bab ii dasar teori 2.1 tinjauan pustaka - digilib.uns.ac.id

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

5

BAB II DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Instalasi sistem perpipaan yang menggunakan pompa sentrifugal sangat

mungkin terjadi kavitasi yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan perbedaan

penampang yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan sampai turun dibawah

tekanan uap jenuhnya sehingga menyebabkan terjadinya fenomena yang disebut

kavitasi. Kavitasi diindentifikasi utama penyebab utama turunnya unjuk kerja pompa

di dunia industri (World Pumps Magazine 2011).

Bacharoudis (2008) melakukan penelitian dengan menggunakan variasi

besaran sudut keluaran impeller (β2) dengan diameter dan tinggi impeller sama. Hasil

penelitian menunjukkan bahwa semakin besar sudut keluaran (β2) maka semakin

meningkat nilai head (tinggi tekan) untuk kapasitas yang sama.

Dazhuan (2009) melakukan penelitian pada pompa sentrifugal dengan impeller

sudu (Z) 5 yaitu memvariasi kecepatan putar pada rpm rendah, medium dan tinggi.

Hasil penelitian ini menunjukkan dengan putaran (n) semakin besar nilai head (H)

semakin besar dan semakin besar kapasitasnya.

Houlin (2010) melakukan penelitian mengenai efek jumlah sudu impeller

tertutup pada karakteristik pompa sentrifugal. Penelitian menggunakan variasi

impeller dengan jumlah sudu (Z) 4, 5, 6 dan 7. Pengujian dilakukan dengan

menggunakan standar GB3126 (standar cina). Hasil penelitian ini menunjukkan

dengan bertambahnya jumlah sudu (Z) pada impeller, head semakin besar. Hasil

penelitian juga menunjukkan bahwa pompa dengan jumlah sudu 7 mempunyai efisiensi

tertinggi. Sedangkan nilai kavitasi sangat komplek.

Khalid (2011) melakukan penelitian dengan memvariasi 5 impeller semi open

pada karakteristik pompa sentrifugal. Variasi impeller dengan jumlah sudu (Z) 2, 3, 4

dan dua impeller dengan Z = 3 diberi tambahan spliter(pemisah aliran) diatara sudu.

Hasil penelitian ini menunjukkan dengan bertambahnya sudu, pada kapasitas yang

sama nilai head semakin besar. Efisiensi terbesar sudu 4 sebesar 68% dan terendah


commit to user

6

sudu 2 sebesar 63%. Hasil penelitian yang lain dengan penambahan spliter nilai

menaikan 1% head dan 1% efisiensi.

Spyridon (2012) melakukan penelitian dengan memvariasikan 3 impeller

tertutup dengan sudu masuknya (β1) 9o, 15o, 21o sedangkan sudu keluar (β2) tetap 20o.

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa pada kapasitas yang sama, nilai β1 semakin

besar maka head, NPSHR dan efisiensi semakin besar. Sedangkan β1 semakin kecil

semakin mudah terjadi kavitasi, karena nilai NPSHR yang kecil pada head yang sama.

2.2 Landasan Teori

2.2.1. Pompa Sentrifugal

Pompa sentrifugal adalah mesin atau peralatan yang digunakan untuk

memberikan energi pada fluida (cairan) berdasarkan gaya sentrifugal yang dihasilkan

oleh impeller yang di putar. Sehingga cairan dapat dipindahkan atau dipindahkan dari

tempat tertentu ke tempat yang lain. Karena menerima energi melalui impeller,

kecepatan fluida akan naik. Energi kinetik ini kemudian dikonversi menjadi energi

tekan oleh rumah pompa (casing) yang berbentuk spiral (volute) atau pompa sentrifugal

atau sudu-sudu tetap (diffuser) yang mengelilingi impeller, sehingga cairan keluar dari

pompa dengan kecepatan yang rendah.

Prinsip kerja dan operasi pompa sentrifugal yaitu langkah awal melakukan

proses priming (memancing). Hal yang dilakukan di dalam proses priming adalah

mengisi cairan pada pipa hisap dan rumah pompa, sehingga tidak terdapat kantong

udara. Kemudian selanjutnya memutar impeller. Perputaran impeller menyebabkan

gaya sentrifugal pada cairan. Perputaran impeller menyebabkan menurunnya tekanan

pada pusat impeller. Hal ini menyebabkan cairan pada pipa hisap mengalir ke impeller.

Pompa sentrifugal jenis pompa yang sangat banyak digunakan oleh industri,

khususnya industri pengolahan dan pendistribusian air. Beberapa keunggulan pompa

sentrifugal adalah konstruksinya sederhana, kapasitas dan tinggi tekan (head) yang

tinggi, mudah pemasangan maupun perawatan, ketahanan dan kehandalan yang tinggi

serta harga yang lebih murah. Konstruksi pompa sentrifugal sebagai berikut :


commit to user

7

Keterangan : 1. Casing Volute 3.Impeller 5.Seal mekanik

2. Penyangga 4.Poros 6.O-ring Gasket

Gambar 2.1 Pompa sentrifugal Grundfos NS BASIC 13-18

Fungsi bagian-bagian pompa sentrifugal grundfos NS Basic 13-18 sebagai

berikut :

a. Casing Volute

Berfungsi sebagai pengarah aliran dan rumah pompa.

b. Penyangga

Berfungsi sebagai dudukan atau pijakan casing pompa.

c. Impeller

Berfungsi sebagai memberikan kecepatan pada zat cair.

d. Poros

Berfungsi sebagai penerus energi listrik ke mekanik.

e. Seal mekanik

Berfungsi sebagai bantalan dan penyumbat kebocoran pada bantalan.

f. O-ring Gasket

Berfungsi sebagai penahan kebocoran pada casing volute dan penyangga.


commit to user

8

Karakteristik pompa adalah prestasi pompa sentrifugal dapat dinyatakan dalam

bentuk gafik hubungan antara paramaeter-parameter : Head (H), Daya (N) dan

efisiensi (η) terhadap debit (Q).

Gambar 2.2 kurva karakteristik pompa sentrifugal (Grundfos Data Booklet)

2.2.2. Pengaruh Geometri Impeller

Pembuatan impeller oleh enginer pompa berdasarkan diagram kecepatan

pompa. Diagram kecepatan pompa mepengaruhi bentuk geometri impeller pompa.

Diagram kecepatan pompa sebagai acuan menentukan prediksi nilai head dan kapasitas

untuk mendapatkan nilai maksimum efisiensi. Diagram kecepatan pompa dapat

ditunjukkan sebagai berikut :

Gambar 2.3 Diagram kecepatan pompa pada impeller (rotodynamic pumps, 2008)


commit to user

9

r1

U1

U2 r2

ω

A

Pada titik A1dan B1 diagram kecepatan :

Gambar 2.4 segitiga kecepatan pompa titik A1 dan B1 pada impeller

Hubungan head Euler dengan Head teoritis atau ideal (Hth∞) pompa, yaitu

head teoritis adalah head yang dihasilkan oleh pompa dengan asumsi :

a. Sudu-sudu sangat tipis dan jumlahnya tak terhingga.

b. Tidak ada kerugian tekanan didalam pompa.

Kecepatan tangensial impeller di titik A dan B :

Gambar 2.5 ilustrasi kecepatan tangensial (grundfos,2010)

U1 = r1 . ω

U2 = r2 . ω

Dimana :

U1, U2 = kecepatan tangensial 1 dan 2

W1, W2 = kecepatan relative 1 dan 2

C1, C2 = kecepatan mutlak 1 dan 2

β1, β2 = sudut masuk titik 1 dan sudut keluar titik 2

Cm1, Cm2 = kecepatan meridian 1 dan 2

α = sudut absolut antara C dan U

B


commit to user

10

Berdasarkan segitiga kecepatan impeller dapat dinyatakan hubungan Head

teoritis (Hth∞) dengan kapasitas (Q) sebagai berikut :

Gambar 2.6 segitiga kecepatan titik luar impeller

Nilai head teoritis(Hth∞), 퐻 = . , dimana Cu2 = U2 - Cm2 . Ctg β2 ,

sedangkan nilai kapasitas(Q), 푄 = 휋 .퐷 .푏 .퐶 , sehingga 퐶 = .

, maka :

퐶 = 푈 − . .

.퐶푡푔훽 (2.1)

퐻 = 푈 − . . .

(2.2)

Dimana :

Hth∞ = head teoritis

U2 = kecepatan tangensial

β2 = sudut sudu keluar impeller

D2 = diameter luar impeller

b2 = tinggi sudu impeller sisi luar impeller

g = percepatan gravitasi

Head teoritis (H) sebagai fungsi Kapasitas (Q) ditentukan pula oleh sudut sudu

keluaran (β2) :

a. Jika β2<90o menjadi Ctg β2>0 maka :

Sudu dilengkungkan ke belakang (backward), Head (H) berkurang dengan naiknya

kapasitas (Q).


commit to user

11

H

Q

β2>90o

β2=90o

β2<90o

b. Jika β2=90o menjadi Ctg β2 = 0 maka :

Sudu tipe radial dan Head (H) tidak tergantung pada Kapasitas (Q) dan sama

dengan gu2

2 .

c. Jika β2>90o menjadi Ctg β2<0

Sudu dilengkungkan ke depan dan Head (H) bertambah dengan naiknya Kapasitas

(Q).

o2 90 o

2 90 o2 90

Gambar 2.7 bentuk profil sudut keluaran (β2) impeller (hydraulic

compressible flow turbomachines, 1992)

Gambar 2.8 grafik pengaruh β2 terhadap performa Head (H) dan Kapasitas (Q)

(grundfos research, 2010)


commit to user

12

u2

Cu2

,2uc DCu

2W2mC

2C2 '

2

Low pressure

High pressure

2.2.3. Pengaruh penambahan jumlah sudu terhadap performa pompa

Pada kondisi nyata sudut fluida meninggalkan impeller ( 2 ) mengalami

perubahan. Hal itu disebabkan adanya slip pada fluida (cairan) atau fluid slip.

Adanya fluid slip akan mengurangi besarnya 2Cu . Salah satu penjelasan

terjadinya slip karena adanya arus eddy (aliran sekunder/circulating flow).

Gambar 2.9 pengaruh penambahan sudu (hydraulic and compresibel flow

turbomachinery 1990)

• Pada bagian depan sudu (leading side) terdapat daerah dengan tekanan

tinggi dan belakang sudu (trailing side) terdapat daerah dengan tekanan rendah.

Pada daerah tekanan rendah, kecepatan fluida lebih tinggi daripada pada daerah

tekanan tinggi. Hal ini menyebabkan sudut cairan meninggalkan sudu impeller

akan berbeda dengan β2 (diasumsikan pompa slip).


commit to user

13

Gambar 2.10 kondisi slip (hydraulic and compresibel flow turbomachinery 1990)

Sehingga Cu2 berkurang menjadi '2Cu . Cu didefinisikan sebagai slip.

Slip faktor ( sσ ) didefinisikan :

s 2

'2

CuCu

Persamaan Stodola tentang fluid slip : Cu e ω

e 2

2 sin

zr π

z = jumlah sudu dengan mengabaikan ketebalan

Cu 2

2

sin zr π

. ω β

22

22 sin

r . zr π

r . ω β

22

2

2 sin r πr . z

u β

z

β22 sin πu

Bila tidak ada slip

2Cu 222 Cot Cmu


commit to user

14

Slip Faktor 2

2

CuCu ΔCu

2Cu

Cu Δ1

)Cot Cm(u z

sin πu1

222

22

22

2

2

Cot u

Cm1 z

sin π1

퐻 = .

Sehingga dengan bertambahnya jumlah sudu nilai head meningkat

dimana nilai Cu2 semakin besar pada kapasitas yang sama.

2.2.4. Perhitungan Pompa Sentrifugal

Adapun dasar-dasar perhitungan yang digunakan untuk mempelajari karakteristik

pompa sentrifugal adalah :

a. Tinggi tekan (head) pompa

Head pompa adalah energi fluida yaitu kesanggupan melakukan kerja,

dinyatakan dalam feet atau meter tinggi tekanan fluida yang mengalir. Head terdiri

dari tiga bentuk yang dapat saling dipertukarkan, yaitu head potensial (head statis),

head kinetik dan head tekanan.

1. Head potensial (head statis) adalah energi partikel fluida yang dihitung

berdasarkan ketinggian dari datum plane. Jadi, suatu kolom air setinggi Z meter

mengandung jumlah energi disebabkan oleh posisinya, dan disebutkan bahwa

fluida tersebut mempunyai head sebesar Z meter kolom air.

2. Head kinetik adalah suatu ukuran energi kinetic yang terkandung satu satuan

bobot fluida yang disebabkan kecepatannya. Head kinetik dinyatakan dalam

persamaan sebagai berikut :


commit to user

15

퐻 =

(2.3)

Dimana :

H = head kenetik (m)

V = kecepatan fluida (m/s)

g = percepatan grafitasi (m/s2)

3. Head tekanan adalah energi yang dikandung fluida akibat tekanannya.

Head tekanan dapat dinyatakan dengan persamaan :

퐇 = 퐏후

(2.4)

Dimana :

H = Head tekanan (m)

P = tekanan pada fluida (Pa)

γ = spesifik grafity (N/m3)

b. Daya Pompa

Daya adalah sejumlah energi yang dihantarkan untuk meningkatkan energi

fluida cair melewati sisi masuk pompa dan keluaran pompa. Dalam pompa daya

terdiri dari :

1. Daya Input (Pin): adalah daya aktual listrik yang digunakan untuk menggerakkan

poros (shaft) pompa 1 phasa.

Pin = V . I . Cos φ (2.5)

Dimana :

Pin = Daya listrik (watt)

V = Tegangan listrik (volt)

I = Arus listrik (ampere)

Cos φ = Faktor daya

2. Daya Output (Pout) : adalah daya fluida atau daya yang dihasilkan fluida untuk

kerja.


commit to user

16

Pout = ρ . g . Q . H (2.6)

Dimana :

Pout = Daya keluaran (watt)

ρ = Density atau massa jenis (kg/m3)

g = Percepatan gravitasi (m/s2)

Q = Debit atau Kapasitas (m3/s)

H = Total head (m)

c. Efisiensi total adalah ratio daya air (Pout) yang dihasilkan dengan daya sumber (Pin)

yang digunakan untuk meningkatkan energi fluida.

훈 = 퐏퐨퐮퐭퐏퐢퐧

(2.7)

Dimana :

η = Efisiensi total

Pin = Daya input (watt)

Pout = Daya output (watt)

d. Net Positive Suction Head (NPSH)

NPSH adalah perbedaan head suction dan head uap jenuh. NPSH dapat

diartikan sebagai pembacaan alat ukur dalam meter air yang diambil pada sisi

suction pompa dan pengukur tekanan uap jenuh fluida dalam meter pada suhu

pemompaan ditambah head kecepatan pada saat itu.

Fungsi NPSH membantu dalam rancangan pompa sentrifugal dalam

menentukan nilai minimum yang dibutuhkan untuk menghasilkan kapasitas tanpa

terjadi kavitasi. Jika NPSH tidak mencukupi maka kavitasi dapat terjadi dalam

pompa sentrifugal.

Ada dua macam NPSH dalam pompa yaitu sebagai berikut :

1. Net Positif Suction Head Available (NPSHA atau NPSH yang tersedia)

NPSHA adalah energi yang tersedia dalam fluida yang akan dipindahkan

atau head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa dikurangi dengan


commit to user

17

tekanan uap jenuh zat cair tersebut. Dalam hal ini pompa yang menghisap zat

cair dari tempat terbuka, maka besarnya NPSHA dapat ditulis seperti persamaan

sebagai berikut :

푵푷푺푯푨 = 푷풂휸− 푷풗풂

휸+ 풉풔 (2.8)

Dimana :

Pa = Tekanan atmosfir (Pa)

Pva = Tekanan uap jenuh (Pa)

γ = Berat zat cair persatuan volume (N/m3)

hs = Head hisap statis (m)

ℎ =.

+ 푍 +

(2.9)

Ps = tekanan vacum gauge (Pa)

ZPs = faktor koreksi tekanan (m)

V = kecepatan fluida (m/s)

Gambar 2.11 difinisi sket perhitungan NPSH (pump handbook,1976)


commit to user

18

2. Net Positive Suction Head Required (NPSHR atau NPSH yang diperlukan)

NSPHR didefinisikan energi minimum yang terdapat didalam fluida agar

sebuah pompa dapat bekerja dengan baik. Besarnya NPSHR untuk setiap pompa

berbeda, untuk suatu pompa tertentu NPSHR berubah menurut kapasitas dan

putarannya. Nilai NPSHR ditentukan dari hasil pengujian ataupun pembuat

pabrik pompa. Agar tidak terjadi kavitasi maka pompa harus memenuhi syarat

NPSHA > NPSHR.

Dalam standar API 610 nilai NPSHR kritikal adalah 3% pengurangan

nilai head pada kurva performa. Sehingga batas kritis pada NPSHR terjadi

sepanjang kurva 3% dibawah kurva performa pompa sentrifugal pada kondisi

normal.

Gambar 2.12 NPSHR dengan tekanan suction konstan (API 610)

e. Angka Kavitasi kritikal

Kavitasi adalah kondisi dimana terjadinya bubble (gelembung udara) di dalam

pompa akibat kurangnya NPSHA (terjadi vaporisasi) dan pecah pada saat

bersentuhan dengan impeller atau casing. Hal ini terjadi karena tekanan suction

suatu aliran zat cair turun sampai di bawah tekanan uap jenuhnya. Kavitasi banyak

terjadi pada sisi hisap pompa, untuk mencegahnya nilai head aliran pada sisi hisap


commit to user

19

harus di atas nilai head pada tekanan uap jenuh zat cair pada temperatur

bersangkutan.

Angka kavitasi kritikal didefinisikan sebagai ratio antara NPSHR terhadap head

total pompa.

흈풄 = 푵푷푺푯푹

푯 (2.10)

Dimana :

σc = Angka kavitasi kritikal

NPSHR = NPSH yang diperlukan (m)

H = Head total pompa (m)

bab ii dasar teori 2.1 tinjauan pustaka - digilib.uns.ac.id

Documents