PERENCANAAN IMPELLER DAN CASING VOLUTE POMPA SENTRIFUGAL ALIRAN RADIAL UNTUK KEBUTUHAN RUMAH TANGGA TUGAS AKHIR
Disusun Oleh : Nama
: Uji Winarno
Nim
: 01302 – 075
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI TEKNIK MESIN UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2007
LEMBAR PENGESAHAN PERENCANAAN IMPELLER DAN CASING VOLUTE POMPA SENTRIFUGAL ALIRAN RADIAL UNTUK KEBUTUHAN RUMAH TANGGA
Diajukan sebagai salah satu syarat dalam meraih gelar Sarjana Teknik ( S-1 ) pada Fakultas Teknologi Industri Jurusan Teknik Universitas Mercu Buana
Disetujui dan Diterima oleh :
Pembimbing Tugas Akhir I
Prof.DR.Candrasa
Pembimbing Tugas Akhir II
Nanang Ruhyat, ST.MT
I
ABSTRAK
Tujuan dari perencanaan penulis
ini
adalah
agar
mendapatkan
impeller dan casing volute yang lebih efisien. Pada perencanaan pompa ini penulis merancang jenis impeller dan casing volute pompa sentrifugal. Head total manometris yang terjadi sebesar 11,52 m .Kerugian Head pada pipa hisap sebesar 0,684 m. Kerugian head pada pipa tekan sebesar 2,84 mHead statis sebesar 8 m. Diameter pipa hisap sebesar pipa ¾ in atau 20,9 mmDiameter pipa tekan sebesar 15 mm. Putaran spesifik sebesar 10,72 rpm. Berdasarkan putaran spesifik inilah didapat impeller sentrifugal yang digunakan pada perencanaan ini dengan bahan impeller yaitu bronze. Diameter dalam impeller pompa sentrifugal pada sisi masuk sebesar 27 mm. Diameter impller sebesar sisi keluar
81 mm
dengan jumlah sudu sebanyak 5 buah. Daya yang dibutuhkan sebesar untuk mengalirkan debit air sebesar 0,0055 m3/s adalah 73,99 Watt.Diameter poros sebesar 13 mm dengan bahan poros SCM 2 JIS 4105.
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN
i
LEMBAR PERNYATAAN
iii
Kata Pengantar …………………………………………………………………. iv Daftar Isi …………………………………………………………………………. vii Daftar Tabel …………………………………………………………………….. xi Daftar Gambar ………………………………………………………………….. xii Daftar Notasi Abstrak Bab I Pendahuluan …………………………………………………………… I-1 1.1 Latar Belakang ……………………………………………………….. I-1 1.2 Pembatasan Masalah ……………………………………………….. I-2 1.3 Tujuan dan Manfaat Penulisan ……………………………………… I-3 1.4 Metode Penulisan …………………………………………………….. I-3 1.5 Sistematika Penulisan ……………………………………………….. I-4 Bab II Teori Dasar ……………………………………………………………... II-1 2.1 Dasar Pengertian Pompa ……………………………………………. II-1 2.2 Klasifikasi Pompa …………………………………………………….. II-2 2.3 Klasifikasi Pompa Sentrifugal ……………………………………….. II-7 2.3.1 Klasifikasi Menurut Desain Pompa …………………………… II-7 2.3.2 Klasifikasi Menurut Bentuk Impeller ………………………….. II-8 2.3.3 Klasifikasi Menurut posisi Porosnya …………………………. II-9 2.3.4 Klasifikasi Menurut Aliran Cairan …………………………….. II-10 2.3.5 Klasifikasi Menurut Susunan Tingkat ………………………… II-10
vii
2.3.6 Klasifikasi Menurut Cara Isapan Pompa …………………….. II-10 2.4 Head Zat Cair …………………………………………………………. II-11 2.5 Putaran Spesifik ………………………………………………………. II-12 2.6 Kavitasi ………………………………………………………………… II-14 2.7 Daya Pompa ………………………………………………………….. II-14 2.7.1 Daya yang dibutuhkan …………………………………………. II-15 2.8 Ukuran-ukuran Utama Pompa ………………………………………. II-15 2.8.1 Diameter Poros Pompa ………………………………………... II-15 2.8.2 Sisi Masuk Impeller …………………………………………….. II-16 2.8.2.1 Diameter Naaf Impeller ………………………………….. II-16 2.8.2.2 Diameter Mata Impeller ………………………………….. II-16 2.8.2.3 Kecepatan Keliling Sisi Masuk Impeller ……………….. II-17 2.8.2.4 Sudut Sisi Masuk …………………………………………. II-18 2.8.2.5 Segitiga Kecepatan Sisi Masuk Impeller ………………. II-18 2.8.2.6 Lebar Impeller Pada Sisi Masuk ……………………….. II-19 2.8.3 Sisi Luar Impeller ………………………………………………. II-19 2.8.3.1 Diameter Luar Impeller ………………………………….. II-19 2.8.3.2 Kecepatan Keliling ………………………………………. II-20 2.8.3.3 Kecepatan Radial ………………………………………... II-20 2.8.3.4 Sudut Sisi Keluar ………………………………………… II-21 2.8.3.5 Segitiga Kecepatan Sisi Keluar ………………………… II-21 2.8.3.6 Lebar Impeller Pada Sisi Keluar ……………………….. II-22 2.8.4 Jumlah Sudu ……………………………………………………. II-22 2.8.5 Jarak Sudu Sisi Masuk ……………………………………….. II-22 2.8.6 Tebal Sudu ……………………………………………………… II-23
viii
2.8.7 Melukis Bentuk Impeller ……………………………………….. II-23 2.8.8 Rumah Pompa Volute …………………………………………. II-23 2.8.8.1 Radius Lidah Tounge ……………………………………. II-24 2.8.8.2 Sudut Antara Teoritis Tounge dengan Tounge Aktual ……………………………………………. II-24 2.8.8.3 Lebar Rata-rata Tiap Ring ………………………………. II-24 2.8.8.4 Sudut Rumah Pompa ……………………………………. II-25 Bab III Perhitungan Head Pompa …………………………………………… III-1 3.1 Penentuan Diameter Pipa …………………………………………… III-1 3.1.1 Luas Penampang Pipa Isap …………………………………... III-1 3.1.2 Luas Penampang Pipa Tekan ………………………………… III-3 3.2 Penentuan Sifat Aliran ……………………………………………….. III-4 3.2.1 Pipa Isap ………………………………………………………… III-4 3.2.2 Pipa Tekan ……………………………………………………… III-4 3.3 Perhitungan Head Pompa …………………………………………… III-5 3.3.1 Perhitungan Head Gesekan Pada Pipa Lurus ……………… III-5 3.3.2 Perhitungan Kerugian Head Pada Sisi Tekan ……………… III-7 Bab IV Perencanaan Dimensi Utama Pompa Sentrifugal ……………… IV-1 4.1 Pemilihan Jenis dan Tingkat Impeller Pada Pompa ……………… IV-1 4.2 Efisiensi Operasional Pompa ……………………………………….. IV-2 4.3 Perencanaan Poros ………………………………………………….. IV-3 4.3.1 Perhitungan Daya Motor ………………………………………. IV-3 4.3.2 Perhitungan Diameter Poros …………………………………. IV-4 4.4 Dimensi Sudu dan Impeller …………………………………………. IV-6 4.4.1 Dimensi Impeller Pada Sisi Pemasukan ……………………. IV-6
ix
4.4.2 Dimensi Impeller Pada Sisi Pengeluaran …………………… IV-10 4.4.3 Perhitungan Jumlah Sudu Impeller ………………………….. IV-14 4.4.4 Melukis Bentuk Sudu Impeller ………………………………… IV-15 4.4.5 Perhitungan Ketebalan Sudu …………………………………. IV-17 4.5 Perhitungan Rumah Pompa ………………………………………… IV-18 4.6 Perbandingan ………………………………………………………… IV-20 Bab V Penutup ………………………………………………………………… V-1 5.1 Simpulan ……………………………………………………………… V-1 5.2 Saran …………………………………………………………………. V-2
x
DAFTAR TABEL No. Tabel
Hal
4.1 Perhitungan Melukis Impeller
IV-16
4.2 Tabel Ketebalan Sudu
IV-17
4.3 Tabel Lebar Laluan
IV-18
4.4 Tabel Dimensi Rumah Volute
IV-20
4.5 Tabel Data Teknis Perbandingan Pompa
IV-21
xi
DAFTAR GAMBAR
No. Gambar
Hal
2.1 Pompa Aliran Radial
II-4
2.2 Aliran Fluida pada Pompa Sentrifugal
II-4
2.3 Pompa Sentrifugal Volute
II-6
2.4 Pompa Sentrifugal Duffuser
II-7
2.5 Impeller Jenis Radial
II-8
2.6 Impeller Jenis Francis
II-8
2.7 Impeller Jenis Aliran Campur
II-9
2.8 Impeller Jenis Aksial
II-9
2.9 Jenis-jenis Impeller Sesuai kecepatan spesifik
II-13
2.10 Hubungan Kecepatan sisi masuk ijin dengan Kecepatan yang dibutuhkan dan Putaran pompa
II-17
2.11 Sgitiga Kecepatan Sisi Masuk
II-18
2.12 Segitiga Kecepatan Sisi Keluar
II-21
3.1 Pipa Isap
III-1
3.2 Head Pompa
III-5
4.1 Gambar Jenis-jenis Impeller
IV-2
4.3 Hubungan Koefisien dengan Putaran Spesifik
IV-6
xii
DAFTAR NOTASI
KETERANGAN
SIMBOL
Berat jenis air
γ
kg/m3
Daya
N
W
Diameter
D
cm
Efisiensi pompa
η
-
Faktor Pemasukan
ε
-
Gaya
P
N
Head Coefisien
φ
derajat
Jarak
t
cm
Jumlah Sudu
Z
-
Kapasitas Pompa
Q
m3/s
Kecepatan Absulute
C
m/s
Kecepatan Tangensil
U
m/s
Kecepatan Aliran
V
m/s
Kecepatan Aliran Relatif
W
m/s
Lebar
B
cm
Luas Penampang Bahan
F
cm2
Luas penampang aliran
A
cm2
Moment Tahanan
w
cm3
Panjang
L
cm
ρ
SATUAN
Putaran
n
rpm
Putaran spesifik
ns
rpm
Suction/Delivery Head
h
m
Sudut Absolut
α
derajat
Sudut Lengkung Sudu
β
derajat
Sudut
0
derajat
Tebal
S
cm
Total Head
H
m
Radius
R
cm
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG Pada era globalisasi sekarang ini mesin mempunyai peran yang penting dalam kehidupan sehari-hari baik suatu industri besar maupun industri kecil. Mesin- mesin konversi energi tersebut dibutuhkan untuk mengubah energienergi potensial yang tersedia dialam, menjadi suatu bentuk energi yang dapat digunakan. Adapun peran serta mesin diantaranya sebagai alat angkut atau transportasi, penggerak, mesin-mesin industri, dan lain-lain. Dengan semakin meningkatnya kebutuhan maka jumlah mesin-mesin pun ikut bertambah sesuai dengan perkembangannya. Meningkatnya pemakaian mesin-mesin juga berpengaruh terhadap kebutuhan rumah tangga, untuk memperingan kerja dan membuat nyaman kehidupan manusia
seperti :
I-1
mesin cuci, kulkas, alat pendingin ruangan, kompor, pompa air dan lain sebagainya. Dengan adanya kemajuan dan perkembangan ilmu pengetahuan sekarang ini terutama dalam bidang teknologi pengangkut baik yang berupa benda padat, cair maupun gas, yang mana sangat dibutukan untuk kemajuan dalam sektor industri, baik itu tergolong industri ringan maupun industri besar kesemuanya sudah menggunakan peralatan yang serba modern. Pompa ialah suatu mesin yang dapat memindahkan sejumlah zat cair ( fluida ) dari suatu tempat yang lain dan juga dapat memindahkan fluida dari tempat yang rendah ketempat yang lebih tinggi. Pada umumnya pompa terdiri dari impeller yang memutar fluida atau menghisap fluida dari pipa isap kepipa tekan pada pompa, dan juga casing volute berfungsi untuk mengarahkan fluida dari impeller, merubah energi kinetik fluida yang keluar dari impeller menjadi head tekanan dan mengalirkan kedua pompa. Impeller dan Casing volute ini sangat besar perannya untuk pompa.
1.2 PEMBATASAN MASALAH Dalam penulisan ini, penulis memfokuskan permasalahan hanya pada bagian pompa yaitu perencanaan impeller dan casing volute untuk jenis pompa sentrifugal. Penulisan ini berjudul “ Perencanaan impeller dan
I-2
casing volute pada pompa sentrifugal aliran radial untuk kebutuhan rumah tangga “.
1.3 TUJUAN DAN MANFAAT PENULISAN Tujuan dan manfaat dari penulisan ini adalah : 1. Untuk mengetahui cara kerja dan fungsi impeller dan casing volute. 2. Untuk mengetahui cara perencanaan impeller dan casing volute 3. Untuk mengetahui dan dapat merancang bagian – bagian dari pompa secara teoritis dan analitis.
1.4 METODE PENULISAN Metode yang digunakan dalam penulisan ini terdiri atas dua tahap sebagai berikut : 1. Metode pengumpulan data Mengumpulkan data adalah kegiatan untuk memperoleh data yang diperlukan dari berbagai literature yang berkenaan. 2. Metode perhitungan data secara analitis Hal ini menyangkut perhitungan bagian-bagian dari pompa yang akan dirancang yaitu impeller dan casing volute pada pompa sentrifugal.
I-3
1.5 SISTEMATIKA PENULISAN Pada tahap ini dibuat laporan secara tertulis dengan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I
PENDAHULUAN Bab ini memuat latar belakang permasalahan, pembatasan masalah, tujuan dan manfaat penulisan, metode penulisan, sistematika penulisan
BAB II LANDASAN TEORI Bab ini memuat tentang konsep teori penjelasan impeller dan casing volute.
BAB III PERHITUNGAN HEAD POMPA Bab ini memuat tentang perhitungan head pompa.
BAB IV PERENCANAAN DIMENSI UTAMA POMPA SENTRIFUGAL Bab ini memuat tentang perencanaan utama pompa sentrifugal.
I-4
BAB V PENUTUP Bab ini adalah bab penutup atau bab terakhir dari keseluruhan bab yang terdapat dalam penulisan tugas akhir ini. Pada bab ini juga terdapat kesimpulan dan saran dari penulisan dimana nantinya dapat menjadi acuan untuk pengembangan lebih lanjut.
DAFTAR PUSTAKA. LAMPIRAN.
BAB II TEORI DASAR
2.1 Dasar Pengertian Pompa Pompa adalah suatu mesin yang digunakan untuk memindahkan cairan dari suatu tempat ketempat lainnya, melalui suatu media dengan cara menambahkan energi pada cairan dan berlangsung secara kontinyu. Pompa bekerja dengan mengadakan perbedaan tekanan antara bagian masuk dan bagian keluar. Dengan kata lain pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga penggerak menjadi tenaga tekanan dari fluida , dimana tenaga ini dibutuhkan untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada disepanjang saluran pengair. Pada prinsipnya pompa merupakan sebuah alat pemindah suatu fluida dari suatu tempat ketempat lainnya dengan adanya suatu tekanan yang terjadi didalam pompa, yaitu dari tekanan yang rendah ke tekanan yang tinggi. Fluida mengalir dari suatu tempat yang tinggi ketempat yang rendah, sehingga bagaimana fluida dapat mengalir dari tempat yang rendah ketempat yang tinggi,ada beberapa faktor yang menyebabkan, diantaranya :
II-1
- Faktor ketinggian Karena adanya gravitasi bumi yangmenyebabkan air mengalir dari tempat yang tinggi ketempat yang rendah, artinya air dapat mengalir dari tekanan yang rendah ketekanan yang tinggi.
- Faktor jarak Oleh karena itu untuk mengatasi faktor diatas memerlukan suatu alat yang dapat menaikkan tekanan dan menekan laju aliran dari fluida yang dibutuhkan, alat itulah pompa.
2.2 Klasifikasi Pompa Apabila
ditinjau
dari
cara
penambahan
energi
fluida
yang
akan
dipompakan, maka pompa dapat diklasifikasikan atas dua golongan yaitu : 1. Positive Displacement Pump Positive displacemant pump merupakan pompa dimana penambahan energi fluidanya berlangsung secara periodik, dengan memberi gaya kesuatu arah atau lebih pada fluida dalam ruangan bervolume tertentu sehingga menghasilkan penambahan tekanan pada fluida sampai mencapai batas yang diperlukan untuk mendorong cairan melalui valve keluar pipa.pompa ini dapat dibagi dua macam, yaitu : a. Reciprocating pump Reciprorating pump ( pompa torak )_merupakan pompa yang bagian utamanya terdiri dari silinder dan torak. Pada pompa ini tekanan yang dihasilkan adalah akibat gerrak bolak-balik dari torak.
II-2
b. Rotary pump Bagian utama dari pompa ini adalah stator ( rumah pompa ) dan rotor ( bagian yang berputar ). Cara kerja pompa ini yaitu : mula- mula cairan yang akan dihisap akan mengisi ruangan antara rotor dan stator karena perputaran rotor, maka cairan akan terperangkap pada ruangan tertutup dan ditekan menuiju keluar pompa. 2. Pompa Dinamik Pompa dinamik merupakan suatu pompa dimana energi secara terus menerus diberikan untuk menambah kecepatan aliran cairan didalam pompa hingga mencapai kecepatan yang melebihi kecepatan pada bagian luar, lalu kecepatan ini diturunkan untukmenghasilkan suatu tekanan. Cara kerja pompa aliran radial Pompa ini mempunyai impeller yang berfungsi memberi gaya sentrifugal kepada fluida yang akan dipompakan. Cara kerjanya mula- mula daya dari luar diberikan kepada poros poros pompa ( 1 ) untuk memutar impeller ( 2 ) Dengan adanya putaran impeller tersebut, maka fluida yang berada pada sisi masuk impeller ( 4 ) akan keluar melalui sisi saluran impeller mempunyai kecepatan yang relatif tinggi.Fluida ini dikumpulkan didalam casing. Selanjutnya fluida tersebut keluar melaliu sisi keluar pompa tersebut.
II-3
Gambar 2.1 Pompa aliran radial
Prinsip Kerja Pompa Sentrifugal Prinsip kerja pompa sentrifugal didasarkan pada ukuran klekekalan energi. Cairan yang masuk pompa dengan energi total tertentu mendapat tambahan energi dari pompa sehingga setelah keluar dan pompa cairan akan mempunyai energi total yang lebih basar.
Gambar 2. 2 Aliran Fluida pada pompa sentrifugal
Secara singkat cara kerja pompa sentrifugal dijelaskan sebagai berikut : Fluida masuk kedalam rumah pompa disebabkan oleh gaya sentrifugal yang terjadi akibat putaran impeller, sehingga energi mekanik yang masuk
II-4
ditransformasikan menjadi tekanan. Daya dari motor diberikan kepada poros untuk memutarkan impeller didalam fluida. Maka fluida yang ada didalam impeller oleh dorongan sudu- sudu ikut berputar karena adanya gaya sentrifugal, maka fluida mengalir dari impeller keluar melalui saluran diantara sudu- sudu. Disini fluida tekanan fluida menjadi lebih tinggi, demikian pula kecepatannya bertambah besar karena zat fluida mengalami percepatan. Fluida yang keluar dari impeller ditampung oleh saluran berbentuk volut dikelilingi impeller dan disalurkan keluar pompa melalui nosel. Didalam nosel ini sebagian kecepatan aliran diubah menjadi kecepatan. Jadi impeller pompa berfungsi memberikan kerja kepada fluida sehingga energi yang dikandungnya bertambah besar. Dari uraian diatas, jelaslah bahwa pompa sentrifugal dapat merubah energi mekanik dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah yang menyebabkan pertambahan head tekanan, head kecepatan dan head potensial pada fluida yang mengalir secara kontinyu. Menurut caranya merubah tenaga kinetis cairan menjadi tenaga tekan, maka pompa sentrifugal ini dapat dibagi dua cara : •
Pompa sentrifugal volut Jenis pompa ini banyak digunakan pada industri – industri, tersedia dalam
instalasi vertikal dan horizontal, single atau multi stage untuk aliran besar. Pada jenis ini, kecepatan fluida yang keluar dari impeller diperkecil dan tekanannya diperbesar pada saluran spiral didalam casing.Saluran yang berbentuk spiral ini disebut volut.
II-5
Gambar 2.3 Pompa sentrifugal Volut
•
pompa sentrifugal diffuser Pompa jenis ini banyak digunakan dalam konfigurasi unit multistage
bertekanan tinggio. Pada awalnya mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dari tipe volut, namun kini bereferensi hampir sama. Pada pompa ini digunakan diffuser yang mengelilingi impeller, guna dari diffuser ini adalah untuk menurunkan kecepatan aliran yang keluar dari impeller sehingga energi kinetis aliran dapat diubah menjadi tekanan secara efisien diffuser ini digunakan pada pompa yang bertingkat, sehingga diffuser ini berfungsi sebagai pengaruh aliran discharge impeller sebelumnya ke suction impeller sebelumnya.
II-6
Gambar 2.4 Pompa sentrifugal diffuser
2.3 Klasifikasi Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal dapat diklasifikasikan menurut : - Bentuk rumah pompanya - Bentuk sudu impellernya - posisi porosnya - Aliran cairannya - Jumlah tingkatannya - Cara isapnya
2.3.1 Klasifikasi Menurut Desain Rumah Pompa Dibedakan atas tiga ( 3 ) tipe : o Pompa volute,dimana rumah pompanya berbentuk spiral volume o Pompa diffuser, dimana rumah pompa terdapat diffuser yang mengelilingi impeller. o Pompa volute ganda, dimaksud agar beban radial pada porosnya tidak terlalu besar
II-7
2.3.2 Klasifikasi Menurut Bentuk Impeller Dibedakan atas : •
Impeller jenis radial
Gambar 2.5 Impeller jenis radial
•
Impeller jenis Francis
Gambar 2.6 Impeller jenis Francis
II-8
•
Impeller jenis aliran campur
Gambar 2.7 Impeller jenis aliran campur •
Impeller jenis aksial
Gambar 2.8 Impeller jenis aksial
2.3.3 Klasifikasi Menurut Posisi Porosnya o Pompa horizontal Pompa ini mempunyai poros dengan posisi mendatar o Pompa vertikal Pompa ini mempunyai posisi tegak
II-9
2.3.4 Klasifikasi Menurut Aliran Cairan Dibedakan atas : o Pompa aliran aksial, dimana arah aliran cairan tegak sejajar dengan sumbu poros. o Pompa aliran radial, dimana arah aliran cairan tegak lurus dengan sumbu poros. o Pompa aliran campuran, dimana arah aliran tidak aksial maupun radial. 2.3.5 Klasifikasi Menurut Susunan Tingkat Dibedakan atas : o Pompa satu tingkat ( single stage ) Pompa ini hanya mempunyai satu impeller, head total yang ditimbulkan berasal dari satu impeller, sehingga head pompa relatif rendah. o Pompa bertingkat banyak ( multi stage ) Pompa ini menggunakan banyak impeller yang dipasang secara seri pada satu poros. Zat cair yang keluar dari impeller pertama dimasukkan ke impeller berikutnya dan seterusnya hingga impeller yang terakhir. Head total pompa merupakan penjumlahan dari head yang ditimbulkan oleh masing – masing impeller sehingga diperoleh head yang relatif tinggi. 2.3.6 Klasifikasi Menurut Cara Isapan Pompa. Dibedakan atas : o Pompa isapan tunggal
II-10
Pada pompa jenis ini, zat cair masuk dari sati sisi impeller. Kontruksi pompa sangat sederhana, sehingga umumnya banyak dipakai. Namun tekanan yang bekerja pada masing – masing sisi isap tidak sama sehingga akan timbul gaya aksial yang gayanya menuju sisi isap. o Pompa isapan ganda Pada jenis pompa ini zat cair masuk melalui kedua sisi impeller tersebut, dipasang saling bertolak belakang, sehingga gaya yang timbul akibat gaya yang bekerja pada masing – masing sisi impeller akan saling mengimbangi. Laju aliran total sama dengan dua kali laju aliran yang masuk melalui masing – masing impeller. Dibandingkan dengan pompa isapan tunggal yang sama kapasitasnya, pompa isapan ganda mempunyai kemampuan isap yang lebih baik.
2.4 Head Zat Cair Aliran zat cair ( Fluida ) melalui suatu penampang saluran. Pada penampang tersebut zat cair mempunyai tekanan statis P ( kg/m² ), kecepatan rata – rata V ( m/s ), dan ketinggian Z ( m) diukur dari bidang referensi, maka zat cair tersebut pada penampang yang bersangkutan mempunyai head total : P V2 + Z γ 2g Dimana : H=
( II. 1)
1
p = Head tekanan γ V2 = Head kecepatan 2g
II.1) Sularso dan Haruo Tahara, “Pompa dan Kompresor”, hal.510
II-11
Z = Head potensial Ketiga head tersebut diatas adalah energi mekanik yang dikandung oleh satuan berat 1 kgf zat cair yang mengalir pada penampang yang bersangkutan head total tersebut dinyatakan dengan satuan tinggi kolom air dalam meter. Dalam satuan SI, head H dinyatakan sebagai energi spesifik y, yaitu energi mekanik yang dikandung oleh aliran per satuan massa ( 1 kg ) zat cair, satuan y adalah j/kg, maka energi spesifik tekanan P/ ,Kecepatan V²/2 dan potensial gZ. Maka persamaan energi spesifik total :
γ = g .H =
p V2 + + gZ ρ 2
( II.2 )
Dimana :
ρ = massa zat cair per satuan volume ( kg/m 3 ) 2.5 Putaran spesifik Komponen utama pada pompa antara lain adalah impeller dan rumah pompa. Dimana pada impeller, zat cair mendapat percepatan sedemikian rupa sehingga dapat mengalir keluar. Bentuk dari impeller pompa dapat ditentukan
dengan menggunakan satuan besaran yang disebut putaran spesifik ( n s ). Dengan kata lain harga n s dipakai sebagai parameter untuk menentukan jenis impeller pompa, jadi apabila harga putaran spesifik pompa sudah ditentukan maka bentuk impeller dapat ditentukan pula.
2
II.2 ) Sularso & Haruo Tahara “Pompa dan Kompresor”, hal.10
II-12
Gambar 2.9 Jenis – jenis Impeller sesuai kecepatan spesifik n s = n.√Q
( II.3 )
3 H4
Dimana : n s = Putaran spesifik n = Putaran pompa ( rpm ) Q = kapasitas pompa ( m 3 /menit ) H = Head total pompa Kecepatan spesifik yang didefinisikan dalam persamaan diatas adalah sama untuk pompa – pompa yang sebangun atau sama bentuk impellernya, meskipun ukuran dan putarannya berbeda, ada empat ( 4 ) jenis impeller berdasarkan putaran spesifiknya adalah sebagai berikut : n s = ( 100 – 250 ) = Impeller jenis radial n s = ( 100 – 780 ) = impeller jenis francis 3
II.3) Frithz Dietzel, “Turbin Pompa dan Kompressor”, hal 248
II-13
n s = ( 320 – 1400 ) = Impeller jenis aliran campuran n s = ( 890 – 2500 ) = Impeller jenis aksial 2.6 Kavitasi Bila tekanan pada sembarang titik didalam pompa turun menjadi lebih rendah dari tekanan uap pada temperatur cairannya, cairan itu akan menguap dan membentuk suatu rongga uap. Gelembung – gelembung akan mengalir bersama – sama dengan aliran sampai pada daerah yang mempunyai tekanan lebih tinggi dicapai dimana gelembung – gelembung itu akan mengecil lagi secara tiba – tiba, yang mengakibatkan tekanan yang besar pada dinding didekatnya. Fenomena ini disebut kavitasi. Masuknya cairan secara tiba – tiba kedalam ruangan yang terjadi akibat pengecilan gelembung – gelembung uap tadi akan menyebabkan kerusakan – kerusakan mekanis, yang kadang – kadang akan menyebabkan terjadinya erosi, yaitu terjadinya lubang- lubang. Sifat – sifat lain yang terjadi akibat kavitasi dapat berupa bunyi ketukan yang kuat dan akan mengakibatkan getarkan pada bagian – bagian pompa.
2. 7 Daya Pompa Adalah daya dari pompa sentrifugal yang bisa digunakan dan dipindahkan ke fluida, yaitu: Pv = ρ g H Q
( II.4 )
Dimana : 4
II.4) Fritz Dietzel,” Turbin Pompa dan Kompressor”, hal 242
II-14
P v = Daya pompa teoritis ( kW ) H = Head
ρ = Kerapatan fluida ( kg /m 3 ) g = Gravitasi ( m/det 2 ) Q = Kapasitas ( m 3 /det )
2.7.1 Daya Yang Dibutuhkan Adalah daya yang harus disediakan oleh penggerak pompa, yaitu : P=
Pv ηo
( II.5 )
Dimana : P = Daya yang dibutuhkan ( kW ) P V = Daya pompa ( kW )
η o = efisiensi overall
2.8 Ukuran – Ukuran Utama Pompa 2.8.1 Diameter poros pompa d s = 3 T / 0,2τ
i
( II.6 )
Dimana :
5
II.5) Austin H Chruch, “Pompa dan Blower Sentri Fugal”, hal 35 II.6) Fritz Dietzel, “Turbin Pompa dan Kompressor”, hal 260
6
II-15
d s = Diameter poros ( m ) T = Torsi = P/ ω P = daya yang dibutuhkan ( kW )
ω = kecepatan putar ( m/det ) = 2 π n / 60
τ i = 20 N/mm 2 ( pompa satu tingkat ) = 10 – 15 N/mm 2 ( Pompa tingkat banyak )
2.8.2 Sisi Masuk Impeller 2.8.2.1 Diameter naaf impeller ( Dn ) Dn = ( 1,2 – 1,4 ) d s
( II.7 )
Dimana : Dn = diameter naaf ( in ) d s = diameter poros ( in )
2.8.2.2 Diameter mata impeller Do =
4Q + Dn π Vo
2
( II.8 )
Dimana : 7
II.7) Fritz Dietzel, “Turbin Pompa dan Kompressor”, hal 260 II.8) Fritz Dietzel, “Turbin Pompa dan Kompressor”, hal 261
8
II-16
Q = kapasitas ( ft 2 /det ) Vo = kecepatan sisi masuk ijin ( ft 2 /det ) Dn = dimeter naaf ( m )
5
(m/det)
3
V0
4
1
n = 3000
n = 750
n = 1500 menit
2
0
5
0,003
6 0,01
0,02
0,03
3 4 0,1
0,2
0,6
Q (m3/det) Gambar 2.10 Hubungan kecepatan sisi masuk ijin dengan kecepatan yang Dibutuhkan dan putaran pompa
2.8.2.3 Kecepatan keliling sisi masuk impeller ( U I ) U1 =
π D!n 60
( II.9 )
Dimana : U 1 = kecepatan keliling sisi masuk ( m/det ) D 1 = diameter mata impeller ( m ) n = putaran poros ( rpm ) 2.8.2.4 Sudut Sisi Masuk ( β 1 )
9
II.9) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentri Fugal”, hal 108
II-17
Fluida dianggap masuk impeller secara radial, sehingga sudut masuk absolute (
α 1 ) = 90 o , maka sudut ( β 1 ) dihitung dengan : Tan β 1 =
Vr1 U1
( II.10 )
Dimana :
β 1 = sudut sisi masuk Vr1 = kecepatan aliran radial ( diperhitungkan terhadap faktor penyempitan dan kecepatan aliran masuk ijin ) = ( 1,1 – 1,3 ) Vi V i = kecepatan aliran masuk ijin
U 1 = kecepatan keliling sisi masuk
2.8.2.5 Segitiga Kecepatan Sisi Masuk Impeller Segitiga kecepatan dapat digambarkan sebagai berikut :
Vr1
V1 1
U1 Gambar 2 11 Segitiga kecepatan sisi masuk
Dimana : U 1 = kecepatan keliling sisi masuk ( m/det ) 1
II.10) Fritz Dietzel, “Turbin Pompa dan Kompressor”, 262
II-18
Vr1 = kecepatan aliran radial ( m/det )
β 1 = sudut sisi masuk V1 = kecepatan relatif ( m/det )
2.8.2.6 Lebar Impeller Pada Sisi Masuk ( b1 ) b1 =
Q π .D1Vr1ε 1
( II.11 )
Dimana : b1 = lebar impeller pada sisi masuk ( m ) Q = kapasitas ( m 3 /det ) D1 = diameter sisi masuk ( m ) Vr1 = kecepatan arah alian radial ( m/det )
ε = 0,8 – 0.9 ( factor kontraksi )
2.8.3 Sisi Luar Impeller 2.8.3.1 Diameter Luar Impeller ( D 2 ) D2 = 1840φ H n
( II.12 )
Dimana : D2 = diameter luar impeller ( in ) 1
II.11) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentri Fugal”, hal 94 II.12) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentri Fugal”, hal 34
1
II-19
φ
= koefisien tinggi tekan ( 0,9 – 1,2 )
H = head pompa ( ft ) n = putaran poos pompa ( rpm )
2.8.3.2 Kecepatan Keliling ( U 2 ) U2 =
π .D2. n 60
( II.13 )
Dimana : U 2 = kecepatan keliling impeller sisi luar ( m/det ) D2 = diameter luar impeller ( m ) n = putaran poros ( rpm )
2.8.3.3 Kecepatan Radial ( Vr 2 ) Kecepatan radial sisi keluar diperhitungkan dari radial sisi masuk yaitu : Vr2 = Vr1 - 15 % Vr1
( II.14 )
Dimana : Vr2 = kecepatan raduial keluar ( m/det ) Vr1 = kecepatan radial masuk ( m/det )
2.8.3.4 Sudut Sisi Keluar ( β
2
)
Besarnya sudut sisi keluar dibuat lebih besar dari sudut sisi masuk untuk mendapatkan aliran yang lancar. 1
II.13) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentri Fugal”, hal 35 II.14) Austin H Chrunch, Pompa dan Blower Sentri Fugal, hal 98
1
II-20
β
2
( II.15 )
= ( 15 o - 40 o )
2.8.3.5 Segitiga kecepatan Sisi Keluar Untuk mendapatkan besarnya kecepatan relative ( w2 ) dan kecepatan air keluar ( V 2 ) dapat dibuat segitiga kecepatan sisi keluar impeller dengan bantuan besar – besaran yang telah didapat terlebih dahulu. Keterangan gambar : V`
V Vr
α '2
VuVu2
β2
2
U2 Gambar 2.12 Segitiga kecepatan sisi keluar U 2 = kecepatan impeller sisi keluar ( m/det ) Vu 2 = kecepatan keluar tangensial ( m/det )
β
2
= sudut sisi keluar
α ' 2 = sudut sisi keluar actual Vr 2 = kecepatan radial keluar ( m/det ) Vu 2 = kecepatan keluar tangensial absolute ( m/det ) 2.8.3.6 Lebar Impeller Pada Sisi keluar ( b 2 ) b2 =
Q Vr2.π .D2.ε
( II.16 ) 2
1
II.15) Austin H Chrunch, Pompa dan Blower Sentri Fugal, hal 98 II.16) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentri Fugal”, hal 98
1
II-21
Dimana : Q = jumlah aliran total ( m 3 /det ) Vr2 = kecepatan radial keluar ( m/det ) D 2 = diameter luar impeller ( m )
ε 2 = faktor koreksi yang disebabkan ketebalan sudu = ( 0,9 – 0,95 )
2.8.4 Jumlah Sudu ( z ) Jumlah sudu dihitung dengan : z = 6,5
D2 + D1 sin β D2 − D1
m
( II.17 )
Dimana : D2 = diameter luar impeller ( m ) D1 = diameter dalam impeller ( m )
β
m
=
β1+ β 2
2
2.8.5 Jarak Sudu Sisi Masuk ( t 1 ) t1 =
π .D1 z
( II.18 )
Dimana : D1 = Diameter dalam impeller ( m ) z = jumlah sudut 2.8.6 Tebal Sudu ( s ) 1
II.17) Fritz Dietzel, “Turbin Pompa dan Kompressor”, 255 II.18) Fritz Dietzel, “Turbin Pompa dan Kompressor”, 266
1
II-22
S = ( 3 – 6 mm ), untuk bahan perunggu, logam ringan, dan baja tuang = ( 2 – 10 mm ), untuk bahan besi tuang kelabu 2.8.7 Melukis Bentuk Impeller Melukiskan bentuk impeller dapat dilakukan dengan metode arkus tangen yaitu dengan rumus :
ρ =
R 2b − R 2 a 2( Rb cos β b − Ra cos β a )
( II.19 )
Dimana : Ra = jari – jari knsenrtis lingkaran dalam Rb = jari – jari konsentris lingkaran luar a
dan b = indek yang menunjukkan bagian dalam dan luar lingkaran konsentris.
2.8.8 Rumah Pompa ( Volute ) Fungsi rumah pompa ( volute ) adalah untuk mengkonversi tinggi kecepatan ( velocity ) dari fluida menjadi tinggi tekan. Untuk perencanaan rumah pompa dimulai dari suatu garis dasar yang dinamakan lidah ( tongue )
2.8.8.1 Radius Lidah Tongue ( R t ) Dapat menggunakan rumus : Rt = ( 1,05 – 1,10 ) R2
( II.20 )
1
II.19) Austin H Chrunch, Pompa dan Blower Sentri Fugal, hal 98 II.20) Austin H Chrunch, Pompa dan Blower Sentri Fugal, hal 119
2
II-23
2.8.8.2 Sudut Antara Tongue Teoritis Dengan Tongue Aktual.
φ
o
t
=
132 log10 ( Rt / R2 ) tan α ' 2
( II.21 )
2.8.8.3 Lebar Rata – Rata Tiap Ring ( Bave ) Bave = b3 + 2 χ tan θ / 2
( II.22 )
Dimana : b3 = lebar rumah pompa b2 = lebar impeller pada sisi keluar R2 = jari – jari luar impeller R = jarak antara dua radius R dan R2 = Rave - R Rave = jari -=jari rata – rata – rata Penampang rumah pompa berbentuk trapesium dengan sudut antara dinding dengan garis horizontal 30 o . Rencana rumah pompa ditentukan oleh sudut yang dihitung.
2.8.8.4 Sudut Rumah Pompa ( φ o )
φ
o
360 R2Vu 2 = Q
Rφ
∑
R2
b
∆R R
( II.23 )
2
II.21) Austin H Chrunch, Pompa dan Blower Sentri Fugal, hal 120 II.22) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentri Fugal”, hal 121 2 II.23) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentri Fugal”, hal 118 2
II-24
BAB III PERHITUNGAN HEAD POMPA
3.1 PENENTUAN DIAMETER PIPA Dalam perencanaan ini diameter pipa ditentukan berdasarkan jenis cairan yang akan dialirkan. Apabila diameter pipa terlalu kecil, maka laju aliran akan tinggi dan sebaliknya jika diameter pipa terlalu besar maka laju aliran akan rendah. Laju aliran yang akan menimbulkan kerugian gesekan yang besr pada pipa. Sedangkan kecepatan aliran cairan yang akan diizinkan pada pipa discharge adalah 1 – 3 m/s. 3.1.1 Luas Penampang Pipa Isap Kecepatan yang diizinkan dalam pipa hisap adalah 1,2 – 5,4 m/s . Dalam perencanaan ini kecepatan aliran dalam pipa hisap direncanakan 2 m/s.
Gambar 3.1 Pipa Isap
III-1
Q=V.A
( III.1 )
III
Dimana : Q = Kapasitas pompa, m/s ³ = Direncanakan untuk mengisi tangki atas sehingga penuh dalam 30 menit. V = Volume tangki air = 0,9 m ³ t = Waktu yang diperlukan untuk mengisi tangki dengan air sampai penuh. = 30 menit = 1800 detik. V
Q=
0,9 m ³/ s
=
t
1800
Q = 0.5 × 10-4 m3/s Q = 0,5 I / s Vs = Kecepatan masuk aliran 2 m / s. As = Q Vs As = 0,5 ×10 − ³ 2 As = 0,25 × 10− ³ m² Luas penampang pipa isap : AS = π
d 2S
4 dS = 0.0178 m dS = 0.702 m Dalam perencanaan ini diambil pipa dengan diameter ¾ inci dengan ukuran pipa sebagai berikut : • III
Diameter luar pipa
= 0,02667 m
III.1) Sularso & Harao Tahara,”Pompa & Kompresor “ hal 5
III-2
•
Diameter dalam pipa
= 0,0209296 m
Kecepatan aliran dalam pipa isap sebenarnya : vs
=
Q
=
A vs =
4Q πd ²s
4 × 0.5 ×10-3 2
π ( 0.0209296 ) vs = 1.45 m/s 3.1.2 Luas Penampang Pipa Tekan Luas penampang pipa tekan dapat dihitung dengan menggunakan cara : vd = Kecepatan keluar air 3 m/s Ad =
Q Vd
=
0.5 X 10 − 3 -4 3 = 1.66×10 m 3
dd = 0.0147567 m Dalam perencanaan ini diambil pipa dengan diameter ½ inci dengan ukuran pipa sebagai berikut : •
Diameter luar pipa
•
Diameter dalam pipa : 0.0157988 m
: 0.021336 m
Kecepatan aliran air dalam pipa discharge adalah : Q 4 X 0.5 X 10 − 3 vd = .= Ad π (0.0157988 2 ) vd = 2.25 m/s. Dalam perhitungan diatas, ternyata kecepatan aliran cairan dalam pipa isap dan pipa tekan masih dalam batas yang diizinkan sehingga pipa dalam perencanaan ini dapat digunakan. 3.2 PENENTUAN SIFAT ALIRAN Penentuan sifat aliran dapat dihitung dengan : III-3
3.2.1 Pipa isap Perhitungan pada pipa isap dapat dihitung dengan menggunakan rumus : Re =
v ds
( III.2 )
IV
v Dimana : vs = Kecepatan aliran dalam pipa isap = 1.45 m/s ds = Diameter dalam pipa isap = 0.0209296 m v = 0.804 ×10-6 m2/s Re = 1.45 × (0.0209296) 0.804 ×10-6 Re = 37.746,17 aliran yang terjadi adalah Turbulen 3.2.2 Pipa Tekan Perhitungan pada pipa tekan dapat dihirung dengan menggunakan rumus: Re = vd dd v Dimana : vd = kecepatan aliran dalam pipa keluar = 2.55 m/s
Re =
2.55 × (0.0157988) 0.804 ×10-6
Re = 50.108,13 aliran yang terjadi adalah Turbulen Untuk Re <2000, aliran dalam pipa adalah aliran laminar Re = 2000 : 4000, aliran dalam pipa adalah peralihan laminar ke turbulen Re > 4000, aliran dalam pipa adalah aliran turbulen
IV
III.2.) Alan L. Prashun, “Fundamental of Fluid Mechanics” hal 233
III-4
Sehingga dari hasil perhitungan di atas maka, aliran dalam pipa – pipa tersebut adalah aliran turbulen. 3.3 PERHITUNGAN HEAD POMPA Jika zat cair mengalir melalui suatu instalasi pompa, maka zat cair akan mengalami hambatan pada pipa. Dengan demikian menimbulkan kerugian-kerugian pada hisap dan tekan.
Gambar 3.2 Head Pompa
3.3.1 Perhitungan Head Gesekan Pada Pipa Lurus a. Kerugian Head gesekan pada pipa lurus (hls) Kerugian head gesekan pada pipa yang lurus dapat dihitung dengan menggunakan Rumus : 2 hls = f Is vs ds 2g Dimana :
f
.(
III.3 )
V
= factor gesekan pipa
Is = panjang pipa hisap = 4.5 m ds = diameter pipa hisap V
III.3.) Frank M. White “Fluid Mechanics “ hal 340
III-5
= 0.0209296 m vs = kecepatan aliran pada hisap = 1.45 m/s g = percepatan grafitasi = 9.81 m/s2 Dari mody diagram di dapat : f = 0.00225 hls = 0.00225
pada Re = 37.746,17
4.5 (1.452) 0.0209296 2×9.81
hls = 0.518 m b. Kerugian Head Akibat Sambungan 900 (hls ) 2 hl1 = nk1 v 2g Dimana : n = jumlah sambungan 900 = 1 buah k1 = factor kelengkungan pipa lekuk 900 = 0.55 sehingga didapat : (1.45 2 ) 2 X 9.81
hl1 = 0.55
= 0.518m c. Kerugian head pada kutub isap dengan saringan (hl2 ) hl2
=
k
v2 2g
Dimana : k = factor akibat adanya katub hisap dengan saringan = 1 2 hl2 = 1 (1.45 ) 2×9.81
hl2 = 0.1072 m Jadi kerugian head pada sisi isap seluruhnya adalah : hsl
= hls + hl1 + hl2
III-6
hsl
= 0.518 + 0.0589 + 0.14072
h2l = 0.684 m 3.3.2 Perhitungan Kerugian Head Pada Sisi Tekan Pada perhitungan kerugian head pada sisi tekan
dicari dengan
menggunakan cara : a. kerugian head gesekan pada pipa lurus Kerugian head gesekan pada pipa lurus dapat dihitung dengan menggunakan rumus : =
hl2
f
( III.4 ) VI
I v2 D 2g
Dimana : f = factor gesekan pipa tekan ld = panjang pipa tekan = 5m d = diameter pipa tekan = 0.0157988 m v = kecepatan aliran pada pipa tekan = 2.55 m/s dari mody diagram di dapat : f = 0.0205
dari Re = 50.108,13
sehingga didapat : hld = 0.0205
5 (2.552) 0.0157988 2×9.81
hld = 2.15 m b. Kerugian head akibat adanya belokan 900 ( hl1 ) hl1
VI
2 = nk v 2g
III.4) Ronald V. Gikes “Mekanika Fluida & Hidrolika, “ hal 103
III-7
Dimana : n = jumlah belokan = 1 buah k = factor kelengkungan pipa siku 900 = 0.55 sehingga didapat : (2.552)
hl1 = 2×0.55
2×9.81 hl1 = 0.36 m c. Kerugian head akibat kecepatan pada ujung pipa buang 2 = n v 2g
hl2
(III. 5)
VII
Dimana : n = jumlah kutub buang = 1 buah hl2 = 1
(2.552) 2 × 9.81
hl2 = 0.33 m Jadi kerugian head pada sisi tekan pompa adalah : hld
= hls + hl1 + hl2
hld
= 2.15 + 0.36 + 0.33
hld
= 2.84 m
Dengan demikian head total pompa adalah : Htotal = hld
+ hls + Ztotal
= 2.84 + 0.6841 +8 = 11.5241m Dimana : Ztotal = tinggi total =8 VII
III.5) Ronald V. Gikes “Mekanika Fluida & Hidrolika,” hal 256
III-8
BAB IV PERENCANAAN DIMENSI UTAMA POMPA SENTRIFUGAL
4.1 Pemilihan Jenis dan Tingkat Impeler pada Pompa Dalam menemtukan tipe impeller dari suatu pompa harus diketahui dahulu putaran spesifik dari pompa tersebut. Kecepatan spesifik adalah suatu istilah yang dipakai untuk memberikan klasaifikasi impeller yang berdasarkan prestasi dan proporsinya tanpa memperhatikan ukuran actual dan kecepatan dimana pompa itu beroperasi. Untuk menghitung kecepatan pada pompa yang akan direncanakan dapat menggunakan persamaan rumus ( II. 3 ) ns = n
Q H
3
4
Dimana : n
= putaran motor, rpm ( n =3000 rpm )
Q
= debit pada pompa, m
(Q = 0,0055 m ) IV-1
H
= tinggi manometris ( H
ns = 3000
= 11,52 m )
5.10 − 4 11,52
3
4
= 10,72 Dengan melihat gambar 4.1 dibawah ini, maka ditentukan jenis impellera yaitu “low speed impeller”. Dengan baik isapan tunggal dan satu tingkat pompa sudah dapat bekerja dengan baik.
Gambar 4.1 Gambar jenis-jenis impeller 4.2 Effisiensi Operasional Pompa a. Effisiensi hidrolis η
h
Effisiensi hidrolis η
h
= 0,750-0,85
Untuk efisiensi hidrolis diambil = 0,85 b. effisiensi Mekanis η Effisiensi hidrolis η
m
m
= 0,9-0,95
Untuk efesiensi mekanis diambil = 0,95
IV-2
c. Effisiensi Volumetris η Effisiensi hidrolis η
h
v
= 0,94 – 0,995
Untuk effisiensi volumetric diambil = 0,98 Sehingga untuk effisiensi operasionalnya :
η
op
= 0,85 x 0,95 x 0,98 = 0,79
Effisiensinya operasionalnya pompa η
op
= 0,63 – 0,84 ini berarti η
op
yang direncanakan memenuhinya persyaratan.
4.3 Perencanaan poros 4.3.1 Perhitungan Daya Motor Untuk menggerakan pompa dipilih motor listrik yang dihubungkan langsung dengan kopling. Daya motor dihitung dengan menggunakan persamaan rumus ( II. 4 ) : P=
γ .Q p .H man η ορ
Dimana : P
= daya motor
η op
= overall efficiency dari pompa
Qp
= kapasitas pompa m
ρ op
= masa jenis fluida pada temperatur
γ
= berat jenis fluida
IV-3
γ
= ρ .g
Qth
= Q/η
v
Qth = Q/0,95 = 5.10-4 / 0,95 = 5,2.10-4 m3/s 995,7.9,8.5,2.10 − 411,52 P = 0,79 = 73,99 watt 4.3.2 Menghitung Diameter Poros Perhitungan poros ini adalah pada beben torsi, untuk poros pompa perencanaan ini dipilih bahan poros SCM 2 JIS 4105 dengan σ
w
=
85 kg/mm Dengan faktor keamanan Sf =8. maka perhitungan adalah sebagai berikut :
σ
τ =
max
3.sf
=
( IV.I )
1
85 3.8
= 6,13 kg/mm2 Sehingga Torsi poros T=
60.P 2.π .n
1
IV.1) Fritz Dietzel, “Turbin Pompa dan Kompresor”, hal 267
IV-4
=
60.73,99 2.3,14.3000
= 0,23 Nm = 23,46 kgmm Diameter poros ds = 3
16.23,46 π .6,13
= 2,69 mm ≈ 3 mm Pada perencanaan diameter poros bertingkat, dan untuk keseimbangan
dan
memperhatikan
faktor
kekuatan,
maka
diameter poros terkecil ds diambil 6 mm Diameter naaf ( dn) Dn = (5-10) + ds = 10 + 3 = 13 mm
Gambar 4.2 Sketsa Impeller IV-5
4.4
Dimensi Sudu dan Impeler
4.4.1 Dimensi Impeller pada sisi pemasukan a.
Kecepatan radial pada sisi masuk ( Vr i ) Untuk nq= 10,72 maka didapat KV m l = 0,11 Vrl = KVml 2.g .H man
( IV.2 )
2
= 0,11 2.9,8.11,52 = 1,65 m/s
Grafik 4.3 Grafik hubungan koefesien dengan putaran spesifik b.
Kecepatan masuk Dalam perencanaan Vo adalah : Vo = 0,8 Vrl = 0,8.1,65 = 1,32 m/s
2
IV.2) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentrifugal” hal 108
IV-6
c.
Diameter mata impeller =
4.Qth 2 + dn π .Vo
=
4.5,2.10 − 4 + 0,014 2 π .1,32
do
= 0,027 m = 27 mm d.
Diameter sisi masuk impeller Untuk diameter sisi masuk (d1) besarnya adalah : D1 = D2 Diameter masuk dibuat sama dengan diameter mata impeller dikarenakan asumsi fluida memasuki impeller adalah radial dan membentuk sudut 90o.
e.
Kecepatan keliling paa sisi masuk (U1) Untuk kecepatan keliling pada sisi masuk dapat menggunakan rumus dengan persamaan ( II.9 )
π .d1 .n 60
U1 = =
π .0,027.3000 60
= 4,24 m/s
IV-7
f.
Sudut sisi masuk Fluida biasanya dianggap masuk ke sudu-sudu secara radial, sehingga sudut sisi masuk ( =90o) karena Vr = V. Dapat menggunakan persamaan ( II.10 ) tan β =
=
Vri U1 1,6 4,24
arc tan β =0,37 β = 20,67 = 21o Harga β = 21o masih berada dalam batasan yang yang diijinkan yaitu 15 o s/d 30o. g.
Jarak antara sisi masuk Untuk menentukan jarak sudu masuk, kita asumsikan banyak sudu adalah 5 buah Maka besarnya t =
=
π .d1 Z 3.14.27 5
= 16,95 mm
IV-8
h.
Koefesien penyempitan masuk (ϕ) Koefesien penyempitan sisi masuk dapat ditentukan jika dapat menentukan harga Su1 , kita asumsikan besarnya tebal sudu 2 mm Su1 =
S1 sin β
=
4 sin 21
= 11,16 mm Dengan demikian besarnya koefesien penyempitan sisi masuk ϕ1 : t1 t1 − S u1
ϕ1 =
=
16,59 16,59 − 11,16
= 3,0 i.
Lebar sisi masuk impeller b1 =
=
Qth π .d1 .Vr1 .ε 1 5,2.10 − 4 π .0,027.1,6.0,86
= 0,00445 m = 4,4 mm
j.
Segitiga percepatan
Merupakan bagian mencari harga V (kecepatan relative fluida terhadap impeller) yaitu dengan menggambar vector gaya yang bekerja IV-9
pada sisi masuk.
Dari grafik diatas didapat kecepatan rekatif air meninggalkan impeller v = m/s
4.4.2 Dimensi impeller pada sisi pengeluaran a. Perhitungan diameter luar impeller Dengan mengambil referensi dari Khertagurov bahwa ns= 10 maka perbandingan antara d2/d1 = 2,5-3,5 sehingga dalam perencanaan digunakan: d2 = 3 d1 d2 = d1.3 d2 = 3 . 27 = 81 mm b. Kecepatan keliling Pengeluaran Dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (II.13) U2 =
π .d 2 .n 60
c. Sudut sisi Keluar Besarnya sudut keluar 15o-40o maka untuk β = 33o
IV-10
d. Kecepatan radial sisi keluar Kecepatan radial sisi keluar diperoleh dengan persamaa ( II.14 ) Vr2 = (0,85-1).Vr1 = 0,85. 1,65 = 1,4 m/s e. Kecepatan Tangensial VU2 =U2-
Vr 2 tan β
2
1,4 tan 33
= 12,72 -
= 10,56 m/s f. Kecepatan Absolut Tangensial •
Tinggi tekan yang diberikan impeller ke fluida Hvir =
H man η th
=
11,52 0,85
=13,5 •
Tinggi tekan untuk jumlah sudu tak terhingga ∞ H vir =
U 2 .Vu 2 9,8 =
12,72.10,56 9,8
= 13,7 m
IV-11
•
Koefesien alliran sirkulasi (η∞)
η
∞
H vir ∞ H vir
=
=
13,5 13,7
= 0,98 •
Kecepatan absolute tangeensial (Vu2) ∞ Vu’2 =η .Vu 2
= 0,98.10,56 = 10,34 m/s •
Sudut sisi keluar aktual (α2)
α
2
= arctan
Vr 2 Vu 2
= arctan
1,4 10,56
= 7,5o •
Kecepatab absolute sisi keluar V’2 = Vr 2 2 + Vu 2 2 =
1,4 2 + 10,56 2
= 10,6 m/s g. Jarak bagi antara sudu sisi masuk Untuk menentukan jarak sudu masuk, kita asumsikan banyak sudu adalah 5 buah
IV-12
Maka besarnya t2 =
π .D2 Z =
π .81 5
= 50,86 mm h. koefesien penyempitan sisi masuk Koefesien penyempitan sisi masuk dapat ditentukan jika kitadapat menentukan harga Su2
,kita asumsikan besarnya
tebal sudu = 4 mm maka Su2 =
=
S2 sin β
2
4 sin 33o
= 7,34 mm Dengan demikian besarnya koefeien penyempitan sisi masuk
ϕ2=
=
t2 t2 − Su2
50,86 50,86 − 7,34
= 1,16 i. Lebar impeller sisi keluar Lebar impeller sisi keluar dapat dihitung dengan menggunakan persamaan ( II.16 ) b2 =
Qth π .d 2 .Vr .ε
2
IV-13
=
5,2.10 − 4 π .0,081.1,4 x 0,9
= 1,6 .10-3 m = 1,6 mm j. segitiga kecepatan v2 Merupakan bagian mencari harga V2 (kecepatan relative fluida terhadap impeller) yaitu dengan menggambar vector gaya yang bekerja pada sisi keluar Dari grafik diatas didapat kecepatan rekatif air meninggalkan impeller v = m/s
4.4.3
Perhitungan Jumlah Sudu Impeler Dengan mengambil referensi dari Khertagurov halaman 106,
jumlah sudu yang biasa digunakan adalah 5 -13 buah. Jumlah sudu haruslah sesuai enga ketentuan yang telah diberikan sehingga memberikan pengarahan yang baik pad zat cair yang dipompa. Jumlah yang makin banyak akan menyebabkan semakin banyak kerugian akibat gesekan. Dari perhitungan sebelumnya, jumlah sudu yang diasumsikan adalah 5 buah. Untuk itu kita harus memeriksa kembali ketepatannya dengan menggunakan persamaan rumus ( II.17 ) Z = 6,5 x
d 2 + d1 β + β sin 1 d 2 − d1 2
2
IV-14
Z = 6,5
81 + 27 21 + 33 sin 81 − 27 2
= 4,2
4.4.4 Melukis Bentuk Sudu Impeler Untuk merencanakan bentuk kelengkungan sudu impeller digunakan metode “Tangen Circular Arc” dengan menggunakan persamaan ( II.19 ) :
ρ =
Rb2 − Ra2 2( Rb cos β b − Ra cos β
a
Dari perhitungan telah didapat:
Untuk inlet Vri = 1,66 m/s β1 = 21o d2 = 27 Untuk outlet Vr2 = 1,44 m/s β2
= 33 o
d2
= 81 mm
Sebelum menghitung dengan persamaan diatas terlebih dahulu dibuat grafik : Agar mempermudah melukis bentuk sudu dibuat tabel berdasarkan grafik. IV-15
Tabel 4.1 .Perhitungan Melukis Impeller Ring
R
R2
θ
cosβ
Rcosβ
1 B C D 2
13.5 20.25 27 33.75 40.5
182.25 410.0625 729 1139.063 1640.25
21 24 27 30 33
0.933 0.914 0.891 0.866 0.838
12.5955 18.5085 24.057 29.2275 33.939
Rcosβ2Rcosbβ1 0 5.913 5.5485 5.173 4.7115
R22-R12
ρ
0 227.8125 318.9375 410.0625 501.1875
0 19.2637 28.74088 39.63488 53.18768
Langkah-langkah melukis sudu dengan jari-jari : R = 1.b,c,d, 2 1. Buatlah Lingkaran jari-jari R = 1, b,c,d,2 2. Buatlah lingkaran dari 1a dibuat garis sudut β1 =21o 3. Kemudian dari titik 1,ukur panjang ρ = 19,26 sehigga didapat titik A 4. Dengan titik pusat A, dibuat lingkaran dari 1 sampai memotong lingkaran di 1b dan didapat titik B 5. Kemudian ukurlah panjang ρ2 = 14,37 mm dari titik B melintasi titik A sehingga didapat titik C 6. Denga titik pusat di C, dibuat lingkaran dari titik B hingga memotong lingkaran 1c dan didapat titik D. 7. ukurlah panjang ρ3 = 39,63 mm dari titik D yang melintasi C dan didapat titik E 8. Demikian seterusnya dengan titik pusat E, dibuat lingkaran dari titik d sampai memotong lingkaran 1d didapat titik F 9. Kemudian ukur ρ4 = 53,18 mm dari titik F melewati titik E dan diperoleh titik G
IV-16
10. Dengan titik G sebagai pusat, Dibuat lingkaran dari F sampai memotong lingkaran 2 sehingga di peroleh titik H
4.4.5 Perhitungan Ketebalan Sudu 1. Ketebalan Sudu tabal Sudu dapat dihitung berdasarkan pada jari-jari lingkaran yang relah dipilih Persamaan untuk menentukan ketebalan sudu diperoleh dengan persamaan untuk menentukan kontraksi yaitu : t=
sin β (π .D − π Dε ) Z
Untuk harga kontraksi diambil 0,86-0,9, yang secara konstan akan naik mulai dari 0,86 sebanyak 0,01. Berdasarkan rumus di atas maka didapat tebal sudu pada table berikut ini: Tabel 4.2 Ketebalan sudu β 21 22 23 24 25
D 27 40.5 54 67.5 81
E 0.86 0.87 0.88 0.89 0.9
t 0.830844 1.223375 1.587082 1.86516 2.136456
Jumlah sudu(Z) adalah 5 2. Lebar Laluan Lebar laluan impeller pada jari-jari yang akan dipilih diperoleh dengan menggunakan rumus :
IV-17
b=
Qth π .D.ε .Vr
( IV.3 )
3
Tabel 4.3 Tabel Lebar Laluan D 0.027 0.0405 0.054 0.0675 0.081
ε 0.86 0.87 0.88 0.89 0.9
Vr 1.6 1.56 1.52 1.48 1.4
B 0.004458 0.003013 0.002293 0.001863 0.001623
4.5 Perhitungan Rumah Pompa Rumah pompa berbentuk spiral yang bertujuan merubah velocity head dari air yang meninggalkan impeller menjadi pressure head seefesien mungkin 1. Jari-jari kelengkungan volute bagian dalam R3 = (1,02-1,05).R2 = 1,05.40,5 = 42,525 2. Lebar Volute pada lidah Casing (b3) b3 = b2 + (0,025.R2) = 1,6 + (0,025.81) = 3,625
3
IV.3) Austin H Church, “Pompa dan Blower Sentrifugal” hal 106
3. Jari-jari lingkaran penampang Volute (ρv) ρv =
φ 2.φ .R3 x
Dimana φ = Sudut pembagi, dipilih 45o sebagai interval pertama IV-18 x = faktor kontanta = (0,72/Q).ku.π ku = Vu2 x R2 = 11,8 . = 0,478 x = (0,72/0,0005)x0,478x3,14 = 2160,8 maka ρv =
45 45 2. .0,0425 2160,8 2160,8
= 8,76.10-4m = 0,87 mm 4. Jari-jari Volute bagian luar Ra = R3 + (ρv) = 42,5 + 0,87 = 43,37 mm Untuk sudut-sudut pada interval yang lain dapat dihitung dengan rumus diatas dan kemudian diamsukkan ke dalam table.
IV-19
Tabel 4.4 Tabel Dimensi Rumah Volute
θ 0 45 90 135 180 225 270 315 360
ρv 0 0.876206 2.478286 4.552902 7.00965 9.796284 12.87755 16.22757 19.82629
Ra 42.5 43.37621 44.97829 47.0529 49.50965 52.29628 55.37755 58.72757 62.32629
5. Sudu lidah Volute Sudu Lidah Volute dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (II.21) : φL =
=
132.Log ( R3 / R2 ) tan α 2 132.Log (0,0425 / 0,0405) tan 7,5 0
= 20,9o 4.6 Perbandingan Untuk membandingkan hasil pompa perencanan penulis membandingkan dengan pompa Panasonic GA-200 JBE
IV-20
Tabel 4.5 Data Teknis Perbandingan Pompa Panasonic Daya Kapasitas /debit Total head D. Pipa suction D. Pipa discharge D. Impeller
200 Watt 35 l/s 20 m 25,4 mm 25,4 mm 120 mm
Perencanaan Daya Kapasitas /debit total head D. Pipa suction D. Pipa disharge D. Impeller
73,99 watt 30 l/s 11 m 15 mm 20 mm 81 mm
Pompa Perencanan ini mempunyai watt kecil cocok untuk daerah mata airnya tidak terlalu dalam.
IV-21
BAB V PENUTUP 5.1 Simpulan Pada perencanaan pompa ini berfungsi untuk memindahkan fluida berupa air di bawah permukan air ke tanki penampungan. Dalam perencanaan ini digunakan jenis pompa sentrifugal. 1. Head total manometris yang terjadi sebesar 11,52 m . 2. Kerugian Head pada pipa hisap sebesar 0,684 m 3. Kerugian head pada pipa tekan sebesar 2,84 m 4. Head statis sebesar 8 m. 5. Diameter pipa hisap sebesar pipa ¾ in atau 20,9 mm 6. Diameter pipa tekan sebesar 15 mm 7. Putaran spesifik sebesar 10,72 berdasarkan putaran spesifik inilah didapat impeller sentrifugal yang digunakan pada perencanaan ini dengan bahan impeller yaitu bronze.
V-1
8. Diameter dalam impeller pompa sentrifugal pada sisi masuk sebesar 27 mm. 9. Diameter impller sebesar sisi keluar 81 mm dengan jumlah sudu sebanyak 5 buah 10. Daya yang dibutuhkan sebesar untuk mengalirkan debit air sebesar 0,0055 m3/s adalah 73,99 Watt. 11. Diameter poros sebesar 13 mm dengan bahan poros SCM 2 JIS 4105
5.2 Saran 1. Untuk mendapatkan ukuran impeller yang sesuai dengan kapasitas dan daya hisap dan tekan diperlukan daya yang sangat besar. sesuai dengan rumus bantuan yaitu rumus putaran spesifik 2. Untuk mengurangi laju karat dipilih bahan impeller dari bahan perunggu yang mempunyai laju korosi yang kecil. 3. Untuk menjaga agar tidak terjadi macet pada mata impeller yang diakibatkan sampah untuk itu diperlukan filter pada ujung pipa hisap. Contoh : Muffler filter. 4. Untuk menentukan tipe impeller harus diketahui dahulu putaran spesifik dari pompa tersebut.
Daftar Pustaka 1. Church, Austin H, “Pompa dan Blower Sentrifugal”diterjemahkan oleh Zulkifli Cetakan ketiga, Erlangga, Jakarta, 1993. 2. Dietzel, Fritz, “Turbin, Pompa dan Kompresor” diterjemahkan Dakso, Erlangga, Jakarta, 1980. 3. Edwards, Hicks, “Teknologi Pemakaian Pompa”, Cetakan pertama, Erlangga, Jakarta, 1996. 4. Giles, Ranald V., “Mekanika Fluida dan Hidrolika”, diterjemahkan Herman Widodo Soemitro, Erlangga, Jakarta. 5. Prashun, Alan L., “Fundamental of Fluid Mechanics”, Prentice Hall. Inc, Englewood cliffs, New Jersey, 1980. 6. Tahara, Haruo Sularso&, “Pompa dan Kompresor”, Cetakan kedelapan, Jakarta, 2004. 7. White, Frank M., “Fluid Mechanics”, Fouth Edition, Mc. Graw Hill Co, New York.
