Dasar-Dasar Mekanika Dalam

Pompa

Definisi Dalam industri pompa, banyak istilah yang digunakan untuk

mendefinisikan penggunaan pompa serta zat cair yang dipompa. Contohnya, karakteristik zat cair akan sangat mempengaruhi kemampuan pompa untuk melakukan tugas yang dimaksud, oleh karena itu, pertimbangan yang khusus harus diberikan terhadap zat cair yang akan dipompa sebelum melakukan pemilihan pompa. Marilah pertimbangkan istilah-istilah dan karakteristik zat cair umum yang digunakan dalam industri ini.

Conten:1. Kapasitas (Laju Aliran)2. Massa Jenis3. Berat Jenis (Specific Gravity)4. Tekanan5. Tekanan Uap6. Kekentalan7. Hukum Afinitas Pompa8. Nett Positive Suction Head (NPSH)9. Kerja, Daya dan Efesiensi Pompa

1. Kapasitas (Laju Aliran)

Laju aliran (kapasitas) adalah volume zat cair yang mengalir pada titik tertentu selama jangka waktu tertentu’, keluar lewat outlet pompa. Laju aliran biasanya dinyatakan dalam liter per detik (L /sec) atau liter per menit (L/min).

2. Massa Jenis

Massa Jenis zat cair didefinisikan sebagai massa (kg) dari zat cair per volume benda (m3). Jadi satuan ukuran massa jenis adalah kg/m3. Massa Jenis suatu zat cair akan berubah menurut temperatur, karena itu temperatur standar telah ditentukan untuk berbagai zat

cair. Temperatur ini berkisar antara 15.6 oC untuk

kebanyakan produk petroleum sampai 80 oC untuk jus gula.

Tabel di bawah menunjukkan massa jenis berbagai zat cair pada temperatur standarnya.

NamaTemp

oC

•Massa Jenis

(kg/m3)Nama

Temp oC

Massa Jenis

(kg/m3)

•Bensin •15 •749.8•Minyak sayuran

•15 •900

•Bir •15 •1020•Minyak mentah

•20 •1000

•Solar •15 •820 •Tar •25 •1230

•Oli gear •15 •920 •Anggur •15 •1000

•Oli bahan bakar- ringan

•15 •860 •Jus gula •80 •1300

•Oli Hidrolik •20 •875•Oli Silikon

•20 •940

•Minyak tanah

•15 •790 •Susu •15 •1030

•Air laut •15 •1020 •Air •20 •998

3. Berat Jenis

Berat Jenis (Specific Gravity - SG) adalah istilah yang digunakan untuk menerangkan berat zat cair. Air mempunyai Berat Jenis (1), jadi bila zat cair yang akan dipompa mengambang di atas permukaan air, maka zat cair tersebut memiliki berat jenis kurang dari satu dan akan tenggelam jika berat jenisnya lebih dari satu. Bila berat jenis zat cair didefinisikan sebagai perbandingan kepadatannya pada temperatur tertentu terhadap temperatur standar dari air. Biasanya, temperaturnya sama, masing-masing 15.60C.

• Berat Jenis = Massa Jenis zat cair pada temperatur s dar

Massa Jenisair pada temperatur

tan

,15 60

• mis. Massa Jenis Bensin = 749.8 kg/m3 @ 15.6oC

• Massa Jenis Air = 999.1 kg/m3 @ 15.6oC

• maka Berat Jenisnya =

1.999

8.749= 0.7505

Makin rendah berat jenis zat cair yang dipompa, lebih besar head pengisap pompa yang dibutuhkan (dan sebaliknya). Contohnya, jika pompa memompa hydrocarbon dengan berat jenis 0,5 tekanan pengisapan pompa menjadi 35 kPa, karena itu, akan memiliki head pengisapan positif tujuh meter. Secara bergantian, pompa yang memompa air dingin (berat jenis 1,0) dengan tekanan pengisapan yang sama akan memiliki head pengisapan hanya setengah dari nilainya, yaitu 3,5 meter.

Air jernih yang sejuk adalah salah satu dari beberapa zat cair yang dapat dipompa dengan tekanan pengisapan negatif. Semua zat cair yang lain dengan berat jenis kurang dari satu harus dimasukkan ke pompa pengisap dengan tekanan positif. Jika tekanan positif yang cukup tidak dijaga zat cair akan mendidih dalam mata pengisap dan akan terjadi kavitasi.

Density and Specific Weight

• Density (mass/unit volume) Specific mass– density of water: 1000 kg/m3

– density of air at atmospheric pressure and 15 C: 1.22 kg/m3

• Specific Weight (weight per unit volume)

= g = 9806 N/m3

950960970980990

1000

0 50 100Temperature (C)

Den

sity

(kg

/m3 )

997

998

999

1000

0 10 20

Temperature (C)

Den

sity

(kg

/m3 )

motor listrik

pompa

motor listrik

transmisi

pondasi

pompa

4. Tekanan

a. Tekanan AtmosfirPada ketinggian sama dengan permukaan laut, tekanan atmosfir kira-kira 101,3 kPa (14,7 p.s.i.) Tekanan atmosfir disebabkan oleh berat udara pada permukaan bumi. Tekanan atmosfir tidaklah konstan pada setiap lokasi, ini karena kondisi cuaca yang berubah-ubah terus menerus. Tekanan atmosfir juga berubah pada ketinggian yang berbeda. Pada tempat yang tinggi, tekanan akan berkurang.

b. Tekanan AbsolutTekanan absolut adalah tekanan yang diukur di atas angka absolut nol. Ini sama dengan ukuran tekanan ditambah tekanan atmosfir.

c. Pengukuran TekananTekanan yang diukur di atas tekanan atmosfir disebut ‘pengukuran tekanan.

d. VakumVakum adalah tekanan di bawah tekanan atmosfir (mis. ukuran tekanan negatif).

e. Tekanan Uap

Jika zat cair dan uap terdapat bersama-sama dalam keadaan seimbang, uapnya disebut tersaturasi, dan tekanan yang dilakukan oleh uap saturasi ini disebut ‘tekanan uap.’Tekanan uap merupakan fungsi temperatur dari suatu zat cair. Tekanan uap dari suatu zat cair merupakan hal penting untuk barometer, sistem pemompaan dan dalam terjadinya kavitasi di daerah yang bertekanan rendah dalam suatu zat cair.Fenomena terjadinya kavitasi merupakan hal penting dalam praktek ilmu rancang bangun. Formasi terjadinya kavitasi dan jatuhnya zat cair pada saat pengangkutan ke daerah bertekanan tinggi, dapat menyebabkan erosi pada permukaan yang keras, getaran, dan kehilangan tenaga mekanis yang cukup berarti. Kavitasi bukanlah hal yang jarang terjadi pada pompa dan harus dipertimbangkan dalam pembuatan disain untuk menghindari agar hal ini jangan sampai terjadi.

f. Modifikasi Persamaan dasar Bernoulli

los

2

2

1

2

H +22

g

p

g

vZH

g

p

g

vZ pompa

5. Kekentalan Kekentalan atau viskositas adalah pengukuran tahanan zat cair

terhadap aliran. Jika zat cair encer dan mengalir dengan mudah, berarti memiliki kekentalan yang rendah. Zat cair yang kental dan mengalir dengan susah memiliki kekentalan tinggi.

a. Menentukan Kekentalan Dalam buku-buku dan manual yang berisi tulisan tentang

pompa, beberapa metode untuk menentukan kekentalan disebutkan, dan yang paling umum adalah:

1) Kekentalan absolut (dinamik) dalam centipoise2) Kekentalan kinematic dalam centistokes3) Kekentalan relatif dalam Saybolt Universal Seconds (SUS)4) Nomor SAE (untuk oli otomotif )

b. Kekentalan Kinematic Kekentalan kinematik adalah yang paling umum dalam

pengukuran kekentalan. Ini diukur dengan jumlah waktu yang diperlukan untuk volume tetap oli untuk mengalir melewati tabung kapiler.

Dynamic Viscosity µ Viscosity describes a fluids resistance to flow. Dynamic viscosity (sometimes referred to as Absolute viscosity) is

obtained by dividing the Shear stress by the rate of shear strain. The units of dynamic viscosity are: Force / area x time The Pascal unit (Pa) is used to describe pressure or stress = force per

area This unit can be combined with time (sec) to define dynamic viscosity.

µ = Pa•s; 1.00 Pa•s = 10 Poise = 1000 Centipoise Centipoise (cP) is commonly used to describe dynamic viscosity

because water at a temperature of 20°C has a viscosity of 1.002 Centipoise.

This value must be converted back to 1.002 x 10-3 Pa•s for use in calculations.

Kinematic Viscosity υ Sometimes viscosity is measured by timing the flow of a known

volume of fluid from a viscosity measuring cup. The timings can be used along with a formula to estimate the kinematic viscosity value of the fluid in Centistokes (cSt).

The motive force driving the fluid out of the cup is the head of fluid. This fluid head is also part of the equation that makes up the volume

of the fluid. Rationalizing the equations the fluid head term is eliminated leaving

the units of Kinematic viscosity as area / time; v = m2/s 1.0 m2/s = 10000 Stokes = 1000000 Centistokes

Water at a temperature of 20°C has a viscosity of 1.004 x 10-6 m2/s

This evaluates to 1.004000 Centistokes. This value must be converted back to 1.004 x 10-6 m2/s for

use in calculations. The kinematic viscosity can also be determined by dividing the

dynamic viscosity by the fluid density.

Kinematic Viscosity and Dynamic Viscosity Relationship

Kinematic Viscosity = Dynamic Viscosity / Density v = ì / p Centistokes = Centipoise / Density To understand the metric units involved in this relationship it

will be necessary to use an example: Dynamic viscosity µ = Pa•s Substitute for Pa = N/m2 and N = kg• m/s2 Therefore µ= Pa•s = kg/(m•s) Density ρ = kg/m3 Kinematic Viscosity : v = µ/ ρ = (kg/(m•s) x 10-3) /

(kg/m3) = m2/s x 10-6

c. Kekentalan SUS Kekentalan relatif ditentukan dengan menghitung waktu pengaliran sejumlah zat cair tertentu yang melewati lobang kecil (orifis) standar pada temperatur tertentu.Terdapat beberapa metode yang digunakan. Metode yang sangat umum adalah Saybolt Viscosimeter. Waktu yang diperlukan untuk sejumlah zat cair mengalir melalui orifis diukur dengan stopwatch. Kekentalan dalam Saybolt Universal Seconds (SUS) sama dengan waktu yang berlalu.Di sini jelas bahwa zat cair yang kental akan mengalir lambat, dan kekentalan SUS akan lebih tinggi dari zat cair encer yang mengalir lebih cepat. Karena oli menjadi kental pada temperatur rendah dan encer pada temperatur yang lebih hangat, maka kekentalan harus diekspresikan sebanyak SUS pada temperatur tertentu. Pengujian biasanya dilakukan pada 400C dan 1000 C.d. Nomor SAE Perkumpulan Insinyur Otomotif atau The Society of Automotive Engineers (SAE) telah menetapkan nomor untuk range kekentalan oli mesin pada temperatur pengujian tertentu. Nomor Winter (0W, 5W, 10W, 15W, dll.) ditentukan dengan pengetesan pada temperatur dingin. Nomor oli Summer (20, 30, 40, 40, dll.) menunjukkan range SUS pada 1000 C.

e. Pengaruh Kekentalan Terhadap Dayaguna

Pengaruh kekentalan dapat diabaikan untuk kebanyakan penggunaan pompa sentrifugal. Kurva dayaguna untuk pompa sentrifugal diperoleh dari hasil pengujian, pengujian ini telah dilakukan, biasanya dalam tes laboratorium oleh pabrik, mengikuti acuan yang diterima secara nasional menggunakan air sebagai zat cair untuk pengetesan.Bila kekentalan zat cair sebenarnya yang dipompa tidak lebih besar dari air, tidak perlu dilakukan koreksi untuk dayaguna hidrolik. Bila kekentalan jelas lebih tinggi dari air, kurva dayaguna pompa hidrolik harus dimodifikasi untuk mencapai tingkat kurva dayaguna yang baru. Pabrik pembuat pompa biasanya melakukan koreksi ini sebelum pemilihan pompa.Jika pompa yang berfungsi untuk memompa zat cair yang encer (kekentalannya rendah) digunakan untuk memompa zat cair yang lebih kental (kekentalannya lebih tinggi), maka laju aliran dan heed diperkecil sebanding dengan perbedaan kekentalan zat cair tersebut.

6. Hukum Afinitas Pompa

Hukum afinitas berlaku untuk kompresor sentrifugal gas dan juga pompa sentrifugal, tetapi sangat bermanfaat untuk memperkirakan dayaguna pompa pada rotasi kecepatan yang berbeda, atau diameter impeller mulai dengan pompa yang karakteristiknya sudah diketahui.

Dua variasi dasar dapat dianalisa melalui hubungan ini: Dengan merubah kecepatan dan menjaga diameter

impeller konstan, efisiensi pompa akan tetap sama tetapi head, kapasitas, dan tenaga kuda akan beragam menurut hukum.

Dengan merubah diameter impeller, tetapi menjaga efisiensi kecepatan konstan untuk pompa diffuser tidak akan terpengaruh jika diameter impeller dirubah tidak melebihi lima persen. Perhatikan bahwa perubahan efisiensi akan terjadi bila ukuran impeller dikurangi sampai ke tingkat yang cukup untuk mempengaruhi celah antara penutup (casing) dan keliling dari impeller.

Kurva dayaguna pompa normalnya ditarik dari jangkauan diameter impeller untuk pekerjaan tertentu melalui interpolasi grafis, ini tidak selalu merupakan metode yang yang dapat diandalkan dan tidak dapat digunakan jika hanya memiliki kurva tunggal. Untuk perubahan kecepatan yang kecil dan /atau diameter Hukum Afinitas sangat berguna:

Untuk perubahan kecepatanN1 ke N2

Laju aliran baru = Q1 .1

2

N

N

Head baru = H1 . 2

1

2

N

N

Tenaga baru = P1 . 3

1

2

N

N

Untuk perubahan diameterD1 ke D2

Laju aliran baru = Q1 .1

2

D

D

Head baru = H1 2

1

2

D

D

Tenaga baru = P1 .3

1

2

D

D

Q = laju aliran (kapasitas) dalam satuan Liter /detikH = head dalam satuan meterP = daya dalam kilowattN = kecepatan dalam rpm

Contoh

Dengan menggunakan hukum afinitas, hitung perubahan dalam sistem, dengan rincian sebagai berikut:Jika head dinamik total dari sistem sama dengan 85 meter , laju aliran (kapasitas) 60 L/s, daya 62 kW dan ukuran diameter impeller 240 mm bila beroperasi pada 2900 rpm, hitung perubahannya bila putaran dikurangi menjadi 2500 rpm.Gunakan – untuk perubahan kecepatanLaju aliran (Kapasitas) baru = Q1

1

2

N

N

Head baru = H1 2

1

2

N

N

Daya baru = P1 3

1

2

N

N

Maka:Laju aliran (kapasitas) baru = Q1 1

2

N

N

Laju aliran (kapasitas) baru = 60 2900

2500

Laju aliran (kapasitas) baru = 51.72 L/s

Head baru = H1 2

1

2

N

N

Head baru = 85 2

2900

2500

Head baru =63.17 meter

Daya baru = P1

3

1

2

N

N

Daya baru = 62 3

2900

2500

Daya baru = 39.71 kW

7. Kavitasi

Kavitasi adalah terbentuknya gelembung - yang kemudian pecah - di dalam aliran suatu zat cair dan merupakan penyebab utama buruknya kinerja pompa dan merupakan masalah yang sering ditemukan dalam pekerjaan pemeliharaan (maintenance).Nett Positive Suction Head adalah parameter yang memungkinkan kita untuk memprediksi apakah kavitasi akan terjadi pada pompa tertentu dalam kondisi tertentu. Untuk mengerti bagaimana hal ini terjadi, akan bermanfaat untuk mengulangi dasar karakteristik termodinamik zat cair.Zat cair yang kebanyakan dipompa adalah air, dan tingkahnya hampir serupa dengan semua zat cair. Bila kita memanaskan air pada tekanan atmosfir normal (101,3 kPa) dari 0°C ke 100°C lebih dan menjaganya tetap konstan, airnya akan mendidih dan menguap. Jika kita mengurangi tekanannya (dibawah tekanan atmosfir) maka airnya akan mendidih pada temperatur yang lebih rendah.Jika kita menarik ulang sebuah grafik untuk air akan terlihat variasi tekanan (Gambar 3.4) dan ini menunjukkan bahwa air akan menguap pada 250C pada tekanan absolut 3 kPa dan didefinisikan secara bebas sebagai tekanan absolut di mana zat cair mulai menguap (atau mendidih) pada temperatur tertentu

Pada titik ini perlu dijelaskan bahwa tekanan absolut bukanlah tekanan yang akan anda baca dari alat pengukur tekanan. Alat pengukur hanya menunjukkan perbedaan antara tekanan yang diukur dan tekanan atmosfir—ini yang disebut tekanan pengukuran. Jadi tekanan absolut didapat dengan cara menambahkan satu atmosfir ke hasil pengukuran.

Air akan menguap jika tekanan dikurangi sampai ke tekanan uap.

Kenaikan volume secara dramatis akan terjad Ini merupakan titik yang sangat penting dan

sangat menentukan untuk mengerti secara jelas konsep dari NPSH.

Tekanan absolut = (hasil) tekanan pengukuran+ satu atmosfir.

Hal penting untuk diingat adalah:1. zat cair akan menguap bila tekanan setempat

dikurangi dan sama dengan tekanan penguapan. 2. hasil ini merupakan kenaikan volume secara

dramatis dibandingkan dengan zat cair yang asli.3. ini merupakan mekanisme untuk formasi

gelembung pada zat cair dalam kondisi tekanan setempat yang rendah seperti mata pengisap dari impeller.

a. Pecahnya Gelembung Uap

Gelembung uap terbentuk di lokasi bertekanan rendah (di mata impeller). Gelembung uap ini segera akan berpapasan lagi dengan tekanan tinggi, jadi menyebabkan ledakan (pecah) yang cepat, (selang waktu 0,003 detik). Ini akan menyebabkan kerusakan mekanis yang berat pada permukaan sekitar.Energi yang berhubungan dengan pecahnya gelembung sangatlah tinggi. Pada kenyataannya, ini dapat berkisar 2,442 kJ/kg. Ini hanyalah setengah dari tenaga ledakan TNT!Tekanan yang terjadi akibat ledakan gelembung kedalam mencapai tingkat 10.000 atmosfir pada antar-permukaan (interface) ledakan kedalam, karena itu tidak mengherankan kalau kerusakan berat dapat terjadi meskipun hanya dari gelembung mikroskopik.

b. Efek pada Pompa Sentrifugal

Kavitasi akan terjadi di dalam pompa jika tekanan lokal dalam saluran zat cair turun sampai ke tekanan uap.

Pompa menghasilkan head dan tekanan dari zat cair. Akan tetapi, terbentuknya head, tidak langsung terjadi saat masuk ke pompa. Jika head pengisap tidak cukup tinggi, kehilangan pemasukan dapat menyebabkan turunnya tekanan lokal ke, atau di bawah, tekanan uap zat cair—dan akan mengakibatkan kavitasi.

Jika kavitasinya parah, gelembung akan terbawa sampai melewati impeller dan dapat merusak casing.

1. Efek primer pada pompa dua kali lipat:2. Gelembung kavitasi akan menghalangi dan mungkin

menghalangi secara keseluruhan aliran zat cair yang melalui impeller.

Kerusakan mekanis pada impeller dan permukaan casing, merupakan bukti karena lubang akan terlihat pada permukaan material.

Efek lanjutannya termasuk kegagalan penyekat dan bearing yang lebih cepat karena getaran dan beban yang tidak seimbang pada impeller, serta kebisingan kavitasi yang nyata.

8. Nett Positive Suction Head (NPSH)

Nett Positive Suction Head dan kavitasi berhubungan erat, karena itu penting sekali untuk membahasnya secara bersamaan

a. Definisi Nett Positive Suction Head (NPSH)

Nett positive suction head merupakan metode untuk menentukan kondisi pengisapan pompa yang memungkinkan kita memprediksi apakah kavitasi akan terjadi pada pompa tertentu pada kondisi pengisapan tertentu.Petunjuk arti fisik dari NPSH dapat diperoleh dari arti literalnya:

Net: Sesudah pengurangan semuanya; yang tertinggal

Positif: Arti kata ini agak menyimpang – untuk pengertian head, absolut masih lebih tepat.

Head Pengisap: Jumlah head pada inlet pompa.Karena itu: NPSH adalah pengisap head absolut yang boleh dipakai.

Perbedaan berikut dibuat lebih lanjut:

NPSHANPSH yang tersedia pada sistem pemompaan.

Ini merupakan perhitungan fisik sistem pemompaan dan tidak ada kaitannya dengan pompa.

NPSHR Nilai NPSH yang diperlukan pada inlet pompa untuk pengoperasian yang memuaskan seperti yang ditentukan oleh pabrik pembuat pompa.

Ini tergantung dari disain pompa dan tidak ada hubungannya dengan sistem pemompaan.

9. Kerja, Daya dan Efesiensi Pompa

Pompa merupakan mesin yang bekerja dengan menggunakan energi luar. Energi dari luar diubah menjadi putaran poros pompa dimana impeler terpasang padanya. Perubahan energi dari satu kebentuk lainnya selalu tidak sempurna dan ketidaksempurnaan perubahan ini yang disebut dengan efisiensi. Efisiensi adalah perbandinga kerja berguna dengan kerja yang dibutuhkan mesinDaya rotor ( penggerak motor listrik) adalah jumlah jumlah energi yang masuk motor listrik dikalikan efisiensi motor listrik. Dirumuskan dengan persamaan :

ikmotorlistrrotor kxDayalistriP Daya poros pompa atau daya efektif pompa adalah

daya dihasilkan dari putaran rotor motor listrik dikalikan dengan efisiensi koplingnya, dihitung dengan persamaan

1rotortransmisi

poros

xPP

η = efisiensi transmisi (tabel )Protor = daya rotor (watt)Pr = daya poros ( watt) α = faktor cadangan

Tabel Faktor cadangan daya dari motor penggerak

Motor Penggerak

α

Motor Induksi 0,1-0,2Motor Bakar kecil 0,15-0,25Motor Bakar Besar 0,1-0,2

Tabel 4.2 Efisiensi berbagai jenis transmisi

Jenis Transmisi

η

Sabuk rata 0,9-0,93Sabuk V 0,95

Roda gigi 0,92-0,98Kopling hidrolik 0,95-0,97

Daya air adalah kerja berguna dari pompa persatuan waktuya, kerja berguna ini yang diterima air pada pompa, perumusan dari daya air adalah sebgai berikut. Apabila pompa dengan kapasitas aliran sebesar Q dan head total H maka energi yang diterima air persatuan waktunya adalah

HQPair Ɣ = berat air persatuan volume (N/m3 )Q = kapasitas (m3/dtk)H = head pompa (m)Pw = daya air (Watt)

Efisiensi pompa didefinisikan sebagai perbandingan antar daya air dengan daya pada poros. Perumusan efisiensi adalah sebgai berikut;

poros

airpompa P

P

poros pada daya

air daya

kdayalistrixx kmotorlisti

pompa

transmisi

1Hx x Q x 1

H x Q x

tranmisi rotorpompa xP

• Untuk daya air bisa disebut Water Horse Power WHP

• Untuk daya poros bisa disebut Brake Horse Power BHP

• Untuk daya rotor dalam Hourse power• Untuk energi listrik masuk KW