1
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Pengertian dan Fungsi Pompa Pompa adalah suatu alat atau mesin yang digunakan untuk memindahkan cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui suatu media perpipaan dengan cara menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan dan berlangsung secara terus menerus. Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini digunakan untuk mengalirkan cairan dan melawan hambatan yang ada sepanjang aliran fluida. Jadi pompa dalam industri biasanya digunakan untuk transportasi fluida, dimana kerja dari pompa tersebut tergantung dari sifat dan jenis fluida. 1.2 Klasifikasi Pompa berdasarkan Prinsip Kerja. Sejalan dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi (Iptek) maka banyak dan beraneka ragam jenis pompa yang sudah diproduksi dan digunakan baik didunia permesinan, kedokteran, pengolahan kimia maupun rumah tangga.
Ditinjau dari prinsip kerja maka pompa dapat
diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Pompa Desak (Positive Displacement Pump), perpindahan fluida akibat adanya dorongan dari komponen (rotor,piston) pompa yang bergerak. Kapasitas yang dihasilkan oleh pompa tekan adalah sebanding dengan kecepatan pergerakan atau kecepatan putaran, sedangkan total head (tekanan) yang dihasilkan oleh pompa ini tidak tergantung dari kecepatan pergerakan atau putaran. Jenis pompa ini dapat dikelompokkan menjadi : a.Oscilating Pumps
: - Pompa Torak/plunger ( Tunggal dan Ganda ) - Pompa Diafragma
b. Rotary Diplacement : - Rotary dan eccentris Spiral - Gear , Vane dan lainnya 1
2
Gambar 1.1 Jenis-jenis Pompa Torak
3
Gambar 1.2 Pompa Diafragma
Gambar 1.3 Pompa Roda Gigi (Gear Pump)
Gambar 1.4 Pompa Ulir (Screw Pump)
Gambar 1.5 Rotary peristaltic pump
4
2. Pompa Sentrifugal (Centrifugal Pump), perpindahan fluida yang bersentuhan dengan impeler yang sedang berputar menimbulkan gaya sentrifugal menyebabkan fluida terlempar keluar. Kapasitas yang di hasilkan oleh pompa sentrifugal adalah sebanding dengan putaran, sedangkan total head (tekanan) sebanding dengan kuadrat dari kecepatan putaran. Jenis pompa ini dapat dikelompokkan berdasarkan : a. Kapasitas : • • •
Kapasitas rendah < 20 m3 / jam Kapasitas menengah 20 -:- 60 m3 / jam Kapasitas tinggi > 60 m3 / jam
b. Tekanan Discharge : • • •
Tekanan Rendah Tekanan menengah Tekanan tinggi
< 5 Kg / cm2 5 -:- 50 Kg / cm2 > 50 Kg / cm2
c. Jumlah / Susunan Impeller dan Tingkat : • • • •
Single stage : Terdiri dari satu impeller dan satu casing Multi stage : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun seri dalam satu casing. Multi Impeller : Terdiri dari beberapa impeller yang tersusun paralel dalam satu casing. Multi Impeller & Multi stage : Kombinasi multi impeller dan multi stage.
d. Posisi Poros : • •
Poros tegak Poros mendatar
e. Jumlah Suction : • •
Single Suction Double Suction
f. Arah aliran keluar impeller : • • •
Radial flow Axial flow Mixed fllow
5
Gambar 1.6 Pompa Sentrifugal
3. Jet Pumps,
Sifat dari jets pump adalah sebagai pendorong untuk
mengangkat cairan dari tempat yang sangat dalam. Perubahan tekanan dari nozzle yang disebabkan oleh aliran media yang digunakan untuk membawa cairan tersebut ke atas (prinsip ejector). Media yang digunakan dapat berupa cairan maupun gas. Pompa ini tidak mempunyai bagian yang bergerak dan konstruksinya sangat sederhana. Keefektifan dan efisiensi pompa ini sangat terbatas. 4. Air lift Pumps (Mammoth Pumps), Prinsip kerja pompa ini hampir sama dengan jet pump dan kapasitasnya sangat tergantung pada aksi dari campuran antara cairan dan gas (two phase flow).
Gambar
Gambar 1.7 Jet Pump
Gambar 1.8 Mammoth Pump
6 5. Hidraulic Rams Pump, Pompa ini menggunakan energi kinetik dari aliran fluida yang menekan bandul/pegas pada suatu kolom dan energi tersebut disimpan dan kemudian melawan kembali sehingga terjadi aliran fluida secara terus menerus tanpa bantuan tenaga dari luar.
Gambar 1.9 Hidraulic Rams Pump
6. Elevator Pump, Sifat dari pompa ini mengangkat cairan ke tempat yang lebih tinggi dengan menggunakan roda timbah,archimedean screw dan peralatan sejenis. Ini dapat digunakan untuk zat cair yang mengandung slurry seperti pasir, lumpur dan lainnya.
Gambar 1.10 Archimedean Screw Pump 7.Electromagnetic Pumps, Cara kerja pompa ini adalah tergantung dari kerja langsung sebuah medan magnet ferromagnetic yang dialirkan, oleh karena itu penggunaan dari pompa ini sangat terbatas khususnya pada pemompaan cairan metal.
7 1.3 Klasifikasi Pompa berdasarkan Instalasi Yang di maksud dengan pemasangan pompa mencakup : a. Pemasangan pompa secara horizontal/vertical/inclined b. Pemasangan pompa secara kering/basah c. Pemasangan Pompa tetap dan dapat dipindah-pindah d. Pemasangan pompa secara pararel/seri Pembahasan berikut ini ditekankan pada pembahsan mengenai pemasangan pompa secara pararel dan seri saja beserta pengaruhnya. 1. Pemasangan pompa secara pararel Pemasangan pararel
sering dilakukan karena meninjau beberapa faktor yang
sangat penting antara lain penghematan energi pada penggerak mula,
dan
lainnya sehingga tercapai pengoperasian yang optimum. Pada umumnya pada pemasangan pompa secara pararel dipergunakan dua atau lebih pompa yang tipe, jenis, ukuran dan data teknis yang sama.
Contoh yang sering di temukan
adalah Pemasangan pompa pararel dengan kapasitas paruh, dan penambahan satu unit pompa untuk menambah kapasitas karena peningkatan kebutuhan akan cat cair. Pemasangan pompa pararel dengan kapasitas paruh (pararel dengan dua unit pompa menghasilkan kurva hubungan head dan kapasitas sebagai berikut :
Gambar 1.11 Hubungan H – Q Pompa Paralel
8 Dari gambar di atas maka yang perlu diperhatikan dalam menentukan unit pompa adalah sebagai berikut : a. Pada saat hanya satu unit pompa yang bekerja maka titik kerja pompa akan berubah kapasitasnya akan meningkat dan headnya akan menurun tidak sama dengan pada saat dua unit pompa bekerja. Oleh sebab itu kita harus menentukan pompa yang dapat di rekomendasikan dan di jamin oleh pabrik pompa untuk bekerja pada titik -titik kerja sesuai dengan sistim kurva dan kurva pompa. b.Untuk penggunaan pompa yang mempunyai sifat kurva curam maka kapasitas yang akan di capai untuk dua unit pompa beroperasi secara pararel lebih besar dari pada pompa yang mempunyai sistim kurva landai. c. Untuk menentukan besar daya penggerak mula maka dasar perhitungan daya yang akan di butuhkan oleh pompa adalah pada daya maksimumnya. Bahwa dengan penambahan satu unit pompa yang sejenis dan mempunyai data teknis yang sama maka hasil operasi pararel dari dua unit pompa tersebut tidak akan mencapai dua kali kapasitas yang di capai oleh satu unit pompa beroperasi terutama untuk pompa yang mempunyai sistim kurva landai. Biasanya untuk pompa yang mempunyai sistim kurva landai tidak di rekomendasikan
untuk
beroperasi
pararel.
2. Pemasangan Pompa secara Seri Untuk keperluan pemindahan fluida yang relatif jauh atau tinggi dalam arti head yang besar maka diperlukan pemasangan pompa secara seri dengan kapasitas relatif sama. Pengoperasi pompa secara seri, pompa 1 dan pompa 2 akan menghasilkan head H1+H2 dengan penjumlahan headnya. Pompa seri banyak keuntungannya terutama untuk kurva sistim yang curam dan sistim kurva pompa yang landai. Pada waktu menjalankan pompa pertama harus dijalankan lebih dahulu sampai mencapai tekanan dan tekanan yang cukup, kalau tidak terjadi masalah pada kavitasi, kemudian pompa kedua dan seterusnya.
9
Gambar 1.12 Hubungan H – Q Pompa Seri Sebaliknya pada waktu mematikan pompa, urutan sebaliknya yang harus di lakukan. Dalam praktek laangan, daripada memasang pompa impeler tunggal secara seri lebih baik memakai pompa yang mempunyai impeler ganda atau lebih karena head sama biaya lebih murah dan konstruksi lebih sederhana.
1.4 Faktor Utama dalam Pemilihan Pompa Pada prinsipnya pemilihan pompa bukan berdasarkan murah dan tahan lama tetapi berdasarkan fungsi yaitu memindahkan sejumlah fluida (Kapasitas) dan seberapa jauh/tinggi (Head) fluida yang diinginkan. Jadi Kapasitas dan Head ini merupakan faktor yang utama. 1. Kapasitas Kapasitas pompa adalah kemampuan pompa mengalirkan volume fluida dalam waktu tertentu dengan satuan : m3/jam, m3/detik, liter/detik, USGPM (Gallon/menit, 1 Gallon = 231 inc3) dan sebagainya. Kapasitas tergantung pada jenis, ukuran dan sumber penggerak pompa itu sendiri. Kebocoran cairan/fluida pada packing perapat poros atau air balik maupun gesekan tidak diperhitungkan sebagai kapasitas pompa, karena itu maka sering menggunakan istilah efisiensi volumetrik.
10 2. Tekanan Kerja (Total Head) Tekanan
adalah
perbandingan
antara
Gaya/berat
persatuan
luas
penampang. Tekanan kerja ini sangat kompleks dan hampir di semua bidang eksak menggunakannya. Karena hal tersebut maka satuannya pun dinyatakan sesuai dengan penggunanya, Misal yang berkaitan dengan air mka (meter kolom air), Kedokteran mmHg, udara bebas bars atau atm, (barometer atau atmosphir) udara tertutup kg/cm2 atau Psi (1 kg/cm2 ±12,5 Psi),
dan
standar
ISO
menggunakan
Pascal
(1
Pa
=
1
N/m2).
Head yang dibutuhkan untuk memindahkan fluida sebanding dengan jarak ketinggian dan massa jenis fluida tersebut. 3. Jenis dan Data Fluida Jenis dan data cairan sangatlah perlu dalam menentukan pemilihan pompa. Hal ini karena setiap cairan mempunyai berat jenis yang berbeda-beda yang akan berhubungan langsung dengan kebutuhan daya dari penggerak mula. Jika zat alirnya udara maka bukanlah pompa yang dipilih tapi kompressor. Selain hal tersebut diatas, kita juga harus menentukan material dari pompa yang sesuai dengan cairan yang dipompakan terutama untuk cairan yang bersifat korosi. Cairan yang di pompakan juga mempunyai viscositas yang berbeda-beda akan mempengaruhi kurva pompa. Makin tinggi viscositas suatu cairan maka viscositasnya akan lebih rendah, hal ini akan menurunkan kapasitas, Total head, Efisiensi dan meningkatkan kebutuhan tenaga. 1.5 Penggerak Mula Pompa Pada dasarnya pompa memerlukan tenaga penggerak mula untuk mengoperasikannya. Dalam pemilihan penggerak mula dari pompa tersebut maka
keadaan
setempat
dan
tersedianya
sumber
energi
sangat
mempengaruhi, dengan kata lain jika suatu daerah tidak terdapat sumber listrik dan tidak memungkinkan untuk diadakan sumber listriknya maka tidaklah mungkin kita memilih motor listrik sebagai penggerak mulanya. Sebagai contoh ditengah perkebunan yang luas maka kita dapat memilih motor diesel sebagai tenaga penggerak mulanya.
11 1. Motor Listrik, biasanya memiliki parameter frekwensi dan putaran seperti tabel dengan tenaga bervariasi sesuai jenis motornya.
2. Motor Diesel yang sering digunakan dengan putaran 580 sampai 3500 rpm. 3. Mesin Uap dengan kecepatan putar relatif rendah 4. Turbin Uap dengan kecepatan relatif tinggi sekitar 1750 sampai 8000 rpm. Perubahan kecepatan putaran pada penggerak mula akan mempengaruhi garis kurva pompa. Jika nilai kapasitas (Q1), total head (H1) dan daya (P1) telah diketahui pada kecepatan putaran (n1), maka nilai baru untuk putaran = n2 adalah sebagai berikut :
Daya yang harus tersedia oleh penggerak mula harus mencukupi/lebih besar dari daya yang di butuhkan oleh pompa. Daya yang di butuhkan oleh pompa sebagai berikut :
12 1.6 Tugas Diskusi 1. Jelaskan pengertian dan fungsi pompa ! 2. Jelaskan Jenis-jenis pompa rotary ! 3. Jelaskan prinsip kerja pompa torak dan pompa sentrifugal! 4. Coba analisa dan jelaskan keuntungan masing-masing no.3 ! 5. Tekanan ban mobil biasanya 35, apa satuan tekanan tersebut ? 6. Kebetulan alat ukur tekanan yang ada kg/cm2, berapa ukuran tekanan Ban mobil pada no.5 ? 7. Coba jelaskan empat faktor pemilihan pompa ! 8. Coba klasifikasikan, apakah kapasitas pompa dibawah ini termasuk rendah, menengah atau tinggi ? a. 1,5 Gallon/det b. 12 liter/det c. 1400 inc3/menit 9. Suatu boiler bertekanan kerja 20 bars, membutuhkan air 18 liter/det. Spesifikasi pompa tersedia, tekanan discharge 125 mka dan kapasitas 3 Gallon/det. Rencanakanlah jumlah pompa yang dipakai dan sistim pemasangannya ? 10. Dalam perencanaan sebuah pompa didapat kapasitas Q = 12 m3/jam pada putaran 900 rpm, bila putaran sumber tersedia 1200 rpm, tentukanlah : a. Kapasitas pompa yang terjadi b. Total head yang dapat dicapai c. Tenaga pompa
13
BAB II POMPA TORAK 2.1 Komponen Pompa Torak
Gambar 2.1 Komponen Pompa Torak 1. Piston/plunger berfungsi untuk mengisap fluida ke dalam dan menekannya kembali keluar selinder. 2. Batang Piston berfungsi sebagai penerus tenaga gerak dari mesin ke piston. 3. Mur Piston berfungsi untuk mengikat piston pada batang piston. 4. Ring/seal berfungsi untuk mencegah kebocoran fluida dari dalam selinder 5. Selinder berfungsi sebagai tempat pergerakan piston dan penampungan sementara fluida. 6. Selinder liner berfungsi sebagai pelapis selinder yang bagian dalamnya harus mempunyai permukaan yang halus guna memperlancar gerak piston. 7. Packing berfungsi sebagai pencegah kebocoran fluida dari dalam selinder. 8. Perapat packing berfungsi sebagai penekan supaya packing tetap pada posisinya sewaktu batang piston bergerak. 9. Katup Isap berfungsi untuk mengatur pemasukan dan penutupan fluida pada saat piston langkah isap. 10.Katup buang berfungsi untuk mencegah kembalinya fluida dari ruang outlet ke dalam ruang selinder pada saat piston langkah tekan.
13
14 2.2 Prinsip Kerja Pompa Torak Sambil memperhatikan Gambar 2.1, prinsip kerjanya dapat diuraikan sebagai berikut : Piston bergerak mundur / kekiri, - Katup tekan kanan tertutup rapat, katup tekan kiri terbuka sehingga fluida bagian kiri piston masuk ke ruang outlet dan keluar melalui pipa penyalur. - Katup isap kiri tertutup rapat, tekanan ruang selinder kanan menurun sehingga terjadi isapan membuat katup isap terbuka dan fluida masuk keruang selinder bagian kanan piston. Piston bergerak maju/ kekanan, - Katup tekan kiri tertutup rapat, tekanan ruang kanan meningkat membuat katup tekan kanan terbuka sehingga fluida mengalir ke ruang outlet dan keluar pompa melalui pipa penyalur. - Katup isap kanan tertutup rapat, tekanan ruang selinder kiri menurun sehingga terjadi isapan membuat katup isap kiri terbuka dan fluida masuk keruang selinder bagian kiri piston, dan selanjutnya kembali piston bergerak mundur – maju secara berkelanjutan. 2.3 Perhitungan Kapasitas Pompa Torak 1. Pompa Torak Kerja Tunggal Pompa tipe ini mempunyai tekanan kerja tinggi sesuai dengan tenaga penggeraknya. Kerja piston hanya pada satu sisi sehingga disebut kerja tunggal. Operasi pompa ini dapat dilakukan secara manual maupun menggunakan tenaga penggerak mula.
Gambar 2.2 Pompa Torak Kerja Tunggal
15
Sesuai konstruksinya, kecepatan gerak piston setiap saat berubah mulai dari nol – cepat – nol dan seterusnya sehingga aliran fluida keluar pompa tidak merata. Dalam satu cicles operasi terjadi satu kali langkah isap dan satu kali langkah tekan sehingga volume fluida yang dialirkan pompa dapat dihitung dengan rumus :
V = π4 D 2 x S
Volume
(m3)
Bila pompa digerakkan oleh mesin penggerak mula yang mempunyai jumlah putaran “n” maka kapasitas fluida yang dihasilkan adalah : Kapasitas
Q = π4 D 2 x S x n
(m3/menit) atau
(m3/detik) Karena adanya kebocoran, gesekan, sudut mati dan kavitasi maka timbul kerugian volume, jadi kapasitas sesungguhnya disebut kapasitas efektif adalah: (m3/detik) dimana : Q
kapasitas teoritis pompa
(m3/detik)
Qe kapasitas efektif pompa
(m3/detik)
D
diameter piston/plunger
(m)
S
langkah gerak piston
(m)
n
putaran mesin penggerak
(rpm)
ηv
efisiensi volumetrik
(%)
16 2. Pompa Torak Kerja Ganda Tipe pompa ini juga termasuk pompa yang mempunya tekanan kerja tinggi sesuai dengan mesin penggeraknya. Dalam operasinya, setiap langkah piston melakukan pengisapan
dan penekanan fluida. Pada langkah mundur, sisi
bagian kiri piston menekan fluida ke outlet dan sisi bagian kanan mengisap fluida dari inlet dan begitu pula sebaliknya pada langkah piston maju. Karena kedua sisi piston bekerja secara bersama maka disebut pompa kerja ganda yang menghasilkan aliran fluida merata dengan kapasitas yang lebih besar.
Gambar 2.3 Pompa Torak Kerja Ganda Dalam satu cicles operasi, volume fluida yang dialirkan ke outlet adalah : Volume langkah maju
2 V = π4 .D xS
Volume langkah mundur
2 2 V = π4 .D x S − π4 .d x S
(m3) (m3)
Bila pompa digerakkan oleh mesin yang mempunyai putaran “n”, maka kapasitas pompa adalah : Kapasitas langkah maju
Qm j = π4 D 2 x S x n
Kapasitas langkah mundur
Qm d = π4 ( D 2 − d 2 ) x S x n
(m3/menit) (m3/menit)
Kapasitas Pompa Torak Kerja Ganda Q = Qmj + Qmd
Q = π4 (2 D 2 − d 2 ) x S x n (m3/det) dan
(m 3/menit) atau (m3/detik)
17
3. Pompa Diferensial Pompa diferensial ini merupakan gabungan antara pompa kerja tunggal dan kerja ganda dimana aliran fluida lebih stabil tapi kapasitasnya sama dengan pompa kerja tunggal. Pada saat operasi, ruang kanan dan kiri piston penuh berisi fluida. Prinsip kerja dari pompa ini dapat diuraikan sebagai berikut : Piston bergerak ke kanan a. Ruang kiri piston terjadi pengisapan fluida, volume fluida yang terisap masuk ke dalam selinder
Vi =
π 4
.D 2 xS
(m3)
b. Ruang kanan piston terjadi penekanan sehingga volume fluida mengalir keluar
2 2 Vtkn = π4 .D x S − π4 .d x S
(m3)
Gambar 2.4 Pompa Diferensial Piston bergerak ke kiri a. Fluida di ruang kiri piston ditekan sehingga mengalir ke ruang piston bagian kanan dan sebagian keluar pompa. Volume fluida yang tertekan (Vt) =
π 4
.D 2 xS
(m3)
18 Volume fluida yang masuk ke ruang kanan Vkn = π4 .D Vtkr = Vt – Vkn = π4 .d
b. Volume keluar Pompa
2
2
x S − π4 .d 2 x S
xS
(m3) (m3)
Dalam satu cicles gerak piston, volume fluida yang keluar pompa adalah : 2 2 2 V = Vtkn + Vtkr = π4 .D x S − π4 .d x S + π4 .d xS
V =
π 4
.D 2 xS
(m3), Bila terjadi jumlah cicles atau putaran mesin
penggerak adalah “n” maka Kapasitas Pompa Diferesnsial sama dengan Kapasitas Pompa torak kerja tunggal yaitu sebesar : Kapasitas Teoritis Pompa Diferensial
(m3/detik)
Kapasitas Efektif Pompa Diferensial
(m3/detik)
dimana : Q
(m3/detik)
kapasitas teritis pompa
Qe kapasitas efektif pompa
(m3/detik)
D
diameter piston/plunger
(m)
S
langkah gerak piston
(m)
n
putaran mesin penggerak
(rpm)
ηv
efisiensi volumetrik
(%)
Kapasitas langkah maju berbeda dengan kapasitas langkah mundur, ini akan menyebabkan terjadi getaran pada gerak rotor secara keseluruhan yang dapat menurunkan usia pemakaian pompa. Untuk mencegah hal ini maka diusahakan kapasitas
maju
dan
mundur
harus
sama
dengan
jalan
perbandingan diameter piston dan batangnya sebagai berikut : Vtkn = Vtkr
→
π 4
.D 2 x S − π4 .d 2 x S
π 4
.D 2 xS = π4 .d 2 xS + π4 .d 2 xS D 2 = 2.d 2
2 = π4 .d xS
menghitung
19
D : diameter piston (m)
d : diameter batang piston (m)
4. Contoh Perhitungan Kapasitas Pompa Torak Sebuah pompa mempunyai ukuran diameter plunger 140 mm, diameter batang plunger 80 mm dan langkah 200 mm berosilasi dua kali setiap detik. Randemen volumetrik 90 %. Tentukanlah kapasitas efektif (m3/menit) bila menggunakan :
.
Pompa Torak Kerja Tunggal
.
Pompa Torak Kerja Ganda
.
Pompa Torak Diferensia langkah maju dan langkah mundur Penyelesaian a. Kapasitas Pompa Kerja Tunggal (Qkt) 3,14.1, 4 2.2.120 240
Qkt =
=
Ltr/det
Qkt = 6,1544 liter/det
= 22,16 m3/jam
Qekt =
= 0,90 x 22,16 = 19,94 m3/jam
b. Kapasitas Pompa Kerja Ganda (Qkg) Qkg =
=
3,14.( 2.1, 4 2 − 0 ,8 2 ).2.120 240
Qkg = 10,2992 liter/det = 37,077 m3/jam = 0,90 x 37,077 = 33,37 m3/jam
Qekt =
c. Kapasitas Pompa Diferensial (Qkd) 2 2 Qmaju = π .( D − d ).S .n =
240
3,14.(1, 4 2 − 0 ,8 2 ).2.120 240
= 4,145 ltr/det = 14,921 m3/jam 2 Qmundur = π .d . S .n =
240
3,14.0 ,82 2.120 240
= 2,009 ltr/det = 7,235 m3/jam
20
Jadi Kapasitas total Qkd = Qmaju + Qmundur = 14,921 + 7,235 Qkd = 22,16 m3/jam = 0,90 x 22,16 = 19,94 m3/jam
Qekd =
2.4 Tekanan (Head) Pompa Torak Secara umum pompa mempunyai head isap dan tekan, seperti pompa yang sering digunakan dirumah tangga mempunyai head isap 9 mka dan head tekan 23 mka. Jadi secara teoritis pompa ini mampu memindahkan fluida air setinggi 32 meter. Kemampuan tekan ini tergantung pada konstruksi dan tenaga penggerak pompa. Head tekan pada pompa torak sebanding dengan gaya dorong mesin penggerak dan berbanding terbalik dengan luas penampang plungernya, hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut : ( N/m2 ) ( N/m2 )
dimana , Pt : Tekanan pompa F
: Gaya dorong batang plunger dari mesin
(N)
A
: Luas penampang plunger
( m2 )
H : Head tekan/tinggi pemindahan fluida
( N/m2 )
Hl : Kerugian tinggi angkat total
( N/m2 )
Head isap pada pompa torak mengikuti teori Boyle-Gay Lussac dan Toricelli. Teori Boyle-Gay Lussac berhubungan dengan penampang dan langkah gerak plunger yaitu :
P o.V o To
=
P s.V s sedangkan menurut Toricelli terkait Ts
dengan letak pemasangan pompa dan tekanan udara sekitarnya yang secara umum dapat dijelaskan seperti pada Gambar 2.5. Tekanan udara normal sebanding dengan76 mmHg, bila air raksa diganti air maka tinggi air Ha = 10,336 meter. Posisi ketinggian
pemasangan pompa
sangat berpengaruh terhadap head isap atau tekanan awal dalam pompa. Bila pompa diletakkan pada ketinggian I , II atau III dari permukaan air maka :
21
hl adalah jumlah kerugian tinggi tekan akibat adanya belokan, orifice, gesekan turbulen, katup maupun tekanan penguapan karena perubahan tempratur.
Gambar 2.5 Tinggi Tekan Udara Normal Pemasangan pompa pada posisi III lebih dari 10 meter dari permukaan air, maka Hi3 berharga minus artinya menurut Toricelli air tidak dapat naik sehingga pompa tidak dapat mengisap atau tidak berfungsi sebagaimana mestinya. Kerugian tekanan akibat penguapan dapat dilihat pada Tabel 2.1
22 Contoh lain dalam pemasangan pompa boiler, suhu air dari ekonomiser 60 oC dan hambatan-hambatan lain 2,5 mka, tentukan ketinggian (Hz) pompa dari permukaan sumber fluidanya ? Kerugian tekanan penguapan pada suhu 60
o
C = 2,03 mka, Jadi tinggi
pemasangan pompa maksimal Hz = 10,333 – 2,5 – 2,03 = 5,803 meter dari permukaan sumber air. 2.5 Tingi Angkat dan Randemen Hidrolis Tinggi angkat adalah merupakan jumlah tinggi isap dan tinggi tekan. Misalkan air dalam sumur kedalaman 6 meter dipindahkan ke reservoir ke atas gedung tingkat lima (15 meter) dari tanah maka tinggi angkat H = Hi + Ht sebesar 21 meter. Tinggi angkat yang dilakukan pompa harus lebih besar dari tinggi angkat di atas karena harus melawan kerugian gesekan, belokan, orifice dan sebagainya. Untuk mengetahui besarnya tinggi angkat pompa maka dipasang manometer vakum pada langkah isap dan manometer tekan pada langkah tekan.
Gambar 2.6 Manometer Ketel Angin Manometer isap menunjukkan 52 cmHg,
H im a n= 57 26 x1 0 mka
= 6,84 mka,
berarti kerugian tinggi isap karena katup, gesekan dan lain-lain adalah hli = 0,84 mka. Manometer tekan menunjukkan 122 CmHg,
H tm a n=
122 76
x1 0mka =16,05 mka,
Berarti kerugian tinggi tekan karena hambatan dan sebagainya hlt = 1,05 mka. Perbandingan anatara tinggi angkat dan tinggi angkat manometer disebut Randemen/efisiensi hidrolis yang besarnya adalah : Randemen Hidrolis
x100%
23 X dimana, ηh : Randemen / Efisiensi hidraulis H = Hi + Ht tinggi angkat total Hi : Tinggi isap (tinggi dari air ke sumbu pompa) Ht : Tinggi tekan (dari sumbu pompa ke reservoir) Hman= Hmi + Hmt + Hl tinggi angkat total pompa Hmi : Tinggi manometer isap (tinggi isap pompa) Hmt : Tinggi manometer tekan (tinggi tekan pompa) Hl : Kerugian tinggi tekan total
(%) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m)
2.6 Tenaga Pompa Torak Dalam proses pemindahan zat alir dibutuhkan suatu usaha baik secara manual maupun menggunakan permesinan. Usaha adalah merupakan perkalian gaya dan jarak yang dapat dirumuskan sebagai berikut : U = F x S = G x Ht
(Joule)
G adalah Gaya berat zat cair (fluida) G = V x ρ x g
(N)
Ht adalah tinggi total dan sering dikenal dengan Hman = H + Hl Daya atau Tenaga adalah kemampuan melakukan usaha setiap detik yang mana besarnya dapat dirumuskan : Tenaga secara umum
Kapasitas
N=
Vxρ xgx( H + H l ) F xS G xH t = t = t t
Q=
Vxρ t
watt
. Dengan mensubstitusikan harga kapasitas pompa
torak kerja tunggal dan ganda ke persamaan di atas maka tenaga pompa torak dapat dirumuskan : Kerja Tunggal
( watt )
Kerja Ganda
( watt )
Karena adanya faktor gesekan antara komponen pompa maka tenaga yang dibutuhkan untuk menggerakkan pompa disebut tenaga penggerak yang besarnya adalah : Tenaga Penggerak Pompa dimana :
N Ne D d
tenaga pompa torak tenaga penggerak pompa diameter piston/plunger diameter batang piston
( watt ) (watt) ( watt ) (m) (m)
24 S n
ρ g ηm H Hl
langkah gerak piston putaran mesin penggerak massa jenis fluida gravitasi bumi efisiensi mekanik tinggi isap + tekan kerugian tinggi tekan total
(m) (rpm) (Kg/m3) (m/det2) (%) (m) (m)
Contoh Perhitungan Tenaga Pompa 1. Pompa torak Kerja ganda digunakan untuk mengisap air dari kedalaman 6 meter dan menekannya setinggi 42 meter dimana kerugian tinggi angkat diperkirakan 5 mka. Diameter dan Langkah gerak plunger masing-masing 6 dan 10 inci, diameter batang plunger 3 inci. Mesin penggerak
pompa
berputar pada 100 rpm. Randemen volumetrik dan mekanik masing-masing 95 dan 85 %. Hitunglah Kapasitas dan tenaga efektip pompa tersebut ! Penyelesaian : D = 6 inci = 1,5 dm n = 100 rpm, η v = 95%
S = 10 inci = 2,5 dm η m = 85%
d = 3 inci = 0,75 dm
H + Hl = 53 mka
a. Kapasitas Pompa teoritis Q=
3,14.( 2.1, 5 2 − 0, 752 ).2, 5.100 240
= 5,52
liter/det
Kapasitas sesungguhnya Qe = ηv x Q = 0,95 x 5,52 = 5,24
liter/det
b. Tenaga teoritis
N=
3,14.( 2.1, 52 − 0 , 752 ).2 , 5.100.1.9 ,81.53 240
N
2870, 0
Tenaga Penggerak Pompa Np = η = 0 ,85 m
= 2870,0 watt
= 3376,5 watt
2. Mesin uap dengan putaran 90 rpm digunakan untuk menggerakkan pompa Diferensial yang berkapasitas 270 liter/menit dan pemindahan total ketinggian H+Hl =50 mka. Langkah piston S = 2D dan diameter piston 0,7D.
25 Akibat gesekan dan kerugian lainnya menimbulkan efisiensi volumetrik dan mekanik masing-masing 95 dan 90 %. Hitunglah
a. Ukuran D, S dan d (mm) b. Kapasitas langkah Isap dan Tekan (liter/detik) c. Tenaga Penggerak Pompa (Kw)
Penyelesaian : Q = 270 liter/menit = 4,5 dm3/det S = 2D
n = 90 rpm η m = 90%
η v = 95%
d = 0,7 D
H + Hl = 50 mka
a. Perhitungan ukuran komponen Pompa 2 = π . D .2 D . n
Kapasitas Pompa
240
Diameter Piston D = Langkah Piston
3
240xQ 2.π .n
3
=
S = 2D
240 x 4 , 5 2.3,14.90
= 1,241 dm = 125 mm
= 2x125
Diameter batang Piston d = 0,7D = 0,7 x 125
= 250
mm
= 87,5
mm
b. Kapasitas Isap dan Tekan Pompa 2 2 Kapasitas Isap Qi = π .( D − d ).S .n =
240
2 Kapasitas Tekan Qt = π .d S .n
=
240
3,14.(1, 252 − 0 ,8752 ).2 , 5.90 240
3,14.0 ,8752.2 , 5.90 240
= 2,35 liter/det
= 2,25 liter/det
c. Tenaga Penggerak Pompa Tenaga Penggerak Pompa Np = Np =
Q . ρ . g .( H + Hl ) η v .η m 4, 5 x1 x 9,81x 50 0 , 95 x 0 , 90
Np = 2,582 Kw
= 2581,58 watt
26
2.7 Perhitungan Ukuran Utama Pompa Torak Konstruksi umum pompa torak berbentuk selinder dan didalamnya terdapat torak/piston dan batang torak. Pompa ini harus mampu menampung sejumlah fluida yang bertekanan sesuai kebutuhan 1. Perhitungan Diameter didasarkan pada kapasitas pompa yaitu: a. Pompa Kerja Tunggal Diameter Piston Kerja Tunggal/Diferensial b. Pompa Kerja Ganda
(m) dimana d = (0,4 – 0,7) D,
Bila diambil d = 0,5D maka harga diameter piston dapat ditentukan : Diameter piston kerja Ganda dimana : D diameter piston / selinder d diameter batang piston S langkah gerak piston n putaran mesin penggerak ηv efisiensi volumetrik
(m) (m) (m) (m) (rpm) (%)
2. Perhitungan Tebal Selinder didasarkan pada tekanan yang bekerja yang mengakibatkan timbulnya tegangan tarik pada dinding yang besarnya dapat diuraikan sebagai berikut :
σ t = FA ≤ σ ti z i n F =PxDxL
F
A ≥ σ tizin A =2xtxL
27 P . D. L
P. D
2xtxL ≥ σ ........ t ≥ 2.σ ... untuk mencegah ketidak rata-an, tizin tizin korosi dan faktor penyusutan maka harga tersebut ditambah 0,5 cm. Tebal Selinder berdinding tipis
(Cm)
Untuk selinder berdinding tebal, dapat menggunakan Rumus menurut Bach Tebal selinder berdinding tebal Keterangan : t ; tebal dinding selinder
( Cm )
P = ρ.g. Hman : tekanan kerja pompa
(Kg/cm2)
D : diameter dalam selinder
( Cm )
R1 : Jari-jari dalam selinder
( Cm )
R2 : Jari-jari luar selinder
( Cm )
σtizin : Tegangan tarik izin bahan selinder
(Kg/cm2)
σtizin Besi tuang 150 – 250
(Kg/cm2)
σtizin Baja tuang 350 – 550
(Kg/cm2)
3. Perhitungan Batang Piston,
alat ini berfungsi untuk meneruskan gaya
dorong mesin penggerak ke piston guna menekan dan mengisap fluida. Besarnya gaya dorong yang dibutuhkan dapat dihitung sebagai berikut : Gaya dorong
2 F = A x P = π4 .D .ρ .g .H t
(N)
Gaya ini menimbulkan tegangan tekan pada batang piston yang besarnya : Tegangan tekan
σ d = Fa ≤ σ tiz i n
2 a = π4 d dengan mensub-
stitusikan ke dua persamaan tersebut maka diperoleh ukuran diameter : Diameter batang piston
(m)
Untuk menjaga supaya batang piston tidak bengkok / buckling, maka gaya dorong yang terjadi harus lebih kecil dari gaya buckling yang besarnya
28
F b=
menurut Euler adalah :
π 2 .E.I v . L2
≥F
Jadi Panjang batang Piston
Keterangan : L
: panjang batang piston
E
: modulus elastis bahan Besi-Baja Tuang (20 – 22).105 (Kg/cm2)
F
: gaya dorong piston
v
: vaktor keamanan untuk gaya bolak-balik (4 – 8 )
I y
( cm ) ( Kgf )
= A.y2 momen inertia
(cm4 )
: radius of gyration (jari-jari gyrasi) yang harganya adalah : y=
I A
untuk benda bulat
Jadi, jari-jari girasi
π I = 64 .d 4 dan A = π4 .d 2
d
y = 4
Faktor kelangsingan batang piston
λ=
L y
yang harganya adalah
Besi tuang ≥ 90 dan Baja tuang ≥ 135.
Contoh Pompa Diferensial mempunyai randemen hidraulis 85 %, volumetrik 95 % dan mekanik 90 % digunakan untuk memindahkan air 19 liter/det dari reservoir ke gedung lantai 12 yang tingginya 42,5 m. Langkah piston dua kali diameternya dan panjang batang piston 750 mm. Putaran mesin uap sebagai penggerak pompa 90 rpm. Bahan komponen pompa dari baja tuang. Hitunglah : a. Diameter dalam selinder
( mm )
b. Tebal selinder
( mm )
c. Diameter batang torak
( mm )
d. Kapasitas langkah isap dan tekan
(liter/det)
e. Tenaga yang dibutuhkan
( Kw )
Penyelesaian
29 H = 42,5 m
ηh = 0,85
S = 2.D
σtizin Baja tuang
ηv = 0,95
Qe = 19 lit/det
L = 750 mm
ηm = 0,90
n = 90 rpm
350–550 (Kg/cm2) = 350
(Kg/cm2)
a. Diameter dalam Selinder (D) Kapasitas Pompa Diferensial D=
3
240.Q 2.π .n.η v
=
3
S = 2.D
240.19 2.3,14.90.0 ,95
Qe
Q= η v
= 2,04 dm = 204 mm
Diameter torak = diameter dalam selinder
D = 204 mm
b. Tebal Selinder (t) ( cm )
ρ .g. ηHh
P = ρ.g.H =
= 1000 x 10 x 42,5/0,85
P = 500000 N/m2 = 5 Kgf/cm2 Jadi tebal selinder
t≥
5.2 0, 4 2.3 5 0
D = 20,4 cm σtizin = 350 kgf/cm2
+ 0,5 ≥ 0,65
cm
= 7 mm
Menurut Bach R2 = 10,2
350+ 0 , 4.5 350−1, 3.5
T = 10,33 – 10,2
= 10,33 cm = 0,13 cm = 1,3 mm
Dari ke dua perhitungan di atas lebih aman menggunakan t = 7 mm c. Diameter Batang Torak (d) F = AxP = π
4
D 2 .P = 0,785 x 20,4
2
x 5 = 1633,43 (Kgf)
d≥ Berdasarkan Pompa Diferensial
4.1633, 43 3,14.350
≥ 2,44 Cm
d = 0,71.D = 0,71.20,4 = 14,5 cm
30 Jadi lebih aman menggunakan d = 145 mm, mengingat panjang batang piston = 750 mm, apakah kuat terhadap buckling ? ( syarat F ≤ Fb )
F b=
π 2 .E .I v. L2
3,14 2.2.10 6.0.05.14, 5 4
≥F
8.752
≥ 1633,43
4606,62 ≥ 1633,43 jadi sangat aman terhadap buckling
d. Kapasitas Isap dan Tekan Pompa Diferensial Kapasitas Isap b Qi =
π .( D 2 − d 2 ).S .n 240
2 Kapasitas Tekan Qt = π .d S .n
240
=
=
3,14.( 2 , 042 −1, 452 ).4 , 08.90 240
3,14.1, 45 2.4 , 08.90 240
= 9,9 lit/det
= 10,1 liter/det
e. Tenaga yang dibutuhkan (Np) N = Q x ρ x g x Ht
watt
N = 20 x 1 x 10 x 50
= 10000 watt
N = 10 Kw jadi tenaga yang dibutuhkan
Np =
10 0,9 9
= 1 1,1K w
2.8 Tugas Diskusi 1. Jelaskan keuntungan pompa Diferensial bila dibandingkan dengan pompa kerja tunggal ! 2. Jelaskan keuntungan dan kerugian pompa torak kerja ganda ! 3. Jelaskan 10 jenis dan fungsi komponen utama pompa torak ! 4. Dalam berita di TV, tabung selinder suatu pompa torak pecah, coba anda Jelaskan arah pecahnya tabung tersebut, apakah memanjang atau melintang ! dan jelaskan kemungkinan faktor-faktor penyebabnya ! 5. Dalam manual sebuah pompa torak kerja ganda yang mempunyai spesifikasi bahan dari baja tuang, kapasitas efektif 18 m3/jam dan head total 50 meter. Dengan mengambil referensi Randemen mekanik 85 %, volumetrik 90 %,
31 hidraulis 88 %, langkah piston dua kali diametrnya dan putaran penggeraknya 120 rpm ,maka rencanakan ukuran utama pompa tersebut !
BAB III POMPA SENTRIFUGAL 3.1 Komponen Pompa Sentrifugal Adapun jenis dan fungsi komponen utama pompa sentrifugal dapat dikelompokkan menjadi dua komponen utama yaitu Rotor dan Stator yang dapat dijelaskan sebagai berikut :
Gambar 3.1 Komponen utama Pompa Sentrifugal
32 A. Komponen yang bergerak (Rotor) 1. Impeler (sudu-sudu) berfungsi untuk mengubah energi kinetis/putar poros menjadi energi potensial sehingga menarik dan melemparkan
fluida
dengan gaya sentrifugal yang timbul akibat adanya massa fluida
dan
putaran. 2. Shaft
(Poros) berfungsi untuk meneruskan putaran dan torsi dari mesin
penggerak ke impeler. 3. Impeler Nut ( Mur Sudu) berfungsi untuk mengikat impeler pada ujung poros 31 4. Key (Pasak) berfungsi untuk mengunci impeler pada poros 5. Radial bearing berfungsi untuk menahan gaya radial yang timbul akibat adanya berat rotor dan memperkecil gaya gesekan sehingga memperlancar gerak putar rotor itu sendiri 6. Thrust bearing berfungsi untuk menahan gaya aksial yang ditimbulkan oleh penguraian gaya sentrifugal pada kelengkungan konstruksi impeler dan juga memkecil gaya gesek pada poros B. Komponen yang diam (Stator) 1. Pump Casing (Rumah Pompa) merupakan bagian paling luar dari pompa yang berfungsi sebagai pelindung elemen yang berputar, tempat kedudukan inlet dan outlet flange serta tempat memberikan arah aliran dari impeller dan mengkonversikan energi kecepatan cairan menjadi energi dinamis 2. Inlet / Suction berfungsi sebagai saluran masuk/isap fluida ke dalam pompa 3. Outlet / Discharge berfungsi sebagai saluran keluar/tekan fluida 4. Suction Flange berfungsi sebagai tempat penyambungan pipa inlet ke rumah Pompa 5. Discharge Flange berfungsi sebagai tempat penyambungan pipa outlet/tekan ke rumah pompa 6. Casing Cover berfungsi sebagai tutup impeler dan penahan/pengarah aliran fluida pada saat pompa beroperasi 7. Casing Wear Ring berfungsi untuk memperkecil kebocoran cairan yang melewati bagian depan impeller maupun bagian belakang impeller, dengan cara memperkecil celah antara casing dengan impeller.
33 8. Cooling Jacket merupakan ruangan ventilasi untuk pendingin cover dan rumah pompa pada saat beroperasi 9. Casing Drain Conecting adalah tempat penyambungan pipa cerat ke rumah pompa yang biasanya dalam waktu-waktu tertentu dibuka guna membuang kotoran yang mengendap di dalam pompa 10.Botton Feet (Landasan Kaki) merupakan dudukan rumah pompa berfungsi sebagai tempat pemasangan pompa pada fondasinya 11.Seal Flushing Pipe adalah pipa penghubung antara outlet dan ruang operasi yang berfungsi untuk pelepas tekanan fluida yang berlebihan antara kedua ruang tersebut. 12.Bearing Bracket adalah rumah tempat pemasangan bearing aksial / radial 13.Bearing Cover adalah tutup bearing yang berfungsi untuk menahan dan menutup bearing supaya bearing tetap pada posisi dan bebas dari debu 14.Bearing Bracket Support berfungsi sebagai pendukung rumah bearing 15.Oil Chamber berfungsi sebagai wadah dan tempat pembuangan minyak pelumas antara poros dan bearing 16.Oil / splash seal biasanya dipasang pada ujung poros guna mencegah kebocoran oli pelumas bearing melalui poros yang sedang berputar 17.Shaft Protection Sleeve berfungsi untuk melindungi poros dari erosi keausan maupun untuk mencegah gerak aksial yang akan terjadi 18. Mechanic Seal berfungsi untuk mencegah kebocoran fluida melalui poros 3.2 Prinsip Kerja Pompa Sentrifugal Bila dilihat dari samping gambar di atas maka bentuk impeler adalah bulat dan bersirip seperti gambar di bawah ini. Ketika motor penggerak pompa dihidupkan maka poros meneruskan putaran ke impeler sehingga fluida masuk melalui lubang inlet dan disentuh oleh sirip impeler. Fluida yang berada diantara sirip-sirip impeler akan terlempar keluar akibat gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh putaran impeler tersebut. Terlemparnya fluida keluar secara otomatis akan terjadi isapan fluida melalui saluran inlet. Peristiwa ini akan terus berlangsung selama motor penggerak pompa dihidupkan sehingga terjadi aliran paksa terhadap fluida mulai dari reservoir sampai keluar pompa.
34
Gambar 3.2 Konstruksi Impeler Poros dan Impeller pada pompa sentrifugal didukung dengan bantalan pada kedua ujung porosnya ataupun hanya salah satu ujungnya saja. Pada pemasangan satu bantalan menghemat satu seal tetapi akan terjadi peningkatan dari lendutan/defleksi pada poros, sedangkan lainnya sama. Untuk meningkatkan kapasitas dapat di buat impeller dengan double suction, ini juga berguna untuk menyetimbangkan gaya axial yang terjadi. Untuk memenuhi kebutuhan akan total head yang tinggi maka dapat di konstruksikan dengan pemasangan inpeller lebih dari satu atau jamak (multi-stage). Untuk membantu menghilangkan gaya axial dari impeller jamak tersebut maka dapat dilakukan pemasangan impeller dengan posisi berlawanan (back to back).
a. Poros dengan satu Bantalan
b. Poros dengan dua Bantalan
35
c. Impeler bertolak Belakang
d. Impeler Multi Stage
Gambar 3.3 Jenis-jenis Pompa Sentrifugal
3.3 Perhitungan Head dan Tekanan Pompa sentrifugal adalah salah satu tipe pompa yang bekerja menurut gaya sentrifugal yaitu gaya yang timbul akibat adanya massa yang berputar dan arahnya keluar tegak lurus meninggalkan sumbu putar. Massa yang dimaksud dalam hal ini adalah massa fluida yang masuk ke dalam impeler yang sedang berputar. Gaya lempar fluida yang terjadi yang lebih umum disebut gaya sentrifugal yang besarnya adalah : Gaya sentrifugal Fsf = m. ω . R2
(N) dan
ω = 2. π . n
rad/menit
Akibat gaya ini maka timbul percepatan yang meningkatkan kecepatan dan berubah menjadi energi kinetis Ek = ½. m . V2 joule. Sesuai dengan bentuk casing dan fungsi pompa maka energi kinetis fluida ini berubah menjadi energi potensial Ep = m . g . H joule. Menurut Hukum Kekekalan Energi :
Ek = Ep
jadi Head (Tinggi tekan)
meter, ini berarti bahwa
tinggi angkat fluida pada pompa sentrifugal merupakan fungsi kuadrat dari kecepatan putar impelernya. Tinggi angkat ini berkaitan langsung dan sebanding dengan dengan tekanan pompa yaitu : Tekanan Pompa Sentrifugal
( Pa )
36 Keterangan , Fsf Ek Ep H Psf m V ω n ρ
: : : : : : : : : :
gaya sentrifugal fluida energi kinetik energi potensial tinggi angkat/tekan pompa Tekanan pompa massa fluida kecepatan keliling/putar impeler kecepatan sudut impeler jumlah putaran impeler massa jenis fluida
(N) (joule) (joule) (mka) (Pa) ( Kg ) (m/det) (rad/det) (rpm) (Kg/m3)
Contoh Pompa sentrifugal mempunyai diameter impeler 300 mm berputar pada 1200 rpm, tentukanlah tinggi angkat dan tekanan impelernya bila randemen hidraulis 80 % dan massa jenis air yang dipindahkan 1 Kg/liter ? Penyelesaian D = 300 mm = 0,3 m
n = 1200 rpm ηh = 0,8
ρ = 1 Kg/liter = 1000 Kg/m3
Kecepatan keliling sudu V = π.D.n / 60 = 3,14 x 0,3 x 1200 / 60 = 18,84 m/det = (18,84)2 : (2 x 10) = 17,75 mka
Tinggi angkat = Tinggi angkat efektif
H =ηh xH
= 0,8 x 17,75
= 14,20 mka
Tekanan fluida pada impeler Psf = 1000 x 10 x 17,75 = 177500 Pa
3.4 Kerja Spesifik dan Tinggi Angkat Perpindahan energi sudu terjadi pada saat sudu diputar dimana fluida masuk di bagian dalam dengan kecepatan relatif
ω1 dan arah θ2 θ1 .
Kecepatan relatif ini merupakan resultan dari kecepatan V1 fluida mengalir ke dalam sudu dengan kecepatan U1 keliling sudu. Pada saat sudu berbutar ω 1 bergerak menelusuri sisi sudu dan keluar dengan kecepatan relatif ω2 dengan arah θ2 . Karena adanya gesekan antara fluida dan sisi sudu maka harga ω2 dapat dirumuskan : ω2 = ϕ Gabungan atau resultan antara ω2 dan 1. ω 1. U2 menghasilkan kecepatan V2 fluida keluar sudu.
37
Gambar 3.4 Segi tiga Kecepatan Adapun harga parameter diatas dapat dijelaskan sebagai berikut : Kecepatan keliling sudu bagian dalam U1 =
π . D1 .n 60
Kecepatan fluida masuk sudu
K a pasitas (Q ) Ai
Luas saluran sudu bagian dalam
V1 =
Ai = π.D1. b1 . z
(m/det) (m/det) ( m2 )
Arah / sudut masuk fluida secara teoritis α1 = 900 tapi karena ada faktor gesekan maka
α1 ≥ 900 , jika diambil 900 maka harga ω1 dapat
menggunakan Rumus Phitagoras, tapi bila > 900 maka dapat menggunakan Aturan Cosinus. Besaran dari sudut-sudut di atas dapat ditentukan sebagai berikut :
α1 ≥ 900 θ1 = didapat dari hitungan
α2 = 5 - 120 Pompa dengan saluran pengarah (Bertingkat) α2 = 10 - 250 Pompa tanpa saluran pengarah ( 1 tingkat ) θ2 = 25 – 320 π . D2 .n 60
Kecepatan keliling sudu bagian luar
U2 =
Kecepatan relatif fluida keluar sudu
ω2 = ϕ 1. ω 1.
(m/det) (m/det)
Kecepatan keliling sudu bagian luar mempunyai batasan sesuai dengan bahan yang digunakan antara lain adalah sebagai berikut : U2
= 35 meter/detik untuk Besituang Kelabu
U2
= 60 meter/detik untuk Perunggu Tuang
U2
= 70 meter/detik untuk Logam ringan
U2
= 80 meter/detik untuk Baja tuang
38
Koefisien gesek antara fluida dan sirip sudu ϕ 1 = 0,95 – 0,98
Dengan menggunakan Aturan Cosinus maka didapat harga kecepatan V 2 fluida keluar sudu. Komponen Kecepatan fluida yang berpengaruh terhadap tenaga gerak pompa adalah V1x = V1u = V1 . Cos α1 = 0 V2x = V2u = V2 . Cos α2 Menurut kaidah Momentum, akibat adanya putaran akan menimbulkan Momen puntir (Torsi) yang besarnya adalah : dVu dt
T = F x R = m. a . R = m . R . m
T = t
( R2V2u − R1V1u )
Torsi ini dihasilkan oleh tenaga penggerak yang besarnya adalah : Tenaga Pompa N = T x ω
dimana kecepatan keliling U = R x ω
N = ω x mt ( R2V2u m
N= t
− R1V1u )
(U 2V2u − U 1V1u )
jika ruas kiri dan kanan dibagi
.
m=
Tenaga Spesifik
m t
massa setiap detik, maka diperoleh
( Nm/Kg)
Tenaga Spesifik adalah tenaga yang dibutuhkan untuk memindahkan 1 Kg fluida. Kerja spesifik berkaitan langsung dengan tinggi angkat pompa yang harganya menurut Euler adalah
Y= g.H
Tinggi angkat, Persamaan Euler
(mka)
Dari persamaan Euler tersebut dapat dijelaskan bahwa tinggi angkat berlaku untuk semua jenis fluida tanpa tergantung pada kerapatan/massa jenis. Bila
39 memperhitungkan massa jenis setiap fluida maka tinggi angkat ini berubah menjadi tekanan yang besarnya dapat dirumuskan sebagai berikut : Tekanan Pompa
P=ρ.g.H
(Pa)
1 bar = 10.000 Pa
Keterangan, Y : kerja spesifik (Nm/kg)
U1/2 : kecepatan keliling dalam/luar sudu m/det
H : tinggi angkat ( mka )
V1/2 : kecepatan fluida masuk/keluar sudu m/det ρ : massa jenis fluida (kg/m3)
P : tekanan pompa (Pa)
g ; gravitasi bumi
(m/det2)
3.5 Tenaga dan Efisiensi Pompa Tinggi angkat merupakan faktor utama dalam penentuan ukuran dan tenaga pompa. Dari uraian sebelumnya telah dijelaskan bahwa besarnya tenaga dapat dihitung dengan persamaan : Tenaga Pompa
watt
Dalam pengoperasian pompa terdapat berbagai jenis kerugian seperti tinggi angkat , volumetrik dan mekanis sehingga menurunkan efisiensi secara keseluruhan. Jenis-jenis efisiensi yang terjadi pada pompa adalah : 1. Efisiensi Hidraulis
ηh =
H Hm a n
2. Efisiensi Volumetrik
η v=
Qe Q
3. Efisiensi Mekanis
ηm =
4. Efisiensi Pompa
x1 0 %0
x1 0 0%
N Np
x1 0 % 0
η p = ηh xηv xηm x100 %
Harga Efisiensi hidraulis dan mekanik tergantung pada kecepatan putar spesifik yang besarnya adalah :
40
Gambar 3.5 Grafik Kecepatan putar Spesifik dan Randemen Tabel 3.1 Hubungan antara Kecepatan Putar Spesifik dan Randemen Hidraulis
(nq) adalah kecepatan spesifik yaitu kecepatan putar yang dibutuhkan untuk menghasilkan tinggi angkat Hq = 1 meter dengan kapasitas Q = 1 m3/det Harga (nq) ini berpengaruh terhadap pemilihan bentuk impeler yang digunakan apakah impeler tekanan tinggi atau rendah.
Contoh Sebuah pompa sentrifugal mempunyai
kapasitas efektif
126 m3/jam dengan putaran 1450 rpm dan Randemen Volu metrik 95 %.
Dari hasil pengukuran impelernya terdapat
data seperti gambar disamping Hitunglah : a. Kerja Spesifik (Y)
Nm/Kg
41 b. Tekanan Kerja Pompa (P)
Pa
c. Tenaga Penggerak Pompa (Np)
Kw
(Data lain lihat Referensi ) Penyelesaian Qe = 126 m3/jam = 0,035 m3/det n
= 1450 rpm
D1 =100 mm = 0,10 m b1 = 30 mm = 0,03 m
ηv = 0,95
D2 =220 mm = 0,22 m b2 =12 mm = 0,012m
a. Kerja Spesifik (Y) Kecep. Keliling sudu bagian dalam U1 =
π . D1 .n 3,14.0 ,10.1450 = = 7,59 m/det 60 60
Kecep. Keliling sudu bagian luar
π . D2 .n 3,14.0 , 22.1450 = = 16,94 m/det 60 60
Kapasitas pompa
Q=
Qe ηv
U2 =
0 , 035
= 0,037 m3/detik
= 0 ,95
Luas saluran masuk sudu A1 = π.D1.b1.z = 3,14 x 0,10 x 0,03 x 6 A1 = 0,057 m2 Kecepatan fluida masuk sudu
V1 =
Q A
=
0 , 037 0 , 057
= 0,65 m/det
Bila sudut masuk α1 = 900 maka V1u = V1 . Cos 900 = 0,00 m/det Kecepatan Relatif masuk sudu ω1 = U 1 2 + V1 2 ω1 Sudut masuk relatif θ1 =
V1 U1
arctg
7,59 2 +0,65 2
=
=
a rctg70,,65 59
=
7,62 m/det
= 4,90
Kecepatan Relatif keluar sudu ω2 = ϕ 1. ω 1
ϕ 1 = 0,95 – 0,98
ω2 = 0,95 . 7,62 = 7,24 Sudut Relatif keluar sudu
θ2 = 25 – 320
Kecepatan fluida keluar sudu V2 =
m/det
diambil 300
ω2 2 + U 2 2 − 2.ω2 .U 2 Cos 30 0
V2 = 7,24 2 +16 ,94 2 V2 = 11,27 m/det
−2.7,24 .16 ,94 .0,866
42
(
U 22 + V22 − ω 22 2.U 2 .V2
α 2 = a rcC o s
Sudut fluida keluar sudu
(
2
) 2
2
α 2 = a rcC o 1s6,942.1+61,91,42.171,−277, 2 4
)
α2 = 18,750 dapat diterima karena α2 = 10 - 250 Pompa tanpa saluran pengarah ( 1 tingkat )
Bila sudut α2 = 18,750 maka V2u = V2 . Cos 18,75 = 11,75 x 0,9469 V2u = 11,13 m/det Jadi Kerja Spesifik Y = (16,94 x 11,13 - 7,59 x 0 ) = 188,54 Nm/Kg b. Tekanan Kerja Pompa ρair = 1000 Kg/m3 Jadi Tekanan Kerja Pompa P = 1000 x 188,54 = 188540 Pa c. Tenaga Penggerak Pompa (Np) Tinggi angkat H = Yg
=
1 88,54 10
= 1 8,8 5 4
Putaran spesifik
meter =
0 , 037 4 18 ,854 3
x 1450 = 30,83 rpm
Jika nq = 30,83 rpm dan Q = 0,037 m3/det , maka dari Tabel 2.2 dan Gambar 3.4 didapat : ηh = 0,96 dan ηm = 78 % Tenaga Pompa
= 1000 x 10 x 18,854 x 0,037 N = 6975,98 watt N
Tenaga Penggerak Pompa Np = η .η h m
6975, 98
= 0 ,96.0, 78
Np = 9316,21 watt = 9,4 Kw
3.6 Perencanaan Dasar Ukuran Utama Pompa Secara umum perencanaan ukuran utama dari pompa sentrifugal didasarkan pada tinggi angkat dan kapasitas yang diperlukan. Dari parameter
43 ini maka dapat ditentukan tenaga pompa yang mana harganya lebih kecil dari tenaga penggeraknya. Perbandingan ke dua tenaga ini disebut Randemen mekanik yang dapat dirumuskan sebagai berikut : Tenaga Penggerak Pompa Tenaga Pompa
( watt ) N = ρ . g . Hman . Q
( watt )
Tenaga pompa sama dengan tenaga mekanik porosnya N = Nmp = F x V watt .π .2 R . n N = F60 .1000 Kwatt, sedangkan Torsi T = F x R dari persamaan tersebut
didapat harga Torsi :
( Nm )
1. Perhitungan Diameter Poros Poros berfungsi sebagai tempat pemasangan impeler dan sekaligus sebagai penerus putaran dari motor penggerak. Akibat berat dan gaya sentrifugal impeler akan menimbulkan tegangan bending sedangkan akibat putaran motor akan menimbulkan tegangan geser puntir. Karena hal tersebut maka perhitungan ukuran didasarkan pada : a. Diameter poros berdasarkan Torsi b. Diameter poros berdasarkan Bending τ pi = (0,5 − 0,8)σbi
Bahan poros dapat diambil dari Baja yang mempunyai tegangan puntir izin : Pompa satu tingkat ringan
τpi = 20 N/mm
Pompa bertingkat ringan
τpi = 15 N/mm2
Pompa bertingkat berat
τpi = 10 N/mm2
Untuk mendapatkan perhitungan diameter poros yang lebih aman maka dapat menggunakan resultan dari pengaruh torsi dan momen bending. Dari hasil perhitungan diameter maka dilakukan penyesuaian dengan standar bearing, alur pasak dan jari-jari (fillet) maupun teknik assembling sehingga didapat gambar poros yang diinginkan.
44
Gambar 3.6 Poros Pompa 2. Perhitungan Diameter Impeler Banyak tipe sudu yang dijumpai dilapangan, tapi secara umum dapat dibagi tiga yaitu tipe terbuka, semi terbuka dan tipe tertutup yang masing-masing mempunyai kekurangan dan kelebihan sesuai dengan kebutuhannya.
a. Terbuka
b. Semi Terbuka
c. Tertutup
Gambar 3.7 Tipe Impeler Dalam perencanaan Ukuran Impeler tergantung pada ukuran poros yang harganya dapat dijelas kan sebagai berikut : Diameter dalam inlet DN = (1,2 – 1,4 ) D Diameter luar inlet DS = D1 = Diameter luar outlet
D2 =
4.Q ' π .V 0
+ DN 2
60.U 2 π .n
Q’ = (1,02 – 1,05 ) Q karena ada sebagian fluida kembali ke saluran inlet melalui celah-celah casing. Vo : kecepatan aliran fluida masuk mulut/ inlet pompa yang harganya dapat diperoleh dari Grafik Kapasitas dan Putaran pada Gambar 3.8 Harga U2 tergantung pada bahan impeler , lihat penjelasan pada poin 2.4
45
Gambar 3.8 Grafik Kapasitas dan Putaran 3. Perhitungan Lebar Impeler Ukuran lubang saluran sudu (t) dibatasi oleh dinding yang tebalnya (s) : s = (2 – 10) mm untuk Besi tuang s = (3 - 6 ) mm untuk Logam non Ferro Karena hal tersebut maka terjadi penyempitan yang menimbulkan peningkatan kecepatan masuk sudu. Faktor penyempitan dapat ditentukan:
δ=
t (t − s )
untuk saluran inlet saluran outlet
δi = 1,1 - 1,2 δo = 1,03 – 1,08
Kecepatan fluida masuk sudu V1 = δi x Vo dan
V2 = δo x V2m
Luas saluran inlet A1 = (t-s) . b1 . z Lebar saluran inlet Lebar saluran outlet Fungsi sudu adalah mengarahkan aliran fluida dari arah aksial menjadi arah radial yang tegak lurus poros. Semakin banyak sudu semakin baik arah aliran tetapi meningkatkan faktor gesekan antara fluida dengan dinding sudu. Jumlah sudu ini dipengaruhi oleh perbandingan diameter inlet dan outlet maupun jumlah sudut relatif yang harganya dapat ditentukan melalui grafik berikut ini.
46
Gambar 3.9 Grafik Sudut Relatif dan Jumlah Sudu
Contoh Rencanakanlah ukuran utama ( Diameter poros dan ukuran Impeler) pompa sentrifugal yang dapat menghasilkan kapasitas 300 m3/jam dan tinggi angkat total 120 meter pada putaran 1450 rpm , bahan sudu diambil dari besi tuang ! Penyelesaian : a. Jumlah Tingkat / Impeler Kapasitas fluida
Q = 300 m3/jam = 0,083 m3/detik
Tinggi angkat bila 1 tingkat
H = 120 meter
Kecepatan Spesifik
=
0 , 083 4 120 3
x1450
nq = 11,5 permenit Bila nq = 11,5 maka tipe impeler yang dipakai adalah Impeler Tekanan tinggi H’ = 100 meter nq = 11,5 dan Q = 0,083 m3/detik didapat ηm = 74 %
Jumlah tingkat
i = H : H’ = 120 : 100 = 1,2 dibulatkan menjadi 2 tingkat,
berarti tinggi angkat satu impeler H = 120 : 2 = 60 meter.
47 Kecepatan Spesifik
Bila nq = 19
=
0 , 083 4 603
x1450 = 19 permenit
dan 2 tingkat maka tipe impeler yang dipakai adalah Impeler Tekanan tinggi
nq = 19 dan Q = 0,083 m3/detik didapat ηm = 77 % b. Tenaga dan Torsi Pompa Tenaga penggerak pompa
=
ρ . g . H .Q 1000.η m
Np n
= 9,5 5.1 03 1145280
=
1000.9 ,81.120.0.083 1000.0 , 77
Np =128 Kwatt
Momen puntir / Torsi
T = 9,5 5.1 03
T = 843 Nm = 843000 Nmm
c. Diameter Poros Pompa bertingkat ringan τ pi =15
Diameter poros
d≥3
5,1 x 843 00 0 = 15
66 mm
Dengan penyesuaian standard bantalan dan pasak maka diambil D = 70 mm
d. Perhitungan Diameter Impeler Diameter dalam inlet DN = (1,2 – 1,4 ) D = 1,28 x 70 = 90 mm = 0,09 m Kapasitas fluida masuk impeler
Q’ = 1,05 x 0,083 = 0,087 m3/det
Dari Grafik Kapasitas Q’ = 0,087 m3/det dan n = 1450 rpm maka didapat harga kecepatan fluida masuk impeler
Vo = 3,5
m/det
48
Diameter luar inlet
4.Q ' π .V 0
DS = D1 =
+ DN 2
4 x 0 , 087 3,14 x 3, 5
=
+ 0,092
= 0,1994 m = 200 mm Diameter luar outlet
D2 =
60.U 2 π .n
Kecepatan keliling impeler U2 = 35 m/det untuk Besi tuang diambil 33 m/det 60 x 33
D2 = 3,14 x1450 = 0,435 m = 435 mm
e. Perhitungan Segitiga Kecepatan V1 = δi x Vo
Kecepatan fluida masuk sudu
→
δi = 1,1 - 1,2
V1 = 1,15 x 3,5 = 4 m/det Kecep. Keliling sudu bagian dalam U1 =
π . D1 .n 3,14 x 0 , 2 x1450 = 60 60
U1 = 15,2
m/det
Kecepatan Relatif masuk sudu ω1 = U 1 2 + V1 2 ω1 = 15,5 Sudut masuk relatif θ1 =
arctgUV11
=
=
15 ,2 2 +4 2
m/det
a rc tg1 54, 2
Kecepatan Relatif keluar sudu ω2 = ϕ 1. ω 1
= 14,70
ϕ 1 = 0,95 – 0,98
ω2 = 0,95 . 15,5 = 14,7 θ2 = 25 – 320
Sudut Relatif keluar sudu
→ 150
m/det
diambil 280
Dengan memperhatikan ketentuan sebelumnya dan menggunakan Aturan Sinus – Cosinus maka harga kecepatan fluida dan besar sudut lainnya didapat sebagai berikut :
α2 = 190
θ2 = 280
ω2 = 14,7
m/det
V2
= 24,5 m/det
U2 = 33
m/det
V2u = 24
m/det dan V2m = 6,9 m/det
49
f. Perhitungan Lebar Sudu Lebar saluran inlet
=
0 , 087x1,15 3,14x 0, 2 x 4
b1 = 0,0398 m = 40 mm Lebar saluran outlet
=
0, 087x1, 05 3,14 x 0 , 435x 6 , 9
b2 = 0,0097 m = 10 mm g. Perhitungan Jumlah dan Jarak Sudu Perbandingan D2 : D1 = 435 : 200 = 2,175 dan jumlah sudut relatif θ1 + θ2 = 150 + 280 = 430, maka dari Gambar 3.9 didapat jumlah sudu (z) =7 Jarak pembagian sudu (t) = Keliling impeler : jumlah sudu Jarak sudu inlet
ti =
π xD1 z
=
3,14x 200 = 89,7 mm 7
Jarak sudu outlet
to =
π xD2 z
=
3,14x 435 = 195 mm 7
→ 90 mm
Jadi dari perhitungan ukuran sudu-sudu diatas maka hasilnya dapat digambarkan berikut ini.
50
h. Pengecekan Tinggi Angkat setiap sudu (H1s) Tinggi angkat setiap sudu menurut Euler :
H1s =
(U 2V2 u − U 1 .V1u ) g
=
( 33 x 24− 0 ) 9 ,81
= 80,7 meter
Karena dari awal sudah ditentukan pompa sentrifugal 2 tingkat atau 2 impeler maka tinggi angkat total 2 x 80,7 meter = 161,4 meter berarti cukup memenuhi sebab > 120 meter walaupun sedikit boros. 3.7 Tugas Diskusi 1. Jelaskan perbedaan antara sudu dan impeler ! 2. Jelaskan pengertian dari Kerja spesifik pompa ! 3. Apa yang dimaksud dan manfaat Segitiga Kecepatan ! 4. Pompa sentrifugal tiga tingkat, bahan impeler besi tuang berputar pada putaran 900 rpm, D1 = 140 mm, D2 = 300 mm , jumlah sudu 6 buah dengan lebar b1= 36 mm dan b2 = 12 mm, data lain lihat ketentuan/standard pompa Hitunglah : a. Tinggi angkat Pompa b. Kapasitas efektif Pompa (m3/jam) bila ηv = 94 % c. Tenaga Penggerak Pompa
(Kwatt)
5. Rencanakanlah ukuran utama ( Diameter poros dan ukuran Impeler) pompa sentrifugal yang dapat menghasilkan kapasitas 280 m3/jam dan tinggi angkat total 140 meter pada putaran 1450 rpm , bahan sudu diambil dari besi tuang!
BAB IV KATUP POMPA 4.1 Fungsi dan Klasifikasi Katup Katup adalah salah satu komponen penting untuk menunjang proses kerja pompa. Katup (Valve) sering juga disebut klep yang berfungsi untuk
51 mengatur pemasukan dan pengeluaran fluida ke dalam atau keluar pompa. Katup dirancang untuk dapat bergerak secara otomatis tanpa adanya bantuan tenaga mekanis tetapi bekerja berdasarkan prinsip perbedaan tekanan yang timbul di bawah dan di atas katup itu sendiri. Bahan katup yang digunakan disesuaikan dengan tipe pompa maupun jenis fluida yang dibutuhkan. Pompa bertekanan dan suhu tinggi biasanya menggunakan bahan dari logam seperti perunggu, besi tuang, dan yang bertekanan dan suhu rendah menggunakan bahan bukan dari logam seprti karet, kulit, kanvas ataupun kayu. Setiap jenis pompa mempunyai tipe katup yang berbeda, bila ditinjau dari fungsinya maka katup dapat dibagi dua yaitu : a. Katup Isap, terbuka secara otomatis pada langkah isap yang berfungsi untuk mengatur pemasukan fluida ke dalam pompa dan akan tertutup pada langkah tekan guna mencegah kembalinya fluida ke posisi semula. b. Katup tekan, terbuka secara otomatis pada langkah tekan untuk mengatur pengeluaran fluida dari pompa ke arah outlet dan akan tertutup pada langkah isap guna mencegah kembalinya fluida ke dalam pompa, Bila ditinjau dari bentuk dasar geometrisnya maka katup dapat dibagi menjadi enam bentuk yaitu : 1. Katup Cakra Datar 2.
Katup Cakra Konis
3.
Katup Cincin Tunggal
4.
Katup Cincin Ganda
5.
Katup Engsel dan
6.
Katup Peluru (Bola)
4.2 Katup Cakra Datar
51 Tipe katup ini mempunyai bentuk seperti piringan yang mempunyai
permukaan rata. Pada saat langkah isap untuk katup isap dan langkah tekan untuk katup tekan, katup ini terbuka dan terangkat setinggi (h) sehingga fluida mengalir melalui saluran/pipa berukuran (d) dengan kecepatan C1 dan malui celah katup dengan kecepatan C2. Menurut Hukum kontinuitas maka berlaku :
52 Q1 = Q2
→ Q1 = A1 x C1 =
π 4
d 2 x C1
Q2 = A2 x C2 = π.d .h.C 2 Untuk menjaga kesetabilan aliran guna mencegah getaran maka diharapkan kecepatan fluida C1 = C2, jadi dengan mensubstitusikan ke dua persamaan tersebut didapat : π4
d 2 x C1 = π.d .h.C
2
harga tinggi angkat katup (hki) adalah :
Gambar 4.1 Katup Cakra Datar Tinggi angkat Katup Isap Dalam prakteknya, tinggi angkat katup isap banyak menggunakan rumus empiris yaitu hki = (0,1 – 0,2).d dan kecepatan fluida pada celah katup C2 = 1,5 m/det. Untuk katup tekan dapat dihitung menggunakan rumus : π 4
.D 2 xCpm = π .d .hkt .C 2
sehingga didapat harga
Tinggi angkat katup tekan
→
Cpm =
Keterangan, hki / hkt : tinggi angkat katup isap/tekan
π .S .n 60
(m/det)
(m)
D
: diameter engkol
(m)
d
: diameter lubang saluran
(m)
Cpm
: kecepatan piston maksimum
(m/det)
C1
: kecepatan fluida melalui saluran
(m/det)
53 C2
: kecepatan fluida melalui celah katup (m/det)
S
: langkah piston
(m)
Contoh Pompa torak berputar pada 120 rpm mempunyai langkah
S = 2 D dan
diameter torak 100 mm. Kecepatan fluida pada celah katup 1,5 m/det. Tentukanlah kecepatan maksimum torak dan diameter serta tinggi angkat katup! Penyelesaian : n = 120 rpm
D = 100 mm
S = 200 mm
a. Kecepatan piston maksimum
C pm =
π . S .n 60
C2 = 1,5 m/det
=
3,14.0, 2.120 = 60
1,256 m/det
b. Diameter dan tinggi angkat katup π 4
.D 2 xCpm = π .d .hkt .C 2 →
π 4
.0,12 x1,2 56= 3,1 4.d .0,2.d .1,5
Diameter katup
d=
Tinggi angkat katup
0, 01 0 , 9 42
hkt = diambil 0,2.d
= 0,103 m dibulatkan 105 mm
hk = 0,2 x d = 0,2 x 105
= 21 mm
4.3 Katup Cakra Konis Dengan jalan yang sama seperti perhitungan katup cakra di atas dengan sudut kemiringan katup α maka berlaku persamaan : π 4
.D 2 xCpm = π .d .hx .C2
54 hx = hkt. Sin α Tinggi angkat katup tekan (hkt)
Gambar 4.2 Katup Cakra Konis 4.4 Katup Cincin Tunggal
Gambar 4.3 Katup Cincin Tunggal Persamaan aliran fluida antara saluran isap dan dudukan katup :
[d
2 π 4 h
2
]
− π4 d b Ct = π4 .d 2 .C1
untuk menjaga kesetabilan aliran fluida maka
diupayakan Ct = C1 sehingga dh2 – db2 = d2, jadi harga diameter luar dudukan katup dapat dirumuskan : Persamaan aliran fluida antara celah katup dan dudukan katup : 2 . π . dg . hki . C2 = π . dg . a . Ct
untuk menjaga kesetabilan aliran fluida
maka diupayakan Ct = C2 sehingga didapat harga lebar lubang laluan
55
dudukan katup Persamaan aliran fluida antara pada pompa dan celah katup:
Contoh Sebuah pompa dengan putaran pompa penggerak 120 rpm. Perbandingan langkah dengan diameter piston 2,4. Kecepatan piston maksimum sama dengan kecepatan fluida melalui celah katup yaitu sebesar 1,5 m/det. Hitunglah a. Diameter dan langkah piston ! b. Tinggi angkat katup bila diameter tusuk dt = 156 mm c. Diameter luar dan dalam katup cincin bila s = 3 mm Penyelesaian n = 120 rpm
S = 2,4 D
Cpm = C2 = 1,5 m/det
a = 2 hki
a. Diameter dan Langkah Piston
C pm =
π . S .n 60
→
S=
60 xC pm π .n
=
60 x1, 5 3,14 x120
Langkah Piston
S = 0,239 meter dibulatkan 240 mm
Diameter Piston
D = S : 2,4 = 240 : 2,4
= 100 mm
b. Tinggi angkat Katup
hkt =
D 2 xC pm 8.d t .C 2
=
0 ,12 x1, 5 8.0 ,156 .1, 5
= 0,008 m = 8 mm
c. Diameter Katup Cincin Diameter dalam Cincin
di = dt - a – 2s
→ a = 2hkt = 16 mm s = 3 mm
di = 156 – 16 - 2x3 Diameter luar Cincin
= 134 mm
dl = dt + a + 2s dl = 156 +16 + 2x3
= 178 mm
56
4.5 Katup Cincin Ganda
Gambar 4.4 Katup Cincin Ganda Dengan prinsip yang sama seperti katup cincin tunggal maka aliran fluida pada cincin majemuk dapat digunakan persamaan : π 4
D 2 .C p m = 2.π .hk .C 2 .Σ d t
Σd t = d t1 + d t 2 + ... d tn
Rumus Empiris
dtn = dt1 + 2(n – 1).b
30≤ b ≤ 70 dan diameter tusuk terkecil
b
dt1 ≤ 70 mm
= 2(a + s)
din = dtn –a – 2s
a
= 2,25 hk
din = dtn –a – 2s
hk ≤ 10 mm
Kapasitas kecil
dln = dtn + a + 2s
hk = (10 – 15) mm
Kapasitas besar
Contoh Sebuah pompa torak mempunyai diameter piston 200 mm dan langkahnya 360 mm berputar pada 120 rpm. Kecepatan fluida melalui celah C2 = 1,5 m/det dan harga a = 2,25 hk, s = 2,5 mm dan tinggi angkat katup diambil 8 mm. Hitunglah a. Kecepatan piston maksimum
57 b. Diameter tusuk jika jumlah cincin 3 buah c. Diameter luar dan dalam cincin katup Penyelesaian D = 200 mm = 0,2 m
S = 360 mm = 0,36 m n = 120 rpm C2 = 1,5 m/det
Hk = 8 mm a = 2,25 hk = 2,25 x 8 = 18 mm s = 2,5 mm a. Kecepatan piston maksimum
C pm =
π . S .n 60
=
3,1 4.0 ,36.12 0 60
= 2,26 m/det π 4
b. Diameter tusuk katup 3,1 4 4
D 2 .C pm = 2.π .hk .C2 .Σ d t
.0,2 2.2,2 6 = 2.3,1 4.0,0 0 8.1,5.Σ d t
Σ dt =
0, 0 7 1 0,0 7 5 4
= 0,9 4 2m e te r= 942 mm
Dtn = dt1 + 2(n-1).b
0,071 = 0,0754 x Σd t Σd t = d1 + d 2 + d 3
→ b= 2(a+s) = 2(18 + 2,5) = 41 mm
dt1 = dt1 dt2 = dt1 + 2(2-1).41 = dt1 + 82 dt3 = dt1 + 2(3-1).41 = dt1 + 164 942 = dt1 + dt1 + 82 + dt1 + 164 = 3. dt1 + 246
d t1 =
9 4 2− 2 4 6 = 232 mm 3
dt2 = dt1 + 82
= 232 + 82 = 314 mm
dt3 = dt1 + 164 = 232 + 164 = 396 mm c. Diameter luar dan dalam cincin katup din = dtn – a – 2s
→ di1 = 232 – 18 – 2.2,5 = 209 mm di2 = 314 – 18 – 2.2,5 = 291 mm di3 = 396 – 18 – 2.2,5 = 373 mm
dln = dtn + a + 2s
→ dl1 = 232 + 18 + 2.2,5 = 255 mm dl2 = 314 + 18 + 2.2,5 = 337 mm dl3 = 396 + 18 + 2.2,5 = 419 mm
4.6 Katup Engsel
58
Gambar 4.5 Katup Engsel 4.7 Katup Peluru (Bola) Katup ini berbentuk bola dengan bidang sentuh yang relatif kecil, karena itu maka biasanya digunakan untuk fluida yang viskositas/kekentalannya tinggi.
Gambar 4.6 Katup Peluru
4.8 Jenis-jenis Kerugian Hambatan Dalam proses pemindahan fluida banyak hambatan yang harus dilalui misalnya adanya gesekan antara fluida dengan fluida, gesekan dengan dinding penghantar, adanya pengaruh turbulen karena belokan maupun perubahan
59 penampang (orifice). Pengaruh kecepatan dan percepatan aliran pun menimbulkan hambatan yang akan menurunkan kapasitas dan tinggi tekan pompa, Jenis-jenis hambatan ini dapat dipelajari dari mekanika fluida yang mana diantaranya dapat diuraikan secara singkat berikut ini. 1. Kerugian Hambatan karena Kecepatan Menurut Hukum kekekalan energi, Energi kinetik diubah menjadi energi potensial yang besarnya sama yaitu :
m.g.h = ½.m. V2
hv =
Kerugian tinggi tekan karena kecepatan
Data empiris V isap
V2 2. g
(mka) untuk air
→ hvi = 0,033 – 0,051 m/det → hvt = 0,051 – 0,100 m/det
= 0,8 – 1,0 m/det
V tekan = 1,0 – 2,0 m/det 2. Kerugian Hambatan karena Gesekan
Bila jumlah faktor hambatan gesekan (z) maka jumlah hambatan gesekan hg = z. hv Untuk pipa lurus, harga
zp =
→ λ .l d
hg = →
z .V 2 2. g
λ = 0,0 2 +
0, 0 1 8 V .d
Keterangan , hv : kerugian tinggi isap/tekan karena kecepatan
(m)
hg : kerugian tinggi isap/tekan karena gesekan
(m)
V : kecepatan aliran fluida
(m/det)
d : diameter pipa penghantar
(m)
l : panjang pipa penghantar
(m)
z : faktor hambatan karena gesekan
λ : koefisien gesek fluida
Tabel 4.1 Faktor Hambatan Elbow 90O
60
3. Kerugian Hambatan karena Percepatan
Pada saat piston bergerak kekanan, posisi engkol di titik A maka percepatan = 0 dan pada saat berada dititik B maka percepatannya dapat dihitung dengan diferensial sebagai berikut : Jarak tempuh Kecepatan Percepatan
α
→ α = ω.t maka V = dx/dt = - R. ω . Sin ω.t a = dv/dt = - R. ω2 . Cos ω.t → Cos ω.t = 1 maksimum,
X = R Cos
jadi Percepatan fluida dalam selinder maksimum amaks = R . ω2 Percepatan fluida dalam saluran Isap
aim a ks = AAi .R.ω 2
m/det2
Kebutuhan gaya untuk mengangkat fluida F = m . a = ha . Ai . ρ.g
m = hi. Ai. ρ
→ a = aimak
→
ha =
hi . Ai . ρ .a imaks Ai . ρ . g
Jadi kerugian hambatan karena percepatan ha =
hi g
.aimaks
61
Keterangan ha : kerugian hambatan karena percepatan
(m)
hi
(m)
: tinggi isap/jarak sumbu pompa ke permukaan fluida
ρ : massa jenis fluida
(Kg/m3) (m/det2)
aimaks : percepatan aliran fluida pada saluran isap A
( m2 )
: luas penampang piston
( m2 )
Ai : luas saluran isap Contoh
1. Sebuah pompa berkapasitas 30 m3/jam, diameter saluran isap 120 mm dan panjang pipa isap 15 m menggunakan 3 buah elbow 90o dan satu saringan yang faktor hambatannya zs = 2 , koefisien gesek λ = 0,024. Hitunglah : kecepatan fluida, kerugian hambatan karena kecepatan dan gesekan ! Penyelesaian
=
4.Q
a. Kecepatan pada saluran isap V1 = π .d 2 b. Kerugian hambatan karena kecepatan
4.30 3,14 .0 ,12 2.3600
hv =
V12 2. g
=
0 , 742 2.9 ,81
= 0,74 m/det
= 0,028 mka
c. Kerugian hambatan karena gesekan hg = z x hv Faktor hambatan karena panjang pipa
zp =
λ .l 0, 024.15 d = 0,12
=3
Faktor hambatan karena belokan pipa zb d = 120 mm dan R = 200 mm
d/R = 0,6 maka didapat zb = 0,18
Faktor hambatan karena saringan zf = 2 Jumlah faktor hambatan z = zp + zb + zf = 3 + 3.0,18 + 2 = 5,54 Kerugian hambatan karena gesekan hg = 5,54 . 0,028 2. Diketahui D = 110 mm
S = 280 mm
n = 90 rpm
d = 100 mm , panjang pipa isap hi = 0,8 m Ditanya : a. Kecepatan sudut engkol b. Percepatan air masuk pompa
= 0,154 mka
62 c. Kerugian karena percepatan Penyelesaian a. Kecepatan sudut engkol
ω=
b. Percepatan air masuk pompa
π .n 30
=
3,1 4.9 0 = 9,42 rad/det 30
aim a ks = AAi .R.ω 2 =
0 ,142 0 ,12
.0,14.9,422
a1maks = 24,35 m/det2
c. Kerugian karena percepatan
ha =
hi g
.aimaks =
0 ,8 9,81
.24,35
ha = 1,99 mka
3. Kerugian Hambatan Katup Sesuai dengan fungsinya maka katup harus dapat bergerak (terbuka dan tertutup) dengan mudah. Gaya berasal dari tekanan fluida harus lebih besar dari gaya pada katup supaya dapat terbuka. Gaya yang ada pada katup antara lain adalah : - Gaya berat katup (Wk) - Gaya berat pegas (Wp) - Gaya pegas
Fp = k . x
- Gaya gerak percepatan F = m . a
aim a ks = AAi .R.ω 2
- Gaya akibat berat fluida di atas katup A
Pb . Ak = Pa . Ak + Wk + Wp + Fp + m . A i
Kerugian hambatan katup hk = Pb - Pa
.R.ω 2 (mka)
4.9 Tugas Diskusi 1. Jelaskan jenis-jenis katup yang sering digunakan pada pompa ! 2. Dengan ukuran sama antara katup cakra datar dan konis, mana yang
63 lebih menguntungkan, jelaskan alasannya ! 3. Tentukan perbandingan tinggi angkat katup cincin tunggal dan ganda bila ukuran a, b dan dt1 sama ! 4. Jelaskan faktor-faktor hambatan pada pompa ! 5. Diameter dan Langkah torak masing-masing 120 mm dan 280 mm berputar pada 120rpm menggunakan katup cakra datar. Kecepatan fluida pada celah katup 1,5 m/det. Tentukanlah diameter dan tinggi angkat katup! 6. Sebuah pompa berputar pada 160 rpm menggunakan katup cincin tunggal. Perbandingan langkah dengan diameter piston S = 2,2 D. Kecepatan piston maksimum sama dengan kecepatan fluida melalui celah katup yaitu sebesar 1,5 m/det. Hitunglah a. Diameter dan langkah piston ! b. Diameter tusuk bila tinggi angkat katup 7,8 mm ! c. Diameter luar dan dalam katup cincin bila s = 2,5 mm 7. Pompa plunyer digunakan untuk menaikkan air 30 m3/det. Diameter dan panjang pipa isap masing-masing 120 mm dan 30 meter. Koefisien gesek λ = 0,025 dan hambatan saringan zs = 2. d/R = 1,2 Hitunglah : a. Kecepatan aliran fluida (m/det) b. Kerugian tekanan karena kecepatan (mka) c. Kerugian tekanan karena gesekan
(mka)
d. Kerugian tekanan karena percepatan (mka)
BAB V KOMPRESOR
64 5.1 Pengertian dan Fungsi Kompresor Kompresor adalah suatu alat untuk melayani udara bertekanan yaitu dengan cara mengisap udara luar dan mengkompreskannya ke dalam suatu sistem atau tabung. Alat ini banyak dijumpai dalam dunia industri/usaha misalnya mulai dari mengisi ban, pengecatan, penyediaan udara dalam proses pembakaran motor bakar, Boiler, Dapur Tinggi, sirkulasi udara pada sitem penyegaran/pendingin udara maupun sistem pengoperasian mesin produksi, robot pneumatik, otomisasi pada mesin-mesin industri dan lain sebagainya. Sistim udara tekan terdiri dari : bagian pemasokan yang terdiri dari kompresor dan sarana penunjangnya, bagian permintaan, yang terdiri dari sistim distribusi , penyimpanan dan peralatan pemakai akhir. Bagian pemasokan yang dikelola dengan benar akan menghasilkan udara bersih, kering, stabil dan siap dikirimkan dengan tekanan sesuai kebutuhan. Bagian permintaan yang dikelola dengan benar akan menggunakan udara bertekanan secara tepat dan efisien. Perbaikan dan pencapaian puncak kinerja sistim udara tekan memerlukan bagian sistim pemasokan dan permintaan dan interaksi diantara keduanya. Contoh interaksi antara pemasok dan pengguna udara bertekanan dapat digambarkan seperti pada Gambar 5.1 Sistim udara tekan terdiri dari komponen utama berikut : a.Filter Udara Masuk: Mencegah debu masuk kompresor; debu menyebabkan lengketnya katup/ kran, merusak silinder dan pemakaian yang berlebihan. b.Pendingin antar tahap: Menurunan suhu udara sebelum masuk ke tahap berikutnya untuk mengurangi kerja kompresi dan meningkatkan efisiensi. Biasanya digunakan pendingin air. c.After-Coolers: Tujuannya adalah membuang kadar air dalam udara dengan penurunan suhu dalam penukar panas berpendingin air. d.Pengering Udara: Sisa-sisa kadar air setelah after-cooler dihilangkan dengan menggunakan pengering udara, karena udara tekan untuk keperluan instrumen dan peralatan pneumatik harus bebas dari kadar air. Kadar air dihilangkan dengan menggunakan adsorben seperti gel silika/ karbon aktif, 64dari pengering kompresor itu sendiri. atau pengering refrigeran, atau panas
65 e.Traps Pengeluaran Kadar Air: Trap pengeluaran kadar air diguakan untuk membuang kadar air dalam udara tekan. Trap tersebut menyerupai steam traps. Berbagai jenis trap yang digunakan adalah kran pengeluaran manual, klep pengeluaran otomatis atau yang berdasarkan waktu dll.
Gambar 5.1 Gambaran Instalasi Kompresor
5.2 Prinsip Kerja Kompresor Salah satu tipe kompresor adalah kompresor torak seperti Gambar 5.2. Bila switch di tekan on maka motor Listrik hidup dan memutar poros engkol yang diujungnya dilengkapi dengan eccentric bearing. Gerak putar eccentric bearing akan diteruskan oleh conecting rod membuat piston diafragma bergerak naik turun. Pada saat piston bergerak turun (langkah isap) maka tekanan dalam ruang selinder turun menyebabkan udara masuk melalui air filter- inlet port – inlet valve ke dalam ruang selinder. Pada saat piston bergerak ke atas (Langkah kompressi) tekanan meningkat membuat discharge valve dan
66 port terbuka sehingga udara mengalir melalui discharge tube menuju dan masuk ke dalam air storage tank.
Gambar 5.2 Komponen Kompressor Torak (Thomas Klenck) Untuk menunjang proses kerja dan keamanan maka setiap kompressor dilengkapi komponen penunjang antara lain :
67 Check Valve berfungsi untuk mengatur aliran udara dari dalam selinder kedalam tangki atau dapat langsung digunakan ke luar sesuai kebutuhan. Safety Valve berfungsi untuk menjaga dan melepas tekanan lebih yang terjadi di dalam tanki. Disamping melepas tekanan lebih juga berfungsi untuk menekan tombol menjadi off sehingga motor listrik mati. Regulator (Pressure Adjustable) berfungsi untuk mengatur tekanan udara yang dapat dikeluarkan dari dalam tanki. Pressure Gauge berfungsi untuk menunjukkan tekanan udara yang sedang dialirkan keluar melalui pipa penghubung. Compressed air supply berfungsi sebagai pipa/selang untuk menyalurkan udara bertekanan ke tujuan sesuai kebutuhan. Fan berfungsi sebagai pendingin dengan jalan meniup udara ke sekeliling dinding kompresor. Air Filter berfungsi untuk menyaring udara supaya udara yang masuk ke dalam selinder bebas dari debu atau kotoran. Cooling Fins berfungsi sebagai sirip pendingin kepala kompresor. Motor and Body Hausing berfungsi sebagai dudukan dan pelindung komponen kompresor dan motor prnggerak.
5.3 Klasifikasi Kompresor
1.Kompresor Positive Displacement Kompresor ini dapat dibagi dua jenis yaitu reciprocating dan putar/ rotary. a. Kompresor reciprocating
68 Di dalam industri, kompresor reciprocating paling banyak digunakan untuk mengkompresi baik udara maupun refrigerant. Prinsip kerjanya seperti pompa sepeda dengan karakteristik dimana aliran keluar tetap hampir konstan pada kisaran tekanan pengeluaran tertentu. Juga, kapasitas kompresor proporsional langsung terhadap kecepatan dan keluarannya, berupa denyutan.
Gambar 5.3 Kompresor Reciprocating Horizontal (King, Julie) Kompresor reciprocating tersedia dalam berbagai konfigurasi; terdapat empat jenis yang paling banyak digunakan yaitu horizontal, vertical, horizontal balance-opposed, dan tandem. Kompresor reciprocating vertical digunakan untuk kapasitas 50 – 150 cfm. Kompresor horisontal balance opposed digunakan kapasitas 200 – 5000 cfm untuk desain multitahap dan sampai 10,000 cfm untuk desain satu tahap (Dewan Produktivitas Nasional, 1993). Kompresor udara reciprocating biasanya merupakan aksi tunggal dimana penekanan dilakukan hanya menggunakan satu sisi dari piston. Kompresor yang bekerja menggunakan dua sisi piston disebut sebagai aksi ganda. Sebuah kompresor dianggap sebagai kompresor satu tahap jika keseluruhan penekanan dilakukan menggunakan satu silinder atau beberapa silinder yang parallel. Beberapa penerapan dilakukan pada kondisi kompresi satu tahap. Rasio kompresi yang terlalu besar (tekanan keluar absolut/ tekanan masuk absolut) dapat menyebabkan suhu pengeluaran yang berlebihan atau masalah desain lainnya. Mesin dua tahap yang digunakan untuk tekanan tinggi biasanya mempunyai suhu pengeluaran yang lebih rendah (140 to 160 0C), sedangkan pada mesin satu tahap suhu lebih tinggi (205 to 240 0C).
69
Gambar 5.4 Kompresor Reciprocating Two Stages (King, Julie) Untuk keperluan praktis sebagian besar plant kompresor udara reciprocating diatas 100 horsepower/ Hp merupakan unit multi tahap dimana dua atau lebih tahap kompresor dikelompokkan secara seri. Udara biasanya didinginkan diantara masing-masing tahap untuk menurunkan suhu
dan
volum
sebelum
memasuki
tahap
berikutnya
(Dewan
Produktivitas Nasional, 1993). Kompresor udara reciprocating tersedia untuk jenis pendingin udara maupun pendingin air menggunakan pelumasan maupun tanpa pelumasan, mungkin dalam bentuk paket, dengan berbagai pilihan kisaran tekanan dan kapasitas. b. Kompresor Putar/ Rotary Kompresor rotary mempunyai rotor sebagai pengganti piston dan memberi kan pengeluaran udara secara kontinyu tanpa denyutan. Kompresor beroperasi pada kecepatan tinggi dan umumnya menghasilkan keluaran yang lebih tinggi dibandingkan kompresor reciprocating. Biaya investasinya rendah, bentuknya kompak, ringan dan mudah perawatannya, sehingga kompresor ini sangat popular di industri. Biasanya digunakan dengan ukuran 30 sampai 200 hp atau 22 sampai 150 kW.
70
Gambar 5.5 Kompresor Ulir (Referensi unknown) Jenis dari kompresor putar adalah: - Kompresor lobe (roots blower) - Kompresor ulir (ulir putar helical-lobe, dimana rotor putar jantan dan betina bergerak berlawanan arah dan menangkap udara sambil mengkompresi. - Jenis baling-baling putar/ baling-baling luncur Kompresor putar merupakan kompresor kontinyu, dengan paket yang sudah termasuk pendingin udara atau pendingin air. Karena desainnya yang seder hana dan hanya sedikit bagian-bagian yang bergerak, kompresor ini mudah perawatannya, mudah operasinya dan fleksibel dalam pemasangannya. 2. Kompresor Dinamis Kompresor udara sentrifugal merupakan kompresor dinamis, yang tergantung pada transfer dari energi putar impeller
ke udara. Rotor
melakukan pekerjaan ini dengan mengubah energi kinetik menjadi tekanan udara. Kompresor udara sentrifugal adalah kompresor yang dirancang bebas minyak pelumas. Gir yang dilumasi minyak pelumas terpisah dari udara dengan pemisah yang menggunakan sil pada poros dan ventilasi atmosferis. Kompresor
ini
mempunyai
karakteristik
berbeda
dengan
mesin
reciprocating. Mesin sentrifugal lebih sesuai diterapkan untuk kapasitas besar diatas 12,000 cfm.
71
Gambar 5.6 Kompresor Sentrifugal (King, Julie) Peralatan Energi Thermis: Kompresor dan Sistim Udara tekan Beberapa kriteria seleksi untuk berbagai jenis kompresor terlihat pada tabel dibawah ini. Tabel 5.1 Kriteria Seleksi Umum untuk Kompresor (Knfederasi Industri India)
Tabel 5.2 Perbandingan Karakteristik beberapa jenis Kompresor (Kantor Pengembangan Energi Berkelanjutan, 2002)
72
5.4 Kapasitas Kompresor Kapasitas kompresor adalah debit penuh aliran udara yang ditekan dan dialirkan pada kondisi suhu total, tekanan total, dan diatur pada saluran masuk kompresor. Debit aliran yang sebenarnya, bukan merupakan nilai volum aliran yang tercantum pada data alat, yang disebut juga pengiriman udara bebas/ free air delivery (FAD) yaitu udara pada kondisi atmosfir di lokasi tertentu. FAD tidak sama untuk setiap lokasi sebab ketinggian, barometer, dan suhu dapat berbeda untuk lokasi dan waktu yang berbeda. Kompresor yang sudah tua, walupun perawatannya baik, komponen bagian dalamnya sudah tidak efisien dan FAD nya kemungkinan lebih kecil dari nilai rancangan. Kadangkala, faktor lain seperti perawatan yang buruk, alat penukar panas yang kotor dan pengaruh ketinggian juga cenderung mengurangi FAD nya. Untuk memenuhi kebutuhan udara, kompresor yang tidak efisien mungkin harus bekerja dengan waktu yang lebih lama, dengan begitu memakai daya yang lebih dari yang sebenarnya dibutuhkan. Pemborosan daya tergantung pada persentase penyimpangan kapasitas FAD. Sebagai contoh, kran kompresor yang sudah rusak dapat menurunkan kapasitas kompresor sebanyak 20 persen. Pengkajian berkala terhadap
73 kapasitas FAD untuk setiap kompresor harus dilakukan untuk memeriksa kapasitas yang sebenarnya. Jika penyimpangannya lebih dari 10 persen, harus dilakukan perbaikan. Metoda ideal pengkajian kapasitas kompresor adalah melalui uji nosel dimana nosel yang sudah dikalibrasi digunakan sebagai beban, untuk membuang udara tekan yang dihasilkan. Alirannya dikaji berdasarkan suhu udara, tekanan stabilisasi, konstanta orifice, dll. Metode sederhana pengkajian kapasitas pada ruang kerja - Tutup semua aliran keluar kompresor yang menuju ke sistim pengguna - Buka kran penguras air dan kuras habis airnya dan kosongkan receiver dan pipa saluran. Pastikan bahwa jalur water trap ditutup rapat sekali lagi untuk memulai pengujian. - Mulai nyalakan kompresor dan aktifkan stopwatch. - Catat waktu yang digunakan untuk mencapai tekanan operasi normal P2 (dalam receiver) dari tekanan awalnya P1. - Hitung kapasitas dengan formula dibawah ini
Kapasitas Kompresor Displacement secara teoritis adalah : m3/menit
74
Dimana D = Diameter silinder
( meter )
S = Panjang Langkah piston
( meter )
n = Jumlah putaran
( rpm )
i = 1 untuk silinder dengan aksi tunggal 2 untuk silinder dengan aksi ganda z = Jumlah silinder Efisiensi Volumetrik
5.5 Tenaga/daya Kompresor Tenaga dalam hal ini dapat dibedakan menjadi tiga istilah yaitu : a. Tenaga teoritis yang dapat dirumuskan :
N th = P1.Q .(
n a n −1
{
)(
P2 P1
)
n−1 n
}
10.000 − 1 3600 .75
dimana
( Hp ) atau dapat juga dihitung dengan persamaan Isothermal : ( Kw )
b. Tenaga Indikator yang didapat dari hasil pengukuran terhadap proses kerja kompresor untuk menghasilkan Qa dari tekanan P1 menjadi P2 dalam selang waktu tertentu ( Ni). Untuk keperluan ini maka diperlukan Lembaran kerja yang berisikan data-data kompresor seperti pada Tabel 3.
Tabel 5.3 Lembar Kerja Data Kompresor
75
c. Tenaga Efektif adalah tenaga yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompresor (Np). Sumber tenaga penggerak dapat digunakan motor Listrik, Mesin atau turbin uap, motor bakar dan lainnya. 5.6 Randemen (Efisiensi) Kompresor Ada beberapa teknik pengukuran keunggulan kompresor yang biasa digunakan antara lain adalah : a. Efisiensi Volumetrik b. Efisiensi Thermal
η th =
Nth Ni
x1 0 %0
c. Efisiensi Mekanik
ηm =
Ni Np
x1 0 0%
d. Efisiensi Kompresor
η =ηv .ηth .ηm
Semua harga efisiensi tersebut akan berbeda pada kondisi yang berbeda seperti suhu lingkungan, ketinggian, kerapatan maupun tekanan udara sekitar.
1. Pengaruh Suhu Udara Aliran Masuk
76 Pengaruh udara masuk pada kinerja kompresor tidak boleh diremehkan. Udara masuk yang tercemar atau panas dapat merusak kinerja kompresor dan menyebabkan energi serta biaya perawatan yang berlebihan. Jika kadar air, debu, atau bahan pencemar lain terdapat dalam udara masuk, maka bahan pencemar tersebut dapat terkumpul pada komponen bagian dalam kompresor, seperti kran, fan, rotor dan baling-baling. Kumpulan pencemar tersebut dapat mengakibatkan kerusakan dini dan menurunkan kapasitas kompresor. Kompresor menghasilkan panas pada operasinya yang kontinyu. Panas ini dilepaskan ke kamar/ruang kompresor sehingga memanaskan udara masuk. Hal ini mengakibatkan rendahnya efisiensi volumetrik dan pemakaian daya menjadi lebih besar. Sebagai aturan umum, “Setiap kenaikan suhu udara masuk sebesar 4 0C akan meningkatkan konsumsi energi sebesar 1 persen untuk keluaran yang sama”. Jadi udara dingin yang masuk akan meningkatkan efisiensi energi kompresor . Jika saringan udara masuk ditempatkan pada kompresor, suhu harus dijaga pada nilai minimum untuk mencegah penurunan aliran massa. Cara ini dapat dilakukan dengan menempatkan pipa masuk diluar ruangan atau gedung. Tabel 5.4 Pengaruh Suhu udara masuk pada Daya Kompresor (Konfederasi Industri India)
2. Pengaruh Penurunan Tekanan dalam Saringan Udara
77 Saringan udara masuk pada kompresor harus dipasang guna membawa udara dari lokasi yang bersih dan dingin. Pabrik pembuat kompresor biasanya memasok, atau merekomendasikan, saringan udara masuk dengan kualitas khusus yang dirancang untuk melindungi kompresor. Semakin baik penyaringan pada saluran masuk, maka akan semakin rendah biaya perawatan kompresornya. Walau demikian, penurunan tekanan yang melintas saringan udara harus dijaga minimum (ukuran dan perawatannya) untuk
mencegah
pengaruh
penyumbatan
dan
penurunan
kapasitas
kompresor. Alat pengukur perbedaan tekanan merupakan salah satu peralatan yang terbaik untuk memantau kondisi saringan pada saluran masuk. Penurunan tekanan yang melintas saringan baru pada saluran masuk tidak boleh lebih dari 3 pound per inchi kuadrat (psi). Sebagai aturan umum “Untuk setiap kenaikan “penurunan tekanan”250 mm WC yang melintas pada jalur yang diakibatkan oleh saringan yang tersumbat dll, konsumsi daya kompresor akan meningkat sekitar 2 persen untuk keluaran yang sama.”Jadi, disarankan untuk membersihkan saringan udara masuk secara reguler untuk meminimalkan penurunan tekanan. Manometer atau pengukur perbedaan tekanan yang melintas saringan dapat digunakan untuk memantau
penurunan
tekanan
supaya
dapat
merencanakan
jadual
pembersihan saringan. Tabel 5.5 Pengaruh penurunan tekanan karena saringan pada Peningkatan Konsumsi Daya (Konfederasi Industri India)
3. Pengaruh Ketinggian Pemasangan Kompresor
78 Ketinggian memiliki dampak langsung terhadap efisiensi volumetrik kompresor. Kompresor yang terletak pada tempat yang lebih tinggi akan mengkonsumsi daya yang lebih besar untuk mencapai tekanan tertentu dibandingkan yang berada pada permukaan laut, dimana rasio kompresinya lebih tinggi. Tabel 5.6 Pengaruh Ketinggian pada Efisiensi Volumetrik kompresor (Confederation of Indian Industries)
4. Pengaruh Pengaturan Tekanan Untuk kapasitas yang sama, sebuah kompresor memakai lebih banyak daya pada tekanan yang lebih tinggi. Kompresor tidak boleh beroperasi diatas tekanan operasi optimumnya sebab bukan hanya akan memboroskan energi, tetapi
juga
akan
mengakibatkan
pemakaian
yang
berlebihan
dan
membahayakan keamanan kerja. Penurunan tekanan pengiriman akan menghemat daya. Jika satu titik pengguna atau kelompok kecil pengguna memerlukan tekanan yang lebih besar daripada plant lainnya, perlu dipertimbangkan untuk mengoperasikan sistim tersendiri atau menambahkan paket penguat/booster pada titik pengguna, sehingga dapat menjaga sistim yang lebih besar beroperasi pada tekanan yang lebih rendah. Pengoperasian sebuah kompresor pada tekanan 120 PSIG dibandingkan 100 PSIG misalnya, memerlukan energi 10 persen lebih besar dan juga meningkatkan
79 laju kebocoran. Setiap upaya harus dilakukan untuk menurunkan tekanan sistim dan kompresor ke tingkat yang serendah mungkin. Tabel 5.7 Pengaruh Penurunan tekanan pengiriman terhadap Pemakaian Daya (Konfederasi Industri India)
Catatan: Penurunan tekanan pengiriman sebesar 1 bar pada kompresor akan mengurangi konsumsi daya sebesar 6 – 10 persen 5. Pengaruh Penurunan Tekanan pada Jalur Distribusi Penurunan tekanan/ pressure drop merupakan sebuah istilah yang digunakan untuk penurunan tekanan udara dari keluaran kompresor aktual ke titik pengguna. Penurunan tekanan terjadi jika udara mengalir melalui sistim pengelolaan dan distribusi. Sistim yang dirancang dengan benar harus memiliki penurunan tekanan kurang dari 10 persen dari tekanan pengeluaran kompresor, diukur dari keluaran tangki penerima ke titik penggunaan. Makin panjang dan makin kecil diameter pipa maka akan semakin besar kehilangan karena gesekannya. Untuk mengurangi penurunan tekanan secara efektif, dapat digunakan sebuah sistim loop dengan aliran dua arah. Penurunan tekanan yang diakibatkan oleh korosi dan komponen-komponen sistim itu sendiri merupakan isu- isu penting. Penurunan tekanan yang diakibatkan oleh ketidak cukupan ukuran pipa, elemen saringan yang tersumbat, ukuran kopling dan pipa yang tidak benar merupakan pemborosan energi. Penurunan tekanan yang dapat diterima dalam praktek di industri adalah 0,3 bar dalam header utama pada titik terjauh dan 0,5 bar pada sistim distribusi.
Tabel 5.8 Pengaruh Penurunan Tekanan terhadap berbagai Ukuran Pipa
80 (Konfederasi Industri India)
5.7 Kebocoran pada Instalasi Kompressor Sistim pipa dan pengatur distribusi membawa udara tekan dari plant pusat kompresor ke area proses. Sistim ini terdiri dari berbagai kran pemisah, traps fluida, tangki penyimpan sementara, dan juga pemanasan pada pipa dalam jumlah kecil untuk mencegah terjadinya pengembunan atau pembekuan pada jalur yang terbuka ke udara luar. Kehilangan tekanan pada distribusi biasanya dikompensasikan dengan tekanan yang lebih tinggi di bagian pengeluaran kompresor. Pada titik penggunaan udara tekan, sebuah pipa pengumpan dilengkapi dengan kran pemisah aliran, saringan, dan regulator, mengalirkan udara tekan ke pipa untuk memasok ke peralatan proses atau pengguna. Kebocoran dapat menjadi sumber yang signifikan dari energi yang terbuang dalam sistim udara tekan di industri, kadang-kadang memboroskan 20 hingga 30 persen dari keluaran kompresor. Sebuah plant yang tidak terawat dengan baik mungkin akan memiliki laju kebocoran setara 20 persen dari kapasitas produksi udara tekan total. Pendeteksian dan perbaikan kebocoran secara proaktif dapat mengurangi kebocoran kurang dari 10 persen dari keluaran kompresor. Disamping sebagai sumber pemborosan energi, kebocoran dapat juga
berkontribusi
terhadap
kehilangan
operasi
lainnya.
Kebocoran
menyebabkan penurunan tekanan sistim, yang dapat membuat fungsi peralatan udara jadi kurang efisien, memberi pengaruh yang merugikan terhadap produksi. Lagipula, dengan memaksakan peralatan bekerja lebih lama, kebocoran akan memperpendek umur hampir seluruh peralatan sistim termasuk komponen kompresor itu sendiri.
81 Kebocoran dapat berasal dari berbagai bagian dari sistim, tetapi area permasalahan yang paling umum adalah: a Kopling, pipa, tabung, dan sambungan b Pengatur tekanan c Traps kondensat terbuka dan kran untuk mematikan d Sambungan pipa, pemutus, dan sil karet. Laju kebocoran yang diidentifikasikan dalam feet kubik per menit (cfm) juga berbanding lurus terhadap kuadrat diameter orifice yang mana nilainya dapat dilihat pada tabel berikut ini.
1. Penentuan jumlah kebocoran Untuk kompresor yang memiliki pengendali start/stop atau load/unload, terdapat suatu cara yang mudah untuk memperkirakan jumlah kebocoran dalam sistim yaitu menghidupkan kompresor pada saat tidak ada kebutuhan pada sistim (seluruh peralatan pengguna akhir yang dioperasikan dengan udara dimatikan). Sejumlah pengukuran dilakukan untuk menentukan waktu rata-rata yang digunakan pada saat load dan unload pada kompresor. Kompresor akan menyala pada saat load, kemudian akan mati pada saat unload karena adanya kebocoran udara akan menyebabkan tekanannya turun karena lolosnya udara melalui kebocoran. Kebocoran total (persentase) dapat dihitung sebagai berikut : Persentasi Kebocoran
82 Persentase kehilangan kebocoran harus kurang dari 10 persen dalam sistim yang terawat dengan baik. Sistim yang perawatannya buruk dapat memiliki kehilangan setinggi 20 hingga 30 persen dari daya dan kapasitas udaranya. Penghitungan Jumlah Kebocoran Contoh Dalam uji kebocoran suatu kompresor, teramati hasil-hasil sebagai berikut
Persentasi Kebocoran
% L = 11,50,.51+01,0%5
Jumlah Kebocoran
= 12,5 %
∆Q = 12 ,5%. 35
= 4,375 m3/menit
2. Meminimalkan Kebocoran Sebagimana telah dijelaskan sebelumnya, kebocoran udara tekan akan menimbulkan pemborosan daya. Kebocoran udara hampir sangat tidak mungkin
terlihat, karena itu untuk mendeteksi kebocoran diperlukan alat
yang salah satu adalah akustik ultrasonik, yang dapat mengenali suara desisan berfrekuensi tinggi yang ditimbulkan
karena adanya kebocoran
udara. Kebocoran seringkali terjadi pada sambungan dan pertemuan antara komponen. Menghentikan kebocoran dapat dilakukan dengan sangat sederhana seperti mengencangkan sambungan atau sangat rumit dengan penggantian alat yang tidak berfungsi seperti kopling, sambungan, bagian pipa, selang, penguras, dan traps. Dalam banyak kasus, kebocoran
83 diakibatkan
oleh
gagalnya
pembersihan
karet
atau
tidak
benarnya
menggunakan sil karet. Pilihlah sambungan berkualitas tinggi, putuskan sambungannya, ditambah selang dan pasangkan secara benar dengan sil karet yang cocok untuk menghindari kebocoran dimasa mendatang. 5.8 Pengendalian Kompresor Kompresor udara menjadi tidak efisien bila alat tersebut dioperasikan dibawah kapasitasnya. Untuk menghindari kompresor tetap on ketika tidak diperlukan, dipasang sebuah alat kontrol otomatis yang dapat mematikan dan menghidupkan kompresor sesuai kebutuhan. Praktek perawatan yang baik dan benar akan secara dramatis meningkatkan efisiensi kinerja sistim. Untuk keperluan tersebut maka perlu pemeliharaan
dan
pengecekan
secara
terjadwal
terhadap
komponen
penunjang antara lain yaitu : a. Pelumasan, Tekanan minyak pelumas kompresor harus secara visuil diperiksa setiap hari,dan saringan minyak pelumasnya diganti setiap bulan. b. Saringan Udara, Saringan udara masuk sangat mudah tersumbat, terutama pada lingkungan yang berdebu. Saringan harus diperiksa dan diganti secara teratur. c.
Traps
Kondensat,
Banyak
sistim
memiliki
traps
kondensat
untuk
mengumpulkan (untuk traps yang dipasang dengan sebuah kran apung) dan menguras kondensat dari sistim. Traps manual harus secara berkala dibuka dan ditutup kembali untuk menguras fluida yang terakumulasi, traps otomatis harus diperiksa untuk memastikan bahwa tidak ada kebocoran udara tekan. d. Pengering Udara, Udara kering merupakan energi yang intensif. Untuk pengering yang didinginkan, periksa dan ganti saringan awal secara teratur karena pengering tersebut seringkali memiliki lintasan kecil dibagian dalamnya yang dapat tersumbat oleh bahan pencemar. Pengering regeneratif memerlukan sebuah penyaring penghilang minyak pada saluran masuknya, karena mereka tidak dapat berfungsi dengan baik jika minyak pelumas
dari
kompresor
melapisi
bahan
penyerap
airnya.
Suhu
pengeringan yang baik harus dijaga dibawah 100°F untuk menghindari
84 peningkatan pemakaian bahan penyerap airnya, yang harus diganti lagi setiap 3 – 4 bulan tergantung pada laju kejenuhan. e. Periksa kebocoran dan kehilangan tekanan diseluruh sistim secara teratur f. Hindari praktek yang tidak benar, untuk memastikan penggunaan udara yang bebas kadar air pada titik penggunaan. g Atur seluruh operasi titik penggunaan pada tekanan serendah mungkin dengan menggunakan pengatur/regulator yang baik. h. Matikan pasokan udara ke peralatan produksi yang sedang tidak bekerja i. Pantau penurunan tekanan dalam sistim pemipaan. j. Gunakan teknologi pengeringan yang memberi tekanan maksimum yang diperbolehkan untuk titik pengembunan. k. Pilihlah suku cadang kompresor “yang terbaik dikelasnya” l. Lakukan strategi perawatan pencegahan yang sistimatik m.Berikan pelatihan dan ciptakan kepedulian diantara pekerja terhadap operasi dan perawatan yang efisien sistim kompresor. n. Patikan seluruh sistim dipantau oleh praktek good housekeeping. o. Pastikan kondensasi dapat dihilangkan secara cepat dari jaringan distribusi, atau tidak terjadi kondensasi.
85 5.9 Tugas Diskusi 1. Jelaskan kesamaan dan perbedaan utama antara pompa dan kompresor ! 2. Jelaskan Jenis-jenis kompresor yang banyak digunakan di Industri ! 3. Jelaskan Jenis dan fungsi komponen utama pada instalasi sistem udara bertekanan ! 4. Jelaskan jenis dan fungsi komponen penunjang kompresor ! 5. Jelaskan jenis-jenis kompresor positive displecement dan jelaskan juga keuntungan masing-masing tipe kompresor tersebut ! 6. Apa yang dimaksud dengan kompresor aksi ganda ! 7. Apa yang dimaksud kompresor multistage dan apa kelebihannya ! 8. Dengan menggunakan Tabel 5.2, pilihlah tipe kompresor yang sesuai bila digunakan pada tekanan sedang dan berkapasitas tinggi walaupun dalam penggunaannya sering dipakai pada paroh kapasitas ! 9. Jelaskan 10 jenis karakteristik kompresor sentrifugal ! 10. Apa yang dimaksud dengan free actual delivery (FAD) ! 11. Jelaskan tiga jenis efisiensi kompresor dan faktor-faktor yang Mempengaruhinya ! 12. Jelaskan cara menentukan kapasitas aktual kompresor ! 13. Sebuah mesin otomisasi membutuhkan udara16 m3/menit bertekanan 7bars. Alat ini berjarak 50 meter dari kompresor yang dihubungkan dengan pipa distribusi berdiameter 50 mm. Lokasi pabrik berada 500 meter di atas permukaan laut sehingga suhu / tekanan udara lingkungan 26,60C
/ 1 bars. Persentasi kebocoran udara 5 %.
Hitunglah kapasitas dan tenaga penggerak kompresor bila efisiensi mekanik 85 % !
86
DAFTAR PUSTAKA 1. Eka Jogaswara, Drs., Penggunaan Peralatan Mekanik Industri , Jilid 2 Penerbit : Armico, Bandung 2000 2. Fritz Dietzel, Dakso Sriyono, Turbin Pompa dan Kompresor Penerbit : Erlangga , Jakarta 1980 3. http://www.youtube.com/watch?v=B8MV09HF-nY&NR=1 9 Agustus 2010 4. Karassik, Igor J.; Messina, Joseph P.; Cooper, Paul; Heald, Charles C. Pump Handbook (3rd ed.). New York: McGraw-Hill. (2001). ISBN 9781591243618. 5. ksbforblog.blogspot.com/2009/04/pemilihan-pompa-sentrifugal.html 9Agustus 2010 6. McKane, A. and Medaris, B. The Compressed Air Challenge – Making a difference for US industry. 2003. http://eetd.lbl.gov/ea/indpart/publications/lbnl_52771.pdf 7. UNEP (Year 2006), Peralatan Energi Thermis: Kompresor dan Sistim Udara Tekan. Pedoman Efisiensi Energi untuk Industri di Asia www.energyefficiencyasia.org @ UNEP
86
