ Di

Kecepatan Axial Aliran Dicelah – celah S udu : C a = C1 = k c ⋅ 2 ⋅ g ⋅ h = 5∞ 7m / dt Dimana : kc = 0,0055ns 2 / 3 (versi ketagurov) Kapasitas Pompa : Q = η v ⋅ Ca ⋅

π 4

(

(

⋅ Di2 − D Hub 2

)

)

= ηV ⋅ m 2 − 1 ⋅ C a ⋅ D Hub Dimana : ηV = 0,9∞0,95 Tinggi Hisap Maximum : Z smax =

pa

γ

−

pv

γ

− σ ⋅ H − hL

 ns  Dimana : σ =    560 

4 /3

= factor kavitasi

hL = head losses pada pipa hisap Daya Penggerak Pompa : SHP =

γ ⋅ Q⋅ H ηop

Dimana :η op = 0,75∞ 0,9

Jumlah S udu ns

85-125

125-170

170-205

205-270

>300

z

8

7

6

4

3-2

Q t = 2 ⋅ π ⋅ b1 ⋅ C1 r = 2 ⋅ π ⋅ r2 ⋅ b2 ⋅ C2 r → C r∞ n ⇒ Qt∞ n Ht =

U 2 ⋅ C2U → U 2 ∞ n & C2U ∞n ⇒ H ∞n 2 g

P = γ ⋅ Q ⋅ H ⇒ P ∞n 3 Batas perubahan n → ∆n = 1,5∞ 2 kali Bila diperlukan, H bias dikurangi ≤ 15% dengan jalan memotong diameter luas impeller.

Ht =

U 22 U 2 ⋅ C2 r + ⋅ cot β 2 g g

β 2 > 90° _ dan _ cot β 2 < 0 ⇒ H t _ akan _ turun β 2 = 90° _ dan _ cot β 2 = 0 ⇒ Ht _ akan _ kons tan β 2 < 90° _ dan _ cot β 2 > 0 ⇒ Ht _ akan _ naik

Kondisi normal :  Celah – celah sudu penuh cairan Kondisi beban underload :  Separasi pada dinding belakang sudu Kondisi overload:  Separasi pada dinding muka sudu