chapter ii_6 (2)

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin - mesin fluida

Mesin fluida adalah mesin yang berfungsi untuk mengubah energi

mekanis poros menjadi energi potensial atau sebaliknya mengubah energi fluida

( energi kinetik dan energi potensial ) menjadi energi mekanik poros. Dalam hal

ini fluida yang simaksud berupa cair, gas dan uap.

Secara umum mesin - mesin fluida dapat dibagi menjadi dua bagian besar,

yaitu :

1. Mesin Tenaga

yaitu mesin fluida yang berfungsi mengubah energi fluida ( energi

potensial dan energi kinetik ) menjadi energi mekanis poros.

Contoh : turbin, kincir air, dan kincir angin.

2. Mesin kerja

yaitu mesin yang berfungsi mengubah energi mekanis poros menjadi

energi fluida ( energi potensial dan energi kinetik ).

Contoh : pompa, kompresor, kipas ( fan ).

2.2 Pengertian Pompa

Pompa adalah salah satu mesin fluida yang termasuk dalam golongan

mesin kerja. Pompa berfungsi untuk memindahkan zat cair dari tempat yang

rendah ke tempat yang lebih tinggi karena adanya perbedaan tekanan.

Universitas Sumatera Utara

6

2.3 Klasifikasi Pompa

Secara umum pompa ada dikasifikasikan dalam dua jenis kelompok besar

yaitu :

1. Pompa Tekanan Statis

2. Pompa Tekanan Dinamis ( Rotodynamic Pump )

2.3.1 Pompa Tekanan Statis

Pompa jenis ini bekerja dengan menggunakan prinsip memberi tekanan

secara periodik pada fluida yang terkurung dalam rumah pompa. Pompa ini dibagi

menjadi dua jenis.

a. Pompa Putar ( rotary pump )

Pada pompa putar, fluida masuk melalui sisi isap, kemudian dikurung di

antara ruangan rotor, sehingga tekanan statisnya naik dan fluida akan

dikeluarkan melalui sisi tekan. Contoh tipe pompa ini adalah : screw

pump, gear pump dan vane pump

Gambar 2.1. Pompa Roda gigi dan Pompa ulir

b. Pompa Torak ( Reciprocating Pump )

Pompa torak ini mempunyai bagian utama berupa torak yang bergerak

bolak-balik dala silinder. Fluida masuk melalui katup isap (Suction valve) ke

dalam silinder dan kemudian ditekan oleh torak sehingga tekanan statis fluida naik

dan sanggup mengalirkan fluida keluar melalui katup tekan (discharge valve).

Contoh tipe ini adalah : pompa diafragma dan pompa plunyer.


7

Gambar 2.2. Pompa Diafragma

2.3.2 Pompa Tekanan Dinamis

Pompa tekanann dinamis disebut juga rotodynamic pump, turbo pump atau

impeller pump. Pompa yang termasuk dala kategori ini adalah : pompa jet dan

pompa sentrifugal

Ciri - ciri utama dari pompa ini adalah :

- Mempunyai bagian utama yang berotasi berupa roda dengan sudu-sudu

sekelilingnya yang sering disebut dengan impeler.

- Melalui sudu - sudu, fluida mengalir terus-menerus, dimana fluida berasal

diantara sudu-sudu tersebut.

Prinsip kerja pompa sentrifugal adalah energi mekanis dari luar diberikan

pada poros untuk memutar impeler. Akibatnya fluida yang berada dalam impeler,

oleh dorongan sudu-sudu akan terlempar menuju saluran keluar. Pada proses ini

fluida akan mendapat percepatan sehingga fluida tersebut mempunyai energi

kinetik. Kecepatan keluar fluida ini selanjutnya akan berkurang dan energi kinetik

akan berubah menjadi energi tekanan di sudu-sudu pengarah atau dalam rumah

pompa.

Adapun bagian-bagian utama pompa sentrifugal adaah poros, impeler dan

rumah pompa (gambar 2.3).


8

Gambar 2.3. Bagian-bagian utama pompa sentrifugal

Pompa tekanan dinamis dapat dibagi berdasarkan beberapa kriteria

berikut, antara lain :

a. Klasifikasi menurut jenis impeler

1. Pompa Sentrifugal

Pompa ini menggunakan impeler jenis radial atau francis. Konstruksinya

sedemikian rupa (gambar 2.4) sehingga aliran fluida yang keluar dari impeler

akan melalui bidang tegak lurus pompa.

Impeler jenis radial digunakan untuk tinggi tekan (head) yang sedang dan

tinggi, sedangkan impeler jenis francis digunakan untuk head yang lebih

rendah dengan kapasitas besar.

Gambar 2.4. Pompa Sentrifugal


9

2. Pompa Aliran Campur

Pompa ini menggunakan impeler jenis aliran capur (mixed flow), seperti pada

gambar 2.5. Aliran keluar dari impeler sesuai dengan arah bentuk permukaan

kerucut rumah pompa.

Gambar 2.5. Pompa aliran campur

3. Pompa Aliran Aksial

Pompa ini menggunakan impeler jenis aksial dan zat cair yang meninggalkan

impeler akan bergerak sepanjang permukaan silinder rumah pompa kearah

luar. Konstruksinya mirip dengan pompa aliran campur kecuali bentuk

impeler dan bentuk difusernya.


10

Gambar 2.6. Pompa aliran aksial

b. Klasifikasi menurut bentuk rumah pompa

1. Pompa Volut

Pompa ini khusus untuk pompa sentrifugal. Aliran Fluida yang meninggalkan

impeler secara langsung memasuki rumah pompa yang berbentuk volut

(rumah siput) sebab diameternya bertambah besar. Bentuk dan konstruksinya

terlihat pada gambar 2.4.

2. Pompa Difuser

Konstruksi ini dilengkapi dengan sudu pengarah (diffuser) di sekeliling

saluran impeler (gambar 2.7). Pemakain diffuser ini akan memperbaiki

efisiensi pompa. Difuser ini sering digunakan pada pmopa bertingkat banyak

dengan head yang tinggi.

Gambar 2.7. Pompa diffuser


11

3. Pompa Vortex

Pompa ini mempunyai aliran campur dan sebuah rumah volut seperti pada

gambar 2.8. Pompa ini tidak menggunakan difuser, namun memakai saluran

yang lebar. Dengan demikian pompa ini tidak mudah tersumbat dan cocok

untuk pemakaian pada pengolahan cairan limbah.

Gambar 2.8. Pompa Vortex

c. Klasifikasi menurut jumlah tingkat

1. Pompa satu tingkat

Pompa ini hanya mempunyai sebuah impeler (gambar 2.4 s/d 2.8). Pada

umumnya head yang dihasilkan pompa ini relative rendah, namun

konstruksinya sederhana.

2. Pompa bertingkat banyak

Pompa ini menggunakan lebih dari satu impeler yang dipasanag berderet pada

satu poros (gambar 2.9). Zat cair yang keluar dari impeler tingkat pertama

akan diteruskan ke impeler tingkat kedua dan seterusnya hingga tingkat

terakhir. Head total pompa merupakan penjumlahan head yang dihasilkan

oleh masing - masing impeler. Dengan demikian head total pompa ini relatif

tinggi dibanding dengan pompa satu tingkat, namun konstruksinya lebih

rumit dan besar.


12

Gambar 2.9. Pompa bertingkat banyak

d. Klasifikasi menurut letak poros

1. Pompa poros mendatar

Pompa ini mempunyai poros dengan posisi horizontal (gambar 2.4 s/d 2.9),

pompa jenis ini memerlukan tempat yang relatif lebih luas.

2. Pompa jenis poros tegak

Poros pompa ini berada pada posisi vertikal, seperti terlihat pada gambar

2.10. Poros ini dipegang di beberapa tempat sepanjang pipa kolom utama

bantalan. Pompa ini memerlukan tempat yang relatif kecil dibandingkan

dengan pompa poros mendatar. Penggerak pompa umumnya diletakkan di

atas pompa.

Gambar 2.10. Pompa aliran campur poros tegak


13

e. Klasifikasi menurut belahan rumah

1. Pompa belahan mendatar

Pompa ini mempuyai belahan rumah yang dapat yang dibelah dua menjadi

bagian atas dan bagian bawah oleh bidang mendatar yang melalui sumbu

poros. Jenis pompa ini sering digunakan untuk pompa berukuran menengah

dan besar dengan poros mendatar.

Gambar 2.11. Pompa jenis belahan mendatar

2. Pompa belahan radial

Rumah pompa ini terbelah oleh sebuah bidang tegak lurus poros. Konstruksi

seperti ini sering digunakan pada pompa kecil dengan poros mendatar. Jenis

ini juga sesuai dengan pompa-pompa dengan poros tegak dimana bagian-

bagian yang berputar dapat dibongkar ke atas sepanjang poros.

3. Pompa jenis berderet

Jenis ini terdapat pada pompa bertingkat banyak, dimana rumah pompa

terbagi oleh bidang-bidang tegak lurus poros sesuai dengan jumlah tingkat

yang ada.

f. Klasifikasi menurut sisi masuk impeler

1. Pompa isapan tunggal

Pada pompa ini fluida masuk dari sisi impeler. Konstruksinya sangat

sederhana, sehingga sangat sering digunakan untuk kapasitas yang relatif

kecil. Adapun bentuk konstruksinya terlihat pada gambar 2.4 s/d 2.10.

2. Pompa isapan ganda

Pompa ini memasukkan fluida melalui dua sisi isap impeler (gambar 2.12).

Pada dasarnya pompa ini sama dengan dua buah impeler pompa isapan


14

tunggal yang dipasang bertolak belakang dan dipasang beroperasi secara

paralel. Dengan demikian gaya aksial yang terjadi pada kedua impeler akan

saling mengimbangi dan laju aliran total adalah dua kali laju aliran tiap

impeler. Oleh sebab itu pompa ini banyak dipakai untuk kebutuhan dengan

kapasitas besar.

Gambar 2.12. Pompa isapan ganda

2.4 Unit Penggerak Pompa

Umumnya unit penggerak pompa terdiri dari tiga jenis yaitu:

a. Motor bakar

b. Motor listrik, dan

c. Turbin

Penggerak tipe motor bakar dan turbin sangat tidak ekonomis untuk

perencanaan pompa karena konstruksinya berat, besar dan memerlukan

sistem penunjang misalnya sistem pelumasan, pendinginan dan pembuangan

gas hasil pembakaran.

Sistem penggerak motor listrik lebih sesuai dimana konstruksinya kecil

dan sederhana, sehingga dapat digabungkan menjadi satu unit kesatuan dalam

rumah pompa. Faktor lain yang membuat motor ini sering digunakan adalah

karena murah dalam perawatan dan mampu bekerja untuk jangka waktu yang

relatif lama dibanding penggerak motor bakar dan turbin.


15

2.5 Dasar-dasar Pemilihan Pompa

Dasar pertimbangan pemilihan pompa, didasarkan pada sistem

ekonomisnya, yakni keuntungan dan kerugian jika pompa tersebut digunakan

dan dapat memenuhi kebutuhan pemindahan fluida sesuai dengan kondisi

yang direncanakan.

Yang perlu diperhatikan dalam pemilihan jenis pompa adalah fungsi

terhadap instalasi pemipaan, kapasitas, head, viskositas, temperature kerja

dan jenis motor penggerak.

Kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini adalah:

a. Kapasitas dan head pompa harus mampu dipenuhi.

b. Fluida yang mengalir secara kontinu.

c. Pompa yang dipasang pada kedudukan tetap.

d. Konstruksi sederhana.

e. Mempunyai efisiensi yang tinggi.

f. Harga awal relatif murah juga perawatannya.

Melihat dan mempertimbangkan kondisi yang diinginkan dalam

perencanaan ini, maka dengan mempertimbangkan sifat pompa dan cara

kerjanya, dipilih pompa sentrifugal dalam perencanaan ini, karena sesuai

dengan sifat pompa sentrifugal, yakni :

a. Aliran fluida lebih merata.

b. Putaran poros dapat lebih tinggi.

c. Rugi-rugi transmisinya lebih kecil karena dapat dikopel langsung dengan

otor penggerak.

d. Konstruksinya lebih aman dan kecil.

e. Perawatannya murah.

2.6 Head Pompa

Head pompa adalah energi yang diberikan ke dalam fluida dalam bentuk

tinggi tekan. Dimana tinggi tekan merupakan ketinggian fluida harus naik

untuk memperoleh jumlah energi yang sama dengan yang dikandung satu

satuan bobot fluida pada kondisi yang sama. Untuk lebih jelasnya perhitungan

dari head pompa dapat dilihat pada gambar 2.13 berikut ini.


16

Gambar 2.13. Prinsip hukum Bernoulli

Pada gambar ini terdapat dua buah titik dengan perbedaan kondisi letak,

luas penampang, tekanan serta kecepatan aliran fluida. Fluida kerja mengalir

dari kondisi pertama (titik 1) ke kondisi yang kedua (titik 2), aliran ini

disebabkan oleh adanya suatu energi luar . Energi luar ini terjadi

merupakan perbedaan tekanan yang terjadi pada kedua kondisi operasi (titik 1

dan 2), atau = ( - ).Q

Sedangkan pada setiap kondisi tersebut terdapat juga suatu bentuk energi,

yaitu energi kinetik (Ek) dan energi potensial (Ep) atau dapat dituliskan

sebagai berikut :

- Untuk titik 1 :

Energi yang terkandung E1 = Ek1 + Ep1

= m1. + m1.g.h1

- Untuk titik 2 :

Energi yang terkandung E2 = Ek2 + Ep2

= m2. + m2.g.h2

Dan hubungan dari kondisi kerja ini adalah Eo = E2 - E1, atau dapat

dituliskan:

(P2-P1).Q = [ m2. + m2.g.h2] - [ m1. + m1.g.h1]

(P2-P1).Q = {( m2. ) - (m1. ) + (m2.g.h2) - (m1.g.h1) }……(1)

Dimana : Q = A . V = Konstan

M = ρ . A . V , dimana ρ1 = ρ2

Sehingga persamaan (1) di atas dapat dituliskan sebagai berikut :

(P2-P1)A.V = [(ρ.A.V3)2 - (ρ.A.V3)1] + ρ.A.V.g(h2 - h1)

(P2-P1) = ρ( - ) + ρ.g(h2-h1)……………………………..(2)


17

Jika ρ (kg/m3) . g (m/s2) = γ (N/m3), maka persamaan (2) dapat disederhanakan

menjadi :

= + ( h2-h1 )

Atau persamaan untuk mencari head pompa digunakan hukum Bernoulli yaitu :

+ + Z1 + Hp = + + Z2 + HL

Maka :

HP = + + Z2 - Z1 + HL

Dimana : adalah perbedaan head tekanan.

adalah perbedaan head kecepatan

Z2 - Z1 adalah perbedaan head potensial

HL adalah kerugian head ( head losses )

Dari rumus di atas dapat dilihat bahwa head total pompa diperoleh dengan

menjumlahkan head tekanan, head kecepatan, head potensial, dan head losses

yang timbul dalam instalasi pompa. Sementara head losses sendiri merupakan

jumlah kerugian head mayor (hf) dan kerugian head minor (hm).

HL = hf + hm

2.7 Putaran spesifik

Jenis impeler yang digunakan pada suatu pompa tergantung pada putaran

spesifiknya. Putaran spesifik adalah putaran yang diperlukan pompa untuk

menghasilkan 1 m degan kapasitas 1 m3/s, dan dihitung berdasarkan

(Khetagurov, hal 205)

ns = 3,65

Dimana : ns = putaran spesifik [rpm]

n = putaran pompa [rpm]

Q = kapasitas pompa [m3/s]

Hp= head pompa [mH2O]


18

2.8 Daya pompa

Daya pompa ialah daya yang dibutuhkan poros pompa untuk memutar

impeler didalam memindahkan sejumlah fluida denga kondisi yang

diinginkan. Besarnya daya poros yang dibutuhkan dapat dihitung berdasarkan

( Fritz dietzel. Hal 243 )

NP =

Dimana : Np = daya pompa [watt]

Q = kapasitas pompa [m3/s]

Hp = head pompa [m]

ρ = rapat jenis fluida [kg/m3]

ηp = effisiensi pompa

2.9 Aliran fluida

Aliran dalam pemipaan akan terjadi dari titik yang mempunyai head

hidrolik yang lebih tinggi (energi internal per satu-satuan berat air) ke head

yang lebih rendah, dimana terjadi kehilangan energi hidrolik di sepanjang

pipa.

Kehilangan energi hidrolik sepanjang pipa secara umum disebabkan oleh :

A. Kerugian head mayor

Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa

dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat

digunakan untuk mencari headlosses akibat gesekan dalam pipa dapat

dilakukan dengan menggunakan :

a. Persamaan Darcy - Weisbach

b. Persamaan Hazen - Williams

Kedua persamaan diatas memiliki kelebihan dan kekurangan masing-

masing yaitu :

a. Persamaan Darcy - Weisbach

1. Memberikan hasil yang lebih baik untuk pipa yang relatif pendek.

2. Untuk sistem terdiri dari bermacam-macam pipa akan lebih rumit

perhitungannya.


19

3. Populer atau sering dipakai untuk perhitungan dengan beda energi

besar.

4. Persamaan ini secara teori paling bagus dan dapat digunakan ke semua

jenis fluida.

b. Persamaan Hazen-Williams :

1. Umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang

relatf sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum.

2. Untuk sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa, perhitungannya

akan lebih mudah disbanding Darcy - Weisbach.

3. Persamaan Hazen - Williams paling banyak digunakan untuk

menghitung headlosses, tetapi biasa digunakan untuk semua fluida

selai dari air dan digunakan hanya untuk aliran turbulen.

B. Kerugian Minor

Kerugian ini diakibatkan adanya perubahan dalam geometri aliran

seperti katup, belokan, perubahan diameter pipa, sambungan saluran

masuk dan keluar pipa. Dan kerugian minor dapat dihitung berdasarkan

hm = K

Dimana : V = Kecepatan rata-rata aliran fluida dala suatu pipa [m/s]

g = gravitasi bumi [m/s2]

K = Koefisien minor loses

2.10 Kavitasi

Kavitasi adalah fenomena perubahan phase uap dari zat cair yang sedang

mengalir, karena tekanannya berkurang hingga di bawah tekanan uap jenuhnya.

Pada pompa bagian yang sering mengalami kavitasi adalah sisi isap pompa. Hal

ini terjadi jika tekanan isap pompa terlalu rendah hingga dibawah tekanan uap

jenuhnya, hal ini dapat menyebabkan :

- Suara berisik, getaran atau kerusakan komponen pompa tatkala

gelembung-gelembung fluida tersebut pecah ketika melalui daerah yang

lebih tinggi tekanannya

- Kapasitas pompa menjadi berkurang


20

- Pompa tidak mampu membangkitkan head (tekanan)

- Berkurangnya efisiensi pompa.

Secara umum, terjadinya kavitasi diklasifikasikan atas 5 alasan dasar :

1. Vaporization - Penguapan

Fluida menguap bila tekanannya menjadi sangat rendah atau temperaturnya

menjadi sangat tinggi. Setiap pompa sentrifugal memerlukan head (tekanan)

pada sisi isap untuk mencegah penguapan. Tekanan yang diperlukan ini,

disiapkan oleh pabrik pembuat pompa dan dihitung berdasarkan asumsi bahwa

air yang dipompakan adalah 'fresh water' pada suhu 68oF. Dan ini disebut Net

Positive Suction Head Available (NPSHA). Karena ada pengurangan tekanan

(head losses) pada sisi suction( karena adanya valve, elbow, reduser, dll), maka

perhitungan head total pada sisi suction dan biasa disebut Net Positive Suction

Head is Required (NPSHR). Nilai keduanya mempengaruhi terjadinya

penguapan, maka untuk mencegah penguapan, syaratnya adalah :

NPSHA - Vp ≥ NPSHR

Dimana :

Vp = Vapor pressure fluida yang dipompa.

Dengan kata lain untuk memelihara supaya vaporization tidak terjadi maka harus

dilakukan hal berikut :

a. Menambah Suction head, dengan :

- Menambah level liquid di tangki.

- Meninggikan tangki.

- Memberi tekanan tangki.

- Menurunkan posisi pompa(untuk pompa portable).


21

- Mengurangi head losses pada suction piping system. Misalnya dengan

mengurangi jumlah fitting, membersihkan striner, cek mungkin venting

tangki tertutup) atau bertambahnya speed pompa.

b. Mengurangi Tempertur fluida, dengan :

- Mendinginkan suction dengan fluida pendingin

- Mengisolasi suction pompa

- Mencegah naiknya temperature dari bypass system dari pipa discharge.

c. Mengurangi NPSHR, dengan :

- Gunakan double suction. Ini bias mengurangi NPSHR sekitar 25 % dan

dalam beberapa kasus memungkinkan penambahan speed pompa sebesar

40 %.

- Gunakan pompa dengan speed yang lebih rendah.

- Gunakan impeller pompa yang memiliki bukaan 'lobang' (eye) yang lebih

besar.

- Install Induser, dapat mereduksi NPSHR sampai 50 %.

- Gunakan pompa yang lebih kecil. Menggunakan 3 buah pompa kecil

dengan ukuran kapasitas separuhnya, hitungannya lebih murah dari pada

menggunakan pompa besar dan spare-nya. Lagi pula dapat menghemat

energy.

2. Air Ingestion - Masuknya Udara Luar ke Dalam System

Pompa sentrifugal hanya mampu mengendalikan 0.5% udara dari total volume.

Lebih dari 6% udara, akibatnya bisa sangat berbahaya, dapat merusak

komponen pompa.

Udara dapat masuk ke dalam system melalui beberapa sebab, antara lain :

- Dari packing stuffing box. Ini terjadi, jika pompa dari kondensor,

evaporator atau peralatan lainnya bekerja pada kondisi vakum.

- Letak valve di atas garis permukaan air (water line).


22

- Flens (sambungan pipa) yang bocor.

- Tarikan udara melalui pusaran cairan (vortexing fluid).

- Jika 'bypass line' letaknya terlalu dekat dengan sisi isap, hal ini akan

menambah suhu udara pada sisi isap.

- Berkurangnya fluida pada sisi isap, hal ini dapat terjadi jika level cairan

terlalu rendah.

Gambar 2.14 Vortexing Fluida

Keduanya, baik penguapan maupun masuknya udara ke dalam system

berpengaruh besar terhadap kinerja pompa yaitu pada saat gelembung-

gelembung udara itu pecah ketika melewati 'eye impeller' sampai pada sisi

keluar (Sisi dengan tekanan yang lebih tinggi). Terkadang, dalam beberapa

kasus dapat merusak impeller atau casing. Pengaruh terbesar dari adanya

jebakan udara ini adalah berkurangnya kapasitas pompa.

3. Internal Recirculation - Sirkulasi Balik di dalam System

Kondisi ini dapat terlihat pada sudut terluar (leading edge) impeller, dekat

dengan diameter luar, berputar balik ke bagian tengah kipas. Ia dapat juga

terjadi pada sisi awal isap pompa. Efek putaran balik ini dapat menambah

kecepatannya sampai ia menguap dan kemudian 'pecah' ketika melalui

tempat yang tekanannya lebih tinggi. Ini selalu terjadi pada pompa dengan

NPSHA yang rendah. Untuk mengatasi hal tersebut, kita harus tahu nilai


23

Suction Spesific Speed , yang dapat digunakan untuk mengontrol pompa saat

beroperasi, berapa nilai terdekat yang teraman terhadap nilai BEP (Best

Efficiency Point) pompa yang harus diambil untuk mencegah terjadinya

masalah.

4. Turbulence - Pergolakan Aliran

Aliran fluida diinginkan pada kecepatan yang konstan. Korosi dan hambatan

yang ada pada system perpipaan dapat merubah kecepatan fluida dan setiap ada

perubahan kecepatan, tekanannya juga berubah. Untuk menghambat hal

tersebut, perlu dilakukan perancangan system perpipaan yang baik. Antara lain

memenuhi kondisi jarak minimum antara suction pompa dengan elbow yang

pertama minimal 10 X diameter pipa. Pada pengaturan banyak pompa, pasang

suction bells pada bays yang terpisah, sehingga satu sisi isap pompa tidak akan

mengganggu yang lainnya. Jika ini tidak memungkinkan, beberapa buah

pompa bisa dipasang pada satu bak isap (sump) yang besar, dengan syarat :

- Posisi pompa tegak lurus dengan arah aliran.

- Jarak antara dua 'center line' pompa minimum dua kali suction diameter.

- Semua pompa dalam keadaan 'runing'.

- Bagian piping upstream paling tidak memiliki pipa yang lurus dengan

panjang minimal 10 x diameter pipa.

- Setiap pompa harus memiliki kapasitas kurang dari 15.000 gpm.

- Batas toleransi dasar pompa seharusnya sekitar 30% diameter pipa isap

5. Vane Passing Syndrome

Kerusakan akibat kavitasi jenis ini terjadi ketika diameter luar impeller lewat

terlalu dekat dengan 'cutwater' pompa. Kecepatan aliran fluida ini bertambah

tatkala alirannya melalui lintasan kecil tersebut, tekanan berkurang dan

menyebabkan penguapan lokal. Gelembung udara yang terbentuk kemudian

pecah pada tempat yang memiliki tekanan yang lebih tinggi, sedikit diluar

alur cutwater. Hal inilah yang menyebabkan kerusakan pada volute(rumah

keong) pompa. Untuk mencegah pergerakan poros yang berlebihan, beberapa

pabrik pembuat memasang bulkhead rings pada suction eye. Pada sisi keluar


24

(discharge), ring dapat dibuat untuk memperpanjang sisi keluar dari dinding

discharge sampai selubung impeller.

Kavitasi dinyatakan dengan cavities atau lubang di dalam fluida yang kita pompa.

Lubang ini juga dapat dijelaskan sebagai gelembung-gelembung, maka kavitasi

sebenarnya adalah pembentukan gelembung-gelembung dan pecahnya gelembung

tersebut. Gelembung terbentuk tatkala cairan mendidih. Hati-hati untuk

menyatakan mendidih itu sama dengan air yang panas untuk disentuh, karena

oksigen cair juga akan mendidih dan tak seorang pun menyatakan itu panas. Dan

pengaruh Kavitasi denhgan kinerja pompa sentrifugal adalah sebagai berikut:

1. Kapasitas Pompa Berkurang

- Ini terjadi karena gelembung-gelembung udara banyak mengambil

tempat(space), dan kita tidak bisa memompa cairan dan udara pada tempat

dan waktu yang sama. Otomatis cairan yang diperlukan menjadi

berkurang.

- Jika gelembung itu besar pada eye impeller, pompa akan kehilangan

pemasukan dan akhirnya perlu priming (tambahan cairan pada sisi isap

untuk menghilangkan udara).

2. Tekanan (Head) kadang berkurang

Gelembung-gelembung tidak seperti cairan, ia bisa dikompresi

(compressible). Hasil kompresi ini yang menggantikan head, sehingga head

pompa sebenarnya menjadi berkurang.

3. Pembentukan gelembung pada tekanan rendah karena mereka tidak bisa

terbentuk pada tekanan tinggi.

Jika kecepatan fluida bertambah, maka tekanan fluida akan berkurang. Ini

artinya kecepatan fluida yang tinggi pasti di daerah bertekanan rendah. Ini

akan menjadi masalah setiap saat jika ada aliran fluida melalui pipa terbatas,

volute atau perubahan arah yang mendadak. Keadaan ini sama dengan aliran

fluida pada penampang kecil antara ujung impeller dengan volute cut water.


25

4. Bagian-bagian Pompa Rusak

- Gelembung-gelembung itu pecah di dalam dirinya sendiri, ini dinamakan

imploding kebalikan dari exploding. Gelembung-gelembung itu pecah dari

segala sisi, tetapi bila ia jatuh menghantam bagian dari metal seperti

impeller atau voluteia tidak bisa pecah dari sisi tersebut, maka cairan

masuk dari sisi kebalikannya pada kecepatan yang tinggi dilanjutkan

dengan gelobang kejutan yang mampu merusak part pompa. Ada bentuk

yang unik yaitu bentuk lingkaran akibat pukulan ini, dimana metal seperti

dipukul dengan 'ball peen hammer'.

- Kerusakan ini kebanyakan terjadi membentuk sudut ke kanan pada metal,

tetapi pengalaman menunjukan bahwa kecepatan tinggi cairan

kelihatannya datang dari segala sudut.

Semakin tinggi kapasitas pompa, kelihatannya semakin mungkin kavitasi

terjadi. Nilai Specific speed pump yang tinggi mempunyai bentuk impeller

yang memungkinkan untuk beroperasi pada kapasitas yang tinggi dengan

power yang rendah dan kecil kemungkinan terjadi kavitasi. Hal ini biasanya

dijumpai pada casing yang berbentuk pipa, dari pada casing yang berbentuk

volute.

2.11 Computational Fluid Dynamic (CFD) Fluent

Computational Fluid Dynamic (CFD) dapat dibagi menjadi dua kata,

yaitu:

a. Computational : Segala sesuatu yang berhubungan dengan

matematika dan metode numerik atau komputasi.

b. Fluid Dynamic : Dinamika dari segala sesuatu yang mengalir.

Ditinjau dari istilah di atas, CFD bisa berarti suatu teknologi komputasi

yang memungkinkan untuk mempelajari dinamika dari benda-benda atau

zat-zat yang mengalir.

Secara definisi, CFD adalah ilmu yang mempelajari cara memprediksi n

fluida, perpindahan panas, reaksi kimia, dan fenomena lainnya denga

menyelesaikan persamaan-persamaan matematika (model matematika). Dan


26

Fluent adalah salah satu jenis program CFD yang menggunakan metode

elemen hingga dan Fluent juga menyediakan fleksibilitas mesh yang

lengkap, sehingga dapat menyelesaikan kasus aliran fluida dengan mesh

(grid) yang tidak terstruktur sekalipun dengan cara yang relatif mudah.

Penggunaan CFD umumya berhubungan dengan keempat hal berikut:

1. Studi konsep dari desain baru

2. Pengembangan produk secara detail

3. Analisis kegagalan atau troubleshooting

4. Desain ulang

2.11.1 Metode Diskritisasi CFD

CFD sebenarnya mengganti persamaan-persamaan diferensial parsial dari

kontinuitas, momentum, dan energi dengan persamaan-persamaan aljabar.

CFD merupakan pendekatn dari persoalan yang asalnya kontinum

(memiliki jumlah sel tak terhingga) menjadi model yang diskrit (jumlah sel

terhingga).

Perhitungan / komputasi aljabar untuk memecahkan persamaan-

persamaan diferensial ini ada beberapa metode (metode diskritisasi),

diantaranya adalah:

a. Metode beda hingga

b. Metode elemen hingga

c. Metode volume hingga

d. Metode elemen batas

e. Metode skema resolusi tinggi

Dan CFD FLUENT versi 6.1.22 sendiri menggunakan metode volume

hingga ( Finite Volume Method ) sebagai metode diskritisasinya (

Firman Tuakia, hal 8 ).


27

2.11.2 Proses simulasi CFD

Pada uumnya terdapat tiga thapan yang harus dilakukan ketika kita

melakukan simulasi CFD, yaitu:

1. Preprocessing

Komponen pre-processor merupakan komponen input dari

permasalahan aliran ke dalam program CFD dengan menggunakan

interface yang memudahkan operator, berfungsi sebagai transformer

input berikutnya ke dalam bentuk yang sesuai dengan pemecahan oleh

solver. Pada tahapan pre-processor, dapat dilakukan hal-hal sebagai

berikut: 1) mendefinisikan geometri daerah yang dikehendaki

(perhitungan domain); 2) pembentukan grid (mesh) pada setiap

domain; 3) pemilihan fenomena kimia dan fisik yang dibutuhkan; 4)

menetukan sifat-sifat fluida (konduktivitas, viskositas, panas jenis,

massa jenis dan sebagainya); 5) menentukan kondisi batas yang sesuai

dengan keperluan. Ketepatan aliran dalam geometri yang dibentuk

dalam CFD ditentukan oleh jumlah sel di dalam grid yang dibangun.

Semakin besar jumlah sel, ketepatan atau ketelitian dari hasil

pemecahan semakin baik. Mesh optimal tidak harus selalu seragam,

dapat dilakukan dengan memperhalus mesh pada bagian yang memiliki

variasi cukup besar dan semakin kasar untuk bagian yang relatif tidak

banyak mengalami perubahan.

2. Solving

Proses pada solver merupakan proses pemecahan secara matematika

dalam CFD dengan software FLUENT 6.1.22. Metode yang digunakan

adalah metode volume hingga (finite volume) yang dikembangkan dari

metode beda hingga (finite difference) khusus. Proses pemecahan

matematika pada solver digambarkan sebagai diagram alir metode

SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)

(Gambar 2)


28

Gambar 2.15 Diagram Alir Algoritma Numerik volume hingga dengan metode

SIMPLE

Proses pemecahan matematika pada solver memiliki 3 tahapan yaitu: 1)

aproksimasi aliran yang tidak diketahui dilakukan dengan

menggunakan fungsi sederhana; 2) diskretisasi dengan mensubstitusi

hasil aproksimasi ke dalam persamaan aliran disertai dengan manipulasi


29

matematis; 3) penyelesaian persamaan aljabar. Pada proses solver,

terdapat 3 persamaan atur aliran fluida yang menyatakan hukum

kekekalan fisika, yaitu : 1) massa fluida kekal; 2) laju perubahan

momentum sama dengan resultansi gaya pada partikel fluida (Hukum II

Newton); 3) laju perubahan energi sama dengan resultansi laju panas

yang ditambahkan dan laju kerja yang diberikan pada partikel fluida

(Hukum I Termodinamika).

a. Kekekalan Massa 3 Dimensi steady state

Keseimbangan massa untuk fluida dinyatakan sebagai berikut:

Laju kenaikan massa dalam elemen fluida = Laju net aliran fluida

massa ke dalam elemen batas

xywδδρ

zyu δδρ

zx

vδ

δρ

xδ

yδ

zδ

xyzz

w

w

δδδρ

ρ

)

(∂

∂+

zyxxuu δδδρρ )(

∂∂

+

xzyyvv δδδρρ )(

∂∂

+

Gambar 2.16 Elemen Fluida pada persamaan kekekalan massa Atau dapat ditulis dalam bentuk matematika sebagai berikut:


30

Persamaan diatas merupakan persamaan kontinuitas untuk fluida.

Ruas kiri menggambarkan laju net massa keluar dari elemen melewati

batas dan dinyatakan sebagai faktor konveksi.

b. Persamaan Momentum 3 Dimensi Steady State

Persamaan momentum dikembangkan dari persamaan Navier-Stokes

dalam bentuk yang sesuai dengan metode finite volume sebagai

berikut:

xδ

yδ

zδ

fx

zyp δδ

zyxx δδσyxzx δδτ

zxyx δδτ

zyxxpp δδδ )(∂∂

+

zyxx

xxxx δδδσσ )(

∂∂

+yxzzzx

zx δδδττ )(∂∂

+

zxyy

yx

yx

δδδτ

τ

)

(∂

∂+

Gambar 2.17 Elemen fluida pada persamaan momentum

Momentum x :

Momentum y :

\

Momentum z :


31

c. Persamaan energi diturunkan dari Hukum I Termodinamika yang

menyatakan bahwa : laju perubahan energi partikel fluida = laju

penambahan panas ke dalam partikel fluida ditambahkan dengan

laju kerja yang diberikan pada partikel. Secara matematika dapat

ditulis sebagai berikut :

Untuk Gas ideal :

3. Postprocessing

Postprocessing adalah langkah akhir dalam analisis CFD. Hal yang

dilakukan pada langkah ini adalah mengorganisasi dan

menginterpretasi data hasil simulasi CFD yang bisa berupa gambar,

kurva, dan animasi. Hasil yang diperoleh dari proses yang berada

dalam pre-processor dan solver akan ditampilkan dalam post-

processor. Tampilan tersebut dapat berupa : 1) tampilan geometri

domain dan grid; 2) plot vektor; 3) plot permukaan 2 dan 3 dimensi;

4) pergerakan partikel; 5) manipulasi pandangan; 6) output warna.

2.11.3 Penggunaan CFD Fluent pada Pompa Sentrifugal

Pada pompa sentrifugal, yang dapat dianalisa oleh CFD Fluent ini adalah

airan fluidanya, dimana dengan CFD Fluent ini kita dapat mensimulasikan

vektor - vektor kecepatan yang terjadi pada impeler dan rumah keong

pompa tersebut. CFD Fluent juga dapat mensimulasikan distribusi tekanan

yang terjadi dalam pompa tersebut. Hasil simulasi aliran fluida ini adaah

gambaran aliran fluida nantinya yang terjadi di lapangan. Pada gambar

2.14 dan gambar 2.15 merupakan contoh hasil dari simulasi pompa

sentrifugal dengan massa alir 0,5 kg/s dan tekanan pompa 0,5 atm.


32

Gambar 2.17. Hasil simulasi untuk vektor-vektor kecepatan yang terjadi

Gambar 2.17. Hasil simulasi untuk distribusi tekanan yang terjadi


chapter ii_6 (2)

Documents