POMPA DAN KOMPRESORDASAR-DASAR POMPA DAN KOMPRESOR

DISUSUN OLEH:ARIF MUNANDARI0411008

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SEBELAS MARET2015

POMPA DAN KOMPRESOR

I. DASAR TEORI POMPA A. Definisi Pompa Pompa adalah secara sederhana didefinisikan sebagai alat transportasi fluida cair yang pada dasarnya memiliki dua kegunaan utama, yaitu :1. Memindahkan cairan dari satu tempat ke tempat lainnya.2. Menambah tekanan fluida yang dialirkan. Pompa merupakan alat pemindah fluida yang sampai saat ini paling efektif, efisien dan ekonomis, maka penggunaannya masih cukup luas di segala sektor industri. Begitu juga PT. Pupuk Kujang dalam kegiatan produksinya banyak menggunakan pompa di berbagai unit dari berbagai jenis dan ukuran pompa.Di dalam pengoperasian pompa dibutuhkan suatu alat penggerak yang dapat berupa motor listrik, turbin uap, turbin gas dan turbin air karena pompa merupakan suatu alat peubah tenaga yaitu mengubah energi mekanik dari suatu penggerak menjadi energi potensial berupa head, sehingga fluida cair tersebut berpindah dan memiliki tekanan sesuai dengan head yang dimilikinya. (sumber : Turbin Pompa dan Kompresor, Fritz Dietsel, 1988 )

3.2 Klasifikasi PompaBerdasarkan prinsip kerjanya pompa dikelompokkan menjadi dua, yaitu (Teknologi pemakaian pompa, Tyler G. Hicks, T.W. Edwards, 1996) :1. Pompa DinamikPompa dinamik adalah pompa dimana untuk menaikkan (head) dengan cara menambah kecepatan fluida melalui impeller yang berputar. Berdasarkan arah aliran dan putaran spesifiknya, pompa dinamik dibedakan menjadi tiga macam, yaitu :a. Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal yaitu pompa dinamik dimana saat terjadi kenaikan kecepatan pada arah aliran fluidanya sentrifugal. Daya dari luar yang diberikan poros pompa untuk memutar impeller di dalam zat cair. Karena timbul gaya sentrifugal, maka zat cair mengalir dari tengah impeller keluar melalui saluran di antara sudu-sudu. b. Pompa AksialPompa aksial yaitu pompa dinamik dimana pada saat terjadi kenaikan kecepatan pada arah aliran aksial.c. Pompa Aliran CampuranPompa aliran campuran yaitu pompa dinamik dimana pada saat terjadi kenaikan kecepatan alirannya adalah gabungan dari sentrifugal dan aksial.

2. Pompa Positive DisplacementPompa positive displacement yaitu pompa untuk menaikkan tekanan fluidanya adalah dengan cara memperkecil ruangan fluida (fluida dimampatkan oleh elemen-elemen pompa).Pompa positive displacement dibedakan menjadi dua, yaitu :a. Pompa ReciprocatingPompa reciprocating adalah pompa dimana untuk penekanan fluida menggunakan gerakan bolak-balik dari elemen pompa, yang diperoleh dari gerakan rotasi driver melalui connecting rod dan crankshaft. Jenis pompa reciprocating antara lain adalah :1. Pompa Piston/Toraka.) Single actionSatu gerakan bolak-balik piston mengalami satu kali proses penekananb.) Double actionSatu gerakan bolak-balik piston mengalami dua kali proses penekanan.

2. Pompa DiafragmaElemen pompa ini berupa diafragma dan umumnya menggunakan media minyak.

b. Pompa RotariPompa rotary adalah positive displacement dimana untuk menempatkan fluida menggunakan gerakan rotasi langsung darin elemen pompa.Pompa rotari dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu :1. Pompa rotary dimana untuk menekan fluida berdasarkan eksentrisitas elemen putar dan elemen stator.Contoh :a.) Guide vane pumpb.) Flexible linier pumpc.) Internal gear pump

Gambar 3.1 Guide vane pumpSumber : Tyler G. Hicks, 19962. Pompa rotary dimana untuk memanpatkan fluida berdasarkan pengecilan dimensi elemen putar dan elemen stator.Contoh :a.) Gear pumpPompa ini terdiri atas dua jenis yaitu internal gear pump dan external gear pump. Gambar 3.2 Internal gear pump dan external gear pumpSumber : Tyler G. Hicks, 1996

b.) Screw pumpPompa sekrup ini mempunyai satu, dua, tiga sekrup yang berputar dalam rumah pompa yang diam. Tersedia sejumlah besar desain untuk berbagai penggunaan. Pompa sekrup tunggal mempunyai rotor spiral yang berputar di dalam sebuah stator atau lapisan (linier) heliks-dalam (internal-helix-stator). Rotor terbuat dari logam sedangkan heliks terbuat dari karet keras atau lunak, tergantung pada cairan yang dipompakan. Gambar 3.3 Screw pump (pompa sekrup)Sumber : Tyler G. Hicks, 1996c.) Lube pumpPompa ini ini mirip dengan pompa jenis roda gigi-dalam hal aksinya dan mempunyai dua rotor. Putaran rotor tadi diserempakkan oleh roda gigi-luarnya.

Gambar 3.4 Lube pumpSumber : Tyler G. Hicks, 1996B. Pemilihan Pompa Dalam memilih suatu pompa untuk suatu maksud tertentu, terlebih dahulu harus diketahui kapasitas aliran serta head yang diperlukan untuk mengalirkan zat cair yang akan dipompa. Sangatlah penting dalam menentukan jenis pompa untuk mengetahui berbagai hal yang diperlukan dalam proyek, seperti zat cair yang akan ditransmisikan, sistem pipa yang dipakai, temperatur zat cair, iklim atau cuaca sepanjang jalur pipa, dan derajat performansi serta faktor keamanannya. Apabila perubahan kondisi operasi sangat besar (khususnya perubahan kapasitas dan head) maka putaran dan ukuran pompa harus ditentukan dengan memperhitungkan hal tersebut. Basis pemilihan pompa untuk ukuran dan tipenya pada tiap stasiun dapat ditentukan dengan sistem kurva resistansi karakteristik operasi atau performansi dan kurva kerugian head pada sistem. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah ini.Kurva H-Q untuk sistem pipa dan pompa sentrifugal.

C. Perhitungan pada PompaKapasitas Aliran (Q) Kapasitas aliran didefinisikan sebagai volume cairan per satuan waktu yang mengalir melalui penampang pipa. Kapasitas atau debit aliran dalam pipa sangat bergantung dengan kecepatan aliran fluida dan luas penampang pipa. Sehingga persamaan kapasitas pompa dapat dituliskan : Q = V A Dimana; Q = kapasitas aliran (m3/s) V = kecepatan aliran fluida (m/s) A = luas penampang dalam pipa (m2)

Head Pompa Head pompa adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk mengalirkan sejumlah zat cair yang direncanakan sesuai dengan kondisi instalasi pompa, atau tekanan untuk mengalirkan sejumlah zat cair, yang umumnya dinyatakan dalam satuan panjang "m" (SI). Pada uraian tentang persamaan Bernoulli yang dimodifikasi untuk aplikasi pada instalasi pompa, terlihat bahwa persamaan Bernoulli (persamaan 19) dalam bentuk energi "head" terdiri dari empat bagian "head" yaitu head elevasi (z), head tekanan (hp), head kecepatan (hv), dan head kerugian (h l). Persamaan Bernoulli dalam bentuk energi head :

Head Kerugian (Head Loss) Head kerugian yaitu energi untuk mengatasi kerugian-kerugian yang terdiri atas kerugian gesek di dalam pipa-pipa, dan kerugian di dalam belokan-belokan, sambungan (fitting), katup-katup, dsb. Head loss merupakan penjumlahan dari head kerugian mayor dan head kerugian minor (h l = hl major + h l minor). a. Head Kerugian Mayor (Head Loss Major) Pada uraian sebelumnya telah disampaikan bahwa kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida pada sistem aliran penampang pipa yang konstan. Sehingga persamaan head untuk mengatasi kerugian tersebut adalah : Perhitungan kerugian gesek di dalam pipa dipengaruhi oleh pola aliran, untuk aliran laminar dan turbulen akan menghasilkan faktor gesekan yang berbeda, hal ini karena karakteristik dari aliran tersebut. Apabila aliran laminer, faktor gesekan, f dapat dicari dengan pendekatan rumus :Apabila aliran turbulen, faktor gesekan, f dapat dicari dengan menggunakan diagram Moody.

b. Head Kerugian Minor (Head Loss Minor) Kerugian minor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi pada komponen-komponen sistem pipa. Perumusan Head loss minor adalah :

Kerja, Daya dan Efesiensi Pompa Pompa merupakan mesin yang bekerja dengan menggunakan energi luar. Energi dari luar (motor listrik) diubah menjadi putaran poros pompa dimana impeler terpasang padanya. Perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lain selalu tidak sempurna dan ketidaksempurnaan perubahan ini yang disebut dengan efisiensi. Ada beberapa definisi yang berhubungan dengan kerja pompa, yaitu ; a. Daya Listrik (P el) Adalah besarnya energi listrik per satuan waktu yang masuk ke motor listrik, yang dapat dirumuskan dengan :

b. Daya Rotor (P rotor) Daya rotor (penggerak motor listrik) adalah jumlah energi yang keluar dari motor listrik dan diteruskan ke poros pompa. Daya ini dirumuskan dengan persamaan :

c. Daya Poros Pompa (Brake Horse Power) Adalah daya dihasilkan dari putaran poros motor listrik dikalikan dengan efisiensi koplingnya, dihitung dengan persamaan :

d. Daya Hidrolis (Water Horse Power) Daya hidrolis adalah daya yang diteruskan dari pompa menuju fluida, yang dirumuskan dengan :

II. KOMPRESORA. Definisi KompresorKompresor udara adalah sebuah mesin yang mengkompresi udara dan menaikkan tekanannya. Kompresor udara menghisap udara dari udara atmosfir, mengkompresinya dan kemudian menghantarkannya pada tekanan tinggi pada sebuah bejana penyimpan.B. Klasifikasi Kompresor1. Berdasarkan kerja: a. Kompresor torak. b. Kompresor rotari/putar.2. Berdasarkan gerakan: a. Kompresor gerakan tunggal. b. Kompresor gerakan ganda.3. Berdasarkan jumlah tingkat: a. Kompresor tingkat satu. b. Kompresor tingkat jamak.

Kompresor, sama seperti pompa, kipas dan blower adalah alat untuk meningkatkan tekanan fluida. Kerja harus disuplai dari sumber eksternal melalui poros yang berputar. Karena kerja dilakukan kepada fluida, maka kerja pada kompresor adalah negatif. Untuk turbin dan kompresor hal-hal penting yang berhubungan dengan persamaan energi : = 0. Perpindahan panas pada alat tersebut umumnya kecil jika dibandingkan dengan kerja poros, kecuali untuk kompresor yang menggunakan pendinginan intensif, sehingga dapat diabaikan. 0. Semua alat ini melibatkan poros yang berputar. Oleh karena itu kerja di sini sangatlah penting. Untuk turbin menunjukkan output power, sedangkan untuk kompresor dan pompa menunjukkan power input power. ke 0. Perubahan kecepatan pada alat-alat tersebut biasanya sangat kecil untuk menimbulkan perubahan energi kinetik yang signifikan. Sehingga perubahan energi kinetik dianggap sangat kecil, meskipun untuk turbin, dibandingkan dengan perubahan enthalpi yang terjadi. pe 0. Pada umumnya alat-alat tersebut bentuknya relatif kecil sehingga perubahan energi potensial dapat diabaikan.

C. Termodinamika

DiagramT-S(aktual)SiklusBraytonAnalisa termodinamika pada kompresor dimaksudkan untuk menentukan kondisi udara masuk dan keluar kompresor. Pengambilan asumsi untuk perhitungan termodinamika kompresor adalah didasarkan pada effisiensi politropis,yaitu effisiensi isentropis dari sebuah tingkat kompresor dan turbin yang dibuat konstan untuk setiap tingkat berikutnya.1. Kompresi Isotermal Bila suatu gas dikompresikan, maka ini ada energi mekanik yang diberikan dari luar pada gas. Energi ini diubah menjadi energi panas sehingga temperature gas akan naik jika tekanan semakin tinggi. Namun jika proses kompresi ini juga dengan pendinginan untuk mengeluarkan panas yang terjadi, temperature dapat dijaga tetap. Kompresor secara ini disebut kompresor Isotermal (temperatur tetap). Hubungan antara P dan V untuk T tetap dapat diperoleh dari persamaan :2. Kompresi Adiabatik Kompresi yang berlangsung tanpa ada panas yang keluar/masuk dari gas. Dalam praktek proses adiabatik tidak pernah terjadi secara sempurna karena isolasi didalam silinder tidak pernah dapat sempurna pula, dimana k = 1,4 untuk udara.3. Kompresi Politropik Kompresi pada kompresor yang sesungguhnya bukan merupakan proses Isotermal, namun juga bukan proses adiabatik, namun proses yang sesungguhnya ada diantara keduannya dan disebut Kompresi Politropik.Hubungan antara P dan V pada politropik ini dapat dirumuskan sebagai :

Perubahan Temperatur Pada waktu kompresi, temperatur gas dapat berubah tergantung pada jenis proses yang dialami. Untuk masing-masing proses, hubungan antara temperatur dan tekanan hanya terjadi perubahan pada proses adiabatik. Dalam ompresi adiabatik tidak ada panas yang dibuang keluar sendiri (atau dimasukkan) sehingga seluruh kerja mekanis yang diberikan dalam proses ini akan dipakai untuk menaikkan temperatur gas. Temperatur yang dicapai oleh gas yang keluar dari kompresor dalam proses adiabatik dapat diperoleh secara teoritik rumus sebagai berikut :

.1 Pengertian KompresorKompresor secara sederhana bisa diartikan sebagai alat untuk memasukkan udara dan atau mengirim udara dengan tekanan tinggi. Kompresor bisa kita temukan pada alat pengungkit, kendaraan roda empat, pendingin ruangan, lemari es serta alat-alat mengangkat beban yang menggunakan tekanan untuk mengangkatnya.Sekalipun sama-sama sebagai alat untuk memasukkan dan menggiring udara degan tekanan tinggi, pada masing-masing peralatan yang berbeda, cara kerja kompresor pun bisa berbeda pula.Secara umum kompresor digunakan atau berfungsi menyediakan udara dengan tekanan tinggi. Prinsip kerja kompresor seperti ini biasa kita temukan pada mesin otomotif. Fungsi kedua dari kompresor adalah untuk membantu reaksi kimia dengan cara meningkatkan sistem tekanan.Kompresor adalahalat mekanik yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan fluida mampu mampat (compressible), yaitu gas atau udara. Tekanan fluida dinaikan dengan cara memampatkan gas atau udara yang kerjanya didapat dari poros. Kompresor biasanya bekerja dengan menghisap udara atmosfir. Jika kompresor bekerja pada tekanan yang lebih tinggi dari tekanan atmosfir maka kompresor disebut sebagai penguat (booster), dan jika kompresor bekerja dibawah tekanan atmosfir maka disebut pompa vakum.Gas mempunyai kemampuan besar untuk menyimpan energi persatuan volume dengan menaikkan tekanannya, namun ada hal-hal yang harus diperhatikan yaitu : kenaikan temperatur pada pemampatan, pendinginan pada pemuaian, dan kebocoran yang mudah terjadi. Tujuan meningkatkan tekanan adalah untuk mengalirkan atau memenuhi kebutuhan proses dalam suatu sistem proses yang lebih besar (dapat sistem fisika maupun kimia contohnya pada pabrik-pabrik kimia untuk kebutuhan reaksi).

3.2Klasifikasi KompresorSecara garis besar kompresor dapat diklasifikasikan menjadi dua bagian, yaitu Positive Displacement compressor dan Dynamic compressor (Turbo). Positive Displacement compressor, terdiri atas Reciprocating dan Rotary. Sedangkan Dynamic compressor (turbo) terdiri atas Centrifugal, axial dan ejector, secara lengkap dapat dilihat dari klasifikasi di bawah ini:

Diagram Pembagian Klasifikasi Kompresor3.2.2Kompresor Aliran (Dynamic Compressor)Jenis kompresor ini cocok untuk menghasilkan volume udara yang besar. Kompresor aliran udara ada yang dibuat dengan arah masuknya udara secara aksial dan ada yang secara radial. Arah aliran udara dapat dirubah dalam satu roda turbin atau lebih untuk menghasilkan kecepatan aliran udara yang diperlukan. Energi kinetik yang ditimbulkan menjadi energi bentuk tekanan.a. Kompresor Aliran Radial (centrifugal)Percepatan yang ditimbulkan oleh kompresor aliran radial berasal dari ruangan ke ruangan berikutnya secara radial. Pada lubang masuk pertama udara dilemparkan keluar menjauhi sumbu. Bila kompresornya bertingkat, maka dari tingkat pertama udara akan dipantulkan kembali mendekati sumbu. Dari tingkat pertama masuk lagi ke tingkat berikutnya, sampai beberapa tingkat sesuai yang dibutuhkan. Semakin banyak tingkat dari susunan sudu- sudu tersebut maka akan semakin tinggi tekanan udara yang dihasilkan. Prinsip kerja kompresor radial akan menghisap udara luar melalui sudu-sudu rotor, udara akan terisap masuk ke dalam ruangan hisap lalu dikompresi dan akan ditampung pada tangki penyimpanan udara bertekanan hingga tekanannya sesuai dengan kebutuhan.

Gambar 3.6 Kompresor Radial(Sumber : Arsip Perusahaan)b. Kompresor Aliran AksialPada kompresor aliran aksial, udara akan mendapatkan percepatan oleh sudu yang terdapat pada rotor dan arah alirannya ke arah aksial yaitu searah (sejajar) dengan sumbu rotor. Jadi pengisapan dan penekanan udara terjadi saat rangkaian sudu-sudu pada rotor itu berputar secara cepat. Putaran cepat ini mutlak diperlukan untuk mendapatkan aliran udara yang mempunyai tekanan yang diinginkan. Teringat pula alat semacam ini adalah seperti kompresor pada sistem turbin gas atau mesin-mesin pesawat terbang turbo propeller. perbedaannya, jika pada turbin gas adalah menghasilkan mekanik putar pada porosnya. Tetapi, pada kompresor ini tenaga mekanik dari mesin akan memutar rotor sehingga akan menghasilkan udara bertekanan.

Gambar 3.7 Kompresor Aksial(Sumber : Arsip Perusahaan)

3.4. Efisiensi KompresorPada kompresor torak dikenal dua macam efisiensi yaitu:a.Efisiensi volumetrik.b.Efisiensi adiabatik keseluruhan.a. Efisiensi VolumetrisAdapun efisiensi volumetris v didefinisikan sebagai(1)

Dimana: Qs= Volume gas yang dihasilkan, pada kondisi tekanan dan temperatur isap (m3/min) Qth = Perpindahan torak (m3 /min)Besarnya efisiensi volumetris ini dapat dihitung secara teoritis berdasarkan volume gas yang dapat diisap secara efektif oleh kompresi pada langkah isapnya,seperti telah diuraikan diatas. Dari perhitungan tersebut diperoleh rumus yang dapat ditulis sbb:

.............................................................................................(2)

Dimana :: Vc / Vs, volume sisa (clearance ) relatif. Pd: Tekanan keluar dari silinder tingkat pertama (kgf / cm2abs). Ps: Tekanan isap dari silinder tingkat pertama (kgf/ cm2abs). n: Koefisien ekspansi gas yang tertinggal di dalam volume sisa; untuk udara, n = 1,2.Tanda berarti " kira ~ kira sama dengan ", karena rumus diatas diperoleh dari perhitungan teoritis. Adapun harga v yang sesungguhnya adalah sedikit lebih kecil dari harga yang diperoleh dari rumus di atas karena adanya kebocoran melalui cincin torak dan katup - katup, serta tahanan pada katup -katup.b. Efisiensi Adiabatik KeseluruhanEfisiensi kompresor ditentukan oleh berbagai faktor seperti tahanan aerodinamik di dalam katup - katup, saluran - saluran, pipa - pipa, kerugian mekanis, efektivitas pcndinginan, dll. Namun, menentukan secara tepat pengaruh masing - masing faktor tersebut adalah sangat sulit.Karena itu faktor - faktor ini digabungkan dalam efisiensi adiabatik keseluruhan. Efisiensi adiabatik keseluruhan didefinisikan sebagai daya yang diperlukan untuk memampatkan gas dengan siklus adiabatik (menurut perhitungan teoritis), dibagi dengan daya yang sesungguhnya diperlukan oleh kompresor pada porosnya. Dalam rumus, efisiensi ini dapat ditulis sbb:.(3)

Dimanaad : Efisiensi adiabatik keseluruhan (dinyatakan dalam %). Lad : Daya adiabatik teoritis (kW). Ls : Daya yang masuk pada poros kompresor (kW). Besarnya daya adiabatik teoritis dapat dihitung dengan rumus :

..(4)Ps :Tekanan isap tingkat pertama (kgf/m2 abs). Pd :Tekanan keluar dari tingkat terakhir (kgf/m2 abs). Qs :Jumlah volume gas yang keluar dari tingkat terakhir (m3/min) dinyatakan pada kondisi tekan dan temperatur isap.k:cp/cvm :Jumlah tingkat kompresi.Jika dalam rumus ini dipakai satuan tekanan Pa maka rumusan dapat ditulis :

..(5)Efisiensi adiabatik keseluruhan merupakan petunjuk bagi baik buruknya performansi dan ekonomi sebuah kompresor . Adapun efisiensi volumetris hanya merupakan suatu koefisien yang diperlukan oleh perencana kompresor dan tidak penting artinya bagi pemakai.