Pompa dan Kompresor
Ir. Uung Ungkawa, MT
2007
Pengantar
Dalam zaman modern sekarang ini, Pompa dan Kompresor banyak menyentuh kehidupan manusia dari rumah tangga hingga industri. Oleh karena itu mata kuliah Pompa dan Kompresor merupakan mata kuliah wajib di beberapa jurusan teknik seperti Teknik Mesin dan Teknik Perminyakan. Buku ini adalah buku pegangan mata kuliah tersebut dan merupakan hasil ramuan yang mengambil materi tidak saja dari buku-buku Pompa dan Kompresor yang klasik tetapi juga dari berbagai sumber lain yang mutakhir termasuk dari beberapa website yang kompeten. Akan tetapi, tentu tidak sekedar mutakhir, buku ini juga berorientasi pada pengalaman dan permasalahan praktis. Jadi, buku ini berusaha memaparkan bahasan yang selama ini masih tersembunyi atau yang belum diungkap buku lain. Kami menyadari mungkin masih ada kekurangan yang tidak kami sadari. Oleh karena itu, kami membuka diri untuk mendapat masukan demi perbaikan buku ini di kemudian hari. Semoga banyak memberi manfaat bagi kita semua baik dari kalangan akademik, industri maupun praktisi.
Bandung, Agustus 2007
Penulis
i
Daftar Isi
PENGANTAR..............................................................................................................................................I DAFTAR ISI..............................................................................................................................................II BAGIAN 1 POMPA....................................................................................................................................1 1. PENDAHULUAN....................................................................................................................................2 1.1. LATAR BELAKANG...................................................................................................................................2 1.2. TEKANAN DAN SATUANNYA......................................................................................................................3 1.3. TEKANAN ATMOSFIR................................................................................................................................4 1.3.1. Mengukur Tekanan Atmosfir.......................................................................................................5 1.3.2. Tekanan Mutlak dan Alat Ukur...................................................................................................7 1.4. HEAD....................................................................................................................................................8 1.4.1. Konsep Head................................................................................................................................8 1.4.2. Beberapa Jenis Head...................................................................................................................9 1.4.3. Head Total dan Persamaan Bernoulli.......................................................................................10 1.5. HAKIKAT DAN PERANAN POMPA..............................................................................................................11 1.6. HEAD DAN PERFORMANSI POMPA............................................................................................................12 1.6.1. Daya Air....................................................................................................................................12 1.6.2. Efisiensi Pompa.........................................................................................................................13 1.6.3. Efisiensi Sistem..........................................................................................................................13 1.6.4. Performansi Pompa...................................................................................................................13 2. AZAS POMPA.......................................................................................................................................15 2.1. JENIS DAN CARA KERJA POMPA..............................................................................................................15 2.1.1. Pompa Perpindahan Positif.......................................................................................................15 2.1.2. Pompa Bukan Perpindahan Positif...........................................................................................17 2.1.3. Perbandingan Pompa PD dan Non-PD....................................................................................18 2.2. HUKUM KESEBANGUNAN........................................................................................................................19 2.3. KECEPATAN JENIS (SPESIFIK)..................................................................................................................20 2.4. BENTUK IMPELER DAN KECEPATAN JENIS.................................................................................................22 3. HEAD SISTEM......................................................................................................................................26 3.1. SIFAT FISIK ZAT CAIR...........................................................................................................................26 3.1.1. Viskositas...................................................................................................................................26 3.1.2. Tekanan Uap..............................................................................................................................29 3.2. HEAD STATIK DAN DINAMIK...................................................................................................................31 3.2.1. Head Ketinggian dan Kecepatan...............................................................................................32 3.2.2. Head Tekanan............................................................................................................................32 3.3. HEAD KERUGIAN..................................................................................................................................33 3.3.1. Konsep Dasar............................................................................................................................33 3.3.2. Kerugian Mayor dan Minor......................................................................................................34 3.4. METODE PERHITUNGAN HEAD KERUGIAN.................................................................................................35 3.4.1. Metode Darcy-Weisbach...........................................................................................................35 3.4.2. Metode Hazen-Williams............................................................................................................38 3.4.3. Menghitung Head Kerugian Minor...........................................................................................39 3.5. HEAD TOTAL DAN KARAKTERISTIK SISTEM...............................................................................................46
ii
3.6. PERFORMANSI UNTUK ZAT CAIR KENTAL.................................................................................................49 3.7. NPSH DAN KAVITASI...........................................................................................................................50 3.7.1. Head Isap...................................................................................................................................51 3.7.2. NPSH yang Tersedia.................................................................................................................52 3.7.3. NPSH yang Diperlukan.............................................................................................................53 3.7.4. Pengendalian Kavitasi...............................................................................................................58 4. OPERASI POMPA................................................................................................................................59 4.1. PENGGABUNGAN POMPA.........................................................................................................................59 4.1.1. Penggabungan Pompa yang Sama............................................................................................60 4.1.2. Penggabungan Paralel Pompa yang Berbeda..........................................................................61 4.1.3. Penggabungan Seri Pompa yang Berbeda................................................................................62 4.2. PENGATURAN KAPASITAS.......................................................................................................................62 4.3. TEMPERATUR PEMOMPAAN......................................................................................................................66 4.3.1. Panas Jenis................................................................................................................................66 4.3.2. Kenaikan Temperatur................................................................................................................67 4.4. BENTURAN AIR.....................................................................................................................................68 4.5. SURJING...............................................................................................................................................70 4.6. PULSASI TEKANAN.................................................................................................................................71 4.7. PEMBEBANAN IMPELER...........................................................................................................................71 4.7.1. Gaya Radial...............................................................................................................................72 4.7.2. Gaya Aksial................................................................................................................................73 4.8. OTOMATISASI........................................................................................................................................77 5. PERENCANAAN DAN INSTALASI..................................................................................................79 5.1. KLASIFIKASI POMPA..............................................................................................................................79 5.2. SPESIFIKASI DAN PEMILIHAN POMPA.........................................................................................................83 5.3. OPTIMALISASI SISTEM............................................................................................................................84 5.3.1. Pengaruh Udara........................................................................................................................84 5.3.2. Efisiensi Pemipaan dan Tadah Isap..........................................................................................85 5.3.3. Prinsip Efisiensi Pada Pompa...................................................................................................85 5.4. INSTALASI SISTEM.................................................................................................................................85 5.4.1. Kondisi kerja:............................................................................................................................85 5.4.2. Pemeriksaan Sumur...................................................................................................................86 5.4.3. Tadah Isap.................................................................................................................................86 5.4.4. Instalasi Pipa.............................................................................................................................89 5.4.5. Pemasangan Pompa..................................................................................................................92 5.4.6. Tadah Keluar.............................................................................................................................92 5.4.7. Pengujian...................................................................................................................................92 5.4.8. Pengendalian Getaran dan Bunyi.............................................................................................93 6. PEMELIHARAAN DAN PERBAIKAN..............................................................................................95 6.1. PEMELIHARAAN.....................................................................................................................................95 6.2. PERBAIKAN...........................................................................................................................................96 BAGIAN 2 KOMPRESOR......................................................................................................................98 7. KOMPRESI ZAT DAN PENERAPANNYA.......................................................................................99 7.1. KOMPRESI ZAT.....................................................................................................................................99 7.1.1. Pemanfaatan Kompresi.............................................................................................................99 7.1.2. Azas Kompresi Zat.....................................................................................................................99 7.2. PERSAMAAN GAS................................................................................................................................103 7.2.1. Hubungan Tekanan dengan Volume........................................................................................103 7.2.2. Hubungan Temperatur dengan Volume..................................................................................103 7.2.3. Persamaan Keadaan Gas Ideal...............................................................................................104 7.3. PROSES-PROSES KOMPRESI...................................................................................................................106 7.4. PERUBAHAN TEMPERATUR KOMPRESI.....................................................................................................108 7.5. SIFAT FISIK UDARA.............................................................................................................................109 7.5.1. Komposisi Udara.....................................................................................................................109 7.5.2. Berat Jenis Udara....................................................................................................................110
iii
7.5.3. Panas Jenis Udara dan Gas Lainnya......................................................................................111 7.5.4. Kelembaban Udara..................................................................................................................112 7.5.5. Tekanan Udara........................................................................................................................114 7.6. PEMAKAIAN KOMPRESOR DAN UDARA TEKAN.........................................................................................114 8. KOMPRESOR DAN PERFORMANSINYA....................................................................................116 8.1. KLASIFIKASI DAN KONSTRUKSI KOMPRESOR............................................................................................116 8.2. KERJA DAN HEAD KOMPRESOR.............................................................................................................118 8.2.1. Isobarik....................................................................................................................................118 8.2.2. Isokhorik..................................................................................................................................118 8.2.3. Isotermal, Adiabatik dan Politropik........................................................................................119 8.2.4. Kerja Keseluruhan...................................................................................................................119 8.2.5. Head Kompresi........................................................................................................................122 8.3. EFISIENSI............................................................................................................................................123 8.4. PENINGKATAN EFISIENSI.......................................................................................................................126 8.4.1. Kompresor Bertingkat.............................................................................................................127 8.4.2. Pendinginan.............................................................................................................................128 8.4.3. Perlengkapan Penting.............................................................................................................129 8.4.4. Peluang Efisiensi Lainnya.......................................................................................................130 8.5. PENGATURAN KAPASITAS.....................................................................................................................131 8.6. PENGENDALIAN SURJING.......................................................................................................................132 8.6.1. Gejala Surjing..........................................................................................................................132 8.6.2. Mekanisme Surjing..................................................................................................................133 8.6.3. Pencegahan Surjing.................................................................................................................134 8.7. PEMILIHAN.........................................................................................................................................135 9. KESELAMATAN DAN PEMELIHARAAN....................................................................................138 9.1. KESELAMATAN....................................................................................................................................138 9.2. PEMELIHARAAN RUTIN.........................................................................................................................140 DAFTAR PUSTAKA..............................................................................................................................142
iv
Bagian 1 Pompa
1
1. Pendahuluan
Dalam bab pertama ini akan dipaparkan sedikit tentang pentingnya pompa dan kompresor dalam kehidupan kita, sehingga memahami keduanya menjadi penting pula. Pembahasan selanjutnya akan berkisar pada teori-teori yang mendasari pompa dan kompresor seperti tekanan dan head. Hal-hal yang menyangkut zat cair secara lebih dalam akan dibahas kemudian.
1.1. Latar Belakang Dalam kehidupan modern seperti sekarang ini pompa dan kompresor mempunyai peranan atau penggunaan yang sangat luas di hampir segala bidang kegiatan/kehidupan seperti industri, pertanian, perkantoran dan rumah tangga. Dalam rumah tangga modern, hampir tidak ada rumah yang tidak memiliki pompa. Bahkan pompa ini akan kita jumpai dalam berbagai peralatan rumah tangga. Terlebih lagi industri. Industri memerlukan pompa untuk mengalirkan zat cair yang akan diolah atau zat yang akan diperlukan dalam suatu proses. Industri minyak dan gas khususnya, memerlukan pompa dan kompresor dari hulu (sumur minyak) hingga hilir (pengolah). Karena luasnya penggunaan pompa dan kompresor, keduanya memiliki aneka jenis dan ukuran sesuai dengan penggunaannya. Penerapan pompa skala kecil seperti rumah tangga, memang tidak rumit dan ukuran serta jenis pompa sudah standar. Oleh karena itu, kita jarang sekali atau mungkin tidak pernah menghitung beban yang akan diderita pompa yang akan dipasang. Memang ada juga kasus kegagalan yakni pompa yang dipasang tidak sesuai dengan keadaan sumur yang dibuat, namun ini sangat jarang dan sekalipun ada, mudah diatasi dengan kerugian yang kecil. Berbeda dengan penerapan skala menengah dan skala besar, sistem yang hendak kita buat harus diketahui, diperkirakan serta diperhitungkan dengan benar karena mengandung resiko yang besar pula. Kesalahan dalam hal ini akan menimbulkan kerugian baik waktu, tenaga dan dana yang besar pula. Oleh karena itu, pompa serta sistem tempat pompa itu bekerja harus dipahami secara mendalam dalam perencanaan dan pembangunan sistem pompa. Untuk itulah maka buku ini disusun. Namun demikian kita tidak boleh merasa cukup hanya dari sisi perencanaan dan pembangunan suatu sistem karena pemeliharaan pun memegang peranan yang penting bahkan inilah masa yang lebih panjang dibanding keduanya. Beberapa sistem akan beresiko tinggi (kematian) jika pemeliharaan tidak dilakukan dengan baik dan benar. Dengan pemeliharaan yang baik dan benar, resiko kritis akan sangat berkurang. Hal ini pun tidak lepas dari perhatian buku ini. Buku ini disusun agar pengguna dapat lebih mudah dan cepat memahami konsep dasar pompa, pemipaan, kompresor dan kompresi gas (udara) serta penggunaannya. Secara rinci sasaran buku ini adalah: 1. Memahami konsep-konsep yang berkaitan dengan pemompaan seperti tekanan, head dan performansi pompa.
2
2. Menghitung beban (dan daya) pompa dan kompresor, termasuk beban dalam pemipaan. 3. Pemilihan atau penentuan pompa dan kompresor yang hendak diaplikasikan dalam industri sehingga tidak akan salah pilih. Pemilihan yang di bawah spesifikasi akan menyebabkan peralatan mengalami beban lebih yang akan lebih mempercepat kerusakan mesin dan menghentikan proses industri. Di pihak lain pemilihan yang di atas spesifikasi (over spec) juga akan membuang biaya secara berlebihan (tidak perlu). 4. Penentuan tata letak pompa dan kompresor merupakan bagian dari penentuan tata letak mesin lain dan tentu tata letak ini menentukan efisiensi dalam industri. 5. Faktor keamanan dan keselamatan juga berperan penting dalam penentuan efisiensi perusahaan. Di sinilah maka faktor lain seperti itu perlu diulas sehingga pembaca akan sadar dan peka terhadap kondisi yang dapat mengurangi hal itu.
1.2. Tekanan dan Satuannya Ketika objek pembicaraan kita seputar benda padat, akan lebih akrab jika digunakan konsep gaya dan usaha namun ketika kita berhadapan dengan fluida (zat cair dan gas) dan pompa, akan lebih nyaman dengan konsep tekanan dan head. Dalam bab pertama ini akan sedikit diulas besaran fisik yang sangat erat hubungannya dengan pompa dan kompresor yaitu tekanan dan head. Tekanan garis merahnya adalah gaya yakni mewakili suatu dorongan atau tarikan sedangkan head benang merahnya adalah usaha yang sebenarnya mewakili konsep energi. Dalam membicarakan sistem pada umumnya, termasuk pompa dan kompresor, kita akan selalu berkepentingan dengan energi untuk mengetahui kebutuhan tentang hal itu. Ini merupakan konsekuensi dari cara kita memahami sistem yang sedang kita kaji, karena kita tidak dapat dikatakan memahami sistem dengan sesungguhnya (utuh) tanpa dapat menggambarkan sistem itu secara kuantitatif. Demikianlah, maka di sini pun kita akan menghitung-hitung besaran yang terlibat, terutama tekanan dan head.
Konsep Tekanan Tekanan dapat didefinisikan sebagai besarnya gaya (F) tiap satuan luas bidang yang dikenainya (A): P=
F A
(1.1)
Tampak bahwa satuan untuk tekanan adalah satuan gaya dibagi satuan luas. Satuan SI (Satuan Internasional) untuk tekanan adalah Pa (Pascal) turunan dari Newton/m 2. Dalam teknik memang lebih banyak digunakan satuan tekanan lain seperti psi (pound per square inch), bar, atm, ksc (kgf/cm2), ksm (kgf/m2) atau dalam ketinggian kolom zat cair seperti cm Hg.
Satuan-Satuan Tekanan Dalam SI satuan tekanan adalah Pascal (Pa) yang merupakan satuan gaya dibagi satuan luas atau Newton/meter2. Jadi massa 1 kg yang bekerja pada satuan luas 1 m2 bertekanan: P=
F m.g 1.9,8 = = = 9,8 Pa A A 1
3
Satuan tekanan yang lain yang populer dalam teknik adalah bar. Bar ini bisa dikatakan sebagai satuan tekanan untuk mendekati tekanan atmosfir berkaitan dengan Pascal. Satu atmosfir ini sekitar 1,01325.105 atau sekitar 105 Pascal, sehingga 1 bar = 105 Pa. Satuan lain yang juga banyak digunakan adalah kgf/cm2 atau ksc (kg per square cm). Massa 1 kg yang menghasilkan tekanan 9,8 Pa pada permukaan 1 m2 tadi adalah sama dengan 1 kgf/m2 (ksm). Perlu diingat bahwa satuan ksm, ksc dan psi menggunakan massa bukan berat. Jadi 1 psi adalah tekanan yang ditimbulkan oleh (gaya berat dengan) massa 1 lb (pound) dalam bidang kerja seluas (tegak lurus) 1 inci persegi. Dalam notasi biasanya digunakan f (force) untuk membedakan dari m (mass) untuk konversi massa ke berat dengan faktor 1. Jadi 1 psi maksudnya adalah 1 lbf/inc2 (pound force per square inch). Demikian pula 1 ksc atau 1 kgf/cm 2 adalah tekanan yang ditimbulkan oleh massa 1 kg dalam luas 1 cm 2. Demikian pula dengan ksc; 1 ksm = 1 kgf/m2 = 1 kgf/104 cm2 = 10-4 ksc. Oleh karena itu 1 ksc = 9,8 10 4 Pa. Satuan berikutnya adalah mmHg atau Torr yang mengacu pada tekanan atmosfir juga, yaitu 1 atm = 760 mmHg. Karena perbandingan massa jenis air dengan air raksa adalah 1:13,595 maka 1 atm juga = 1,03323.104 mmH2O. Karena massa jenis air = 1 kg/1000 cm3, berarti untuk mendapatkan tekanan 1 ksc harus dibentuk melalui 1 kg air yang berada dalam tabung (luas 1 cm2) setinggi 1000 cm (104 mm). Jadi 1 ksc = 104 mmH2O. Satuan-satuan tekanan yang lazim digunakan tadi dapat dilihat hubungannya seperti dalam tabel berikut: Tabel 1.1. Hubungan antar satuan tekanan Pascal
bar
ksc
atm
mmH2O
mmHg
psi
1
10-5
1,0197.10-5
9,8692.10-6
1,0197.10-1
7,5006.10-3
1,4504.10-4
105
1
1,0197
9,8692.10-1
1,0197.104
7,5006.102
1,4504.10
9,8066.104
9,8066.10-1
1
9,6783.10-1
104
7,3555.102
1,4224.10
5
4
2
1,0133.10
1,0133
1,0332
1
1,0332.10
7,6. 10
1,4697.10
9,8074
9,8074.10-5
10-4
9,6787.10-5
1
7,3558.10-2
1,4225.10-3
1,3333.102
1,3333.10-3
1,3595.10-3
1,3158.10-3
1,3595.10
1
1,9339.10-2
0,6894.104
0,6894.10-1
0,7030.10-1
0,6804.10-1
7,0298.102
5,1709.10
1
1.3. Tekanan Atmosfir Kita yang hidup di darat ini sebenarnya seperti ikan di lautan. Mengapa? Kita sebenarnya sedang tenggelam dalam lautan udara yang sangat dalam. Sebagaimana ikan yang mendapat tekanan hidrostatik, kita juga mendapat tekanan serupa. Tekanan inilah yang kita sebut sebagai tekanan atmosfir. Udara yang menumpuk di atas kita itulah yang memberi tekanan atmosfir. Munculnya tekanan ini dapat dibayangkan seperti adanya tekanan yang diderita suatu benda akibat berat benda di atasnya (gambar di bawah). Jika zat cair berupa air, maka besarnya tekanan hidrostatik adalah gaya berat zat cair di atasnya dibagi luas bidang tempat gaya itu bekerja.
4
h A
A
Gambar 1.1. Benda A menderita tekanan dari berat benda di atasnya. Dalam bentuk persamaan, dapat ditulis sebagai: m.g ρ. A.h.g = = ρgh A A (1.2)
Ph =
Fluida memiliki sifat mengalir karenanya tekanan di suatu titik di dalam fluida memancar ke segala arah sama rata. Tekanan hidrostatik juga demikian, di titik A dengan kedalaman h misalnya, tekanan sebesar ρgh ini berlaku ke segala arah.
1.3.1. Mengukur Tekanan Atmosfir. Tekanan atmosfir (udara) tidak dapat diukur dengan persamaan hidrostatik seperti di atas karena kerapatannya berkurang pada kenaikan ketinggian. Tekanan udara diukur pada suatu titik (ketinggian) relatif terhadap tekanan nol. Untuk itu, pandanglah tabung (Toricelli) yang berisi air raksa (Hg) seperti gambar di bawah.
76 cm
tekanan atm
air raksa
Gambar 1.2. Tabung Toricelli. Tabung itu seperti pipa hanya saja satu ujungnya tertutup rapat. Misalkan panjang tabung itu 1 meter. Tabung itu semula diisi penuh dengan air raksa, kemudian dibalik dengan ujung yang terbuka ditutup sementara dan kemudian dicelupkan ke dalam wadah (bak) berisi air raksa pula. Air raksa tadi semula memenuhi tabung, tetapi kemudian permukaan air raksa itu turun hingga ketinggian 76 cm dari permukaan air raksa pada wadah. Mengapa permukaan air raksa yang semula setinggi sekitar 1 m itu turun? Mengapa kemudian ia berhenti (tertahan) pada ketinggian 76 cm?
5
Air raksa tertahan pada ketinggian tersebut karena mencapai keseimbangan dengan tekanan udara yang ada di luar. Tekanan akibat berat air raksa di dalam tabung itu (sama dengan tekanan hidrostatik) diteruskan sampai ke permukaan air raksa di dalam bak. Di permukaan inilah tekanan hidrostatik itu mendapat perlawanan. Jika tekanan hidrostatik ini masih lebih besar dari tekanan udara, maka air raksa di dalam tabung akan turun dan permukaan air raksa di dalam bak akan naik dan sebaliknya jika ketinggian air raksa masih terlalu rendah, maka tekanan udara mampu menekan permukaan air raksa di dalam bak ke bawah dan diteruskan ke dalam tabung ke atas. Jadi, ketika ketinggian air raksa melebihi 76 cm, masih belum terjadi keseimbangan, sehingga air raksa di dalam tabung masih mampu keluar dan meninggalkan ruang di atasnya dalam keadaan hampa. Perbedaan (selisih) tekanan antara permukaan air raksa yang ada di permukaan wadah (tekanan udara di titik tersebut) dengan permukaan air raksa yang berada di dalam tabung (hampa ≈ 0) sama dengan tekanan atmosfir dan sama dengan berat air raksa di bagi luas tabung. Jadi selama kolom air raksa itu lebih tinggi dari 76 cm, permukaan air raksa di dalam tabung itu akan turun dan sebaliknya jika lebih rendah dari 76 cm, tekanan udara masih mampu mendorong air raksa itu ke atas. Jelas bahwa tekanan atmosfirlah yang menyebabkan air raksa bertahan pada ketinggian tersebut. Karena terjadi keseimbangan, tekanan akibat gaya berat air raksa sama dengan tekanan atmosfir:
Patm =
Wair raksa A
=
ρair raksa . A.hair raksa .g A
= ρair raksa .g .hair raksa
(1.3) Persamaan ini mirip dengan persamaan tekanan hidrostatik, kecuali massa jenis dan ketinggian yang digunakan adalah massa jenis serta ketinggian zat cair di dalam tabung. Artinya, jika di dalam tabung itu diganti dengan air, maka berlaku pula massa jenis dan ketinggian air di dalam tabung itu. Karena massa jenis air lebih rendah dari air raksa, ketinggian air dalam tabung lebih besar dari air raksa. Tampak pula bahwa persamaan ini juga menunjukkan besarnya tekanan atmosfir. Jika kita masukkan massa jenis air raksa (ρ air raksa) = 13600 kg/m3, percepatan gravitasi g = 9,8 m/s2 (m/detik2) dan h = 0,76 m, maka diperoleh Patm= 101292,8 Pa. Demikianlah jika tekanan udara 1 atm itu sama dengan 76 cm (29,9 inc) tinggi kolom air raksa dengan massa jenis 13600 kg/m3 (0,4913 lb/in3), maka dalam psi, 1 atm adalah massa air raksa dalam kolom tersebut dibagi luasnya (A): P=
ρV A
=
ρAh A
= ρh
(1.4)
Dengan demikian 1 atm = ρ h = 0,4913 x 29,9 = 14,7 psi. Di sini h adalah tinggi kolom air raksa. Dengan cara yang sama, dapat diperoleh bahwa 1 atm = 1,03323 ksc.
Contoh Soal 1.1: Jika 1 atm terukur sebesar 76 cm Hg, berapa meter tinggi kolom jika isi tabung Toricelli diganti dengan air?
6
Jawab: Dengan persamaan tekanan hidrostatik untuk air dan air raksa, diperoleh: Patm =1 atm = ρHg .g .h Hg = ρair .g .hair
Atau
ρ Hg .hHg = ρ air .hair → hair =
ρ Hg .hHg ρ air
Perbandingan massa jenis air raksa terhadap air adalah 13,6 sehingga hair = 13,6 x 0,76 m = 10,33 meter. Jadi 1 atm = 10,33 m H2O.
1.3.2. Tekanan Mutlak dan Alat Ukur Karena tekanan udara di sekitar kita satu atmosfir, posisi nol pada alat ukur tekanan (barometer, manometer) juga diset pada tekanan atmosfir (76 cm Hg). Jika suatu wadah kosong kita tutup dan kita ukur tekanannya, maka pasti sama dengan nol. Kemudian jika ke dalam wadah tadi diberi udara (dipompa), maka tekanannya akan naik. Sebaliknya jika dari posisi nol tadi kita isap udara yang ada di dalamnya, maka tekanannya akan turun atau negatif dalam alat ukur. Tekanan yang ditunjukkan alat ukur itu disebut tekanan alat ukur (gage/gauge). Jadi, jika kita membaca alat ukur bertekanan 1 atm (76 cm Hg), maka berarti tekanan sesungguhnya adalah 1 atm + 1 atm = 2 atm. Tekanan sesungguhnya ini disebut tekanan mutlak (absolut) yang diukur dari nol mutlak (hampa sempurna). Tekanan hampa (vakum) dapat dikatakan sebagai tekanan alat ukur negatif. Tekanan ini diukur dari 0 gage (1 atm) ke arah hampa mutlak. Jika dikatakan bertekanan 20 cm Hg hampa, berarti sama dengan 76 – 20 = 56 cm Hg mutlak. Hubungan antara tekanan mutlak, tekanan alat ukur dan vakum, tampak seperti pada gambar di bawah:
tek atm (=0 cm Hg gauge =76 cm Hg mutlak)
tekanan gauge
tekanan hampa
Hampa sempurna
tekanan mutlak
0 cm Hg
Gambar 1.3. Hubungan antara tekanan mutlak dan alat ukur. Jadi hubungan antara tekanan atmosfir, tekanan gage, tekanan mutlak dan tekanan vakum (hampa) adalah: Tekanan Mutlak = Tekanan Atmosfir + Tekanan Gage
7
Tekanan Mutlak = Tekanan Atmosfir - Tekanan Hampa
1.4. Head Di muka telah disinggung bahwa dalam mengkaji (analisis) suatu sistem kita harus sampai pada deskripsi kuantitatif seperti berapa daya yang diperlukan, berapa efisiensinya dan sebagainya. Untuk dapat mengetahui kebutuhan daya ini kita harus mengetahui beban yang harus ditanggung sistem seperti pompa. Beban ini kemudian berkaitan dengan kebutuhan (konsumsi) energi. Dalam kajian pompa hal-hal yang berkaitan dengan energi ini kita sebut head yaitu energi per satuan berat. Dengan demikian satuan untuk head sama dengan satuan untuk panjang.
1.4.1. Konsep Head Apakah hakikat head itu? Kita perhatikan dua contoh sistem pada gambar berikut:
Gambar 1.4. Perbandingan head. Misalkan bak pertama berisi air sebanyak misalnya 10 kali isi air (yang sama) dalam bak kedua. Ketinggian h2 jelas lebih besar dari h1. Misalkan h2 adalah 2 kali h1. Kemudian kita lakukan percobaan pertama. Kita ukur tekanan hidrostatik dalam kedua bak tadi pada bidang acuan r. Dapatkah tekanan di bak pertama tadi menyamai tekanan hidrostatik di bak kedua? Meskipun bak pertama memiliki jumlah air yang jauh lebih banyak, tekanan tadi tidak akan dapat menyamai tekanan di bak kedua. Kedua, kita lubangi dengan ukuran yang sama di bidang acuan tadi pada kedua bak di atas. Laju air yang memancar di bak pertama juga tidak akan dapat melampaui laju air di bak kedua. Ketinggian yang menimbulkan tekanan hidrostatik atau laju aliran pada suatu titik, itulah hakikat head. Head demikian disebut head statik karena bukan dari sesuatu yang bergerak. Lalu apa yang lebih besar di bak pertama dibanding bak kedua? Jika kita hitung energi potensial air dalam kedua bak tadi, maka besarnya energi ini sebanding dengan ketinggian (head) air ratarata dikali berat air (Ep = mgh). Karena massa air di bak pertama 10 kali dan ketinggiannya 0,5 kali bak kedua, maka: E z1 = 10m 2 ⋅ g ⋅ 0,5h2 = 5m 2 ⋅ g ⋅ h2 = 5E z 2
8
Energi potensial air di bak pertama 5 kali lebih besar dari energi potensial air di bak kedua. Jika kita analogikan dengan rangkaian listrik searah, maka head ini analog dengan tegangan. Kita bisa bandingkan kedua bak tadi dengan dua batere besar yang 6 volt dengan batere kecil yang 9 volt. Kandungan energi batere besar tentu lebih besar dibanding batere yang kecil.
1.4.2. Beberapa Jenis Head Beberapa nama head berikut lazim dijumpai dalam pompa dan kompresor.
Head Potensial (Ketinggian) Head potensial (ketinggian) berkaitan dengan energi potensial Ez = mgz = wz. Dengan demikian head potensial adalah: hz =
E z mgz = =z w mg
(1.5)
Head Kecepatan Head kecepatan ini berkaitan dengan energi kecepatan atau kinetik Ek= ½ mv2. Jadi head kecepatan adalah hv =
Ek mv 2 v2 = = w 2mg 2g
(1.6)
Kecepatan dalam kasus aliran zat cair ini adalah kecepatan rata-rata.
Head Tekanan Head tekanan ini berkaitan dengan energi tekanan Ep = P.V, sehingga head tekanan: hp =
Ep w
=
P.V P P = = mg ρg γ
←
V 1 = m ρ
(1.7)
Head Gesekan Jika suatu zat cair melewati saluran, pipa misalnya, maka akan terjadi gesekan yang menghambat laju aliran. Gesekan ini kemudian menimbulkan panas sehingga menambah jumlah head total. Oleh karena itu head gesekan atau hambatan ini disebut juga head kerugian. Makin tinggi laju aliran dan kekasaran permukaan alir, makin besar pula head gesekan, sehingga head ini berbanding lurus dengan head kecepatan dan faktor kerugian f, yang timbul akibat kekasaran permukaan alir. Jadi head kerugian hl adalah hl = f .hv = f .
v2 2g
(1.8) Makin halus permukaan, makin kecil f.
9
1.4.3. Head Total dan Persamaan Bernoulli Sekarang, jika kita memiliki suatu sistem aliran zat cair seperti air, minyak atau lainnya dalam suatu pipa misalnya, maka head total di suatu titik tertentu adalah jumlah dari ketiga jenis head tersebut di atas (lihat gambar di bawah): v P
Z
Gambar 1.5. Aliran Zat Cair H =
P
γ
+
v2 +z 2g
(1.9)
Jika kita bandingkan dengan tinggi kolom zat cair, maka head merupakan energi fluida yang dinyatakan dalam tinggi kolom zat cair yang bersangkutan. Dalam satuan SI, head seringkali dinyatakan sebagai energi jenis (spesifik) Y yaitu energi per satuan massa. Jadi Y = H.g, atau: Y = Hg =
P
ρ
+
v2 + zg 2
(1.10)
Jika kita kembalikan ke bentuk persamaan energi E = Y.m, akan diperoleh: E = Ym = m
P
ρ
+m
v2 + mzg 2
(1.11)
Atau lebih akrab ditulis sebagai
E = Y m= P V + 1 2 m v2 + m g z= k o n s
(1.12)
Persamaan-persamaan tersebut dikenal sebagai persamaan Bernoulli.
Contoh Soal 1.2 Samakah tekanan yang ditunjukkan alat ukur pada kedua sistem dalam gambar di bawah ini jika permukaan air selalu tetap 3 m pada kedua sistem tersebut?
10
3m
3m
sistem 1
sistem 2
Gambar 1.6. Konversi head. Jawaban: Dalam sistem 1, seluruh head ketinggian (potensial) di permukaan diubah menjadi head tekanan di titik dekat alat ukur, sedangkan dalam sistem 2 head potensial tadi diubah ke head tekanan, gesekan dan kecepatan, sehingga head tekanan yang terukur di sistem 2 pasti lebih rendah dibanding yang terukur di sistem 1.
Contoh Soal 1.3: Dengan persamaan head, buktikan bahwa kecepatan v pada gambar di bawah adalah v = 2 gh .
h
a
b
v
pipa
Gambar 1.7. Pengukur kecepatan aliran Kolom b yang memiliki permukaan masuk tegak lurus kecepatan, merasakan adanya kecepatan v, sedangkan kolom a tidak demikian. Kenaikan permukaan zat cair di kolom a hanya disebabkan oleh head tekanan (tekanan dirasakan pada segala arah) sedangkan pada b, ada head tekanan dan head kecepatan. Jadi perbedaan ketinggian itu adalah karena head kecepatan. Di sini head kecepatan diubah menjadi head potensial di b, sehingga: v2 =h 2g
→v = 2 gh
1.5. Hakikat dan Peranan Pompa Seperti telah dipaparkan di atas, pompa dapat dianalogikan dengan batere atau generator (dinamo) listrik. Jika generator menghasilkan tegangan listrik, pompa menghasilkan head. Jika head adalah energi per satuan berat, maka tegangan listrik adalah energi per satuan muatan
11
listrik. Jika generator mengalirkan arus listrik, pompa mengalirkan arus zat cair. Oleh karena itu daya pompa berbanding lurus dengan head dan kapasitas aliran Q (volume per satuan waktu). Sama seperti arus listrik yang cenderung mengalir dari tegangan tinggi ke tegangan rendah, air cenderung mengalir dari head yang tinggi menuju head yang rendah. Namun dalam kehidupan sehari-hari kita banyak memerlukan kasus sebaliknya yaitu mengalirkan air dari tempat dengan head yang rendah ke tempat dengan head yang lebih tinggi, seperti dari sumur ke bak mandi. Nah di sinilah peranan pompa pada umumnya, mengalirkan zat cair dari head yang rendah ke head yang lebih tinggi.
1.6. Head dan Performansi Pompa Untuk memahami head (yang dihasilkan) pompa, kita pandang lagi pompa sebagai generator atau batere yang menghasilkan head sebagai tegangan listrik dan kapasitas aliran sebagai arusnya. Jadi pompa akan menambah head dan/atau arus aliran zat cair (volume per satuan waktu).
1.6.1. Daya Air Berapa besarnya head yang diberikan pompa kepada air? Kita dapat bandingkan head keluaran (discharge) terhadap head masukan (suction). Besarnya head yang diberikan pompa terhadap zat cair adalah selisih head keluaran dikurangi head masukan. Tentu saja yang dimaksud di sini adalah head total yaitu head tekanan, kecepatan dan ketinggian. Dalam perhitungan atau pengukuran head, dibuat acuan yaitu garis tengah pompa seperti gambar di bawah:
Gambar 1.8. Menentukan Head Pompa Di sini kedua head yang harus diperbandingkan adalah head di sisi masukan dan keluaran setinggi garis tengah. Perlu dicatat di sini bahwa dalam pengukuran, head tekanan hasil pengukuran di Ps harus ditambah Zs karena tekanan di S merupakan tekanan Ps ditambah tekanan hidrostatik (ke bawah makin besar) setinggi Zs. Demikian pula di sisi keluaran, harus ditambah Zd. Jadi head yang dibangkitkan pompa adalah:
12
V 2 P V 2 P H d − H s = d + d + Z d − s + s + Z s 2 g γ 2 g γ Vd 2 − Vs 2 Pd − Ps ∆H = H P = + + Zd − Zs 2g γ (1.13) Kapasitas aliran pompa (Q) diukur dengan alat ukur aliran (flow meter) sekaligus mengukur kecepatan aliran (V) dengan menghitung luas penampangnya. Dengan demikian daya pompa yang diberikan adalah head dikali berat per satuan waktu atau: Pp =
w V H p = ρ.g . .H p = γQH t t
p
(1.14)
1.6.2. Efisiensi Pompa Daya Pp ini yang sesungguhnya diberikan pompa kepada zat cair, yang tentu saja lebih kecil dari daya yang diberikan penggerak di poros pompa (Pm), karena ada gesekan mekanik dan gesekan antara zat cair dengan rumah pompa. Jadi efisiensi pompa adalah:
ηp =
Pp Pm
(1.15)
1.6.3. Efisiensi Sistem Jika ditinjau dari sisi zat cair yang dipompa, besarnya daya yang dibutuhkan untuk memompa zat cair m kg setinggi h meter lebih besar dari daya yang diberikan pompa karena harus mengatasi kerugian sistem. Daya air total atau daya sistem adalah: mgh ρVgh = = ρQgh t t (1.16)
Pw =
Dalam kasus ini penurunan daya zat cair disebabkan karena kerugian sepanjang perjalanan dalam sistem dari tadah isap ke tadah keluar. Dengan demikian efisiensi daya sistem:
ηw =
Pw Pp
(1.17)
1.6.4. Performansi Pompa Performansi pompa biasa digambarkan secara grafis antara head total terhadap kapasitas, efisiensi, daya dan NPSH (Bab 3). Jadi kurva performansi ini menggambarkan karakteristik pompa. Salah satu contohnya adalah:
13
Gambar 1.9. Contoh karakteristik pompa. Head pada kapasitas nol disebut shut-off head, ini terjadi misalnya ketika semua aliran ditutup, selagi pompa masih bekerja. Garis putus-putus menunjukkan harga pada efisiensi terbaik. Harga ini biasanya menjadi patokan dalam perhitungan sebagai titik operasi normal pompa tersebut.
14
2. Azas Pompa
Dalam bab kedua ini baru akan diperkenalkan dasar-dasar pompa. Uraian diawali dari jenis dan prinsip kerja pompa agar terbayang bagaimana pompa dapat memindahkan zat cair dari suatu tempat ke tempat lain. Pasal berikutnya memperkenalkan hukum yang berhubungan dengan pompa untuk dapat memahami hubungan antara pompa sejenis. Terakhir akan disajikan hubungan kecepatan spesifik dengan bentuk atau karakter berbagai jenis impeler.
2.1. Jenis dan Cara Kerja Pompa Dalam kehidupan sehari-hari kita sudah biasa menjumpai pompa, setidaknya pompa ban sepeda (yang sebenarnya lebih tepat disebut kompresor), pompa tangan untuk memompa air sumur dan lainnya. Secara garis besar, pompa terbagi dalam dua jenis: perpindahan positif (positive displacement, PD) dan pompa yang bukan perpindahan positif (non-positive displacement, Non-PD).
2.1.1. Pompa Perpindahan Positif Pompa perpindahan positif ini bekerja mendorong zat cair dengan volume tertentu (tetap) dari sisi isap ke sisi keluar. Setiap langkah, pompa demikian menghasilkan volume (perpindahan) yang tetap, tidak bergantung pada tekanan di sisi keluaran pompa. Contoh yang paling lazim digunakan adalah pompa torak, seperti gambar berikut:
katup dorong
Gambar 2.1. Pompa Torak
katup isap
Jika torak turun, terjadi tekanan positif (lebih besar dari tekanan atmosfir) sehingga katup isap tertutup dan katup dorong terbuka. Zat cair dari bawah torak terdorong keluar lewat katup dorong. Namun ketika torak naik, terjadi tekanan negatif (lebih kecil dari tekanan atmosfir) sehingga katup isap terbuka dan katup dorong tertutup. Zat cair dari bawah masuk ke dalam ruang bawah torak lewat katup isap. Pompa torak memiliki keunggulan untuk menangani zat yang mudah menguap atau bahkan gas dan head yang tinggi. Karakteristik aliran pompa torak ini tidak rata. Ketika menghisap aliran terhenti dan ketika mendorong ada aliran, terus berulang seperti itu. NPSH yang diperlukan
15
pompa ini sangat tinggi, katup yang mudah rusak terutama jika digunakan untuk zat kimia dan performansi rendah terhadap zat cair yang abrasif, mengandung serbuk atau kotoran. Dalam mengatasi persoalan terakhir tadi bisa digunakan pompa membran untuk mengganti peranan torak sehingga torak tidak berhubungan langsung dengan zat cair yang dipompa.
membran
katup isap
Gambar 2.2. Pompa membran
katup dorong
Di sini gerak naik turun membran mengikuti torak. Antara membran dan torak ada cairan pengisi, biasanya minyak pelumas yang juga menjalani sirkulasi (aliran kecil). Pompa perpindahan juga ada yang berjenis putar (rotari) seperti pompa regeneratif (periferal), pompa sekrup, pompa roda gigi, sudu luncur yang juga banyak dipakai untuk kompresi udara. Pompa yang lazim dijumpai terutama untuk kebutuhan rumah tangga, untuk memompa air sumur dangkal adalah pompa regeneratif, seperti diperlihatkan dalam gambar berikut:
Gambar 2.3. Pompa Periferal. Ketika impeler berputar, zat cair yang terperangkap di sela-sela impeler, terkena gaya sentrifugal sehingga terpelanting ke sisi impeler, terus terdorong ke ruang antara impeler dengan rumah pompa dan kembali terpelanting. Jadi zat cair terus berputar seperti diperlihatkan gambar di atas. Karena impeler terus berputar, maka zat cair juga berputar ke arah samping sambil ikut berputar dengan impeler. Jadi secara keseluruhan, perputaran ini membentuk spiral. Karena pompa ini mendorong zat cair (jenis perpindahan positif) yang terperangkap dan berhubungan langsung dengan tekanan keluaran, maka tekanan di A besarnya seperempat tekanan di titik D (tekanan keluaran). Demikian pula di B, setengah tekanan di D dan di C tiga perempat tekanan di D. Berikut ini gambar beberapa jenis pompa perpindahan positif jenis putar (rotari) yang lain:
16
Gambar 2.4. Pompa perpindahan positif jenis putar. Pada pompa cuping dan pompa roda gigi, rotor bagian atas berputar searah jarum jam dan yang di bawah berlawanan arah dengan jarum jam. Zat cair yang terperangkap akan terus didorong ke sisi keluaran. Dalam pompa sudu luncur, karena sumbu rotor tidak segaris dengan sumbu rumah pompa, sudu luncur akan meluncur sambil membentuk ruang hampa yang kemudian menangkap zat cair untuk didorong. Dalam pompa sekrup, zat cair yang dipompa terperangkap dalam ruang yang terbentuk antar sekrup cembung, sekrup cekung dan rumah pompa. Karena sekrup berputar, ruang ini bergeser ke kanan, sambil mendorong zat cair keluar pompa.
2.1.2. Pompa Bukan Perpindahan Positif Yang termasuk pompa bukan perpindahan positif misalnya adalah pompa jet (jet pump) yang dibicarakan dalam kelompok pompa khusus dan pompa sentrifugal. Pada pompa sentrifugal, volume yang dihasilkan bisa tidak tetap pada setiap perputaran. Jika sisi keluaran ditutup misalnya, maka volume yang dihasilkan berbanding terbalik dengan besarnya penutupan tadi. Di sini berlaku perputaran yang (hampir) tetap dan volume zat cair yang dihasilkan tidak tetap. Pompa sentrifugal ini lebih banyak dijumpai karena konstruksinya sederhana dan mudah dalam pemeliharaan, reparasi dan kehandalan. Salah satu bentuk pompa sentrifugal diperlihatkan dalam gambar di bawah:
17
Gambar 2.5. Pompa sentrifugal dan impeler. Sebelah kiri merupakan suatu contoh pompa sentrifugal dengan rumah berbentuk rumah keong (volut). Di tengah terdapat impeler dengan 6 sudu. Bentuk impeler setengah terbuka yang sebenarnya tampak di sebelah kanan (dengan lima sudu). Di sini impeler berputar ke kiri, berlawanan arah jarum jam. Zat cair yang dipompa masuk dari depan, tegak lurus gambar, masuk titik B. Dari titik ini zat cair didorong ke titik C, terus ke D dan akhirnya ke E. Kecepatan di C masih tinggi, mendekati kecepatan putar impeler. Namun setelah di D, ruang makin besar dan kecepatan makin rendah. Diameter E (flange) dibuat besar agar head kecepatan diubah menjadi head tekanan. Pompa sentrifugal ini yang menjadi objek kajian utama tentang pompa dalam buku ini, kecuali untuk menerangkan kasus-kasus tertentu. Pembicaraan selanjutnya lebih banyak diarahkan pada pompa sentrifugal ini.
2.1.3. Perbandingan Pompa PD dan Non-PD Ada beberapa hal penting untuk diperbandingkan ketika kita hendak menentukan atau memilih antara pompa PD dan yang bukan PD. Di bawah ini diperlihatkan perbandingan antara pompa PD dan Non-PD yaitu kurva head terhadap kapasitas, kurva kapasitas terhadap viskositas kinematik (persen) dan kurva efisiensi terhadap head (persen) diambil dari Jacoby [9.2].
Gambar 2.6. Perbandingan pompa PD dengan non-PD
18
Dari gambar sebelah kiri (performansi), kapasitas pompa PD hampir tetap tidak peduli berapa head (tekanan) keluaran, sedangkan pada pompa sentrifugal, head menurun untuk kenaikan kapasitas. Pada gambar tengah, kapasitas pompa PD hampir konstan tidak bergantung viskositas (kekentalan), sedangkan pompa sentrifugal menurun. Pada gambar kanan, efisiensi pompa PD konstan tidak bergantung head, sedangkan pada pompa sentrifugal ada efisiensi terbaik.
2.2. Hukum Kesebangunan Hukum kesebangunan (affinity laws) ini membicarakan hubungan antara beberapa pompa sentrifugal yang sebangun, sama bentuknya tetapi berbeda ukuran atau titik kerjanya. Bagaimana hubungan kapasitas dua (beberapa) pompa yang sama, tetapi berbeda kecepatan putarannya. Atau bagaimana jika ukurannya saja diperbesar. Untuk itu perlu dicari perbandingan satu sama lain.
Kapasitas terhadap Kecepatan Putar Hubungan antara kapasitas Q dengan kecepatan putar n adalah sebagai berikut: Q ≈n
Ini berarti kapasitas Q berbanding lurus dengan kecepatan putar n. Jika beberapa pompa yang persis sama diputar pada kecepatan yang berbeda misalnya n1, n2, n3 dan seterusnya, maka: Q1 : Q 2 : Q3 : = n1 : n 2 : n3
Atau
Q2 n 2 = Q1 n1
(2.1)
Kapasitas terhadap Diameter Impeler Hubungan antara kapasitas Q dengan diameter impeler D adalah sebagai berikut: Q ≈D 3
Ini berarti kapasitas Q berbanding lurus dengan pangkat tiga diameter impelernya. Atau
Q2 D2 = Q1 D1
3
(2.2)
Head terhadap Diameter Impeler Hubungan antara head H dengan diameter impeler D adalah sebagai berikut: H ≈ D2 Ini berarti head H berbanding lurus dengan pangkat dua (kuadrat) diameter impelernya. Atau
H 2 D2 = H 1 D1
2
(2.3)
19
Head terhadap Kecepatan Putar Hubungan antara head H dengan kecepatan putar n adalah sebagai berikut: H ≈n2
Ini berarti head H berbanding lurus dengan pangkat dua (kuadrat) kecepatan putarnya. Atau
H 2 n2 = H 1 n1
2
(2.4)
Jika kita perhatikan dua pasang persamaan di atas, sepasang untuk Q dan sepasang untuk head, maka dapat kita simpulkan bahwa: 6. Kapasitas berbanding lurus dengan kecepatan putar dan pangkat tiga diameter impelernya. 7. Head berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan putar dan kuadrat diameter impelernya. Atau
Q2 n 2 = Q1 n1
3
D2 D1
D2 D1
H 2 n2 = H 1 n1
2
(2.5) 2
(2.6)
Daya pompa berbanding lurus dengan Q dan H, sehingga daya ini berbanding lurus dengan pangkat tiga kecepatan putarnya dan pangkat lima diameter impelernya:
P2 n 2 = P1 n1 (2.7)
3
D2 D1
5
Tiga persamaan terakhir ini disebut hukum kesebangunan pompa. Hukum ini berguna untuk menentukan performansi pompa bila kecepatan putarnya (sebangun secara operasional) atau diameternya (sebangun secara geometris) diubah.
2.3. Kecepatan Jenis (Spesifik) Sebagaimana massa jenis suatu zat tidak bergantung pada jumlahnya, kecepatan jenis pompa (impeler) pun tidak akan bergantung pada kecepatan putar dan ukurannya. Jadi untuk pompa yang sebangun, kecepatan jenis pompa itu sama. Kecepatan jenis ini dapat ditentukan dari persamaan hukum kesebangunan di atas. Dari persamaan (2.5) diperoleh:
D2 D1
3
Q n = 2 1 Q1 n 2
Dari persamaan (2.6) diperoleh:
20
D 2 D1
D2 D1
3
2 1, 5
H = 2 H1
H2 = H1
1,5
1, 5
n1 n2
n 1 n 2
2 1, 5
3
Dengan mengeliminasi D, diperoleh:
D2 D1
3
H2 = H1
1, 5
n1 n2
3
Q n = 2 1 Q1 n 2
Dari sini diperoleh:
H2 H1
H2 H1
1, 5
3
4
n1 n2
2
Q = 2 Q1
n1 Q2 = n 2 Q1
1
2
Jadi 1
Q1 2
n1
H1
3
4
1
= n2
Q2 2 H2
3
4
= nk
Qk
1
Hk
3
2 4
= K o n s=t N s
(2.8) Konstanta pada persamaan (2.8) ini sekaligus merupakan kecepatan jenis pompa. Jadi kecepatan jenis pompa tidak bergantung pada kecepatan putar dan diameter impeler pompa (yang sebangun).
Contoh Soal 2.1. Suatu pompa sentrifugal akan dioperasikan untuk memompa air pada efisiensi maksimum pada kecepatan putar 2000 rpm. Kapasitas pompa 0,7 m3/menit untuk head 10 meter. Berapa kecepatan jenisnya? Sekarang hitung juga kecepatan jenisnya jika dioperasikan pada 2500 rpm? Jawab: Kita dapat memasukkan harga untuk kecepatan putar, head dan kapasitas ke dalam persamaan (2.8) karena kecepatan jenis tidak tergantung pada satuan yang digunakan, asalkan konsisten untuk menggunakan satuan yang sama sepanjang pembahasan kita. Jadi:
n1
Q1
1
2
3
H1 4
1
0,7 2 0,8 3 7 = 2000 3 = 2000 = 2 9 7,7 4 5 , 6 10
Jika dioperasikan pada n2 = 2500 rpm, maka dengan persamaan (2.1) dan (2.4) diperoleh:
21
Q2 = Q1
3 n2 2500 = 0,7 = 0,875 m menit n1 2000 2
n H 2 = H 1 2 n1
2
2500 = 10 = 15,625 m 2000
maka kecepatan jenisnya:
n2
Q2
1
H2
3
2 4
1
0,8 7 5 2 0,9 3 5 = 2500 = 2 5 0 0 = 2 9 7,4 3 4 7 , 8 6 1 5,6 2 5
Jadi kecepatan jenis (Ns) keduanya sama yaitu 297,7 dan 297,4. Perbedaan yang ada hanya karena ketelitian perhitungan saja.
Contoh Soal 2.2. Soal sama seperti di atas, sekarang hitung juga kecepatan jenisnya jika diameter impelernya dikurangi 10%? Jawab: Diameter tinggal 90%, maka dengan persamaan (2.2) dan (2.3) diperoleh:
D Q2 = Q1 2 D1
3
3
3 90 = 0,7 = 0,5103 m menit 100
D H 2 = H 1 2 D1
2
2
90 = 10 = 8,1 m 100
maka kecepatan jenisnya:
n2
Q2
1
H2
3
2 4
1
0,5 1 0 32 0,7 1 4 4 = 2000 3 = 2000 = 2 9 7,6 4 0 , 4 8 8,1
Jadi kecepatan jenis (Ns) keduanya sama yaitu 297,7 dan 297,6. Perbedaan yang ada hanya karena ketelitian perhitungan saja.
2.4. Bentuk Impeler dan Kecepatan Jenis. Hukum kesebangunan dan kecepatan jenis seperti telah diutarakan di atas, sebenarnya dimaksudkan pada bentuk impeler pompa, karena memang inilah pemeran utamanya. Dari bentuk ini kemudian dicirikan dengan arah aliran zat cair, apakah tegak lurus sumbu (radial), miring terhadap sumbu atau searah sumbu putar impeler (aksial). Untuk lebih jelasnya, kita lihat beberapa bentuk impeler berikut.
Impeler Radial Impeler radial tampak seperti pada gambar 2.5 atau tampak seperti gambar sebelah kanan:
22
Gambar 2.7. Impeler radial. karakteristik aliran impeler ini tampak seperti yang ditunjukkan anak panah yaitu dari depan, tegak lurus bidang impeler dan searah sumbu putar, berbelok menjadi sebidang dengan impeler dan tegak lurus sumbu. Ini terjadi demikian karena zat cair dilempar dengan gaya sentrifugal.
Impeler Aksial Berbeda dengan sebelumnya, impeler aksial ini meneruskan aliran zat cair yang searah dengan sumbu putar (axis) Di sini zat cair didorong ke arah belakang. Contoh impeler ini adalah
Gambar 2.8. Impeler aksial
Impeler Campuran Yang dimaksud dengan impeler campuran adalah impeler yang menghasilkan aliran yang miring terhadap sumbu putar. Aliran seperti ini merupakan hasil campuran aliran radial dan aksial. Contoh impeler seperti ini adalah:
Gambar 2.9. Impeler campuran.
23
Hubungan Aliran dengan Performansi Karakteristik aliran suatu impeler mencerminkan besarnya kapasitas dan head suatu impeler. Pada impeler radial yang memberi gaya sentrifugal, kecepatan aliran menjadi tinggi, sehingga headnya tinggi dan sebaliknya, kapasitasnya rendah karena dibatasi daya. Sedangkan untuk impeler aksial yang mendorong zat cair ke belakang, kecepatan alirannya (head) rendah dan kapasitasnya tinggi. Bagaimana hubungannya dengan kecepatan jenis? Karena impeler radial memiliki head tinggi dan kapasitas rendah, kecepatan jenisnya menjadi rendah. Sebaliknya untuk impeler aksial, kecepatan jenisnya menjadi tinggi. Kita bisa melihat hal ini dari persamaan untuk kecepatan jenis yang berbanding lurus dengan akar kuadrat kapasitas dan berbanding terbalik dengan head (pangkat ¾). Untuk impeler campuran tentunya memiliki kecepatan jenis di antara keduanya. Kita dapat membuat suatu diagram yang menghubungkan kecepatan jenis (aliran) dengan bentuk impeler. Dalam diagram, impeler radial dan campuran dibagi lagi dalam tiga jenis. Impeler radial dengan diameter besar, sedang dan menengah, impeler campuran dengan aliran sedikit miring dan miring sekali. Namun karena tidak ada pembakuan dalam satuan, diagram ini akan berbeda-beda harga kecepatan jenisnya, tergantung pada satuan yang digunakan untuk kapasitas, frekuensi putaran dan head. Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa kecepatan jenis ini disepakati tidak bersatuan. Jika kapasitas dalam m3/menit (m3/mnt), head dalam meter (m) dan putaran dalam revolution per minute (rpm), maka kecepatan jenis impeler radial berkisar antara 75 – 400. Untuk aliran campuran 500 – 1150 dan untuk aliran aksial antara 1200 – 2300. Jika seluruhnya menggunakan satuan SI, kapasitas dalam m3/s, tinggal dikonversi ke akar kuadrat dari 1/60 (akar kuadrat dari per menit ke per 60 detik), atau dikalikan √(1/60) = 0,129. Sehingga untuk radial berkisar antar 10 – 70, campuran antara 71 – 150 dan aksial 151 – 300. Di bawah ini gambar diagram bentuk impeler dengan nilai kecepatan jenisnya.
Gambar 2.10. Bentuk Impeler dan Kecepatan Jenis.
Contoh Soal 2.3. Kita diminta untuk memilih impeler untuk dipasang dalam pompa irigasi. Impeler jenis apa yang seharusnya digunakan di sini? Jawab: Dalam irigasi diperlukan pompa dengan kapasitas besar meskipun head rendah. Jadi seharusnya digunakan impeler aksial (kecepatan jenis besar).
24
Soal: 8. Dapatkah pompa dengan head total maksimum 9 meter digunakan untuk air mancur dengan ketinggian 10 meter dari ketinggian air kolam? Pompa tersebut mensirkulasikan air kolam. 9. Pilihkan jenis impeler untuk pompa tersebut jika kapasitasnya 1,5 liter/s dan kecepatan putarnya 2500 rpm.
25
3. Head Sistem
Dalam bab ini disajikan hubungan sistem dengan pompa. Yang dimaksud sistem di sini adalah sistem instalasi yang tidak termasuk pompa. Di sini perlu dipisahkan karena antara pompa dengan sistem seperti batere (dinamo) dengan rangkaian listriknya. Memang analogi ini tidak sepenuhnya sama, akan tetapi dalam banyak hal bisa diterima. Dalam pemasangan pompa, kita harus mengetahui kebutuhannya. Berapa daya minimal yang diperlukan, berapa head sistem yang ada dan performansi lainnya. Jika tidak sesuai antara pompa dan sistem, maka akan didapat instalasi yang sia-sia karena tidak dapat memenuhi kebutuhan atau sebaliknya, sangat berlebihan. Untuk dapat menentukan head, kita memerlukan sifat fisik zat cair seperti kekentalan dan tekanan uap. Oleh karena itu, di sini diuraikan terlebih dahulu sifat fisik zat cair.
3.1. Sifat Fisik Zat Cair Sifat fisik yang penting di sini meliputi viskositas (kekentalan) dan tekanan uap jenuh.
3.1.1. Viskositas Jika benda padat dikenai gaya geser, maka akan mengalami deformasi (perubahan bentuk) sampai gaya perlawanannya menyamai gaya yang diberikan (seimbang). Namun tidak demikian dengan fluida yang dikenai gaya geser, seperti pada permukaan air yang di atasnya bertiup angin. Air mengalir dan terus demikian selagi angin masih bertiup. Begitu angin berhenti, aliran terus berkurang karena ada gesekan internal di dalam air. Jika suatu zat cair kita ganggu misalnya dengan memberi gaya geser seperti kasus angin di atas, maka zat cair tersebut akan memberi perlawanan. Besarnya perlawanan ini menunjukkan viskositas atau kekentalan. Jadi viskositas adalah resistansi fluida terhadap deformasi akibat gaya geser (shear stress). Viskositas juga dapat dipandang sebagai resistansi internal untuk mengalir juga merupakan ukuran besarnya gesekan. Sebagai contoh, air memiliki viskositas rendah karena encer dibanding minyak goreng misalnya yang lebih kental. Zat cair yang memiliki massa jenis besar belum tentu memiliki viskositas besar. Air raksa misalnya memiliki perbandingan massa jenis dengan air (gravitasi jenis) sekitar 13,6 tetapi memiliki viskositas hanya 0,118 cStokes (sentistokes) dibanding air pada temperatur 20o C memiliki viskositas 1,00 cStokes. Tetapi ada juga yang sebaliknya, minyak lumas untuk sistem transmisi yang memiliki massa jenis lebih rendah dari air, viskositasnya 500 cStokes. Viskositas zat cair berubah cukup besar terhadap temperatur, tetapi sedikit sekali berubah terhadap tekanan. Sirup biasanya sangat kental kalau didinginkan dan sedikit saja dipanasi,
26
menjadi sangat encer. Oleh karena itu, dalam pemilihan pompa harus dipertimbangkan rentang temperatur kerja zat cair yang dipompa. Viskositas dapat dinyatakan dalam bentuk viskositas mutlak (absolute) dan kinematik. Satuan viskositas mutlak umumnya menggunakan Poise (g/(cm.s)) atau cPoise (sentipoise) dan viskositas kinematik dengan Stokes (cm2/s) atau cStokes. Viskositas mutlak berhubungan dengan kinematik melalui persamaan berikut: υ=
µ ρ
(3.1)
di sini υ : viskositas kinematik dalam m2/s (=104 Stokes). µ : viskositas mutlak dalam kg/(m.s) (= Pa s = 10 Poise). ρ : massa jenis (kg/m3). Berikut ini tabel viskositas mutlak beberapa zat cair pada temperatur tertentu: Tabel 3.2. Viskositas Mutlak Beberapa Zat Gas (0o C)
viskositas (Pa·s)
Hydrogen
8.4 × 10-6
Udara
17.4 × 10-6
Xenon
21.2 × 10-6
Cairan (25o C) Etanol
1.074 × 10-3
Acetone
0.306 × 10-3
Metanol
0.544 × 10-3
Propanol
1.945 × 10-3
Benzene
0.604 × 10-3
Air
0.890 × 10-3
nitrobenzene
1.863 × 10-3
air raksa
1.526 × 10-3
asam sulfat
24.2 × 10-3
Gliserin
934 × 10-3
minyak zaitun
81 × 10-3
minyak jarak
0.985
Berikut ini grafik viskositas kinematik beberapa zat cair terhadap temperatur.
27
Gambar 3.1. Viskositas Kinematik Viskositas juga berpengaruh pada tingkat turbulensi suatu aliran zat cair. Makin encer zat cair makin kecil gesekan internal sehingga pada aliran yang sama akan lebih turbulen dibanding 28
yang lebih kental. Oleh karena itu bilangan Reynolds sebagai ukuran turbulensi berbanding terbalik dengan viskositas. Makin besar viskositas (makin kental), makin kecil bilangan Reynolds dan aliran makin laminar. Hubungan bilangan Reynolds dengan viskositas adalah: Re =
vD
(3.2)
υ
di sini Re: bilangan Reynolds, tidak bersatuan (berdimensi). v: kecepatan aliran rata-rata di dalam pipa (m/s). υ : viskositas kinematik (m2/s). Jika Re < 2300, maka aliran laminar. Jika Re > 4000, maka aliran turbulen. Jika 2300
3.1.2. Tekanan Uap Tekanan uap (jenuh) perlu diketahui pula mengingat daerah isap pompa pada umumnya bertekanan negatif (di bawah atmosfir). Yang perlu kita jaga adalah jangan sampai terjadi penguapan akibat tekanan terlalu rendah karena hal ini dapat menyebabkan benturan antara zat cair (dari uap) dengan komponen dalam pompa (disebut sebagai gejala kavitasi). Jika terjadi kavitasi, performansi pompa akan turun drastis dan dapat menyebabkan kerusakan komponen. Ini akan lebih jauh dibahas dalam pasal tentang NPSH (Net Positive Suction Head, head isap positif netto) dan kavitasi. Untuk dapat memahami tekanan uap, kita perhatikan suatu wadah tertutup torak (massa diabaikan) yang kedap udara, yang setengahnya berisi air, seperti gambar berikut:
Gambar 3.2. Wadah tertutup berisi air Misalkan wadah ini kita dinginkan sampai jauh di bawah 0 oC agar tidak ada uap air. Maka air dalam wadah semua membeku menjadi es. Dalam titik beku ini tidak ada fase cair dan tidak juga uap. Ruang di atas es dalam wadah itu tidak mengandung uap karena semuanya membeku. Karena itu, tekanan uap yang diberikan uap air dalam ruang itu sama dengan 0. Sekarang kita panaskan sampai titik tertentu (misal 0 C) sehingga ada tiga fase: padat, cair dan gas (uap). Kini
29
ruang tadi mengandung uap air maka tekanan yang diberikan uap air terhadap ruang ini tidak lagi nol. Dalam tabel 3.3 tekanan uap ini sekitar 60,948 kgf/m 2. Dalam temperatur tetap seperti ini, kadar uap dalam ruang itu akan mencapai titik jenuh. Jumlah air yang menguap sama dengan jumlah air yang mengkondensasi. Jumlah uap air tetap, tidak berubah lagi meskipun uap air kita tambahkan atau kurangi. Jika kita tambahkan sejumlah uap air, maka uap tadi akan mencair hingga dicapai tekanan yang sama dan sebaliknya jika kita isap sejumlah uap dari ruang itu, maka sebagian akan menguap sampai mencapai tekanan tersebut. Tekanan uap pada keadaan keseimbangan ini disebut tekanan uap jenuh. Tekanan uap air jenuh untuk berbagai temperatur tampak seperti dalam tabel di bawah: Tabel 3.3. Tekanan Uap Air Jenuh. C
Massa Jenis (kg/m3)
Tek Uap (kgf/m2)
0
999,9
62,537
4,6
5
1000,0
88,368
6,5
10
999,7
125,074
9,2
15
999,1
174,016
12,8
20
998,2
237,913
17,5
25
997,1
323,561
23,8
30
995,7
432,321
31,8
35
994,0
573,709
42,2
40
992,2
751,804
55,3
45
990,2
977,481
71,9
50
988,1
1.257,538
92,5
55
985,7
1.604,210
118,0
60
983,3
2.031,093
149,4
65
980,5
2.549,063
187,5
70
977,7
3.177,152
233,7
75
974,9
3.930,315
289,1
80
971,8
4.827,585
355,1
85
968,6
5.894,792
433,6
90
965,3
7.148,251
525,8
95
961,9
8.617,871
633,9
100
958,4
10.332,200
760,0
105
956,00
11.896,985
875,1
110
954,50
14.614,625
1075,0
115
953,00
16.681,065
1227,0
Tek Uap (mmHg)
Jika digambarkan secara grafis, tekanan ini akan tampak seperti berikut:
30
Tekanan Uap Air Jenuh 18.000 16.000 tekanan (kgf/m2)
14.000 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
Temperatur (C)
Gambar 3.3. Tekanan Uap Air Jenuh Sekarang pemanasan kita lanjutkan. Semakin tinggi temperatur wadah, jumlah uap air akan semakin banyak dan karenanya tekanan uap pun terus bertambah sampai titik jenuhnya. Pada temperatur 100o C, tekanannya akan mencapai 10332 kgf/m2 (1 atm). Jadi kadar atau tekanan uap akan bertambah seiring peningkatan temperatur. Sekarang kasusnya kita balik. Dari keadaan seimbang, pada suhu tertentu 10 C misalnya, kita tarik torak sehingga tekanan di bawah torak itu rendah, maka air akan menguap. Jika kita tarik dengan cepat, maka air pun menguap dengan cepat dan terbentuk gelembung di dalam cairan, sehingga tampak mendidih. Jadi titik uap jenuh ini bisa juga dipandang sebagai titik didih pada suhu tersebut, meskipun hanya 10 C. Menurut Hukum Dalton yang berkaitan dengan tekanan bagian menyatakan bahwa tekanan total suatu campuran gas adalah jumlah tekanan tiap-tiap gas jika gas itu sendirian. Jadi: Pt = P1 + P2 + P3 +
(3.3)
Jadi tekanan udara (atmosfir) merupakan tekanan total dari tekanan uap air, tekanan oksigen, tekanan nitrogen dan lainnya. Demikian pula tekanan uap pada wadah di atas yang merupakan tekanan bagian dari tekanan total.
3.2. Head Statik dan Dinamik Head dapat digolongkan dalam dua jenis head statik dan dinamik. Head statik tetap ada meskipun masih belum ada kecepatan aliran. Sebaliknya, head dinamik baru muncul dan bergantung pada kecepatan aliran. Yang termasuk head statik misalnya head ketinggian dan head tekanan sedangkan yang termasuk head dinamik misalnya head kecepatan dan head kerugian karena head ini bergantung pada head kecepatan. Kemudian dalam perhitungan beban, head total dalam buku ini bernilai positif jika head itu membebani pompa dan sebaliknya bernilai negatif jika membantu meringankan atau mendorong kerja pompa.
31
3.2.1. Head Ketinggian dan Kecepatan Head ketinggian adalah perbedaan ketinggian antara tadah keluar dan tadah isap. Dalam menentukan head ketinggian harus diperhatikan ketinggian permukaan zat cair di tadah keluar dikurangi ketinggian permukaan zat cair di tadah isap dalam batas-batas volum kontrol. Batas volum kontrol ini bisa berupa permukaan zat cair atau titik sentuh dengan ruang bertekanan, baik atmosfir maupun ruang tertutup, karena di titik ini ada keterputusan (discontinue) seperti tampak pada gambar berikut:
Gambar 3.4. Contoh Penentuan Head. Pada contoh A, titik b terletak di permukaan tadah keluar sedangkan pada contoh B, ada di ujung pipa dengan catatan tetap kontinu di sepanjang pipa tersebut (tidak ada pemutusan aliran). Dengan demikian perbedaan head ketinggian harus dihitung dari perbedaan ketinggian titik b terhadap titik a. Demikian pula penentuan head kecepatan. Head kecepatan keluar membebani pompa sehingga bernilai positif (meninggalkan pompa) dan sebaliknya head kecepatan masuk, bernilai negatif (menuju pompa). Dalam contoh A, head kecepatan masuk yang dihitung adalah head kecepatan penurunan permukaan di tadah isap yaitu titik a, yang jauh lebih kecil dibanding kecepatan aliran dalam pipa. Sedangkan head kecepatan keluar dalam contoh A juga merupakan kecepatan kenaikan permukaan zat cair di tadah keluar (batas volum kontrol) yakni titik b dan ini pun relatif kecil dibanding kecepatan aliran pipa. Kedua head kecepatan (masuk dan keluar) dalam contoh A ini bisa diabaikan karena nilainya relatif sangat kecil dibanding head kecepatan di dalam pipa. Berbeda dengan contoh A, head kecepatan keluar dalam contoh B harus dihitung di titik b yakni ujung pipa dan ini tentu saja sama dengan kecepatan alir di dalam pipa, sehingga terlalu besar untuk diabaikan.
3.2.2. Head Tekanan Dalam beberapa penerapan, tadah isap dan atau tadah keluar tidak terbuka begitu saja (diekspos ke atmosfir) tetapi kadang bertekanan (berbeda dengan tekanan atmosfir). Untuk memudahkan perhitungan di sini digunakan konvensi jika tekanan itu membebani pompa, maka bernilai positif dan jika meringankan pompa, bernilai negatif.
32
Di sini perlu juga diingat kembali adanya tekanan mutlak dan gage. Jika tekanan mutlak lebih besar dari tekanan atmosfir, berarti tekanan gagenya positif dan sebaliknya jika lebih kecil dari tekanan atmosfir, tekanan gagenya negatif (vakum). Jika sama dengan atmosfir, berarti tekanan gagenya nol (sama seperti terbuka ke atmosfir). Untuk dapat lebih memahami hal ini perhatikan gambar berikut:
Gambar 3.5. Head Tekanan Cara menghitung head tekanan yang harus diatasi pompa adalah sebagai berikut: Jika titik a bertekanan negatif, misalnya -10 cm Hg (vakum), dan di b positif misalnya 20 cm Hg gage, maka keduanya memberatkan pompa sehingga head tekanan keseluruhan (∆ Hp total) merupakan selisih b-a = 20-(-10) = 30 cm Hg. Jadi: ∆H p = H pb − H pa
(3.4)
3.3. Head Kerugian Pipa dapat dipandang seperti kabel listrik karena sama-sama memiliki tahanan (resistansi). Jika kabel memiliki tahanan yang relatif besar, maka akan timbul panas yang terbuang ke sekitarnya. Demikian pula jika pipa memiliki tahanan yang besar akibat kekasaran permukaan dalam pipa atau diameter yang relatif kecil, maka akan timbul gesekan yang lebih besar dan sebagian energinya (head) berubah menjadi panas yang juga terbuang ke tempat sekitarnya.
3.3.1. Konsep Dasar Dari uraian di atas mungkin sudah terbayang mengapa terjadi perubahan energi (head) menjadi energi panas. Jika kita menggosok-gosokkan suatu benda terhadap yang lain, maka keduanya akan terasa panas. Demikian pula gesekan antara fluida dengan bagian dalam pipa. Oleh karena itu, makin kasar pipa akan makin besar gaya gesek dan makin besar pula energi yang terbuang. Demikian pula, makin besar diameter makin kecil kecepatan dan makin leluasa fluida bergerak, maka makin kecil gaya gesekannya. Gaya gesekan yang timbul tentulah akibat adanya kecepatan aliran karena jika kecepatannya nol, tentu tidak ada gesekan. Di sinilah maka gaya gesekan ini berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan aliran. Faktor lain yang berpengaruh adalah viskositas yang berpengaruh pada bilangan Reynolds dan sifat aliran laminer atau turbulen serta besarnya gesekan.
33
Karena ada perubahan dan pelepasan energi tadi, energi yang tersisa akan makin berkurang apakah tekanan dan/atau kecepatannya, yang dalam hal ini disebut head. Jika dalam listrik ada tegangan drop, tegangan yang timbul akibat impedansi atau resistansi dalam tahanan (resistor), maka dalam pipa ada head atau pressure drop. Untuk itu kita bisa bayangkan rangkaian pipa sebagai rangkaian resistor berikut:
Gambar 3.6. Analogi Rangkaian Listrik dan Pompa. Resistansi kabel Rk dianggap sebagai resistansi kerugian total dan dalam pompa ditunjukkan dengan Hab (gesekan di dalam pipa masukan diabaikan). Jelas bahwa Hab ini head dinamik karena jika aliran berhenti, nilainya nol. Namun demikian perlu dicatat bahwa istilah head drop tidak dikenal, lebih suka dipakai istilah pressure drop, karena dalam banyak kasus, head tekanan turun dan head kecepatan tidak berubah. Sekarang kita pandang aliran dalam suatu pipa atau saluran berikut:
Gambar 3.7. Aliran dalam Pipa. Head kerugian yang terbuang antara titik A dan B adalah: hlAB = hTA − hTB
(3.5).
Jika kita substitusi dengan persamaan head total, diperoleh: p p v2 v2 hlAB = A + A + z A − B + B + z B 2g 2g γ γ
(3.6).
Dengan asumsi aliran inkompresibel sehingga tidak ada perubahan massa jenis.
3.3.2. Kerugian Mayor dan Minor Perhitungan kerugian aliran dalam pipa (saluran) dibagi dua: mayor dan minor. Kerugian mayor adalah kerugian dalam pipa lurus dan ukuran tetap sedangkan kerugian minor mencakup kerugian yang ditimbulkan oleh sambungan, kran, katup, perubahan bentuk dan lainnya. Metode perhitungan keduanya dapat dilihat dalam pasal-pasal berikut.
34
3.4. Metode Perhitungan Head Kerugian Di bawah ini disajikan dua metode penting dalam perhitungan head kerugian dalam aliran pipa tersebut yaitu metode Darcy-Weisbach (DW) dan Hazen-Williams (HW). Kedua metode ini diturunkan secara empirik.
3.4.1. Metode Darcy-Weisbach Metode ini dinisbatkan pada kedua tokoh sarjana hidrolik yakni Henry Darcy dan Julies Wiesbach. Dibanding metode HW, metode DW ini lebih akurat. Metode DW bisa berlaku baik untuk semua fluida (cair atau gas) sedangkan metode HW hanya berlaku baik untuk air pada temperatur normal sekitar 40 – 75 oF atau sekitar 5 – 24 oC. Namun demikian metode HW lebih populer khususnya bagi insinyur sipil karena koefisien geseknya tidak bergantung pada kecepatan dan diameter pipa [9.2]. Dari konsep gesekan seperti diuraikan sedikit di atas, memang seharusnya perhitungan ini selalu mempertimbangkan kecepatan dan diameter. Menurut DW, head kerugian dalam pipa sebanding dengan panjang pipa dan head kecepatan dan berbanding terbalik dengan diameter pipa, yang dapat dituliskan sebagai: hf = f
L v2 D 2g
(3.7).
atau dapat diubah ke dalam bentuk: v = CR p S q
(3.8). di sini: v: kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s) C,p,q: koefisien-koefisien R: Jari-jari hidraulik (m) =
Luas penampang pipa tegak lurus aliran (m2) Keliling pipa atau saluran yang dibasahi (m)
= D/4 untuk pipa berpenampang lingkaran S: Gradien hidraulik = hf/L. hf: head kerugian dalam pipa (m). f: faktor gesekan (faktor kerugian). g: percepatan gravitasi (9,8 m2/s). L: panjang pipa (m). D: diameter pipa (m). Persoalan sekarang adalah tinggal bagaimana kita menentukan faktor f. Dalam hal ini ada perbedaan untuk aliran laminar dan turbulen. Oleh karena itu, kita harus menghitung bilangan Reynolds terlebih dahulu sebelum menentukan faktor f. 10. Aliran Laminar Setelah kita mengetahui bilangan Reynolds, kita dapat menentukan sifat alirannya. Jika laminar, harga f dapat ditentukan dari persamaan berikut:
35
64 Re
f =
(3.9).
Jika kita substitusi Re dengan persamaan (3.2), diperoleh: 64υ v.D (3.10).
f =
Jadi faktor kerugian berbanding lurus dengan viskositas kinematik (υ) dan berbanding terbalik dengan diameter (D) dan kecepatan aliran (v). Makin besar viskositas (kental), makin besar faktor f. Namun demikian, ketiganya dibatasi sifat aliran; jika turbulen, rumus ini tidak berlaku. 11. Aliran Turbulen Dalam buku Sularso dan Tahara [9.2: 29] harga f (di buku itu dilambangkan dengan λ ) untuk turbulen ditentukan dengan persamaan berikut: f = 0,020 +
0,0005 D
(3.11)
Cara lain yang sangat popular sekarang ini adalah dengan metode Colebrook [9.2]: k 1 2,51 = −2,0 log 10 + 3,7 Re f f
k=
d D
(3.12)
(3.13)
Namun persamaan ini iteratif dan sebagai gantinya dapat digunakan persamaan Haaland dan bervariasi (melenceng) sekitar 2%: 6,9 k 1,11 1 = −1,8 log 10 + Re 3,7 f
(3.14) di sini k: kekasaran relatif permukaan dalam pipa. d: kekasaran mutlak permukaan dalam pipa (m). D: diameter dalam pipa (m). Harga f dalam persamaan di atas bisa digambarkan dalam diagram Moody terhadap Re sebagai variabel bebas dan k sebagai parameternya seperti pada gambar di bawah:
36
Gambar 3.8. Karta Moody Diagram ini dapat digunakan baik untuk pipa bulat maupun persegi. Harga d untuk berbagai jenis pipa dapat dilihat dalam tabel berikut [9.2, 9.2 dan 9.2]: Tabel 3.4. Kekasaran Berbagai Bahan Bahan/Jenis Pipa
Kekasaran Permukaan (m)
Tembaga, timah, kuningan, aluminium, gelas (baru)
1,0e-7 – 2,0e-7
PVC, plastik
1,5e-6 – 7e-6
Besi Sepuh (galvanized)
1,5e-4
Besi cor baru
2,5e-4 – 8e-4
Besi cor beraspal
1,2e-4
Besi cor berkarat
1,5e-3 – 2,5e-3
Besi tempa
4,5e-5 – 9e-5
Baja berrivet
9e-4 – 9.0e-3
komersial
4,5e-5 – 9e-5
Stainless
1,5e-5
Baja Las
4,5e-5
Berkarat ringan
1e-4 – 4e-4
Berkarat parah
4e-4 – 3e-3
Bersisik ringan
1e-3 – 1,5e-3
Bersisik parah
1,5e-3 – 4e-3
Baja tua (bekas)
1,5e-4 – 2e-4
37
Bahan/Jenis Pipa
Kekasaran Permukaan (m)
Dengan persamaan Haaland kita dapat mengeplot diagram untuk head kerugian. Gambar berikut ini adalah diagram untuk pipa besi cor (d = 2,6e-4 m) per 100 m panjang lurus, dengan kecepatan alir 0,8 – 3,8 m/s dan viskositas kinematik 10-6 m2/s.:
Kerugian Gesek per 100 m pada Pipa Lurus 100 25mm Kerugian (m)
50mm 10
75mm 100mm 200mm 300mm
1
400mm 500mm
0 0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
3,2
3,6
Kecepatan Alir (m/s)
Gambar 3.9. Head Kerugian Gesek dalam Pipa.
3.4.2. Metode Hazen-Williams Seperti persamaan Darcy-Weisbach, kecepatan aliran menurut metode HW adalah: v = kCR
0, 63
(3.15)
S 0,54
di sini k=1.318 untuk satuan Inggris dan 0,849 untuk SI, v kecepatan dalam m/s, sedangkan koefisien C sesuai dengan tabel berikut [9.2 dan 9.2]: Tabel 3.5. Koefisien Hazen-Willams. Material
C
Material
C
Berlapis asbes semen
140
Besi sepuh
120
Kuningan
130-140
Gelas
140
Bata
100
Timah
130140
Plastik
140150
Besi Cor: Baru, tak berlapis
38
130
Baja:
Umur 10 tahun
107-113
Berlapis ter arang
145150
20 tahun
89-100
Baru tak berlapis
140150
30 tahun
75-90
Berrivet
110
40 tahun
64-83
Baja baru
120130
130-140
Baja tua
80100
Tembaga
Jika diubah bentuknya dengan defnisi R dan S, diperoleh: 10 ,666 Q 1,85 C 1,85 D 4,85 (3.16)
hf =
di sini Q adalah kapasitas (m3/s). Persamaan ini digunakan untuk aliran turbulen.
3.4.3. Menghitung Head Kerugian Minor Aliran dalam pipa bagaimana pun harus melewati sambungan, katup, belokan, perubahan ukuran atau bentuk pipa. Head kerugian ini akan muncul akibat adanya gangguan aliran dan kerugian ini disebut kerugian minor. Karena head kerugian ini muncul akibat adanya aliran, maka bergantung pada kuadrat kecepatannya: hlm = K .
v2 2g
(3.17)
di sini K adalah faktor kerugian. Harga K dalam persamaan di atas ditentukan secara empirik. Sekarang kita lihat komponen pipa satu demi satu.
a. Inlet dan Jalan Masuk. Berbagai bentuk ujung pipa tempat masuk aliran dapat dilihat dalam [9.2: 34] dan [9.2: 368] beserta harga koefisien kerugiannya (K). Harga K sesuai bentuk inlet. Di sini disajikan tiga bentuk:
Gambar 3.10. Berbagai Bentuk Inlet.
39
Harga K untuk bentuk bulat (a) berkisar antara 0,005 sampai 0,06 tergantung perbandingan jarijari lengkung (r) terhadap jari-jari pipa (R). Untuk r/R sekitar 0,25 harga K = 0,04 [9.2: 368]. Dalam Sularso dan Tahara [9.2: 34] diperlihatkan ujung pipa masukan yang berbentuk mulut lonceng dan corong. Untuk yang berbentuk lonceng memiliki harga K = 0,2 sedangkan yang berbentuk corong K = 0,4. Contohnya diperlihatkan seperti gambar di bawah:
Gambar 3.11. Bentuk Corong dan Bel.
b. Pembesaran dan Pengecilan Pembesaran dan pengecilan pipa/saluran ada dua macam yaitu secara mendadak dan secara gradual.
Perubahan Mendadak Penampang saluran yang membesar dan mengecil secara mendadak tampak seperti berikut:
v1
D1
v2
v1
D2
D1
D2
v2
Gambar 3.12. Pembesaran dan Pengecilan Mendadak. Dalam percobaan ada yang menggunakan perbandingan luas dan ada juga yang menggunakan perbandingan diameter sebagai variabel bebas. Fox dan Mc Donald [9.2: 371] menggunakan perbandingan luas yang kecil terhadap yang besar. Grafik koefisien kerugian tersebut secara tabulasi dapat didekati seperti berikut: Tabel 3.6. Tabulasi Harga K dari [9.2: 371].
40
Perbandingan Luas
Pembesaran
Pengecilan
0
1,00
0,50
0,1
0,75
0,48
0,2
0,62
0,42
0,3
0,50
0,38
0,4
0,38
0,30
0,5
0,26
0,24
0,6
0,20
0,20
0,7
0,10
0,10
0,8
0,04
0,06
0,9
0,01
0,02
1,0
0,00
0,00
Jika perbandingan luas sangat kecil, nol misalnya dalam kasus pembesaran berarti aliran dari saluran yang kecil menuju ruang yang relatif sangat besar. Namun dalam kasus pengecilan, perbandingan luas = 0 menunjukkan aliran dari saluran yang besar masuk ke saluran yang relatif sangat kecil.
Perubahan Gradual Pengecilan gradual lazim dijumpai dalam nozel dan pembesaran gradual dijumpai dalam difuser.
Gambar 3.13. Pembesaran dan Pengecilan. Dalam Sularso dan Tahara [9.2: 36] harga koefisien kerugian nozel tidak dicantumkan dan dalam Fox dan Mc Donald ditabelkan untuk sudut θ = 30, 45 dan 60 derajat, dengan harga K masing-masing 0,02, 0,04 dan 0,07. Dalam Sularso dan Tahara [9.2: 36] harga koefisien kerugian difuser ditentukan berdasarkan sudut divergensi (θ = 2φ ) dengan parameter perbandingan diameter yang besar terhadap yang kecil. Untuk sudut divergensi di bawah 25 derajat dan di atas 145 derajat, harga K sama baik untuk perbandingan besar (D2/D1 = 3) ataupun kecil (D2/D1 = 1,5). Di bawah ini tabel koefisien kerugian pada difuser yang diturunkan secara kasar dari Gambar 2.12 halaman 36 buku tersebut: Tabel 3.7. Koefisien Kerugian Difuser. Sudut (o)
D2/D1=1,5
D2/D1=3
0 - 10
0,20 - 0,15
0,20 - 0,15
10 - 20
0,15 - 0,40
0,15 - 0,40
20 - 60
0,40 - 1,03
0,40 - 1,20
60 - 70
1,03 - 1,05
1,20 - 1,20
70 - 180
1,05 - 1,00
1,20 - 1,00
Sedangkan Fox dan Mc Donald menyebutkan kalau data untuk difuser itu paling lazim dinyatakan dalam koefisien pemulihan tekanan (pressure recovery coefficient) Cp, yakni
41
kenaikan tekanan statis (antara dua luas difuser) terhadap tekanan dinamik pada sisi masukan atau:
Cp ≡
p2 − p1 2 1 ρ v 1 2
(3.18)
Jika perbedaan ketinggian dalam difuser diabaikan, maka: p v2 p v 2 v 2 v 2 p − p1 hl .g = 1 + 1 − 2 + 2 = 1 − 2 − 2 2 ρ 2 2 2 ρ ρ
v12 v22 p2 − p1 v12 v22 hl .g = 1 − 2 − 1 2 = 1 − 2 − C p 2 v1 2 ρ v1 2 v1 Dari prinsip kontinuitas, A1.v1 = A2.v2 = konstan, sehingga: 2 v2 v12 A1 1 − − C p = 1 hl .g = 2 A2 2
1 − Cp 1 − 2 ( AR )
(3.19)
Di sini AR = area ratio yaitu perbandingan luas = A2/A1. Jika kita bandingkan dengan persamaan (3.17) diperoleh: 2
A 1 K = 1 − 1 − C p = 1 − −C ( AR ) 2 p A2
(3.20)
Dalam Fox dan Mc Donald [9.2: 373], digambarkan hubungan antara AR, N/R1 (lihat gambar diffuser di atas), φ dan Cp.
c. Belokan Ada dua macam belokan: lengkung (bend) dan patah (miter), seperti gambar di bawah:
Gambar 3.14. Belokan Lengkung dan Patah Dalam Sularso dan Tahara [9.2: 33-34] diberikan rumus Fuller untuk belokan lengkung dan rumus Weisbach untuk belokan patah. Rumus Fuller untuk belokan lengkung tersebut adalah:
42
3, 5 0 ,5 D θ f = 0,131 +1,847 2R 90
(3.21) di sini D/R seperti pada gambar di atas dan θ adalah sudut belokan. Jika ditabelkan diperoleh: Tabel 3.8. Faktor Kerugian Belokan Lengkung. R/D
0,75
1,0
θ
1,25
1,5
2
Faktor Kerugian
5
0,1362
0,0694
0,0485
0,0402
0,0343
10
0,1926
0,0981
0,0686
0,0568
0,0485
15
0,2359
0,1201
0,0840
0,0696
0,0594
22,5
0,2889
0,1471
0,1029
0,0852
0,0727
30
0,3336
0,1699
0,1188
0,0984
0,0840
45
0,4086
0,2081
0,1455
0,1206
0,1028
60
0,4718
0,2403
0,1680
0,1392
0,1187
72
0,5168
0,2632
0,1840
0,1525
0,1301
90
0,5778
0,2943
0,2058
0,1705
0,1454
Adapun rumus Weisbach untuk belokan patah adalah:
θ θ f = 0,946 sin 2 + 2,047 sin 4 2 2 (3.22) sudut θ seperti gambar di atas. Jika ditabelkan diperoleh: Tabel 3.9. Faktor Kerugian Belokan Patah. θ
Faktor Kerugian f
5
0,0018
10
0,0073
15
0,0167
22,5
0,0390
30
0,0726
45
0,1824
60
0,3644
72
0,5712
90
0,9848
d. Jalan Keluar (Exit) Head kecepatan (kinetik) akan sepenuhnya terbuang ke lingkungan ketika keluar dari saluran dan bercampur ke tempat yang relatif sangat besar. Kasus ini sama seperti mengalami ekspansi mendadak dengan rasio luas AR = A1/A2 = 0. Karena itu koefisien kerugian K untuk kasus ini
43
sama dengan 1 dan tidak bergantung pada bentuk ujung keluaran pipa. Jadi, kecuali dengan difuser, tidak ada cara lain untuk mengurangi kerugian dalam kasus ini.
e. Katup dan Sambungan: Panjang Ekivalen Pendekatan lain dalam menentukan besarnya gesekan atau kerugian dalam komponen atau peralatan pipa adalah dengan panjang ekivalen komponen tersebut dengan panjang pipa lurus. Di sini suatu komponen ditentukan panjangnya yang setara (ekivalen) dengan panjang pipa lurus. Panjang ekivalen ini diperlakukan sama seperti pipa. Jika permukaan dalam pipanya halus, maka kita menggunakan f untuk pipa halus demikian pula jika pipanya sudah kasar. Pendekatan ini juga menggunakan rumus umum DW yaitu: hlm = f .
Le v 2 . D 2g
(3.23)
Harga f dapat ditentukan dengan diagram Moody atau persamaan Colebrook (atau Haaland) untuk pipa yang digunakan, sedangkan Le/D (tidak berdimensi) ditentukan secara empirik. Dalam [9.2] diberikan nomograf untuk menentukan Le/D beberapa komponen. Berikut ini tabel Le/D yang diturunkan dari nomograf tersebut: Tabel 3.10. Panjang Ekivalen Komponen Pipa. No.
Komponen
Keterangan
Le/D
1.
Katup bola (globe)
Terbuka
340
2.
Katup gerbang (gate)
terbuka penuh
7
terbuka ¾
40
terbuka ½
200
terbuka ¼
850
3.
Katup sudut (angle)
terbuka
150
4.
Katup cegah, ayun
terbuka
80
Belokan lengkung
o
76
5.
180 o
21 – 33
o
15
90 (r besar – kecil) 45 6.
Sambungan T
72
Dengan data Le/D ini kita dapat langsung menentukan head kerugiannya dengan persamaan di atas. Akurasi cara ini (meleset) sekitar 10%.
f. Menentukan Koefisien Gesekan Koefisien kerugian (K) atau faktor gesekan (f) pada dasarnya merupakan faktor pengali terhadap head kecepatan, karena besar kerugian sebanding dengannya. Karena hukum kekekalan energi (Bernoulli), head ini mengurangi head tekanan atau ketinggian. Jadi besarnya kerugian atau harga faktor kerugian dapat ditentukan dengan mengukur penurunan tekanan (pressure drop). Head kerugian adalah head total sebelum komponen dikurangi head total setelah komponen:
44
p p v2 v2 hlt = ht1 − ht 2 = 1 + 1 + z1 − 2 + 2 + z2 γ γ 2g 2g
(3.24)
Karena pengukuran dilakukan pada ketinggian dan kecepatan yang sama, head kerugian tersebut adalah: hlt =
p1 p2 p1 − p2 − = γ γ γ
(3.25)
dengan persamaan DW, kita peroleh: hlt =
K=
p1 − p2
γ
=f
2( p1 − p2 ) ρv 2
Le v 2 v2 =K D 2g 2g
(3.26)
(3.27)
Dengan mengetahui kecepatan aliran v, dan perbedaan tekanan, kita dapat menentukan harga K atau rasio panjang ekivalen Le/D, dengan bantuan diagram Moody untuk menentukan f dari pipa yang bersangkutan:
Le =K D Le K = D f f
(3.28) Dengan cara ini, rasio panjang ekivalen beberapa katup dalam Tabel 2.20 [Sularso dan Tahara, 9.2] dapat ditentukan.
Contoh Soal 3.4. Berapa ketinggian h (meter) pada bak penampung air minum (t = 25 C) seperti pada gambar berikut, jika diinginkan kapasitas 0,01 m3/s. Diameter dalam pipa (halus) 7,5 cm dan panjang pipa 100 m. Kedua belokan lengkung dengan R/D = 1,5. Di ujung pipa ada katup gerbang yang terbuka penuh.
45
Jawab: Berdasarkan persamaan energi, head ketinggian (dari 1 ke 2) diubah menjadi head kerugian dan head kecepatan di titik 2. Head kerugian terdiri dari mayor dan minor. Kerugian mayor hanya untuk panjang pipa lurus, di sini panjang totalnya 100m. Kerugian minor ada 3 macam yaitu di sisi masuk pipa (inlet), dua belokan lengkung dan katup gerbang. Adapun ketinggian total adalah hz = h + 5m. Jadi: v2 L v2 v2 Le v 2 v2 + fp + 2 fb + fp + 2g D 2g 2g D 2g 2g inlet pipa belokan katup hv
hz = K in
Kecepatan v = Q/A = 0,01/(π D2/4) = 2,26 m/s. Viskositas kinematik air dapat dilihat pada grafik viskositas (3.1) yaitu 9.10-7 m2/s, sehingga bilangan Reynolds Re = 2,26.0,075/(9.10-7) = 1,9.105. Dari diagram Moody diperoleh fp = 0,0155. Dari Tabel 3.8 diperoleh fb = 0,1705. Dari Tabel 3.10, Le/D = 7. Dari gambar inlet persegi didapat: Kin = 0,5. Jadi: hz =
v2 L Le + 2 fb + f p +1 K in + f p 2g D D
2,26 2 100 + 2.0,1705 + 0,0155 .7 +1 0,5 + 0,0155 2.9,8 0,075 h = 5,91 −5 = 0,91 meter h +5 =
Jadi untuk mencapai kapasitas tersebut, ketinggian air dalam bak h = 0,91 m.
3.5. Head Total dan Karakteristik Sistem Secara garis besar, head total sistem terdiri dari empat komponen yaitu head ketinggian antara tadah keluar dan tadah isap, head tekanan antara kedua tadah tadi, head kerugian dalam sistem dan head kecepatan. Jadi: ht = ∆hz +∆hp +hl +∆hv
(3.29) Dalam perhitungan head total keempat macam head ini harus ditentukan satu demi satu. Dari sini jelas bahwa kedua head yang pertama tidak bergantung pada kecepatan aliran, atau sebut
46
saja head statis total (hst), sedangkan dua yang terakhir bergantung pada kuadrat kecepatan aliran (atau Q), kita sebut head dinamis total (hdt). Karena head dinamis ini baru muncul jika ada aliran, maka di Q = 0 akan selalu berharga nol. Jadi, jika head total diplot terhadap Q, kurva yang dihasilkan menggambarkan karakteristik sistem instalasi (selain pompa):
Gambar 3.15. Karakteristik Sistem. Kurva ht di dalam gambar di atas menunjukkan karakteristik sistem. Makin besar faktor atau koefisien gesekan total sistem, makin curam kurva ht seperti pada ht1. Perpotongan dua kurva, karakteristik sistem dengan kurva head pompa merupakan titik kerja pompa (operating point), seperti gambar di bawah:
Gambar 3.16. Titik Kerja Pompa
Contoh Soal 3.5. Tentukan head total sistem instalasi pompa untuk menaikkan minyak tanah (ρ = 0,8 kg/l) dengan viskositas 2,5 cSt, seperti pada gambar di bawah. Tekanan yang bekerja pada permukaan dorong adalah 20 cm Hg gage. Permukaan isap terbuka ke atmosfir. Tinggi rata-rata permukaan isap dan dorong seperti pada gambar. Kapasitas 0,5 m 3/mnt melalui pipa baja tua dengan diameter dalam 150 mm. Ketiga belokan patah 90 o. Panjang pipa isap
47
seluruhnya 8 m. Di ujung pipa isap dipasang katup isap dengan saringan dan panjang pipa dorong 62 m. Soal ini dapat disalin sebagai berikut: Dikt: Kapasitas Q = 0,5 m3/mnt = 8,33e-3 m3/s. Viskositas kinematik vis = 2,5 cSt = 2,5e-6 m2/s. Massa jenis minyak ρ = 0,8 kg/l = 800 kg/m3. Kekasaran pipa baja tua d = 2e-4 m. Diameter dalam pipa D = 0,15 m. Tekanan tadah keluar Pd = 0,2 m Hg. Head perbedaan ketinggian ∆ hz = 8 m (gambar). Perbedaan tekanan ∆ p = 0,2 mHg. Faktor kerugian belokan patah 90o f = 0,985 (Tabel 3.9) Katup isap dengan saringan Le/D = 71. Panjang pipa keseluruhan L = 70 m. Dit: Head total sistem 20 cm Hg gauge 2m
1m
4m
3m 5m
Jawab: Kecepatan aliran v = 4Q/π D2 = 0,47 m/s. Bilangan Reynolds Re = vD/vis = 28294,2 (turbulen). Kekasaran relatif k = d/D = 1,3e-3 maka dari diagram Moody diperoleh fp = 0,027. Dengan demikian, rincian head totalnya adalah seperti berikut: 12. Head ketinggian = 8 m (dari gambar). 13. Head tekanan dihitung terhadap massa jenis minyak:
48
∆p = ρair
raksa
hminyak =
13 ,6.0,2 = 3,4m 0,8
.g .hair
raksa
=13 ,6.g .0,2 = ρminyak .g .hminyak
14. Head kecepatan diabaikan karena kedua ujung pipa tenggelam, yang berarti kecepatan penurunan/kenaikan minyak dalam tadah keluar/isap sangat kecil. 15. Head Kerugian: Sebelum menghitung head kerugian kita hitung head kecepatan dalam pipa: hv = v2/2g. Head ini tidak disertakan dalam perhitungan head total karena hanya berpengaruh pada head kerugian. Dari persamaan tadi hv = 0,0113 m a. Katup isap hki = f p
Le v 2 = 0,027 .71 .0,0113 = 0,02 m D 2g
b. Head ketiga belokan patah hbp =3.0,985 c. Head kerugian pipa h p = f p
v2 = 0,033 m 2.g
Lp v2 70 = 0,027 . .0,0113 = 0,14 m D 2g 0,15
Head total sistem: 8+3,4+0,02+0,033+0,14 = 11,59 m.
3.6. Performansi untuk Zat Cair Kental Pompa yang sudah ditentukan performansinya untuk zat cair tertentu, biasanya air, dapat digunakan untuk zat cair lain yang memiliki kekentalan yang berbeda. Di sini akan disajikan penentuan performansi untuk zat cair yang lebih kental pada pompa yang sudah ditentukan performansinya untuk air. Kita maklum bahwa zat cair yang lebih kental (viskositas lebih besar) akan menurunkan performansi pompa karena besarnya gaya gesek internal zat cair tersebut serta antara zat cair dengan pompa. Dari kenyataan ini Hydraulic Institute Amerika Serikat membuat suatu nomograf untuk menentukan koefisien koreksi performansi pompa untuk zat cair kental jika performansi untuk air dan kekentalan zat cair yang akan dipompa diketahui. Jadi, jika performansi untuk air Hw, Qw dan η w, maka performansi untuk zat cair kental adalah H c = C H .H w Qc = CQ .Qw
(3.30)
ηc = Cη.ηw Berikut ini nomograf untuk pompa skala menengah dan contoh penentuan koefisien untuk zat cair dengan viskositas 10 cSt, dengan performansi untuk air: Hw= 20 m, Qw = 0,13 m3/mnt dan untuk η w = 70%. Cara untuk menentukan koefisien-koefisien tadi adalah: •
Pada garis skala kapasitas 0,13 m3/mnt, kita tarik garis tegak sampai garis head 20 m (garis miring ke kanan). Tandai dengan titik A.
•
Dari titik ini kita tarik garis mendatar ke kiri sampai pada garis viskositas 10 cStokes (titik B).
•
Tarik garis tegak sampai menyentuh kurva untuk Cη , CQ, dan CH. 49
•
Di sini diperoleh Cη = 0,85, CQ = 0,95 dan CH = 1,03.
Gambar 3.17. Koreksi Performansi Untuk Zat Cair Kental.
3.7. NPSH dan Kavitasi NPSH (net positive suction head) merupakan konsep yang dibuat untuk menghubungkan head total di sisi isap (suction head) dengan titik tekanan uap jenuh zat cair yang positif terhadap tekanan isap pompa yang negatif. Selisihnya harus positif (net positive) karena jika negatif berarti zat cair yang ada di sisi isap bertekanan di bawah tekanan uap jenuh. Jika hal ini terjadi, maka zat cair mengalami penguapan dalam sisi isap. Adanya uap (gelembung) di dalam zat cair ini seperti gua (cave). Oleh karena itu gejala ini disebut kavitasi.
50
Jika terjadi kavitasi, maka zat cair yang bercampur uap itu akan masuk ke titik isap impeler dalam pompa. Tentulah hal ini akan mengakibatkan tumbukan-tumbukan antara cairan dan uap dengan impeler dan rumah pompa. Makin ke ujung impeler, tekanan kembali membesar, sehingga uap tadi pecah (kembali menjadi cair, mengembun). Akibat lanjutnya adalah suara pompa makin berisik, performansi rendah dan kerusakan pada bagian dalam pompa. Karena itu semua, gejala kavitasi harus dihindari. Nah di sinilah para ahli mendefinisikan NPSH. Ada dua NPSH: NPSH yang tersedia (available, NPSHA) dan yang diperlukan (required, NPSHR). NPSHA ini merupakan head di sisi isap pada sistem sedangkan NPSHR merupakan NPSH pompa. Syarat agar tidak terjadi kavitasi adalah bahwa NPSHA harus lebih besar dari NPSHR: NPSHA > NPSHR Jika tidak demikian, maka akan beresiko terjadi kavitasi. Untuk dapat lebih memahami konsep ini kita lihat head di sisi isap.
3.7.1. Head Isap Untuk memahami NPSH, kita pandang lagi pompa torak sebagai tabung Toricelli berisi air. Pompa ini juga merupakan representasi pompa sentrifugal atau lainnya (lihat gambar di bawah).
Gambar 3.18. NPSH: Tekanan Sisa. Kita maklum bahwa tekanan satu atmosfir ini mampu menahan air dalam tabung Toricelli setinggi sekitar 10,33 m. Anggap pompa dalam keadaan diam sesaat, maka tekanan di titik B, setinggi h (< 10,33m), merupakan tekanan sisa (neto) 1 atm (mutlak) dikurangi tekanan hidrostatik sebesar ρ air.g.h. Jika torak ditarik lagi ke atas dan h mendekati 10,33m, maka besarnya tekanan hidrostatik ini hampir sama dengan 1 atm. Namun sebelum mencapai titik 1 atm, jika tekanan sisa di titik B sudah melampaui tekanan uap jenuh(lebih rendah), mulai terjadi penguapan. Jika h terus bertambah, uap juga terus bertambah untuk mencapai tekanan uap jenuhnya. Dengan kata lain, pada ketinggian ini, di titik B bertekanan sebesar tekanan uap jenuhnya.
51
Sekarang kasus ini kita kembangkan ke dalam head isap pompa. Jika pompa diam, tekanan di titik B merupakan sisa 1 atm dikurangi head ketinggian saja. Tetapi jika pompa sedang bekerja, tekanan di titik B tentu berkurang lagi karena ada kerugian gesek yang berbanding dengan kuadrat kecepatannya dan ada juga head isap dari pompa (NPSHR). Jika salah satu head pengurang ini terus bertambah, maka suatu saat tekanan bersih (net) di titik B bisa mencapai tekanan uap jenuh zat cair tersebut. Ketika berada di atas tekanan uap jenuh, zat cair berhenti menguap, namun jika penurunan tekanan ini melampaui tekanan uap jenuhnya, maka akan terjadi penguapan. Jadi di sinilah mulai terjadi kavitasi. Jika demikian, pada temperatur tertentu, ada titik maksimum yang tidak boleh terlampaui. Sebagai contoh: pada 25 C, berat jenis air sekitar 997 kgf/m3 dan bertekanan uap jenuh 323,6 kgf/m2 (Tabel 3.3). Jika tekanan ini dikonversi ke head, sekitar 323,6/997 = 0,33 m. Jika NPSHR pompa 0,8 m, kerugian total 0,4 m, maka ketinggian maksimum kolom dalam pompa adalah 9 meter Sekarang kita hitung head sisa (lihat gambar di atas, sebelah kanan) yaitu: hss = ha − hz − hl − NPSHR
(3.31) di sini: ha head tekanan atmosfir hz head ketinggian dan hl head kerugian (loss) Jika head sisa (hss) ini harus lebih besar dari head tekanan uap jenuh hv agar tidak terjadi kavitasi, maka hss > hv dan hss = ha − hz − hl − NPSHR > hv
(3.32)
hz < ha − hl − hv − NPSHR
Untuk kasus kita berlaku 10,6 – 0,33 - 0,4 - 0,8 = 9,1 m. Jadi head ketinggian pompa (diukur pada garis tengah sisi isap) terhadap permukaan air yang diisap tidak boleh lebih dari sekitar 9 m. Jika ini dilampaui, air tidak akan dapat diisap, hanya menguap saja.
3.7.2. NPSH yang Tersedia Jika persamaan (3.32) di atas kita susun ulang, maka ha − hz − hl − hv − NPSHR > 0
(3.33)
ha − h z − hl − hv > NPSHR
(3.34)
atau
agar tidak terjadi kavitasi. Jika keempat suku pertama kita sebut NPSHA (NPSH yang tersedia), maka: NPSHA = ha − hz − hl − hv
(3.35) Jadi NPSHA ini merupakan head sisa antara head tekanan atmosfir dikurangi head ketinggian, kerugian dan tekanan uap jenuh. Persamaan ini sesuai dengan persamaan head sisa (neto) pada
52
tabung Toricelli di atas. Karena harganya tidak boleh negatif dan ada di sisi isap, head neto disebut Net Positive Suction Head (NPSH). Dari dua persamaan di atas diperoleh:
NPSHA > NPSHR (3.36) Perlu dicatat di sini bahwa hs bernilai negatif jika pompa terletak di bawah tadah isap, karena pada kasus ini, head tersebut meringankan beban pompa.
Contoh Soal 3.6 Suatu pompa akan digunakan untuk memompa air bersih pada temperatur 25 C pada tekanan 1 atmosfir (1,0332 ksc). Garis tengah lubang isap pompa terletak 5 m di atas permukaan air di sisi isap. Jika head kerugian sistem seluruhnya 0,5 m, berapa NPSH yang tersedia. Jawab: Dari tabel 3.3 massa jenis air pada 25 C = 997,1 kg/m 3. Jadi berat jenisnya = 997,1 kgf/m 3. Tekanan uap jenuhnya = 323,6 kgf/m2. hsv =
pa p 10332 323 ,6 − v − hz − hl = − − 5 − 0,5 = 4,7 m γ γ 997 ,1 997 ,1
Jadi NPSHA = 4,7 m.
3.7.3. NPSH yang Diperlukan NPSHR yang disebutkan di atas merupakan NPSH yang diperlukan pompa. Apa hakikat NPSHR tersebut? Kita kembali pada analogi rangkaian listrik. Idealnya, sumber tegangan listrik tidak memiliki tahanan (impedansi) dalam karena tahanan ini akan mengurangi tegangan yang diberikan ke tahanan beban (gambar di bawah):
Gambar 3.19. NPSH Pompa. Jika resistansi dalam batere tidak ada, maka tegangan di resistansi beban sama dengan tegangan batere. Tegangan di tahanan ini sebanding dengan besarnya arus. Jika tahanan beban makin kecil, tahanan total kecil dan arus makin besar. Akan tetapi, makin besar arus, makin besar tegangan pada tahanan dalam dan makin kecil tegangan pada beban karena tegangan totalnya tetap. Jadi daya yang dikirim ke beban berkurang. Demikian pula jika tahanan beban lebih besar dari tahanan dalam, daya yang diterima beban makin kecil.
53
Dalam kasus pompa, NPSHR ini seperti tahanan dalam yang ikut mengurangi head di sisi isap pompa. Makin besar laju aliran, makin besar NPSHR, karena head ini merupakan akibat head kecepatan di dalam sisi masuk pompa. Jadi NPSHR ini seperti tegangan pada tahanan dalam. Sekarang bagaimana kita dapat menentukan NPSH yang diperlukan tersebut? Ada dua cara pertama dengan koefisien kavitasi Thoma dan kedua dengan pengukuran performansi langsung.
a. Koefisien Kavitasi Thoma Koefisien kavitasi Thoma didefinisikan sebagai rasio antara NPSHR terhadap head total pompa pada efisiensi terbaik (tertinggi):
σ=
NPSHR Hn
(3.37)
di sini σ : koefisien kavitasi Thoma dan Hn merupakan head total pompa pada efisiensi terbaik. Karena NPSHR dan Hn keduanya berbanding dengan kuadrat kecepatan, maka koefisien kavitasi Thoma ini konstan terhadap kecepatan. Jika koefisien ini diketahui, maka dengan mengetahui head total pompa Hn, NPSHR dapat ditentukan. Untuk menentukan koefisien ini kita definisikan kecepatan jenis di sisi isap (suction specific speed) Ss: 1
S s= n
Qn2 3
(3.38)
N PSH R
4
Karena kecepatan jenis: 1
n.Q n 2
N s=
3
Hn
(3.39)
4
kita peroleh: 3
1
S s=
n.Q n 2 3
N P S H R4
=
N s.H n 4
( σ .H n) 3 4
=
Ns
σ
3
4
(3.40) Seperti halnya kecepatan jenis, kecepatan jenis isap Ss ini juga sama untuk suatu jenis pompa. Berdasarkan hasil pengujian, diperoleh bahwa:
σ
3
4
=
(
Ns = 6,3.10 − 6 Ss
)
3
4
.Ns
(3.41)
Jadi Ss = 1/(6,3.10-6)3/4 = 7952 ≈ 8000, untuk Qn dalam US gallon per menit, head dalam feet dan n dalam rpm. Jika dalam m3/mnt, m dan rpm, tinggal dibagi 6,67, diperoleh Ss = 7952/6,67 = 1192 ≈ 1200. Jadi besarnya koefisien kavitasi Thoma:
54
Ns σ = 1200
4
3
(3.42)
Atau 4
Ns 3 NPSHR = σHn = Hn 1200
(3.43)
Contoh Soal 3.7. Tentukan NPSHR sebuah pompa yang mempunyai kapasitas 0,1 m3/mnt dan head 10 m pada efisiensi terbaik dengan putaran 3000 rpm.
Jawab: Tahap pertama adalah menentukan Ns: 1
0,10,5 N s = n 3 = 3 0 0 0 3 = 1 6 8,7 Hn4 10 4 Qn2
Kita tentukan koefisien kavitasi Thoma: 168 ,7 1200
4
σ =
3
= 0,0731
Tentukan NPSHR: NPSHR = σ .Hn = 0,0731.10 = 0,731 m. Persamaan-persamaan di atas digunakan untuk titik kerja pada efisiensi tertinggi (terbaik). Jika pompa dioperasikan pada titik di luar efisiensi terbaik, maka seperti batere yang mendapat beban dengan impedansi yang berbeda dengan impedansi dalam. Jika kapasitas diperbesar, sama seperti arus listrik diperbesar akibat tahanan beban diperkecil yaitu tegangan yang timbul pada tahanan dalam membesar dan pada gilirannya tegangan di beban mengecil. Seperti diuraikan di atas, NPSHR ini seperti tegangan pada tahanan dalam. Jika kapasitas diperbesar, NPSHR pun membesar. Sularso dan Tahara [9.2] menyajikan kurva perkiraan perubahan NPSHR terhadap perubahan kapasitas terutama dalam hal pembesaran kapasitas seperti tampak dalam gambar berikut:
55
Gambar 3.20. NPSHR terhadap perubahan kapasitas. Dari grafik di atas jelas bahwa NPSHR naik 50% atau 1,5 kali NPSHR pada titik operasi normal (kapasitas pada efisiensi terbaik) jika kapasitas naik 20% atau 1,2 kali kapasitas normal.
b. Penentuan NPSHR dengan Performansi Kita telah maklum bahwa jika terjadi kavitasi, performansi pompa menurun. Penurunan ini ditandai dengan penurunan head pompa dan suara berisik. Artinya, jika performansi mulai menurun, maka NPSHR mulai mendekati NPSHA. Jadi dalam cara ini, NPSHA diturunkan secara gradual, sedikit demi sedikit sampai sama dengan NPSHR, misalnya dengan cara menaikkan head statis atau yang lain, sehingga NPSHA berkurang. Di sini kita perlu terus mengetahui harga NPSHA agar pada saat terjadi penurunan performansi, kita dapat mengetahui bahwa NPSHR = NPSHA. Dalam banyak literatur disepakati bahwa penurunan head sebesar 3% (tiga per seratus) dinyatakan sebagai awal terjadi penguapan atau kavitasi. Berikut ini prosedur menentukan NPSHR: Buatlah perangkat uji (test rig) yang terdiri dari tangki berisi air, pompa yang akan diukur NPSHR-nya, pipa kapiler untuk pemisah tekanan tinggi dan rendah, alat ukur aliran, tekanan dan temperatur. Hubungkan juga tangki dengan pompa vakum untuk menurunkan tekanan di dalam tabung yang pada gilirannya menurunkan NPSHA. Lengkapi juga dengan pipa kecil pengalir air panas/dingin untuk mengatur suhu air di dalam tabung, agar tekanan uap bisa diatur. (lihat gambar di bawah)
56
Gambar 3.21. Perangkat Untuk Menentukan NPSHR Sebelum dilakukan pengukuran NPSHR, hitung dahulu NPSHA, head sistem, tekanan Pa, Ps dan Pd, suhu di dalam tabung dan karakteristik pompa. Siapkan lembar tabel data yang mencatat data tersebut. Dari grafik performansi pompa, biasanya kita dapatkan beberapa kurva head untuk beberapa diameter impeler atau untuk beberapa kecepatan putar. Kita pilih kurva yang sesuai dengan pengujian. Tentukan titik operasi kerja pompa, pada kapasitas dan head berapa. Berilah ciri untuk titik operasi tersebut pada kurva. Catat head di sini sebagai Hn. Turunkan NPSHA dengan menjalankan pompa vakum agar tekanan di dalam tangki menurun atau dengan menaikkan temperatur air agar tekanan uap naik. Akan tetapi, penurunan tekanan atau temperatur itu harus bertahap, sedikit demi sedikit dan pada setiap tahapan kita harus mencatat data pengukuran dengan lengkap. Setelah beberapa tahap kita turunkan NPSHA, perhatikan apakah sudah terjadi kavitasi. Head akan turun dan grafik penurunannya tidak sesuai dengan kurva head karakteristik pompa tetapi loncat ke bawah (Perhatikan gambar di bawah). Pada penurunan 3% terhadap Hn inilah maka NPSHR = NPSHA.
Gambar 3.22. Kurva Kavitasi.
57
3.7.4. Pengendalian Kavitasi Dari kondisi terjadinya kavitasi, kita dapat mencari beberapa cara mengendalikan dan mencegah kavitasi, yang pada prinsipnya adalah memperbesar NPSHA dan atau memperkecil NPSHR. Yang pertama dapat kita rekayasa tetapi yang kedua berkaitan dengan pemilihan pompa. Cara pertama memerlukan langkah antara lain sebagai berikut: 16. Head isap statis harus dibuat serendah mungkin dengan cara merendahkan posisi pompa terhadap permukaan sisi isap. 17. Untuk mengurangi kerugian di pipa, pipa harus dibuat sependek mungkin dan atau memperbesar ukuran pipa, atau memilih pipa yang lebih halus permukaan dalamnya, tidak memasang perangkat yang dapat memperbesar gesekan di sisi isap seperti memasang katup yang tidak perlu. Kurangi jumlah belokan dan tidak memasang kran untuk mengatur aliran di sisi isap. 18. Kerugian juga bisa makin besar dengan membesarnya aliran karena berbanding dengan kuadrat kecepatannya. Untuk itu, jaga agar aliran tidak berlebihan dengan tidak menggunakan pompa yang memiliki head jauh lebih besar dari keperluan. 19. Dalam beberapa kasus, head isap berkurang selama pemompaan dan ini perlu diperhatikan terutama pada titik terendah karena pada titik ini NPSHA menjadi minimum. 20. Temperatur zat cair juga harus diperhatikan karena makin tinggi temperatur, makin besar head tekanan uap jenuhnya dan ini makin memperkecil NPSHA. 21. Tekanan di sisi isap merupakan penyumbang NPSHA, sehingga di sisi isap sebaiknya jangan dikondisikan pada tekanan rendah apalagi vakum. Sehubungan dengan ini pula, maka di daerah yang tinggi yang memiliki tekanan atmosfir lebih rendah, harus juga diperhatikan. Dalam Sularso dan Tahara [9.2: 49] diberikan persamaan tekanan atmosfir sebagai fungsi ketinggian h: 5, 256
0,0065 .h Pa =10 ,33 1 − 288
(3.44)
di sini h = ketinggian dari permukaan laut (meter) dan satuan Pa dalam meter air. Jika h = 0, di permukaan laut, Pa = 10,33 m.
58
4. Operasi Pompa
Dalam bab ini akan dibicarakan hal-hal yang berhubungan dengan penggunaan pompa, masalah yang dihadapi serta cara-cara untuk menanganinya.
4.1. Penggabungan Pompa Dalam kasus tertentu mungkin pompa yang digunakan sudah tidak dapat memenuhi kebutuhan akan tuntutan performansi, misalnya kita membutuhkan head dan/atau kapasitas yang lebih tinggi. Untuk itu di sini dibicarakan penggabungan beberapa pompa baik seri (keluaran pompa pertama diberikan kepada pompa kedua) maupun paralel (kedua pompa disatukan dalam masukan dan keluaran), baik yang sama karakteristiknya maupun yang berbeda. Berikut ini contoh dua pompa yang identik yang disusun secara seri dan paralel:
Gambar 4.1. Pompa Seri dan Paralel. Dalam susunan seri, kita lihat bahwa kapasitas pada pompa-pompa tersebut sama. Untuk susunan seri dua pompa, kapasitas pada pompa pertama sama dengan kapasitas pada pompa kedua. Demikian seterusnya untuk susunan seri beberapa pompa yang lebih dari dua. Kemudian apa yang bertambah pada susunan seri dibanding pompa tunggal? Karena pompa menghasilkan (perbedaan) head antara sisi keluaran dengan sisi isap, maka susunan seri menyebabkan penggabungan head. Head total susunan seri adalah jumlah head tiap-tiap pompa. Jika pompa yang digunakan sama, maka head totalnya adalah kelipatan dari jumlah pompa: H total = i.H stage
(4.1)
di sini i adalah jumlah pompa dan Hstage adalah head masing-masing pompa. Pada susunan paralel (gambar sebelah kanan) kita lihat bahwa head keluaran kedua pompa itu sama (karena disatukan) begitu juga head masukan. Di sini tampak kapasitas total menjadi dua kali kapasitas masing-masing pompa. Jadi Qtotal = i.Qi
(4.2)
59
di sini i adalah jumlah pompa yang disusun paralel dan Qi adalah kapasitas masing-masing pompa. Sedangkan head total sama dengan head pompa tunggal. Jadi susunan seri adalah penjumlahan head dan susunan paralel adalah penjumlahan kapasitas aliran. Jika digambarkan akan diperoleh kurva penggabungan seperti pada gambar berikut:
Gambar 4.2. Karakteristik Seri dan Paralel Grafik sebelah kiri pada gambar di atas adalah penggabungan dua pompa yang persis sama (identik) secara serial. Di sini head total merupakan penjumlahan (dua kali) head pompa secara sendiri-sendiri. Jadi di sini dilakukan penjumlahan secara vertikal. Sedangkan pada gambar di sebelah kanan adalah susunan paralel dua pompa identik. Di sini kapasitas total dua kali kapasitas masing-masing pompa. Penjumlahan dilakukan secara horisontal
4.1.1. Penggabungan Pompa yang Sama Di sini akan diperlihatkan bagaimana penggabungan pompa tersebut (seri dan paralel) untuk berbagai sistem yang berbeda. Untuk itu kita lihat gambar berikut:
Gambar 4.3. Karakteristik Gabungan Gambar di atas menunjukkan penggabungan dua buah pompa yang sama persis karakteristiknya dengan kurva k (hitam). Jika digabung secara seri, akan menghasilkan kurva s (merah) yang merupakan penjumlahan head (nilai vertikal) dari dua pompa tersebut. Sedangkan kurva p (biru) merupakan hasil penjumlahan kapasitas (nilai horisontal) hasil susunan paralel.
60
Jika kita memiliki sistem dengan kurva R1 dengan pompa tunggal, diperoleh titik kerja a, sedangkan dengan kurva seri s, terletak di titik b. Di sini jelas bahwa penggabungan seri tidak menghasilkan head yang dua kali lipat pompa tunggal, karena head di b hanya lebih tinggi sedikit dari a. Ini wajar karena ada kenaikan kapasitas. Adapun jika sistem tadi menggunakan susunan paralel, akan diperoleh titik c dan di sini pun tidak diperoleh kapasitas yang dua kali lipat pompa tunggal, tetapi memang cukup signifikan juga. Di sini juga ada kenaikan head. Jadi untuk sistem dengan head kerugian (dinamik) yang rendah seperti R1, penggunaan paralel lebih baik dari pada seri. Namun demikian, perlu dicatat bahwa kenaikan kapasitas dalam hubungan paralel masih belum sebanding dengan daya yang dua kali lipat. Jika kita hendak menghemat energi, maka penggunaan dua pompa yang terpisah (dengan dua sistem) lebih menguntungkan, hanya saja pemasangan dua sistem juga kadang terlalu mahal. Berbeda dengan R1, kita lihat R2. Di sini penggabungan seri dan paralel sama saja dan hanya menambah head dan kapasitas sedikit saja (titik e dibanding d). Terakhir kita lihat kurva sistem R3. Kurva ini dengan kurva paralel p hanya menambah head dan kapasitas sedikit sedangkan dengan kurva seri s, meskipun tidak menambah head dua kali lipat, kenaikannya cukup besar, juga ada kenaikan head. Jadi jika kita memiliki kurva sistem seperti R3, yang besar head dinamiknya, penggabungan seri lebih baik dari pada paralel. Jadi untuk sistem dengan head tinggi dan kapasitas rendah seperti R3, susunan seri lebih baik dari pada paralel dan untuk sistem dengan kapasitas besar dan head rendah seperti R1, susunan paralel lebih baik dari pada seri.
4.1.2. Penggabungan Paralel Pompa yang Berbeda. Kedua pompa yang berbeda, seperti k dan j (gambar di bawah) dapat dipasang paralel. Kurva yang dihasilkan seperti kurva p (biru) yang berawal dari titik e, karena penjumlahan kapasitas. Sistem seperti R1 akan berpotongan di a dengan kurva k (jika sendirian), di b dengan kurva j (jika sendirian) dan di c dengan kurva p (paralel). Di titik c ini, kapasitas totalnya merupakan penjumlahan kapasitas pompa k dengan pompa j (perhatikan panjang z), yakni kapasitas dari k sebesar d (z) dan dari j sebesar b’. Ini berarti, dengan hubungan paralel, pompa j bekerja di titik b’ dan pompa k di titik d (agar menghasilkan titik c):
Gambar 4.4. Susunan Paralel Pompa yang Berbeda.
61
Tampak bahwa sistem R2 berpotongan dengan j maupun p di e. Bagi R2, sama saja pompa j sendirian atau paralel k dengan j. Terakhir, sistem R3 tidak berpotongan dengan kurva p, berarti sistem paralel tidak akan menghasilkan titik kerja yakni tidak ada aliran di dalam sistem. Yang terjadi sebenarnya adalah ada aliran terbalik di dalam pompa k dari pompa j karena pompa j memiliki head yang lebih tinggi. Jadi susunan paralel kedua pompa yang berbeda ini hanya bisa digunakan untuk sistem dengan head dinamik yang rendah seperti R1.
4.1.3. Penggabungan Seri Pompa yang Berbeda. Selanjutnya kita tinjau penggabungan seri s (biru) dua pompa yang berbeda: k dan j seperti gambar di bawah:
Gambar 4.5. Susunan Seri Pompa yang Berbeda Tampak bahwa dalam kasus seperti sistem R1, susunan seri bahkan menghasilkan head dan kapasitas yang lebih kecil dari pada pompa j secara sendirian. Kita bisa bandingkan titik c yang lebih tinggi dan lebih ke kanan dibanding titik b. Ini karena titik kerja yang dibentuk sudah melampaui kapasitas di mana head kurva k negatif. Jadi pompa k ini justru membebani pompa j. Susunan demikian hanya cocok untuk sistem dengan karakteristik yang sangat tinggi head dinamiknya seperti R4. Untuk sistem dengan kurva R3 pun, masih belum memuaskan.
4.2. Pengaturan Kapasitas Seringkali kita membutuhkan kapasitas yang berbeda dari kapasitas pompa atau yang berubahubah. Untuk itu di sini perlu dibicarakan cara pengaturan kapasitas aliran.
a. Katup (kran) Katup pengatur aliran (kran) yang dipasang di pipa keluaran sudah akrab dengan kehidupan kita sehari-hari. Dengan cara ini kita bisa mendapat aliran nol sampai maksimum. Hakikatnya katup ini memberi head tahanan (resistansi) yang besar. Jadi termasuk juga dalam head dinamik (kerugian). Secara grafis, pengaturan tersebut dapat digambarkan seperti di bawah:
62
Gambar 4.6. Pengaturan Katup Tampak bahwa titik kerja normal atau katup terbuka penuh, terletak di T0 dengan kapasitas Q0. Jika tertutup sebagian seperti T1, diperoleh Q1 yang lebih kecil dari Q0, demikian seterusnya hingga tertutup penuh terjadi pada Q = 0. Cara ini sangat sederhana tetapi ada beberapa kerugian. Pertama, pada kapasitas rendah, head kerugian bertambah besar. Di T2 misalnya kerugian bertambah sebesar T2-U2 karena untuk sistem tersebut seharusnya cukup dengan head sebesar U2 saja. Jadi untuk sistem tersebut, Q2 dapat dipenuhi dengan pompa yang lebih kecil dayanya seperti pompa a. Kedua, pada pompa otomatis (dengan motor listrik) yang menggunakan saklar tekanan (pressure switch), cara pengaturan katup di sisi keluaran ini dapat menyebabkan pompa mengalami siklus on-off yang pada gilirannya dapat menimbulkan benturan air di dalam sistem dan pemborosan energi listrik serta kerusakan.
b. Putaran Pompa Kapasitas aliran pompa dapat juga diatur dengan mengatur kecepatan putar karena kapasitas berbanding lurus dengan kecepatan putar pompa. Secara grafis, hal ini dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 4.7. Pengaturan Putaran
63
Di atas diperlihatkan pompa dengan putaran normal n0. Harga n1 lebih kecil dari n0 dan menghasilkan kapasitas yang lebih kecil juga. Demikian seterusnya berlaku untuk n2. Karena penurunan putaran juga berarti penurunan daya yang diperlukan, berarti tidak ada kerugian yang berarti. Di sinilah kelebihan pengaturan putaran dibanding pengaturan katup.
c. Sudut Sudu Impeler Pompa aksial atau campur terkadang dibuat dengan sudut sudu impeler yang dapat diubah-ubah (variabel), seperti tampak dalam gambar di bawah. Dengan demikian, kapasitas alirannya pun berubah-ubah pula. Namun cara ini hanya ada pada pompa tertentu saja terutama yang besar karena memang sistemnya cukup rumit.
Gambar 4.8. Penampang Profil Sudu Impeler Aksial Kurva head untuk sistem seperti ini tampak seperti pada gambar berikut:
Gambar 4.9. Pengaturan Sudut Sudut α 0 lebih besar dari α 1 dan lebih besar dari α 2, sehingga Q2 lebih kecil dari Q1 dan lebih kecil dari Q0.
d. Jumlah Pompa Pengaturan ini bermula dari penggunaan beberapa pompa yang sama yang disusun secara paralel. Kapasitas maksimum dicapai jika semua pompa dijalankan. Jika ingin dikurangi, dimatikan satu per satu. Kapasitas yang dihasilkan bersifat diskrit, tidak bisa diperoleh kapasitas di antara titik potong dengan kurva sistem (perhatikan gambar berikut):
64
Gambar 4.10. Pengaturan dengan Jumlah Pompa Paralel. Kita tidak bisa mengatur kapasitas yang besarnya antara Q0 dan Q1 dan seterusnya.
e. Tangki Reservoir Pengaturan dengan tangki reservoir berarti pengalihan sistem dari sistem pompa ke sistem reservoir, karena bisa bebas satu sama lain (independen). Dari tangki ini zat cair disalurkan melalui sistem pipa dan pada setiap titik biasanya dipasang katup (kran). Sekarang cara ini dipermudah dengan adanya saklar pengatur ketinggian. Jika ketinggian permukaan air di dalam tangki sama dengan atau lebih rendah dari batas minimum, saklar menyalakan pompa (mesin), sampai ketinggian permukaan air mencapai titik tertinggi. Setelah mencapai maksimum, saklar mematikan pompa dan ini bertahan sampai permukaan air kembali mencapai titik minimum. Skemanya seperti berikut:
Gambar 4.11. Tangki Reservoir. Dengan adanya pemisahan ini, katup (kran) yang kita pakai sudah tidak bergantung pada pompa lagi, sehingga kita dapat mengatur kapasitas aliran tanpa berpengaruh pada pompa.
65
f. Pemotongan Impeler Jika impeler dipotong (dibubut) dengan mengurangi diameternya, maka kapasitas berkurang. Jika kita menghendaki kapasitas yang lebih kecil secara tetap, cara ini bisa ditempuh. Akan tetapi, jika kita menghendaki kapasitas yang berubah-ubah, cara ini harus dihindari. Jadi cara ini sebenarnya bukan cara pengaturan kapasitas tetapi modifikasi.
g. Resirkulasi Cara pengaturan sederhana dengan katup di pipa keluaran memiliki kelemahan karena besarnya head kerugian yang dalam jangka waktu yang lebih lama menyita energi lebih banyak (boros). Dalam resirkulasi ini zat cair yang tidak diperlukan dikembalikan ke tadah isap. Hal ini bisa ditempuh dengan katup by-pass atau katup bercabang. Pada katup by-pass, jika tekanan bertambah karena pencekikan, katup membuka dan membuang zat cair ke sisi isap. Sedangkan pada katup bercabang, jika jalur menuju keluaran diperbesar, jalur yang ke sisi isap diperkecil dan sebaliknya. Dengan cara seperti ini head sistem bisa hampir konstan.
4.3. Temperatur Pemompaan Jika kapasitas makin rendah, maka energi yang digunakan untuk memindahkan zat cair makin kecil. Karena daya pompa tetap, sisa energi akan makin besar. Energi (daya) sisa inilah (mekanik) diubah menjadi panas. Bahkan pada kapasitas nol, semua daya mekanik diubah ke dalam bentuk daya panas karena energi tidak ada yang musnah begitu saja. Pada kapasitas rendah, selain banyak menghasilkan panas juga karena aliran yang membawa panas keluar juga berkurang, peningkatan temperatur pompa menjadi makin besar. Kenaikan temperatur ini harus dibatasi dan karenanya kapasitas minimal juga harus dibatasi. Kenaikan temperatur sangat bergantung pada kapasitas panas, terutama kapasitas panas zat cair yang membawa panas keluar sistem. Sedangkan kapasitas panas sangat erat hubungannya dengan panas jenis suatu zat. Untuk itu kita tinjau panas jenis suatu zat.
4.3.1. Panas Jenis Panas jenis suatu zat adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 kg zat tersebut sebesar 1 oC. Atau dapat juga berarti panas yang diperlukan 1 gram suatu zat untuk menaikkan temperatur sebesar 1 oC. Karena satuan panas (energi) adalah kalori, maka satuan panas jenis adalah kalori/gram/oC atau kilo kalori/kg/oC. Ambil contoh 1 gram air dengan temperatur 20 oC. Untuk dapat naik sebesar 1 oC menjadi 21 oC diperlukan 1 kalori panas. Di sini berarti panas jenis air adalah 1 kalori/gram/oC. Demikian juga untuk 1 kg air, maka diperlukan 1 kkalori untuk naik 1 oC. Dari pengertian ini dapat kita simpulkan bahwa panas yang terserap (Qp) ke dalam m gram suatu zat untuk naik sebesar ∆ t oC adalah: Q p = C .m.∆t
(4.3)
di sini C adalah panas jenis (kal/g/oC). Karena panas adalah energi, maka kalori setara dengan Joule yakni 1kkal = 4186 Joule. Dari sini akan dikupas kenaikan temperatur pada pemompaan air.
66
4.3.2. Kenaikan Temperatur Dengan asumsi tidak ada panas yang terbuang ke lingkungan, maka semua kerja (usaha) sisa (kerja input dikurangi kerja air) diubah menjadi panas yang tersimpan dalam air: dQ p = A.dW
(4.4)
di sini dQp adalah energi panas yang dihasilkan dan dW adalah usaha sisa sedangkan A merupakan faktor pengubah energi mekanik ke panas. Perlu dicatat di sini bahwa usaha (kerja) yang diubah menjadi panas adalah sisa daya pompa dikurangi daya air yaitu untuk menaikkan air atau untuk melawan head sistem. Jadi dW = ( Pp − Pw ) dt
(4.5)
di sini Pp adalah daya yang diberikan ke pompa dan Pw daya yang diterima air. Kemudian dalam kasus pompa, panas yang dihasilkan terbawa aliran keluar. Jika kenaikan temperatur dibatasi, pada temperatur tersebut harus terjadi keseimbangan yaitu panas yang dihasilkan energi mekanik sama dengan panas yang terbawa aliran. Jadi dalam keadaan seimbang berlaku:
dQ p dt
=A
dW = A.( Pp − Pw ) dt
(4.6)
Dengan menggabungkan persamaan untuk kapasitas panas air dengan persamaan terakhir di atas dan efisiensi η =Pw/Pp serta m/dt diganti dengan ρ .Q, diperoleh:
ρ.Q.Ca .∆t = A.(1 −η) Pp = A.
(1 −η) P η
w
(4.7) di sini ρ = 1000 kg/m3, Q dalam m3/s, Ca = 1 kkal/kg/oC dan ∆ t dalam oC dan A merupakan faktor konversi Joule ke kkal yaitu 1/4186 kkal/Joule. Jadi kapasitas aliran minimum (Qmin) yang harus dijaga untuk kenaikan temperatur maksimum ∆ tmax yang diijinkan agar terjadi keseimbangan adalah:
Qmin =
A.Pw 1 −η Pw..10 −3 = η ∆tmax .Ca .ρ η ∆tmax .4186
1 −η
(4.8) Jika kita ingin mengetahui kenaikan temperatur tanpa peduli dengan batas maksimum, maka dengan memasukkan persamaan untuk daya air pada persamaan (4.7) diperoleh:
ρ.Q.Ca .∆t = A.
(1 −η) ρQgH η
(4.9)
atau
∆t =
(1 −η) η
g. A H Ca
(4.10)
67
Dari definisi panas jenis air Ca = 1 kkal/kg/oC dan A = 1/4186 maka dengan g = 9,81 m/s2 diperoleh: ∆t =
(1 −η) η
(1 −η) H 9,81 H = 4186 η 426 ,7
(4.11) Jika dibulatkan menjadi: ∆t =
(1 −η) η
H 427
(4.12)
4.4. Benturan Air Benturan air (water hammer) terjadi jika aliran zat cair dalam sistem tiba-tiba terhenti seperti terjadi ketika listrik tiba-tiba padam atau katup ditutup secara mendadak. Jika katup ditutup cepat, aliran akan menumbuk katup dan tumbukan ini menimbulkan gelombang tekanan yang berbalik arah. Gelombang ini akan dipantulkan lagi oleh bagian pipa yang tidak kontinu seperti sambungan, belokan, katup dan lainnya. Gelombang pantulan ini terus berlangsung beberapa saat secara bolak-balik sehingga dapat menimbulkan perpaduan gelombang (fluktuasi tekanan). Jika pada suatu titik bertemu tekanan positif dengan positif, maka akan menimbulkan tekanan yang lebih besar begitu pula jika bertemu tekanan negatif dengan negatif, akan terjadi tekanan yang sangat negatif. Terlebih lagi jika panjang pipa memungkinkan terjadinya resonansi, akan menimbulkan getaran yang sangat kuat. Kedua macam perpaduan ini dapat menyebabkan kerusakan, kebocoran dan ketika terjadi tekanan negatif dapat menimbulkan kavitasi atau mengisap udara dari luar jika ada kebocoran. Karena itulah benturan air harus dicegah atau diatasi akibatnya. Berikut ini beberapa cara untuk menghindari dan mengatasi dampak benturan air. 1. Tanpa Katup Dengan dilepasnya katup di saluran dorong (keluar), tidak ada kemungkinan benturan air, karena tidak ada sesuatu yang dapat menghentikan jalannya air di dalam saluran pipa secara mendadak. Akan tetapi perlu dicatat di sini bahwa sistem masih memerlukan katup cegah di sisi isap agar tidak ada arus aliran balik yang dapat mengembalikan zat cair yang dipompa dari tadah keluar ke tadah isap, terutama pada kasus pipa keluar yang berbentuk sifon seperti pada gambar berikut:
Gambar 4.12. Pipa Sifon Pada pipa sifon ini, air dalam reservoir akan kembali ke sisi isap sampai permukaan air mencapai ujung pipa di dalam reservoir.
68
Pada kasus setelah listrik padam, pertama terjadi sedikit fluktuasi dan impeler masih berputar karena inersia. Sementara itu zat cair sudah terlebih dulu kembali ke arah sisi isap, ini kemudian menyebabkan impeler berputar pada arah yang berlawanan, seperti sebuah turbin. 2. Tangki Peredam Tangki peredam dimaksudkan untuk menjadi penyedia ruang (reservoir) seperti kapasitor dalam rangkaian listrik. Jika tekanan tiba-tiba naik, zat cair masuk ke dalam tangki, sehingga kenaikan tekanan di dalam pipa tidak akan mendadak. Jika kemudian tekanan pipa kembali normal, tekanan tabung masih tinggi sehingga zat cair dari tabung keluar mengalir ke dalam pipa. Demikian pula jika terjadi tekanan negatif di dalam pipa, zat cair di dalam tabung juga akan keluar mengisi kehampaan di dalam pipa. Pada pompa jet yang bertekanan tinggi sekarang ini umumnya menggunakan tabung peredam bertekanan dengan menggunakan balon seperti gambar di bawah:
Gambar 4.13. Tangki Peredam. Tekanan di dalam tabung lebih kecil dari tekanan kerja pompa sebab jika lebih tinggi zat cair tidak dapat masuk tabung. Ketika pompa baru bekerja, tekanan masih rendah dan zat cair langsung keluar lewat pipa keluar. Makin lama tekanan makin tinggi dan ketika melebihi tekanan tabung zat cair mulai masuk tabung sampai pada tekanan kerja pompa. Dalam keadaan normal ini tabung menyimpan zat cair. Jika terjadi fluktuasi tekanan, zat cair keluar masuk dari dan ke dalam tabung. Demikian jika listrik atau pompa dimatikan mendadak, tekanan tidak akan turun drastis karena ada tekanan yang meredam dari dalam tabung. 3. Katup Udara dan Pelepas Tekanan Kedua katup ini dipasang pada pipa keluar dan fungsinya berlawanan. Jika tekanan tinggi, katup pelepas tekanan terbuka sehingga cairan keluar dan tekanan kembali normal. Sebaliknya jika tekanan rendah di bawah tekanan atmosfir, udara masuk ke dalam sistem sehingga tekanan rendah tadi kembali normal juga. Akan tetapi sistem harus memberi kemudahan dalam mengeluarkan udara yang terhisap, jangan sampai udara terus terperangkap di dalam sistem.
69
4. Memperbesar Pipa Besarnya lonjakan tekanan ketika katup keluar ditutup akan sangat bergantung pada besarnya kecepatan alir di dalam pipa. Kecepatan yang tinggi memiliki momentum yang tinggi sehingga ketika aliran dihentikan secara mendadak, momentum ini menghasilkan lonjakan tekanan yang besar. Oleh karena itu, memperkecil kecepatan aliran juga penting dalam mencegah benturan air. Hal ini bisa ditempuh misalnya dengan memperbesar pipa jika dikehendaki kapasitas yang tetap.
4.5. Surjing Pada umumnya karakteristik pompa monoton, makin besar kapasitas aliran, makin kecil head yang dibangkitkan. Ini berlaku dari kapasitas nol sampai maksimum. Akan tetapi pada pompa yang tidak stabil, kurva head kapasitasnya tidak monoton. Di daerah kapasitas rendah, head naik dan kemudian turun seperti pada gambar di bawah.
Gambar 4.14. Pompa yang Labil. Kemudian jika pompa seperti itu diterapkan pada sistem seperti sistem 2 di dalam gambar, memang tidak ada masalah dan sistem stabil, tetapi jika sistem memiliki karakteristik seperti kurva sistem 1, maka akan terbentuk dua titik kerja yaitu titik a dan b. Dalam kasus seperti ini, sistem tidak stabil terhadap gangguan. Misalnya sistem bekerja pada titik b, maka jika ada gangguan yang menyebabkan aliran menurun, titik kerja bisa beralih ke a dan mungkin saja mengalami osilasi, perpindahan dari a ke b secara berulang. Jika terjadi hal seperti ini, aliran akan berubah-ubah besar-kecil layaknya orang bernafas. Bahkan ketika di a, mendapat gangguan lagi sehingga titik kerja bergeser ke kiri, maka aliran berhenti karena di sebelah kiri titik a, head sistem lebih tinggi, padahal seharusnya jika head makin kecil kapasitas makin besar. Inilah yang disebut gejala surjing yang terjadi pada pompa yang tidak stabil. Persoalan lain pada sistem demikian adalah ketika pompa mulai bekerja (start) pada sistem 1 setelah katup baru terbuka. Di sini kapasitas masih nol tetapi head sistem masih lebih tinggi dari pompa. Pompa kesulitan menghasilkan aliran.
70
4.6. Pulsasi Tekanan Pulsasi (denyut yang muncul secara teratur dan berulang membentuk gelombang tekanan) di dalam pompa muncul akibat ada pemotongan air (cutwater) antara lidah volut dengan ujung sudu-sudu impeler seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 4.15. Lidah Volut (cutwater) Frekuensi pulsasi ini tergantung pada jumlah sudu (z) pada impeler dan kecepatan putar. Sekali putaran akan muncul sebanyak z pulsa. Jika kecepatan putar n dalam rpm, maka frekuensi pulsa menjadi: f =
z.n 60
(4.13)
di sini f dalam Hertz (Hz) dan n dalam rpm. Karena pulsa-pulsa ini tidak sekedar berupa fluktuasi tekanan yang tidak teratur, tetapi membentuk suatu gelombang, di sinilah perlunya cara untuk meredamnya. Jika tidak diredam, dikhawatirkan akan terjadi resonansi di dalam pipa jika panjangnya memungkinkan terjadi hal itu. Apabila terjadi resonansi, maka akan dihasilkan gelombang pulsa yang kuat dan tentunya dapat merusak sistem. Untuk mencegah hal ini bisa digunakan tabung ekspansi pada pipa keluaran seperti yang digunakan peredam suara pada knalpot. Panjang tabung ini sekitar ¼ panjang gelombang.
¼λ
Gambar 4.16. Tabung Peredam
4.7. Pembebanan Impeler Ada tiga gaya yang penting yang bekerja pada impeler. Pertama gaya puntir (torsi) yang merupakan reaksi zat cair karena ada impeler yang berputar. Jadi gaya ini berlawanan arah dengan arah putaran. Kedua gaya radial yang muncul terutama akibat pengecilan kapasitas. Ketiga gaya aksial karena daya tarik zat cair ke arah sisi isap. Selain gaya puntir untuk memompa zat cair, gaya radial dan aksial harus dinetralisir (ditawarkan), karena gaya-gaya ini dapat merusak jika hal ini berlangsung lama atau sering. 71
Gaya radial yang tidak seimbang misalnya dapat menyebabkan bearing (lager) cepat rusak, gesekan mekanik makin besar, impeler cepat aus dan sumbu (poros) pompa bisa terbebani dan patah. Demikian pula dengan gaya aksial yang tidak seimbang, akan menyebabkan bearing cepat rusak serta gesekan mekanik makin besar. Berikut ini diuraikan penyebab dan cara mengatasi kedua gaya tersebut.
4.7.1. Gaya Radial Pada titik efisiensi terbaik, pada pompa volut yang dirancang dengan baik, gaya ini minimal karena gaya-gaya di sekitar (sisi) impeler hampir rata. Pada titik lain yaitu dengan kapasitas yang berbeda dengan kapasitas titik efisiensi terbaik, gaya-gaya ini tidak merata sehingga resultan (hasil penjumlahan vektor) gaya-gaya itu sangat besar. Jika hal ini terjadi tentu dapat membuat kerusakan. Untuk memahami bagaimana gaya ini timbul, perhatikan gambar berikut, untuk kasus pengecilan kapasitas:
Gambar 4.17. Gaya Radial pada Impeler. Pada kapasitas rendah karena katup diperkecil misalnya, zat cair di dalam pompa menekan impeler. Pada bagian atas dekat lidah volut, kecepatan tinggi dan tekanan rendah sehingga gaya radial yang mendorong impeler pun rendah tetapi di bagian bawah dekat lidah volut, kecepatan rendah dan tekanan tinggi sehingga gayanya pun tinggi. Resultan gaya radial total ditunjukkan dengan Fr, yakni sekitar –120o dari lidah volut. Jika kapasitas lebih besar dari kapasitas pada titik efisiensi tertinggi, resultan gaya berlawanan arah dengan Fr [Syska dan Birk 9.2: 115]. Jika gaya Fr ini terus bekerja dalam jangka panjang, akan mempercepat kerusakan bearing dan gesekan juga lebih tinggi. Besarnya gaya Fr ini dapat ditentukan secara empirik seperti dalam Syska dan Birk [9.2: 116]. Gaya radial yang timbul pada impeler ini menyebabkan bearing terbebani gaya yang lebih besar akibat efek momen:
72
Fr B2
B1
a
b
Gambar 4.18. Beban pada Bearing Dengan persamaan momen yang bertumpu di B2, maka: b.B1 = Fr .( a + b )
→ B1 =
a +b Fr a
(4.14)
Jelas bahwa makin besar b relatif terhadap a, makin besar gaya di B1. Kemudian untuk menentukan B2, dihitung pada titik tumpu B1: b.B 2 = Fr .a
→ B2 =
a Fr b
(4.15)
Dalam kasus ini, B1 > B2 dan makin besar a terhadap b, makin kecil B1. Jadi apabila a diperbesar, maka b makin kecil dan distribusi gaya bergeser dari B1 ke B1. Untuk mengatasi gaya radial ini, dibuat volut ganda seperti berikut:
Gambar 4.19. Pompa dengan volut ganda. Dengan volut ganda, tampak gaya-gaya saling meniadakan.
4.7.2. Gaya Aksial Gaya aksial (searah sumbu) ini timbul akibat perpaduan beberapa tekanan: pertama tekanan di belakang impeler yang cenderung mendorong impeler ke arah sisi isap. Kedua tekanan di depan impeler bagian luar yang cenderung mendorong impeler ke belakang. Ketiga tekanan di depan mata impeler yang rendah. Secara keseluruhan, gaya total (resultan) ini arahnya ke depan, ke arah sisi isap seperti tampak pada gambar berikut:
73
Gambar 4.20. Gaya-gaya pada penampang impeler. Dalam pompa kecil, gaya aksial ini hanya dilawan dengan bantalan aksial. Akan tetapi dalam pompa yang besar cara ini kurang baik karena gesekan yang besar sehingga bearing untuk bantalan cepat rusak. Berikut ini beberapa cara lain mengatasi gaya aksial dari Dietzel [9.2: 277] dan Sularso dan Tahara [9.2: 87]:
a. Isapan Ganda Dengan isapan ganda, kedua gaya aksial akan datang dari arah yang berlawanan. Karena ukuran kedua impeler sama, gaya yang timbul dari dua arah juga sama besar, seperti tampak pada gambar berikut:
Gambar 4.21. Isapan Ganda
b. Cincin/Lubang Pengimbang Di sini bagian belakang impeler dipasang cincin dengan diameter sama dengan diameter muka impeler. Cincin ini membentuk suatu ruangan dengan tekanan sama dengan sisi isap karena ada lubang penghubung antara ruang tersebut dengan sisi isap (gambar di bawah). Celah ini jelas merugikan karena membocorkan tekanan serta menambah turbulensi sehingga efisiensi makin menurun.
74
Gambar 4.22. Cincin dan lubang pengimbang
c. Cakram Pengimbang Cara ini menggunakan cakram yang dipasang pada bagian belakang impeler tingkat terakhir dan menghadap dudukan pengimbang. Antara cakram dan dudukan ada celah. Cakram ini juga membentuk ruang dengan penyekat. Ruang ini dihubungkan dengan bagian keluaran impeler tingkat terakhir (gambar di bawah). Ketika jarak celah menyempit karena tarikan gaya aksial, tekanan di dalam ruang antara cakram meningkat dan mendorong cakram ke belakang. Zat cair membocor dan dikembalikan ke sisi isap impeler pertama. Sebaliknya jika celah sudah terlalu besar, banyak kebocoran dan tekanan menurun sehingga celah menyempit. Jadi cakram ini bekerja dengan mengatur tekanan menjadi konstan.
Gambar 4.23. Cakram Pengimbang
d. Torak Pengimbang Mirip dengan sistem cakram seperti di atas, torak pengimbang dipasang di bagian belakang impeler tingkat terakhir. Sisi kiri dihubungkan dengan keluaran impeler, dan sisi kanan dihubungkan dengan sisi isap impeler pertama. Di sini hampir tidak ada kebocoran zat cair, jika celah antara torak dengan silindernya rapat sempurna. Akan tetapi cara ini menyebabkan gesekan yang terus menerus dan akan mempercepat keausan (gambar di bawah).
75
Gambar 4.24. Torak Pengimbang
e. Sudu Belakang Sudu-sudu seperti ini dipasang di bagian belakang impeler yang membentuk kecepatan sudut (putar) yang membangkitkan tekanan rendah yang tidak ada di bagian depan. Dengan demikian gaya aksial ke arah sisi isap dapat dikurangi. Ukuran sudu-sudu ini dibuat sesuai kebutuhan (gambar di bawah):
Gambar 4.25. Sudu belakang.
f. Susunan Berimbang Jika dua impeler dipasang saling berlawanan (seperti gambar di bawah), maka gaya aksial yang terbentuk dipastikan hampir tidak ada. Pada pompa yang berdaya besar dan atau head tinggi, cara ini cukup ampuh karena gaya aksial akan sangat besar jika dipasang tidak berimbang. Di sini jelas memerlukan jumlah impeler yang genap. Meskipun demikian dalam banyak kasus dan cara, sisa gaya aksial masih saja ada karena tentu ada saja perbedaan. Di sinilah diperlukan bantalan aksial.
76
Gambar 4.26. Susunan berimbang.
4.8. Otomatisasi Dalam penggunaannya, pompa akan mengalami siklus: dihidupkan dan dimatikan. Kapan kedua hal itu dilakukan tentunya sesuai kebutuhan. Dalam pengaturan manual, yang dilakukan manusia, akan dijumpai banyak kekurangan seperti lupa menghidupkan atau mematikan yang dalam industri, hal ini tentu tidak ditoleransi. Untuk itu bisa dilakukan secara otomatis sehingga hal-hal yang tidak diinginkan tadi tidak terjadi. Ada dua cara yang lazim digunakan yaitu dengan tekanan dan tinggi permukaan (level) zat cair.
a. Otomatisasi Tekanan Data masukan dalam pengaturan ini adalah tekanan pegas dalam suatu alat yang disebut saklar tekanan (pressure switch). Jika tekanan saluran keluar naik akibat debit aliran diperkecil atau dihentikan, sehingga melebihi tekanan yang ditimbulkan pegas, maka saklar akan memutus aliran listrik yang mencatu motor dan motor terhenti. Sebaliknya jika ada aliran, tekanan menurun dan saklar kembali menghubungkan listrik pencatu sehingga motor juga hidup kembali. Kelemahan cara ini adalah ketika ada kebocoran atau pada aliran kecil. Dalam kedua kasus ini, ketika motor mati, tekanan akan secara lambat menurun dan menghidupkan motor, tetapi juga sebaliknya ketika motor hidup akan terjadi kenaikan tekanan secara lambat dan akan mematikan motor. Jadi di sini akan terjadi frekuensi siklus on-off yang lebih tinggi. Ini berarti konsumsi listrik lebih boros dan sistem bisa lebih cepat rusak padahal kebocoran sekecil apa pun harus dihindari di sini. Kedua, karena tekanan yang digunakan untuk pengaturan, sistem akan selalu bertekanan tinggi terutama ketika dalam kondisi mati (off), sehingga rentan terjadi kebocoran dan katup-katup harus dipilih yang lebih tahan pada tekanan tinggi.
77
b. Otomatisasi Level Dalam pengaturan aliran dengan tangki reservoir telah disinggung penggunaan level untuk mengatur pompa hidup atau mati. Perlu ditambahkan di sini bahwa saklar untuk itu bisa digunakan dua arah yaitu dengan logika pengaturan yang berkebalikan: jika permukaan tinggi, pompa jalan dan jika permukaan rendah, pompa berhenti. Ini digunakan pada pompa untuk drainase, menguras air. Dalam hal ini saklar dan pelampungnya dipasang pada tadah isap. Cara ini dapat menghilangkan beberapa kerugian dalam cara pertama di atas.
78
5. Perencanaan dan Instalasi
Dalam bab ini akan disajikan hal-hal yang penting diketahui sebelum kita memasang pompa dan sistemnya pada suatu instalasi pompa. Untuk itu bab ini diawali klasifikasi pompa agar kita dapat memilih pompa yang tepat, kemudian dari segi performansi juga disajikan spesifikasi pompa. Berikutnya diulas perencanaan sistem (pemipaan) agar diperoleh sistem yang lebih efisien dan hemat biaya serta faktor keamanan, keselamatan dan lingkungan.
5.1. Klasifikasi Pompa Ada berbagai jenis pompa yang dirancang untuk berbagai kebutuhan. Di sini akan disajikan beberapa jenis pompa berdasarkan kelasnya untuk menjadi pertimbangan instalasi.
a. Jenis Impeler (Aliran) Seperti telah dikupas dalam bab kedua, impeler pompa sentrifugal terbagi dalam impeler radial yang menghasilkan aliran tegak lurus sumbu (poros), impeler campuran (diagonal) yang menghasilkan aliran campuran dan impeler aksial yang menghasilkan aliran sejajar sumbu (poros). Pompa radial digunakan untuk kebutuhan head yang tinggi dan pompa aksial digunakan untuk kebutuhan kapasitas yang tinggi.
b. Bentuk Rumah Pompa Berdasarkan bentuk rumah, pompa terbagi dalam pompa volut yang berbentuk seperti rumah keong dan pompa difuser. Dalam pompa volut, kecepatan fluida menurun tetapi tekanan meningkat ke arah keluar pompa. Pada pompa difuser, sudu-sudu difuser dipasang di depan impeler sehingga aliran di titik tersebut laminar. Dengan demikian difuser ini dapat meningkatkan efisiensi pompa dan menambah kokoh.
c. Jumlah Tingkat Dari segi jumlah tingkat, pompa terbagi dalam pompa bertingkat satu dan bertingkat banyak (multistage). Jumlah tingkat adalah jumlah impeler (pasangan impeler) yang bersusun seri. Jadi jumlah impeler tidak menunjukkan jumlah tingkat, karena jumlah tingkat ditentukan dengan jumlah aliran keluar yang masuk pada impeler berikutnya (hubungan seri). Sebagai contoh, empat impeler dapat membentuk pompa empat tingkat atau dua tingkat secara paralel bahkan bisa juga menjadi satu tingkat meskipun empat impeler (paralel empat).
79
d. Letak Poros Menurut letak poros ada pompa dengan poros tegak dan ada pula yang berporos mendatar. Pertimbangan untuk memilih di antara jenis ini adalah pertama ukuran (dimensi) pompa umumnya memanjang sesuai poros. Jadi pompa berporos tegak lebih tinggi dari pompa berporos mendatar dan sebaliknya pompa berporos mendatar lebih luas (lebar) dari pada pompa berporos tegak. Konstruksi pompa berporos tegak ini relatif lebih rumit sehingga tidak mudah untuk dibongkar pasang. Jadi kalau sekiranya pompa akan lebih sering dibongkar, pompa berporos mendatar tentunya lebih baik. Kelebihan pompa tegak adalah bahwa sumbu poros akan searah aliran di sisi isap. Pompa bisa langsung dipasang di atas tadah isap, tanpa memerlukan belokan.
e. Belahan Rumah Pompa Pada umumnya, belahan rumah pompa memotong sumbu atau disebut belahan tegak (vertikal). Akan tetapi dalam beberapa penerapan, sering diperlukan pompa yang mudah untuk dibongkar pasang, sehingga pompa harus dibuat sedemikian agar memenuhi hal itu, seperti pompa dengan belahan mendatar. Bagian atas hanya merupakan tutup, mulut isap dan keluar serta impeler ada di belahan bagian bawah. Akan tetapi konstruksi pompa demikian lebih rumit karena belahan meliputi bagian yang lebih luas. Karenanya, penanganan untuk mencegah kebocoran menjadi makin repot. Oleh karena itu, di pasaran lebih banyak dijumpai pompa belahan tegak. Dengan demikian belahan hanya mencakup bagian kecil dan pencegahan kebocoran relatif lebih mudah.
f. Jenis Isapan Seperti pernah diulas di muka bahwa pompa isapan tunggal akan membangkitkan gaya aksial ke arah sisi isap, maka dibuat pompa dengan isapan ganda, yaitu impeler dibuat dua muka, depan dan belakang. Karena memiliki dua sisi isap, maka pompa jenis ini memiliki kapasitas dua kali lebih besar. Karena untuk mendapatkan kapasitas yang sama dengan pompa isapan tunggal bisa dicapai dengan kecepatan yang lebih rendah dalam pompa, pompa isapan ganda memerlukan NPSH yang lebih kecil dari pada pompa isapan tunggal. Oleh karena itu dalam kasus kavitasi, pompa ini lebih menguntungkan.
g. Lain-Lain (Pompa Khusus) Beberapa pompa berikut ini merupakan pompa yang dirancang khusus untuk berbagai keperluan yang berbeda seperti pompa benam (submersible), pompa jet (jet pump) dan pompa bebas sumbatan untuk memompa zat cair yang bercampur padat seperti lumpur, adukan atau pasir.
Pompa Benam (Submersible) Pompa benam dibuat untuk mengatasi masalah NPSH dan performansi terutama untuk sumur dalam. Pompa air misalnya tidak bisa digunakan pada head isap yang lebih besar dari 9 meter, karena akan terjadi kavitasi bahkan tidak akan ada aliran sama sekali meskipun daya pompa diperbesar. Akan tetapi, dengan dibenamkan di (dekat) dasar sumur, head isap bahkan mendorong pompa karena permukaan zat cair lebih tinggi dari pompa (flooded suction) dan
80
tidak perlu ada pemancingan. Di sinilah keuntungan pompa benam yang dapat menghilangkan masalah NPSH dan pompa hanya mendorong zat cair. Pompa benam memerlukan rancangan khusus karena di sini diperlukan kehandalan yang lebih tinggi. Jika kurang handal, pompa akan sering bermasalah dan harus banyak perbaikan padahal pompa ini ditanam di dalam sumur yang dalam sehingga pengangkatan pompa akan sangat merepotkan. Selain itu, pompa demikian harus terbuat dari bahan yang tahan karat, tahan bocor dan kekuatan yang memadai. Akibatnya adalah harga pompa menjadi sangat mahal. Jadi pompa benam harus bebas pemeliharaan yang berarti dapat bekerja normal tanpa masalah seumur hidup pompa.
Pompa Jet (Jet pump) Pompa jet (pancaran fluida) dapat memberikan solusi untuk menghindari pembenaman pompa. Pompa ini menggunakan prinsip Bernoulli seperti halnya semprotan obat nyamuk cair. Pompa ini memerlukan nosel yang dapat memancarkan zat cair dengan kecepatan tinggi. Jika head kecepatan tinggi, maka head tekanan menjadi rendah. Tekanan rendah ini dapat mengisap zat cair yang ada di luarnya yang dihubungkan dengan saluran masukan. Di sini diperlukan resirkulasi zat cair dari pompa seperti pompa sentrifugal untuk membangkitkan jet yang menimbulkan tekanan yang rendah di sekitar throat (tenggorokan). Throat terletak di atas nosel yang dibenamkan di bawah permukaan zat cair. Pompa untuk pompa jet tidak berbeda dengan pompa biasa, kecuali diberi saluran keluar tambahan untuk resirkulasi serta dilengkapi dengan pompa jet yang terdiri dari throat, nosel dan difuser. Di bawah ini digambarkan skema pompa jet:
Gambar 5.1. Pompa Jet. Katup pengatur di sini digunakan untuk mengatur tekanan keluar di dalam pompa. Jika katup terbuka penuh, tekanan keluar di dalam pompa menjadi rendah. Tekanan keluar ini harus cukup tinggi agar bisa terjadi resirkulasi yang cukup dan pada gilirannya menimbulkan tekanan yang
81
cukup rendah untuk dapat mengisap zat cair. Namun apabila terlalu tinggi, debit zat cair lebih tinggi dan tekanan menjadi terlalu tinggi sehingga dapat membebani impeler dan sering mematikan saklar tekanan (pressure switch) dan pompa lebih sering mengalami siklus on-off. Untuk mengurangi frekuensi siklus ini dapat ditambahkan akumulator (tabung bertekanan) yang dipasang di pipa keluaran di dekat pompa, sebelum katup pengatur tekanan. Tekanan udara di dalam akumulator tidak perlu terlalu tinggi, yang penting cukup untuk mengeluarkan air di dalam balon di dalam akumulator. Jika tekanan ini terlalu tinggi, zat cair akan telat masuk ke dalam akumulator karena sebelum tekanan pompa melebihi tekanan udara dalam akumulator, zat cair belum dapat masuk. Lagi pula semakin tinggi tekanan, semakin kecil kapasitas akumulator dan tingkat redaman pun akan makin rendah. Perlengkapan lain yang juga penting adalah katup cegah yang dipasang di bawah perangkat pompa jet agar zat cair tidak turun ke sumur (tadah isap). Jika tidak dipasang, pompa akan sulit dipancing dan dijalankan. Jika katup ini bocor, setiap kali hendak dijalankan, harus dipancing terlebih dahulu.
Pompa bebas Sumbatan (Anti Clog) Dalam beberapa kasus, kita jumpai zat yang hendak dipompa mengandung kotoran atau butiran yang cukup besar. Dalam hal ini diperlukan pompa dengan rancangan khusus. Impeler harus dibuat lebih sederhana, hanya terdiri dari satu sampai tiga sudu saja serta dibuat sedemikian rupa sehingga tidak ada celah sempit yang dapat membuat kotoran atau butiran macet. Contoh konstruksi impeler sedemikian tampak seperti gambar di bawah:
Gambar 5.2. Impeler Bebas Sumbatan. Sekarang ini pompa bebas sumbatan diwujudkan dengan motor yang secara otomatis berhenti dan kemudian berputar ke arah berlawanan jika terjadi kemacetan akibat sumbatan. Cara kerja pompa seperti ini tampak seperti pada gambar berikut:
Gambar 5.3. Pompa Bebas Sumbatan. Dari gambar di atas jelas bahwa jika terjadi kemacetan, pompa berhenti dan kemudian berputar ke arah yang berlawanan. Setelah bebas dari kemacetan, pompa berputar ke arah yang normal.
Pompa Bertingkat Banyak Karena adanya gaya sentrifugal pada impeler, head maksimum untuk satu impeler dibatasi 100 meter . Peningkatan dengan menambah kecepatan putar akan berdampak pada kerusakan 82
material impeler. Jika dikehendaki head yang lebih dari 100 m, maka harus dilakukan secara bertingkat yaitu hubungan seri beberapa impeler. Head total dari pompa bertingkat adalah jumlah (kelipatan) dari head masing-masing tingkat (stage): H t = i.H stage
(5.1)
Untuk sekaligus menghilangkan gaya aksial, maka impeler yang digunakan harus yang sama dan sebangun dengan jumlah genap dan arah saling berlawanan suatu kelompok impeler terhadap impeler yang lain. Dengan demikian, gaya aksial yang ditimbulkan akan saling meniadakan. Penentuan head total pada pompa bertingkat banyak tentunya harus mempertimbangkan jenis impeler. Dari persamaan kecepatan jenis kita dapat menentukan head tiap stage kemudian dari sini dapat ditentukan head total. Dalam kasus lain, jika impeler ditentukan terlebih dahulu, maka pertama kita menentukan head dari tiap tingkat dengan impeler yang digunakan, kemudian dari head total yang dibutuhkan kita tentukan jumlah tingkatnya.
Contoh Soal 5.8. Kita diminta untuk menentukan jumlah tingkat suatu pompa. Head yang dibutuhkan setinggi 28 meter, kapasitas 36 meter kubik per jam. Pompa ini harus menggunakan impeler dengan putaran jenis sekitar 20 dengan satuan SI (m, rpm, m3/s) dengan kecepatan putar 1500 rpm. Jawab: Kapasitas yang diperlukan adalah Q = 36 m 3/jam = 36/3600 m3/s = 0,01 m3/s. Dari sini diperoleh head:
H
3
( 0,01) Q2 =n = 1500 ns 20 1
4
0,5
= 1500
0,1 = 7,5 meter 20
Head tiap tingkat diperoleh sebesar H = (7,5) 4/3 = 14,6 meter. Dengan demikian jumlah tingkat yang diperlukan adalah 28/14,6 = 2.
5.2. Spesifikasi dan Pemilihan Pompa Pemilihan dan penentuan spesifikasi pompa biasanya berorientasi pada beberapa hal seperti: kebutuhan kapasitas, head, efisiensi, kondisi lingkungan, kondisi cairan yang akan dipompa, mobilitas, tekanan keluaran yang dibutuhkan, dan lainnya. Kecuali dalam penerapan khusus, pengguna biasanya tidak dipusingkan dengan hal-hal rinci dan rumit seperti ini. Cukup datang ke toko atau meminta saran pabrik/agen untuk memberikan pompa yang tepat untuk keperluan yang diberikan pengguna. Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam pemilihan dan penentuan spesifikasi pompa adalah: Tabel 5.1. Faktor Pemilihan Pompa. Faktor Kebutuhan
Spesifikasi/Fitur yang dilihat
Kapasitas, besar atau kecil
Jenis Impeler, Ukuran/Daya
83
Faktor Kebutuhan
Spesifikasi/Fitur yang dilihat
Head, tinggi atau rendah
Jenis Impeler, Ukuran/Daya
Tekanan keluaran, tinggi atau rendah
Jenis Impeler, Jumlah tingkat, Ukuran/Daya
Efisiensi, tinggi
Titik kerja sistem, serta faktor di atas
Kekentalan, kental atau encer
Modifikasi titik kerja, kemudian lihat spesifikasi di atas
Sifat kimia zat cair, korosif atau lainnya
Bahan impeler dan rumah pompa
Temperatur zat cair, tinggi atau rendah
Bahan impeler dan rumah pompa
Kandungan padat/larutan/koagulasi/abrasif
Jenis impeler, jenis pompa
Faktor lingkungan: getaran, kebisingan, Jenis motor, dudukan temperatur, kelembaban Pemeliharaan yang mudah dan murah
Lihat klasifikasi pompa
Biasanya sulit untuk dapat memenuhi semua kriteria tersebut sehingga harus ada yang dikorbankan. Di sinilah kita perlu melakukan trade-off, kalau yang satu diutamakan, maka yang lain harus dikorbankan. Tentu saja semua hal di atas sudah kita bicarakan dalam beberapa bab di muka.
5.3. Optimalisasi Sistem Sebaiknya sistem yang kita buat memiliki kerugian yang minimal. Namun apabila hal itu sulit dicapai kita mencari cara atau kondisi sistem yang optimal. Sebagai contoh, penggunaan pipa dengan diameter besar akan mengurangi head kerugian karena kecepatan aliran menjadi kecil. Akan tetapi tidak mungkin kita pasang pipa dengan diameter yang sangat besar karena ada keterbatasan tempat dan biaya. Berikut ini ada beberapa hal yang dapat memperkecil penurunan efisiensi sistem (memperkecil kerugian).
5.3.1. Pengaruh Udara Udara yang masuk sistem (masuk angin) dapat mengurangi unjuk kerja sistem secara drastis. Hal ini terjadi jika pemipaan pada sisi isap kurang baik. Sisi isap merupakan sisi yang bertekanan sangat rendah sehingga jika ada sambungan yang tidak sempurna atau sedikit saja kebocoran, udara akan masuk dan akan sangat mengurangi kerendahan tekanan di sisi isap. Dari sinilah maka pompa tidak lagi dapat memompa cairan sesuai dengan kapasitas yang seharusnya. Dengan kata lain, unjuk kerja (performansi) pompa akan turun drastis. Oleh karena itu, harus diambil tindakan pencegahan terhadap udara yang bisa masuk ke dalam sistem: 1. Pemipaan dalam sisi isap harus benar-benar sempurna. Lebih baik menggunakan pipa yang berkualitas tinggi untuk sisi isap ini agar tidak mudah bermasalah, meskipun tentu harganya lebih tinggi pula. 2. Sambungan pipa harus diperhatikan karena lebih banyak terjadi kebocoran di sini. Ini akan dibicarakan lebih lanjut dalam pasal berikut.
84
5.3.2. Efisiensi Pemipaan dan Tadah Isap Pemipaan memegang peranan penting dalam memperoleh sistem yang optimal, dan ini akan dibicarakan lebih mendalam pada pasal tentang instalasi pompa di belakang nanti. Efisiensi tadah isap dan tadah keluar juga harus diperhatikan agar diperoleh sistem yang lebih baik. Ini juga akan dibicarakan pada pasal tentang instalasi pompa berikut.
5.3.3. Prinsip Efisiensi Pada Pompa •
Memilih pompa yang benar, yang sesuai dengan kebutuhan. Jika pompa yang digunakan terlalu besar, efisiensi makin rendah.
•
Mengendalikan debit aliran dengan variasi kecepatan.
•
Jika kebutuhan sangat beragam dan perbedaannya cukup besar, gunakan pompa dalam susunan paralel untuk memenuhi kebutuhan tadi.
•
Membuang kran untuk pengendali aliran karena cara ini tidak efisien.
•
Membuang pengendalian by-pass (resirkulasi) yakni sebagian aliran dikembalikan ke sumbernya, karena cara ini membuang energi.
•
Pengendalian dengan saklar on/off bisa digunakan.
•
Memperbaiki keseimbangan impeler karena dapat lebih cepat merusak bearing.
5.4. Instalasi Sistem Sebelum memasang atau melakukan instalasi pompa, ada beberapa hal yang harus diperhatikan agar instalasi yang ada tidak mudah rusak, mencapai efisiensi tinggi dan mudah dalam pemeliharaan.
5.4.1. Kondisi kerja: Pompa harus beroperasi pada kondisi lingkungan kerja yang baik, sedemikian rupa sehingga panas yang dihasilkan bisa dibuang keluar. Temperatur yang dihasilkan pompa akan bertambah jika panas ini sulit dibebaskan ke udara sekitarnya. Jika hal ini terjadi maka pompa akan mudah terbakar pada beban kerja yang lebih berat atau dioperasikan dalam jangka waktu yang lebih lama. Oleh karena itu harus dipikirkan agar panas yang dihasilkan dapat mudah dibebaskan, selain juga kita harus mencegah panas masuk atau bertambah dari sumber lain seperti kena sinar matahari langsung atau berdekatan dengan sumber panas lain seperti kompor dan lainnya. Selain temperatur (panas), kelembaban juga harus diperhatikan karena udara yang sangat lembab akan menyebabkan komponen pompa mudah berkarat, terutama bearing (lager) yang merupakan komponen yang paling menderita beban dan berotasi. Pelumasan dalam bearing bisa berkurang karena umur penggunaan dan karena panas. Akibatnya gesekan bertambah dan akhirnya keausan juga bertambah. Jika hal ini diperkuat dengan kelembaban yang tinggi, maka bearing akan lebih cepat berkarat dan rusak. Jika bearing sudah jelek, maka rotor tidak berputar secara statis pada sumbunya, tetapi bergetar dan menimbulkan suara yang bising. Kalau kondisi ini terus dibiarkan, bearing bisa macet dan motor bisa terbakar. Oleh karena itulah maka di sini diperlukan ventilasi yang cukup agar kelembaban berkurang.
85
5.4.2. Pemeriksaan Sumur Kedalaman permukaan air sumur harus dapat kita tentukan berkaitan dengan NPSH. Sumur yang terus dipompa dengan kapasitas yang lebih besar dari debit air sumur, akan mengalami penurunan permukaan dan bahkan akan habis. Dalam hal inilah permukaan air mencapai titik terendah. Di titik ini, NPSH yang tersedia mencapai titik terendah juga. Pada titik inilah seharusnya perhitungan NPSH dilakukan, agar tidak terjadi resiko kavitasi. Jika pada titik ini aman, tidak terjadi kavitasi, maka apalagi pada titik yang lain. Dari sinilah maka kita perlu menentukan muka air terendah. Penentuan titik ini dapat dilakukan dengan cara pemompaan terus-menerus. Jika kapasitas pompa tidak terlalu besar, maka pada titik tertentu akan terjadi keseimbangan, yaitu kapasitas pompa sama dengan debit air masuk. Hal ini terjadi karena makin dalam permukaan air, makin kecil kapasitas pompa sedangkan debit air sumur bahkan cenderung meningkat.
5.4.3. Tadah Isap Yang harus diperhatikan dalam perencanaan tadah isap adalah bahwa tadah isap beserta ujung pipa isap harus dibuat sedemikian agar tidak mudah udara masuk ke dalam sistem (masuk angin) karena apabila hal ini terjadi, performansi sistem akan turun drastis, efisiensi rendah, kapasitas turun, berisik, getaran lebih besar yang pada gilirannya bisa lebih mempercepat kerusakan bearing dan sumbu (shaft). Selain itu, udara yang terus menerus masuk sistem dapat mempercepat korosi di dalam sistem. Yang kedua, selain harus mencegah masuk angin adalah mencegah terjadinya turbulensi sebelum masuk pipa isap apalagi di titik sebelum impeler. Turbulensi dapat menurunkan efisiensi karena gesekan dalam sistem makin besar dan dapat mempercepat keausan sistem. Jika ini masih terjadi pada impeler, akibat seperti tersebut tadi akan makin parah. Ada beberapa hal yang harus dipertimbangkan untuk mencegah terjadinya masuk angin dan turbulensi. Pertama, kedalaman ujung pipa isap harus cukup sedemikian agar tidak terjadi pusaran (vortex) yang tentu saja juga turbulensi lebih besar dan pusaran ini dapat menyebabkan udara terperangkap dan terisap ke dalam sistem. Selain kedalaman yang cukup, luas permukaan tadah isap juga harus cukup besar. Jika pompa digunakan untuk memompa cairan dalam bak penampung, maka pipa isap pompa tidak boleh berdekatan dengan pipa keluaran yang masuk tadah isap. Untuk itu perhatikan gambar berikut:
Gambar 5.4. Tadah Isap, pipa isap dan pipa pencatu. Jarak A sebaiknya tidak terlalu dekat sebab gelembung udara akibat jatuhnya air dapat terisap masuk ke dalam sistem. Dalam kasus di mana kedekatan ini tidak bisa dihindari, maka gunakan
86
baffle yakni suatu bidang yang berlubang-lubang sehingga gelembung udara akan pecah di sini jika terisap oleh pipa isap. Dengan demikian udara tidak akan terbawa masuk sistem. Demikian pula dengan kedalaman penenggelaman ujung pipa isap B. Jika B tidak cukup dalam, maka akan terjadi pusaran (vortex) yang apabila hal ini terlalu kuat, bisa mengisap udara di atasnya, seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 5.5. Pusaran. Gambar di atas merupakan penampang pusaran air jika ujung pipa isap pompa terlalu dangkal. Jika ujung pipa isap terlalu dekat dengan permukaan, maka terjadi pusaran yang bergantung pada kekuatannya. Pada gambar A misalnya, pusaran paling lemah dan dangkal sedangkan pada F, pusaran paling kuat dan dalam. Pada kasus A, diameter pusaran cukup besar dan dangkal sedangkan di C sampai F, diameter kecil dan dalam. Namun demikian, jika suatu saat permukaan terus menurun, pusaran akan makin kuat seperti pada B, kemudian C. Di sini masih aman karena tidak ada udara yang masuk. Pada kasus D, jika ada kotoran atau sampah di permukaan, akan terisap namun udara masih belum masuk. Pada kasus E udara masuk sedikit tetapi ini sudah cukup menurunkan performansi pompa secara tajam. Pada kasus terakhir, F, udara masuk secara penuh. Meskipun kasus A sampai C masih aman, tetapi beresiko terjadi kasus yang lebih parah jika ada gangguan yang menyebabkan permukaan turun seperti ada gelombang akibat angin atau hal lain (misalnya pada penggunaan pompa di sungai atau laut). Kemudian berapakah kedalaman minimal ujung pipa isap tersebut? Hydraulic Institute [9.2,9.2] menguji dan mencari hubungan antara kedalaman dengan diameter ujung pipa isap dan kapasitas aliran sebagai berikut:
S =D+
0,574 Q D 1,5
(5.2) di sini S = kedalaman (submergence) dalam inci. D = diameter ujung pipa isap dalam inci. Q = kapasitas aliran dalam US GPM. Sedangkan jarak bebas atau kelonggaran (clearance) antara ujung pipa isap dengan dasar tadah isap (sumur) C adalah: C = 0,3D ~ 0,5 D
(5.3) Dalam Sularso dan Tahara [9.2] disajikan hubungan antara kedalaman S dan diameter pipa isap d serta kelonggaran antara ujung pipa isap dengan dasar sumur (tadah isap) C yaitu:
87
S ≥1,9d C = ( 0,8 ~ 1,5) d
(5.4)
Perancangan Tadah Isap Perancangan tadah isap pada dasarnya dilakukan untuk memperoleh sistem yang efisien dengan menghindari pusaran, turbulensi serta keluasan pada ujung pipa isap. Hal ini harus lebih diperhatikan terutama terhadap sistem dengan lebih dari satu pompa. Dalam sistem demikian, aliran harus terdistribusi dengan merata. Jika tidak, akan terjadi pusaran yang pada gilirannya dapat berpotensi terjadinya masuk angin. Di bawah ini disajikan beberapa contoh pemasangan beberapa pipa isap yang dianjurkan dan yang jelek (Goulds Pumps [9.2] dan Sularso dan Tahara [9.2]):
Gambar 5.6. Konfigurasi Tadah Isap. Lingkaran-lingkaran dalam gambar di atas merupakan penampang pipa isap. Bentuk-bentuk persegi yang melingkupi lingkaran-lingkaran tadi merupakan bentuk tadah isap, dan aliran V merupakan aliran masuk ke tadah isap. Konfigurasi di kolom kiri merupakan konfigurasi yang dianjurkan sedangkan yang di sebelah kanan merupakan konfigurasi yang tidak baik yang harus dihindari. Harga-harga yang tercantum di atas merupakan harga empiris hasil suatu percobaan. Oleh karena itu harga dari suatu sumber berbeda satu sama lain. Goulds Pump memberi jarak (titik tengah) pipa ke dinding, B, minimal 0,75D sedangkan Sularso dan Tahara 1,5D. Demikian
88
juga jarak antara titik tengah pipa, W, Goulds Pump menentukan minimal 2D, sedangkan Sularso dan Tahara minimal 3D. Jika dikehendaki bentuk corong (kedua di kolom kiri), Goulds Pumps mendefinisikan sudut maksimum sebesar 15o.
5.4.4. Instalasi Pipa Yang paling penting diperhatikan dalam perencanaan pipa adalah pemilihan diameter dan kekuatan pipa yang optimal. Pipa yang terlalu besar dan kuat memang dikehendaki tetapi dalam kasus tertentu tidak ekonomis, terlalu mahal. Demikian sebaliknya, pipa yang terlalu kecil akan sangat besar gesekannya, akibatnya menyumbang head yang lebih besar. Begitu pula pipa yang kurang kuat, bisa sering dijumpai masalah dalam penggunaannya. Di sini akan disajikan faktorfaktor pemipaan yang berkaitan dengan beberapa pencegahan permasalahan yang lazim muncul di lapangan.
Pemilihan Bahan Pemasangan (instalasi) jalur pipa (pipeline) yang panjang dan besar perlu penanganan yang serius terutama dalam pemilihan bahan. Biasanya bahan dikualifikasi berdasarkan kekuatan, daktilitas, kekerasan (toughness) dan ketahanan terhadap karat (corrosion resistance). Kekuatan ditentukan oleh modulus elastisitas, titik serah (kalah, yield strength) dan daya rentang (ultimate tensile strength). Modulus elastisitas adalah rasio stress terhadap strain pada keadaan normal (elastis). Jika beban melampaui titik elastis, pipa mulai deformasi, tidak elastis atau dikenal sebagai kondisi plastis. Titik mulai plastis ini disebut titik serah (yield strength). Titik di mana pipa tidak mampu menangani beban disebut titik/daya rentang akhir. Ketahanan terhadap deformasi disebut kekerasan bahan. Sedangkan daktilitas biasanya ditentukan dengan perpanjangan (elongation) dibanding panjang asal, atau berkurangnya penampang pipa dalam keadaan terbebani. Secara rinci, hal ini bisa dilihat dalam literatur-literatur khusus.
Pencegahan Kebocoran/Kerusakan Langkah awal untuk mencegah kebocoran adalah memilih pipa yang berkualitas minimal kualitas standar. Pipa berkualitas standar setidaknya tidak ada kebocoran dan perbedaan ukuran yang signifikan yang mengurangi kualitas sambungan. Pipa dengan kualitas di bawah standar akan beresiko mendatangkan banyak masalah di kemudian hari. Langkah kedua adalah dengan peningkatan kualitas sambungan. Jika pipa sudah terlanjur terpasang dan ternyata ada kebocoran, maka perbaikan akan memakan lebih banyak biaya. Oleh karena itu, di sini diperlukan kecermatan. Penyambungan pada pipa baja skala kecil biasanya dengan menggunakan soket drat yang sebelumnya dilapisi pita perapat (seal tape). Sedangkan pada sambungan skala besar biasanya menggunakan flens. Sekarang sudah lazim digunakan pipa PVC untuk kebutuhan rumah tangga dan memberi keunggulan karena cukup kuat dan tidak berkarat sehingga air minum tidak berbau. Pipa ini biasa disambung dengan lem PVC. Sebaiknya sebelum diberi lem, bagian yang akan dilem harus sedikit kena goresan misalnya dengan kertas hampelas agar lebih kuat. Kadang pipa PVC ini dipasang soket drat agar bisa disambung seperti pipa baja. Pada instalasi pompa rumah tangga yang menggunakan pipa PVC, pita perapat yang telah terpasang, juga diberi lem PVC agar terhindar dari kebocoran. Gabungan pita perapat yang terbuat dari bahan PVC dan lem
89
PVC akan menghasilkan sambungan yang cukup rapat tetapi juga masih bisa dibongkar jika diperlukan dalam perbaikan. Untuk meningkatkan kualitas sambungan dan mudah dalam pembongkaran (untuk perbaikan), gunakan sambungan flens atau flens dengan mur. Sekarang ini dalam instalasi kecil, banyak digunakan fitting jenis flat face atau flens dengan mur seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 5.7. Fitting pipa jenis flat face (flens dengan mur) Di sini diperlukan karet seal (o ring) untuk merapatkan pertemuan dua pipa yang kemudian disatukan dan dikuatkan oleh mur tadi. Oleh karena itu sambungan mur atau nut dengan ulir ini tidak boleh diberi pita perapat. Langkah awal untuk mencegah kerusakan adalah memperhitungkan besarnya tekanan dan aliran dalam pipa. Akan tetapi, untuk skala kecil seperti rumah tangga, pipa PVC sudah cukup baik. Artinya kita tidak harus menghitung berapa besar aliran dan tekanan karena ukuran pipa sudah disesuaikan dengan pompa. Kedua kita harus menetralisir gaya-gaya dalam pipa dengan sambungan muai atau penumpu pada belokan pipa. Sambungan muai diperlukan karena tekanan hidrostatik dalam pipa dapat menyebabkan pipa memanjang (muai ke arah panjang). Sambungan muai atau fleksibel ini dibuat sedemikian agar dapat mengakomodasi perubahan panjang pipa. Sambungan ini juga dapat meredam getaran. Pada pemipaan sederhana yang pendek-pendek karena banyak belokan, biasanya faktor ini bisa diabaikan. Gaya-gaya dalam pipa muncul karena adanya tekanan hidrostatik dan adanya belokan. Tekanan hidrostatik dikali luas penampang pipa merupakan gaya yang bekerja pada panjang pipa. Sedangkan pada belokan, gaya muncul akibat perubahan kecepatan seperti tampak di bawah:
Gambar 5.8. Gaya pada belokan
90
Gaya Fr harus diberikan pipa sebagai reaksi gaya air berkecepatan V. Gaya ini dapat ditentukan dengan melihat gambar vektor kecepatan di sebelah kanan sebagai berikut. Karena V1 dan V2 sama besar dengan arah berbeda θ derajat, maka: (5.5)
V 2 =V 1 +V r
Garis pembagi segitiga vektor kecepatan di atas membagi sudut θ sama besar. Panjang Vr merupakan dua kali V (=V1=V2) sinus setengah θ. Jadi: Vr = 2V . sin
θ
(5.6)
2
Gaya sebanding dengan massa M dan percepatan. Dalam kasus ini percepatannya adalah perubahan V1 ke V2 (Vr) per satuan waktu atau: Fr = M
Vr M θ = Vr = Q.ρ.Vr = 2 ρQ.V . sin t t 2
(5.7)
di sini ρ adalah massa jenis, massa per satuan volume dan kapasitas Q volume per satuan waktu. Penumpu digunakan untuk menetralkan gaya tersebut untuk mencegah kerusakan pipa.
Pengaturan Aliran Dalam pengaturan besarnya aliran, yang penting adalah agar tidak terjadi turbulensi di dalam pipa terutama di daerah dekat pompa. Turbulensi di dalam pipa dapat memperbesar kerugian gesek serta mempercepat keausan pipa. Pipa akan menjadi cepat tipis demikian pula turbulensi di dekat pompa, akan menyebabkan keausan dan peningkatan head di dalam pompa. Beberapa literatur memberi patokan yang hampir sama. Dalam Sularso danTahara kecepatan aliran di dalam pipa diambil antara 1 sampai 2 m/s untuk pipa berdiameter kecil dan 1,5 sampai 3,0 m/s untuk pipa berdiameter besar dan batas maksimum kecepatan tidak boleh melebihi 6 m/s. Fluidedesign menyarankan kecepatan dalam pipa sebesar 5,5 ft/s = 1,7 m/s. Jika aliran masih terlalu besar, gunakan pipa yang lebih besar agar kecepatan berkurang.
Pencegahan Kantong Udara Di seluruh sistem, kita harus memperhatikan agar tidak akan terbentuk kantong udara. Kantong udara terbentuk dalam pemipaan yang melengkung (cembung) dilihat dari atas, seperti gambar di bawah:
Gambar 5.9. Kantong Udara Hindari pemipaan seperti di atas. Usahakan pipa isap untuk miring ke atas menuju pompa agar menutup kemungkinan terbentuknya kantong udara. Umumnya pemasangan instalasi pompa diawali dengan pemasangan pipa isap terlebih dahulu. Perlu diingat bahwa katup cegah yang akan mencegah air kembali ke sumur harus dicoba dengan ditiup sambil ujung bawahnya ditenggelamkan ke dalam air. Jika udara keluar maka 91
katup harus diperbaiki atau diganti. Pemasangan katup sebelum diuji beresiko terjadi kebocoran setelah instalasi selesai dan ini akan merepotkan dan membosankan. Pasanglah katup ini di (hampir) ujung bawah pipa isap. Sambunglah pipa satu demi satu. Kita harus berhati-hati jangan sampai pipa ini lepas dan tercebur ke dalam sumur. Perhatikan pula baik-baik setiap langkah penyambungan jangan sampai ada kebocoran pada sambungan. Setelah terpasang seluruhnya, ada baiknya dicoba dengan diisi air. Jika permukaan air tetap, berarti tidak ada kebocoran.
5.4.5. Pemasangan Pompa Setelah pipa isap terpasang seluruhnya, kini kita persiapkan untuk memasang pompa. Ada dua cara peletakan pompa. Pertama suction lift yakni pompa terletak di atas permukaan air atau pemasukan dengan pengangkatan (isapan) dan kedua flooded suction, pompa ada di bawah permukaan air, sehingga terjadi dorongan pada bagian isap.
Gambar 5.10. Penempatan Pompa Pada flooded suction, pompa tidak perlu dipancing dan head negatif sehingga tidak akan terjadi kavitasi.
5.4.6. Tadah Keluar Dalam perancangan tadah keluar, yang penting diperhatikan adalah bagaimana agar head kecepatan keluar bisa dikurangi serendah mungkin. Dalam hal ini kita perlu memasang reduser yakni ujung pipa keluar berbentuk corong yang ditenggelamkan di dalam tadah keluar. Dalam Sularso dan Tahara ditetapkan kedalaman pipa keluar di dalam tadah keluar minimal sekitar 20 cm demikian pula jarak antara dasar tadah keluar dengan ujung pipa. Kedua, usahakan juga agar ujung pipa keluar tidak tergantung di atas karena ini membuang head secara percuma. Kerugian ini dalam jangka panjang akan cukup berarti. Ketiga, usahakan agar penampang ujung pipa keluar tidak berdekatan dengan dinding dan arah kecepatan tegak lurus dinding karena ini akan menimbulkan tumbukan yang membuang energi.
5.4.7. Pengujian Pengujian efisiensi pada pompa yang baru dipasang diperlukan untuk dapat membuktikan bahwa pompa telah bekerja sesuai rancangan dan untuk dapat memiliki data unjuk kerja (performansi) sistem. Dengan pengujian ini juga kita harus mendapat keyakinan bahwa pompa akan bekerja tanpa (kemungkinan kecil) terjadi kavitasi.
92
Yang perlu diperhatikan dalam pengujian awal pompa adalah tekanan di sisi keluar, tekanan di sisi isap dan kapasitas aliran. Ini dimaksudkan agar kita dapat mengetahui head total yang diberikan pompa kepada sistem yaitu head total di sisi keluaran dikurangi head total di sisi isap. Efisiensi pompa dapat ditentukan dengan membandingkan daya (dari head) total yang diberikan pompa dengan daya listrik yang dikonsumsi motor.
5.4.8. Pengendalian Getaran dan Bunyi Pada hakikatnya getaran dan bunyi itu merupakan bentuk pelepasan energi yang tidak perlu. Jadi jika hal ini dibiarkan kita mendapat dua kerugian yaitu pemborosan energi dan kebisingan atau polusi bising. Oleh karena itu, getaran dan bunyi ini harus kita cegah atau kita kendalikan sekecil mungkin. Sularso dan Tahara [9.2] menentukan penyebab getaran yaitu: 1. Fluktuasi tekanan akibat adanya lidah volut. 2. Aliran yang tidak mantap akibat pusaran di dalam pompa. 3. Kavitasi. 4. Surjing. 5. Benturan air. 6. Keadaan tak seimbang pada bagian yang berputar. Ini bisa disebabkan oleh bearing yang sudah aus, as (sumbu, poros) yang sudah bengkok, bagian impeler yang patah, kopling yang tidak benar dan lainnya. Dari pengalaman di lapangan yang banyak terjadi dan paling menonjol sebagai penyebab getaran dan bunyi adalah kerusakan bearing akibat beban ataupun korosi. Inilah yang pertama kita periksa jika muncul bunyi yang tidak wajar. Dari penyebab di atas, ada beberapa langkah yang harus kita lakukan untuk mencegah dan mengendalikan getaran dan bunyi yaitu: 1. Perkuat pondasi pompa dan jika perlu lantai untuk pondasi pompa itu dicor seluas dudukan pompa. 2. Agar tidak terjadi kavitasi, sediakan NPSH yang cukup. 3. Mencegah surjing. 4. Mencegah benturan air. 5. Operasikan pompa pada titik kerja yang dianjurkan (sesuai spesifikasi). 6. Segera perbaiki jika terjadi keausan. Selain pencegahan, kita harus mengisolasi getaran dan bunyi ini agar menutup kemungkinan terjadinya resonansi yang dapat menimbulkan getaran serta bunyi yang lebih besar. Jika ini terjadi tidak mustahil akan merusak bangunan di sekitarnya. Isolasi getaran dan bunyi dapat dilakukan antara lain: 1. Pondasi yang dicor untuk pompa sebaiknya dipisahkan dengan karet dari lantai lainnya agar getaran ini teredam.
93
2. Jika pompa ada di dalam ruangan, sebaiknya dinding ruangan dilapisi dengan bahan peredam bunyi, biasanya bahan ini empuk dan/atau berlubang-lubang, agar bunyi tidak merambat melalui udara. 3. Getaran dapat merambat melalui pipa. Pipa luwes (fleksibel) diperlukan agar getaran tidak diteruskan. 4. Gunakan tabung bertekanan agar getaran tidak merambat melalui zat cair.
94
6. Pemeliharaan dan Perbaikan
Dalam bab ini disajikan pentingnya pemeliharaan dan cara-cara perbaikan. Pemeliharaan ini seringkali kita abaikan sampai pompa baru benar-benar tidak bisa bekerja, padahal dalam kasus tertentu hal ini bisa lebih merugikan.
6.1. Pemeliharaan Pemeliharaan yang benar, efektif, memungkinkan pompa terus bekerja dengan baik, dapat mendeteksi bagian yang sudah harus diganti atau diperbaiki, dan dapat menghindari kerusakan yang parah. Pemeliharaan yang teratur dapat mengungkap penurunan efisiensi dan kapasitas, yang biasa terjadi jauh sebelum pompa benar-benar berhenti bekerja. Keausan bantalan (bearing) atau seal misalnya, dapat menurunkan efisiensi total hingga 10 persen atau lebih. Dalam kasus penerapan pompa pada suatu instalasi pabrik, perhatian terhadap pompa ini bergantung pada seberapa penting peranan pompa itu. Waktu perbaikan (down time) menjadi sangat berharga jika pompa tersebut mempengaruhi proses industri. Artinya, pemeliharaan harus mencegah terjadinya penghentian proses industri hanya karena seal atau komponen kecil lainnya sudah tidak dapat digunakan. Di sinilah maka pemeliharaan sangat penting. Lucu kiranya jika terjadi penghentian proses industri yang merugikan sampai jutaan atau bahkan milyaran rupiah hanya karena seal atau bearing yang tidak seberapa harganya. Ada dua kategori pemeliharaan yaitu: pencegahan (preventif) dan prakiraan (prediktif).
Pencegahan Pemeliharaan pencegahan mencakup kebutuhan rutin sistem seperti pelumasan, pengaturan (penyetelan) periodik seperti pelurusan kopling, pemeriksaan seal dan pembersihan dari kotoran. Seal harus secara rutin diperiksa untuk memastikan tidak ada kebocoran atau kebocoran masih dalam batas ketentuan (spesifikasi). Seal yang sudah bocor secara berlebihan, harus segera diganti sedangkan kebocoran yang wajar bisa diterima sebagai pelumasan. Pembersihan pada motor dan bagian-bagian lain yang berputar juga penting. Dalam kasus yang lebih kritis, biasanya suatu komponen diganti hanya karena sudah memenuhi umur kerjanya, meskipun masih baik.
Prakiraan Pemeliharaan prakiraan merupakan pemeliharaan akibat adanya gejala yang mengarah pada suatu kerusakan; seperti getaran atau suara yang berlebihan diperkirakan menjadi gejala dari buruknya kondisi bearing. Dapat juga berarti ketidakseimbangan pada bagian yang berputar seperti impeler, atau mungkin masalah pada kopling.
95
6.2. Perbaikan Di sini diuraikan berbagai permasalahan yang biasa dijumpai dalam sistem pompa. Selain dari pengalaman, juga diambil dari berbagai sumber. Kesulitan utama dalam membuat tabel gejala dan langkah-langkah perbaikannya adalah karena sistem yang dimiliki berbeda satu dari yang lain. Pompa A berbeda dengan pompa B yang tentu meskipun banyak persamaan, banyak juga perbedaannya. Pada tabel di bawah ini disajikan gejala dan masalah yang umum. Tabel 6.1. Gejala Pompa dan Tindakannya. No. Gejala
Tindakan Perbaikan
1.
•
Air pancingan tidak cukup
•
Ujung pipa isap kurang masuk
•
Pipa isap belum sepenuhnya terisi air
•
NPSH yang tersedia tidak cukup (kavitasi)
•
Kecepatan putar terlalu rendah
•
Pompa terpasang paralel. Tidak cocok untuk paralel
•
Head total terlalu tinggi
•
Arah putar tidak benar
•
Perapat bocor
•
Kemasukan benda asing di impeler
•
Kran keluaran masih tertutup
•
Ada kantong udara
•
Tersumbat
•
Kavitasi
•
Ujung pipa isap kurang dalam
•
Kurang pancingan
•
Head total terlalu tinggi
•
Ada kantong udara
•
Kecepatan putar rendah
•
Salah arah putar
•
Ada benda asing di jalur isap
•
Ada bagian yang patah
•
Ada kantong udara
•
Head total sistem terlalu rendah
•
Paralel tidak cocok
•
Viskositas terlalu tinggi
•
Katup isap terganjal atau dudukannya sudah aus
•
Ada kebocoran di sisi isap
2.
3.
4.
96
Air tidak mengalir atau kapasitas rendah
Aliran terputus-putus
Tekanan keluar rendah
Sulit dipancing
5.
6.
7.
8.
9.
Pompa tidak berputar
Getaran dan bunyi berlebihan
Kebutuhan daya berlebihan
Umur bearing pendek
Umur seal pendek
•
Sikring atau alat pemutus (CB) masih terbuka
•
Motor bermasalah
•
Ada benda asing yang mengganjal
•
Kavitasi
•
Kedalaman ujung pipa isap tidak cukup
•
Ada benda asing di dalam pompa
•
Head total sistem terlalu tinggi
•
Kopling tidak lurus
•
Sumbu tidak lurus
•
Kerusakan komponen, bearing
•
Bagian yang berputar tidak seimbang
•
Impeler tersumbat
•
Viskositas terlalu tinggi
•
Massa jenis zat cair sangat tinggi
•
Head total sistem terlalu rendah
•
Ada kerusakan mekanikal
•
Kerusakan motor
•
Kecepatan putar terlalu tinggi
•
Salah arah putar
•
Sumbu bengkok, tidak lurus
•
Ada yang patah di dalam
•
Tidak seimbang pada bagian yang berputar
•
Sumbu bengkok
•
Kopling tidak lurus
•
Ada kerusakan mekanikal, karat, patahan
•
Tidak seimbang pada bagian yang berputar
•
Sumbu bengkok
•
Kopling tidak lurus
•
Head sistem total terlalu tinggi atau terlalu rendah
•
Seal yang dipakai tidak cocok
•
Kavitasi
97
Bagian 2 Kompresor
98
7. Kompresi Zat dan Penerapannya
Pada umumnya, jika pompa menangani zat cair maka kompresor menangani gas. Namun demikian kadang kompresor (yang menangani gas) juga disebut pompa. Memang dari segi fisik pompa dan kompresor itu bisa dikatakan sama saja. Oleh karena itu maka mulai bab ini yang khusus membicarakan kompresor, hanya akan mengulas persoalan khusus pada kompresor saja serta tentang persoalan kompresi zat. Persoalan lain yang juga ada pada pompa, yang telah dibicarakan pada bab-bab sebelum ini, tidak akan dibahas.
7.1. Kompresi Zat Meskipun semua zat, padat, cair atau gas dapat dikompresi, namun tingkat kompresibilitasnya berbeda-beda. Gas memiliki tingkat kompresibilitas tertinggi, disusul zat cair dan baru zat padat. Memang secara kasat mata, hanya gas yang dapat dikompresi. Oleh karena itu gas disebut zat yang kompresibel (dapat dikompresi).
7.1.1. Pemanfaatan Kompresi. Ada banyak pemanfaatan kompresi gas seperti untuk menyimpan energi, mencapai kondisi gas tertentu dan meringkas (memperkecil) volume supaya mudah dalam pengemasan dan transportasi atau juga untuk mengisikan suatu gas pada suatu ruang (volume), distribusi dan lainnya. Dalam hal penyimpanan energi, energi yang tersimpan ini kelak dapat digunakan kembali, misalnya untuk menggerakkan mesin-mesin (peralatan) pneumatik seperti mesin bor, mesin rivet dan lainnya.. Ketika melakukan kompresi, udara dimampatkan dalam suatu wadah (tabung) dan di sini terjadi perubahan energi mekanik menjadi energi tekanan. Dalam kasus ini, perubahan akan lebih efisien jika sebagian besar energi mekanik diubah menjadi tekanan, tidak menjadi energi panas misalnya. Oleh karena itu, efisiensi yang lebih tinggi dicapai melalui proses yang makin mendekati isotermal (temperatur tetap). Jika proses tidak berlangsug (mendekati) isotermal, berarti ada peningkatan panas yang pasti kelak akan terbuang begitu saja ke lingkungan sekitarnya.
7.1.2. Azas Kompresi Zat Di sini akan kita lihat kelebihan kompresi gas dibanding padat dan cair. Pertama kita bahas kompresi zat padat. Pandanglah sebuah benda dengan panjang l dan berpenampang A ditekan melalui dua pelat atas dan bawah dengan gaya tekan F:
99
A
l-∆ l
∆l
F
Gambar 7.1. Kompresi pada benda padat Dengan gaya tekan tadi, benda mengalami tegangan (stress, σ ) dan regangan (strain, ε ) sebesar: F A ∆l ε= l
σ=
(7.1)
Hubungan antara stress dan strain ini sama seperti hubungan antara gaya dan regangan pada pegas. Pada daerah elastis, hubungan itu bersifat linear:
F = kx
(7.2)
Demikian pula untuk stress dan strain berlaku:
σ = Eε
(7.3)
di sini E adalah konstanta yang disebut sebagai modulus elastisitas memanjang. Energi yang tersimpan pada pegas yang ditekan adalah usaha yang diberikan pada pegas, yaitu gaya dikali regangan (perubahan panjang). Dalam kasus pegas, gaya merupakan fungsi regangan dan bersifat linear seperti tampak pada gambar berikut:
Gambar 7.2. Kompresi pada daerah elastis Karena gaya tidak konstan dan merupakan fungsi linear dari x, maka usaha U:
100
U = ∫ F ( x).dx = ∫ k .x.dx = 12 kx2 = 12 F .x (7.4) Demikian berlaku pula hal serupa pada kompresi benda padat. Dengan memasukkan F = A.σ dan Δl = εl, maka di sini berlaku: U = 12 F .∆l = 12 Aσ .εl =
Al Al σ 2 σ2 σ ε= =V 2 2 E 2E
(7.5)
di sini U adalah usaha atau energi yang tersimpan dalam benda padat yang dikompresi dan V volume benda tersebut. Jika kita hendak mengetahui energi per satuan volume, maka untuk zat padat berlaku: U σ2 = V 2E
(7.6)
Sekarang kita tinjau pemampatan pada zat cair dan gas, untuk sistem seperti pada gambar di bawah dengan tabung silinder berpenampang konstan:
Gambar 7.3. Kompresi pada zat cair dan gas Dari gambar di atas, adanya gaya F menyebabkan fluida terdesak ke bawah, sehingga ada pengurangan panjang kolom sebesar Δl menjadi l-Δl, atau ada pengurangan volume fluida sebesar ΔV. Kita maklum bahwa pada benda padat gaya per satuan luas disebut stress sedangkan pada fluida disebut tekanan. Pada zat padat ada modulus elastisitas E, sedangkan pada fluida ada modulus curah K. Analogi dengan persamaan (7.3) maka tekanan pada fluida dapat dinyatakan sebagai: p=K
∆l ∆V =K l V
(7.7)
Dalam zat cair, K tetap tidak bergantung tekanan sehingga energi yang tersimpan adalah: U = 12 F .∆l = 12 Ap .
l. p Al p 2 V p 2 = = K 2 K 2 K
(7.8)
Energi per satuan volumenya adalah
101
U p2 = V 2K
(7.9)
Sekarang kita tinjau gas. Dalam gas, modulus curah K bergantung tekanan yaitu:
K =
dp = k. p dv v
(7.10)
di sini k adalah perbandingan panas jenis pada tekanan tetap terhadap panas jenis pada volume tetap (Cp/Cv) dari gas yang bersangkutan dan p tekanan mutlak. Untuk sistem dengan luas yang tetap seperti di atas, berlaku pula: K =
dp = k. p dl l
(7.11)
Atau dp = k . p
dl l
→
p.dl =
dp .l k
(7.12)
Dengan demikian, energi yang tersimpan dalam gas yang dikompresi adalah: U = ∫ F .dx = A∫ p.dl = A∫
dp .l Al = k k
p2
∫ dp =
p1
Al ∆p k
(7.13) Energi per satuan volumenya adalah U ∆p = V k
(7.14)
Untuk dapat membandingkan berapa energi yang tersimpan per satuan volume pada zat padat, cair dan gas, kita ambil tiga macam benda: baja untuk mewakili zat padat, air untuk zat cair dan udara untuk gas. Pada kondisi awal kita simpan ketiganya pada udara terbuka (tekanan mutlak 1 atm = 1,033.104 kgf/m2), kemudian ditekan dengan tekanan mutlak 7 atm (= 7,231.104 kgf/m2). Jika E untuk baja 2,1.1010 kgf/m2, K untuk air 2,1 108 kgf/m2 dan k untuk udara 1,4 maka energi yang tersimpan per satuan volume untuk ketiganya adalah seperti tampak pada tabel berikut: Tabel 7.1. Energi yang tersimpan per satuan volume Baja
Air
Udara
102
Σ
E
σ2/2E
7,231.104 kgf/m2
2,1.1010 kgf/m2
0,1245 kgf/m2
p
K
p2/2K
7,231.104 kgf/m2
2,1 108 kgf/m2
12,45 kgf/m2
p2
p1
Δp/k
7,231.104 kgf/m2
1,033.104 kgf/m2
4,43. 104 kgf/m2
Jika dibandingkan, kita lihat bahwa energi yang tersimpan dalam udara terhadap air adalah sekitar 3.500 kali. Apalagi dengan baja, sekitar 350.000 kali pada pemberian tekanan yang sama. Di sinilah letak salah satu keuntungan kompresi gas dibanding zat lainnya.
7.2. Persamaan Gas Dalam pasal ini akan disajikan proses yang berlangsung pada gas dalam suatu wadah. Ada tiga variabel yang secara fisik dapat kita amati yaitu tekanan, volume dan temperatur. Kita perhatikan terlebih dahulu hubungan antara tekanan dan volume kemudian hubungan antara temperatur dan volume.
7.2.1. Hubungan Tekanan dengan Volume Hubungan antara tekanan dan volume secara naluriah saja dapat kita perkirakan karena kita telah berpengalaman bermain balon. Kalau volume balon itu kita kecilkan dengan menekannya, maka tangan kita akan merasakan perlawanan (tekanan) dari balon itu. Jadi secara logika, jika volume diperkecil maka tekanan membesar dan sebaliknya jika volume diperbesar, maka tekanan mengecil (gambar di bawah):
Gambar 7.4. Perlakuan pada gas Jika demikian, berarti hubungan antara tekanan dan volume berbanding terbalik, atau: p=
K V
(7.15)
di sini p = tekanan, V = volume dan K suatu konstanta. Persamaan ini dapat pula dituliskan: pV = K
(7.16)
Jika demikian halnya, maka p1V1 = p 2V2 = = p nVn = tetap
(7.17)
Persamaan ini berlaku dengan asumsi tidak ada perubahan temperatur atau isotermal. Tekanan yang dimaksud adalah tekanan mutlak. Persamaan ini dikenal sebagai Hukum Boyle.
7.2.2. Hubungan Temperatur dengan Volume Gas memiliki koefisien muai yang jauh lebih besar dibanding zat cair dan padat. Berbeda dengan padat, berbagai gas memiliki koefisien muai yang sama yaitu: semua macam gas apabila temperaturnya dinaikkan sebesar 1 oC dengan tekanan dijaga tetap, maka akan mengalami
103
pertambahan volume sebesar 1/273 dari volumenya pada 0 oC. Sebaliknya jika temperaturnya diturunkan 1 oC, akan mengalami penurunan yang sebanding dengan kenaikannya. Hukum ini disebut Hukum Charles. Jadi, jika gas memiliki volume pada 0 oC sebesar V0 maka pada temperatur t1 pada tekanan yang sama gas tersebut akan memiliki volume sebesar V1 dan berlaku:
V1 = V0 +
t 1 .t1 .V0 = V0 1 + 1 273 273
(7.18)
Demikian pula temperaturnya dinaikkan menjadi t2 pada tekanan konstan, didapat:
t V2 = V0 1 + 2 273
(7.19)
Jika kedua persamaan tadi diperbandingkan diperoleh:
1 + V1 = V2 1 +
t1 273 273 + t1 T1 = = t 2 273 + t 2 T2 273
(7.20)
Persamaan terakhir ini menyatakan bahwa pada tekanan tetap, volume gas berbanding lurus dengan temperatur mutlaknya dan dapat pula dituliskan sebagai:
V V1 V2 = = = n = tetap T1 T2 Tn
(7.21)
Temperatur dalam T ini disebut temperatur mutlak dan dinyatakan dengan satuan Kelvin (K) atau ada juga yang menggunakan oK. Proses pada tekanan tetap ini disebut proses isobarik.
7.2.3. Persamaan Keadaan Gas Ideal Dari dua hukum di atas, Hukum Boyle (isotermal) dan Hukum Charles (Isobarik) dapat digabung untuk membentuk persamaan umum: pV = C = tetap T
(7.22)
Dari persamaan ini, jika T tetap (isotermal) maka menjadi persamaan Boyle dan jika tekanan tetap (isobarik) akan menjadi persamaan Charles. Konstanta pada persamaan terakhir ini sebanding (berbanding lurus) dengan jumlah gas (massa atau berat). Jadi: pV = R g G → PV = GR g T T
(7.23)
di sini p adalah tekanan mutlak dalam Paskal, V dalam m3, G berat gas dalam Newton dan Rg konstanta gas dalam meter/Kelvin. Harga Rg ini berbeda-beda untuk setiap gas, akan tetapi untuk suatu gas harga ini konstan, tidak bergantung pada suatu keadaan sehingga disebut konstanta gas. Untuk udara kering pada tekanan 1 atm dan temperatur 0 oC, Rg udara sebesar
104
29,27 m/K. Untuk udara lembab tentunya harga Rg berbeda dengan udara kering karena sudah berbeda jenis gas. Udara lembab lebih banyak mengandung uap air sehingga berat jenisnya pun berbeda dengan udara kering. Pada kelembaban 65%, Rg udara lembab ini sebesar 29,46 m/K. Persamaan di atas dapat dituliskan dalam berbagai bentuk, namun yang lazim dalam teknik adalah dalam konteks berat, massa, volume jenis (m3/N) dan berat jenis. Dalam bentuk berat ditunjukkan seperti persamaan di atas dan dalam bentuk massa dapat diturunkan dari persamaan tersebut yakni: pV = GR g T = mgR g T = mR m T
(7.24)
di sini g = percepatan gaya tarik bumi. Ini berarti Rm = g.Rg = 9,8 m/s2.29,27 m/K = 286,846 ≈ 287 m2/(s2.K) atau J/(Kg.K). Ada pula yang menggunakan volume jenis: pV = GR g T → P
V = R g T → Pv = R g T G
(7.25)
Volume jenis di sini berlawanan dengan berat jenis, v = 1/γ, sehingga: pv = R g T =
p
(7.26)
γ
Persamaan terakhir ini mengingatkan kita pada head tekanan. Jadi head tekanan adalah: hp =
p
γ
= Rg T
(7.27)
Jika diketahui tekanan dan temperatur gas, kita dapat menentukan kerapatan (massa jenis) gas tersebut: p = Rg T → g .ρ p p ρ= = g .R g .T Rm .T
(7.28)
Gas sedemikian, yang memenuhi persamaan-persamaan di atas disebut gas ideal. Dalam perhitungan, umumnya gas dipandang sebagai gas ideal.
Contoh Soal 7.1: a. Berapakah kerapatan (massa jenis) udara (dalam kg/m3) jika bertekanan 5 bar pada temperatur 27 oC? b. Berapa m3 ruangan dibutuhkan untuk menampung udara seberat 5 kg pada temperatur 25 oC dan tekanan 4 bar?
Jawab: a. Kerapatan ρ = b. V =
m
ρ
=
p 5.10 5 = = 5,8 kg / m 3 Rm .T 287 .300
m.Rm .T 5.287 .298 = = 1,07 m 3 5 P 4.10
105
7.3. Proses-Proses Kompresi Kompresi gas idealnya dapat diwujudkan dalam tiga cara yaitu isotermal, adiabatik dan politropik. Ketiga proses itu dapat diterangkan sebagai berikut:
Kompresi Isotermal Kompresi pada hakikatnya memberikan energi mekanik, yang kemudian tersimpan di dalam gas. Karena energi itu kekal, energi ini disimpan juga dalam bentuk panas selain energi tekanan. Semakin besar energi yang diberikan, semakin besar pula kenaikan temperaturnya. Untuk menjaga agar temperatur tetap, proses ini harus didinginkan. Di sinilah berlaku proses isotermal, yakni T = konstan atau: pV = tetap
(7.29)
Atau dapat juga ditulis sebagai:
pv = tetap
(7.30)
Sehingga:
p1v1 = p 2 v 2 p1 v = 2 p2 v1
(7.31)
Prose isotermal ini cukup ideal, jadi dalam kenyataannya sulit dicapai. Panas yang dihasilkan cukup cepat dan besar. Di sinilah sulitnya menjaga temperatur tetap.
Kompresi Adiabatik Seperti diulas di muka, kompresi isotermal memerlukan pembuangan panas agar temperatur konstan. Dalam kompresi adiabatik justru sebaliknya; agar tidak ada panas yang terbuang. Proses akan berlangsung secara adiabatik sempurna jika tidak ada panas yang terbuang sedikit pun. Untuk itu agar proses berjalan adiabatik, sistem harus diisolasi. Karena tidak mungkin kita dapat mengisolasi sistem secara sempurna, kita tidak akan dapat memperoleh proses adiabatik yang sempurna pula. Jadi proses ini pun ideal, hanya dalam kajian teoritis belaka. Panas yang tertahan pada proses adiabatik menyebabkan tekanan gas naik lebih tinggi (pada volume yang sama) dibanding proses isotermal. Tekanan itu lebih tinggi karena ada kenaikan temperatur. Temperatur tersebut naik karena energi kompresi akan tersimpan dalam sistem sebagai energi dalam (internal energi). Kenaikan temperatur ini sebanding dengan kenaikan energi dalam yang juga sebanding dengan kerja yang diberikan pada sistem. Hal ini dibicarakan lebih rinci dalam termodinamika. Ringkasnya, secara termodinamika, proses adiabatik memenuhi persamaan berikut: pv k = tetap
(7.32)
di sini k adalah perbandingan antara kapasitas panas pada tekanan tetap dengan kapasitas panas pada volume tetap, k = cp/cv. Jika k = 1 persamaan di atas menjadi persamaan untuk proses isotermal. Persamaan di atas tadi dapat dituliskan sebagai:
106
p1v1k = p 2 v 2k v p 2 = 1 v2
k
p1
(7.33)
Kita bisa bandingkan dengan proses isotermal. Karena di sini k > 1 dan pada proses kompresi volume mengecil, yakni v1/v2 > 1, kita akan memperoleh p2 lebih besar dari pada proses isotermal (k = 1).
Kompresi Politropik Kita maklum bahwa kedua proses di atas tadi merupakan proses ideal yang kenyataannya sulit dicapai. Kita sulit mencapai isotermal karena ada kenaikan temperatur dan juga kita sulit mencapai adiabatik karena ada panas yang berpindah (keluar). Jadi proses yang terjadi sesungguhnya adalah proses di antara keduanya, terjadi kenaikan temperatur dan juga ada panas yang keluar yang disebut sebagai proses politropik. Jadi proses ini menggunakan persamaan seperti untuk proses adiabatik hanya harga k diganti dengan n yang nilainya berada di antara 1 dan k atau 1 < n < k:
p1 v1n = p 2 v 2n v p 2 = 1 v2
n
p1
(7.34)
Jika diperbandingkan, ketiga proses kompresi itu tampak seperti pada tabel di bawah. Di sini digunakan udara dengan k=1,4, dan untuk proses politropik digunakan n=1,2. Tabel 7.2. Perbandingan Proses Kompresi No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
V 1,000 0,500 0,333 0,250 0,200 0,167 0,143 0,125 0,111 0,100 0,091
P(Isotermal)
P(Politropik)
1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 11,000
1,000 2,297 3,737 5,278 6,899 8,586 10,330 12,126 13,967 15,849 17,769
P(Adiabatik) 1,000 2,639 4,656 6,964 9,518 12,286 15,245 18,379 21,674 25,119 28,704
Jika perbandingan itu digambarkan secara grafik, ketiga proses kompresi itu tampak seperti gambar di bawah.
107
30 25
Isotrml Politrpk
Tekanan
20
Adiabtk
15 10 5
1,000
0,500
0,333
0,250
0,200
0,167
0,143
0,125
0,111
0,100
0,091
0
Volume
Gambar 7.5. Perbandingan Kompresi Yang harus diingat dari gambar di atas adalah bahwa kurva proses kompresi isotermal paling landai dan disusul proses politropik dan terakhir proses adiabatik. Jadi adiabatik menunjukkan kurva yang paling curam (terjal). Hal ini penting dan berguna dalam menggambarkan beberapa proses yang terjadi secara berulang (siklus).
7.4. Perubahan Temperatur Kompresi Persamaan untuk proses politropik dapat dikatakan sebagai persamaan umum bagi isotermal dan adiabatik. Jika n = 1, persamaan untuk politropik menjadi isotermal dan jika n = k menjadi adiabatik. Oleh karena itu dalam menentukan kenaikan temperatur kompresi, di sini hanya diambil persamaan umum atau untuk politropik. Dari persamaan politropik diperoleh: n
v2 p = 1 p2 v1
(7.35)
Dari persamaan gas ideal diperoleh:
v2 v1
n
T p = 2 1 T1 p 2
n
Jika kedua persamaan tadi digabungkan diperoleh:
108
(7.36)
n
T2 p1 p = 1 p2 T1 p 2 T2 T1
1−n
n
p = 1 p2
T2 p1 = T1 p 2
1−n n
Atau p2 T2 = T1 p 1
n −1 n
(7.37)
Jika diplot, persamaan di atas akan tampak seperti berikut (untuk n = 1,4): 673
Temperatur Kompresi T2
623 573 o
T1 ( C)
523
0 20 40 60
473 423 373 323 273 1
2
3
4 5 6 7 8 Perbandingan Tekanan P2/P1
9
10
11
Gambar 7.6. Temperatur Kompresi
7.5. Sifat Fisik Udara Sifat fisik udara yang penting kita bahas di sini adalah komposisi udara, massa jenis, panas jenis kelembaban dan tekanan udara.
7.5.1. Komposisi Udara Udara merupakan gas campuran yang terdiri dari nitrogen, oksigen, argon, karbon dioksida, uap air dan uap-uap lainnya. Adapun komposisinya dapat dilihat dalam tabel berikut:
109
Tabel 7.3. Kadar berbagai gas dalam udara. Rasio terhadap udara kering (%)
Gas
Volume
Berat
Oksigen
20,948
23,20
Nitrogen
78,084
75,47
Karbon Dioksida
0,03
0,046
Hidrogen
0,00005
~0
Argon
0,933
1,28
Neon
0,0018
0,0012
Helium
0,0005
0,00007
Kripton
0,0001
0,0003
Xenon
0,0000087
0,00004
Metan
0,0002
7.5.2. Berat Jenis Udara Karena gas sangat kompresibel, berat jenis gas sangat bervariasi bergantung pada tekanan dan temperatur. Oleh karena itu berat jenis suatu gas harus diukur pada keadaan tertentu yang biasanya distandarkan. Dalam Sularso dan Tahara [9.2], ada dua standar temperatur dan tekanan (standard temperature and pressure, STP) untuk udara yaitu standar industri dan normal teoritis sebagai berikut: Tabel 7.4. Dua keadaan standar udara. Variabel
Standar Industri
Normal Teoritis
Temperatur (oC)
20
0
Tekanan Mutlak (mmHg)
760
760
Kelembaban relatif (%)
65
Berat Jenis (N/m3)
11,807
12,68
Udara pada kondisi standar industri ini lazim digunakan pada kondisi udara di sisi isap kompresor [9.2]. Akan tetapi dalam Wikipedia, ada banyak standar temperatur dan tekanan seperti tampak dalam tabel berikut: Tabel 7.5. Beberapa keadaan standar udara. Temperatur °C 0 0
110
Tekanan mutlak kPa 100.000 101.325
Kelembaban Relatif % RH
Yang menentukan IUPAC (definisi yang sekarang) IUPAC (definisi yang awal), NIST, ISO
15 20 25 25 20 15 °F 60 60 59 59
101.325 101.325 101.325 100.000 100.000 100.000 psia 14.696 14.73 14.503 14.696
[4] [5]
0 ,
0
10780 ISA, ISO 13443, EEA, EGIA EPA, NIST EPA SATP CAGI SPE
% RH
78 60
SPE, OSHA, SCAQMD EGIA, OPEC, EIA Army Standard Metro ISO 2314, ISO 3977-2
Catatan: • • • • • • • •
101.325 kPa = 1 atmosphere = 1.01325 bar ≈ 14.696 psi 100.000 kPa = 1 bar ≈ 14.504 psi 14.503 psi ≈ 750 mmHg ≈ 100.0 kPa ≈ 1 bar 14.696 psi ≈ 1 atm = 101.325 kPa 14.73 psi ≈ 30 inHg ≈ 1.0156 bar ≈ 101.560 kPa 59 °F = 15 °C 60 °F ≈ 15.6 °C dry = 0 percent relative humidity = 0 % RH
Kepanjangan singkatan pada tabel di atas: • • • • • • • • • • • • • •
IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry NIST: National Institute of Standards and Technology ISA: ICAO's International Standard Atmosphere ISO: International Organization for Standardization EEA: European Environment Agency EGIA: Electricity and Gas Inspection Act (Canada) EPA: U.S. Environmental Protection Agency SATP: Standard Ambient Pressure and Temperature CAGI: Compressed Air and Gas Institute SPE: Society of Petroleum Engineers OSHA: U.S. Occupational Safety and Health Administration SCAQMD: California's South Coast Air Quality Management District OPEC: Organization of Petroleum Exporting Countries EIA: U.S. Energy Information Administration
7.5.3. Panas Jenis Udara dan Gas Lainnya Panas jenis adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 (satu) kg suatu zat sebesar 1 oC. Sedangkan jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur sejumlah zat (benda) sebesar 1 oC disebut sebagai kapasitas termal zat tersebut. Panas adalah juga energi karenanya satuan untuk jumlah panas setara dengan satuan untuk energi yang dalam hal ini lazim digunakan kalori (kal) atau kilokalori (kkal). Adapun 1 kkal adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1 oC. Jadi panas jenis air adalah 1 kkal/kg/oC atau 1 kkal/(kg.oC). Karena panas juga energi, dalam satuan internasional digunakan kiloJoule (kJ) yaitu 1 kJ = 0,2389 kkal atau 1 kkal = 4,186 kJ.
111
Definisi panas jenis gas juga sama seperti zat lain hanya dalam gas dibedakan antara panas jenis pada tekanan tetap (cp) dengan panas jenis pada volume tetap (cv). Jika suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap, maka volumenya bertambah lebih banyak dari pada zat cair dan padat. Demikian pula sebaliknya jika didinginkan pada tekanan tetap, maka volumenya mengecil lebih banyak dari zat cair dan padat. Penambahan volume (ekspansi) ini dapat menyerap panas lebih banyak ketimbang jika gas itu dipanaskan pada volume tetap (tekanan yang bertambah). Oleh karena itulah maka kapasitas panas pada tekanan tetap lebih besar dari pada kapasitas panas pada volume tetap. Dengan demikian, k =cp/cv akan lebih besar dari satu. Panas jenis udara dan beberapa gas lainnya dapat dilihat dalam tabel berikut (dalam kJ/(kg.oC): Tabel 7.6. Panas jenis berbagai gas. Nama Gas
Rumus kimia
Jumlah atom
cp
cv
Udara
-
-
1,01
0,712
1,42
Argon
Ar
1
0,52
0,31
1,67
Helium
He
1
5,23
3,16
1,66
Hidrogen
H2
2
14,32
10,16
1,41
Nitrogen
N2
2
1,03
0,74
1,39
Oksigen
O2
2
0,91
0,65
1,4
Uap air (1 atm, 100-315 C)
H2O
3
1,97
1,5
1,31
Karbon dioksida
CO2
3
0,86
0,66
1,30
Asetilin
C2H2
4
1,47
1,35
1,24
Alkohol
C2H5OH
9
1,88
1,67
1,13
Amoniak
NH3
4
2,19
1,66
1,32
2,34
1,85
1,27
Gas Alam
k =cp/cv
7.5.4. Kelembaban Udara Jika molekul air mendapat energi yang cukup maka molekul air tersebut akan lepas atau menguap. Jika air dipanaskan misalnya, kita akan melihat gelembung uap keluar dari dalam air. Penguapan ini akan berjalan terus sampai pada titik jenuhnya. Pada titik jenuh ini, di samping terjadi penguapan juga terjadi kondensasi atau pengembunan. Pada keadaan jenuh, jumlah uap air tidak bertambah lagi karena jumlah air yang menguap sama dengan jumlah yang mengembun. Tekanan uap air pada saat jenuh disebut tekanan uap jenuh. Karena penguapan ini bergantung pada jumlah energi (panas), kandungan uap air di dalam udara atau tekanan uap di dalam udara juga bergantung pada temperatur. Makin tinggi temperatur, makin besar energi yang dimiliki dan makin banyak air menguap. Dengan kata lain, makin tinggi temperatur, makin besar tekanan uapnya atau makin tinggi titik jenuhnya. Pada temperatur tertentu, jumlah uap air di dalam udara dapat dinyatakan dengan kelembaban.
112
Kelembaban udara mencerminkan kandungan uap air di dalam udara. Makin banyak uap air yang terkandung dalam suatu volume udara pada temperatur tertentu, makin besar pula kelembabannya. Sebaliknya, makin sedikit jumlah uap air yang terkandung dalam satu satuan volume udara, makin kecil pula kelembabannya. Kelembaban dapat dinyatakan dalam dua pengertian: kelembaban mutlak (absolut humidity) atau kelembaban spesifik (specific humidity) dan kelembaban nisbi (relative humidity). Kelembaban mutlak menyatakan kandungan berat (massa) uap air (gram) di dalam tiap volume udara (m3), sedangkan kelembaban spesifik menyatakan jumlah uap air (gram) dalam tiap satuan massa udara (kg). Perlu juga kembali diingat bahwa jumlah uap ini secara langsung menentukan tekanan uap, maka kelembaban mutlak (spesifik) juga dapat dinyatakan dengan tekanan uap. Jadi kelembaban mutlak dapat dinyatakan dengan: •
Jumlah (kadar) uap air (dalam gram) yang terkandung di dalam 1 m3 udara lembab.
•
Jumlah uap air (dalam gram) yang terkandung di dalam 1 kg udara kering.
•
Tekanan Uap.
Kadar uap air dalam udara pada tekanan 1 atmosfir adalah seperti tampak pada tabel berikut [9.2]: Tabel 7.7. Kandungan uap air di dalam udara pada 1 atmosfir. Temperatur (oC)
Jumlah Uap Air Jenuh gram/m3
Tekanan (mmHg)
gram/kg
0
4,85
3,772
4,581
10
9,40
7,625
9,205
20
17,30
14,69
17,53
30
30,40
27,18
31,83
40
51,50
48,84
55,34
50
83,00
86,25
92,56
60
130,00
152,3
149,5
70
198,00
276,3
233,8
80
293,00
546
355,3
90
423,00
1.397
525,9
99
574,00
1706
733,3
100
597,00
-
760
Karena kelembaban mutlak ditentukan terhadap volume udara, maka apabila tekanan atau temperatur udara tersebut berubah, kelembaban mutlak pun berubah. Di situlah letak kelebihan kelembaban spesifik yang dihitung terhadap massa udara. Massa udara tidak berubah meskipun temperatur atau tekanan berubah. Kalau kelembaban mutlak/spesifik menyatakan kadar uap air di dalam udara, kelembaban nisbi menyatakan perbandingan antara kelembaban mutlak udara pada temperatur tertentu terhadap kelembaban mutlak udara jenuh pada temperatur tersebut. Karena itu kelembaban nisbi dinyatakan dalam persen. Jadi kelembaban nisbi adalah:
113
Perbandingan antara kelembaban mutlak udara lembab terhadap kelembaban mutlak udara jenuh pada temperatur yang sama. Atau Perbandingan antara tekanan uap air di dalam udara lembab terhadap tekanan uap jenuh pada temperatur yang sama. Kelembaban nisbi ini yang biasa sehari-hari digunakan seperti pada prakiraan cuaca atau dalam konteks yang lain.
7.5.5. Tekanan Udara Tekanan udara telah dibicarakan dalam bab pertama berkaitan dengan tekanan atmosfir. Di sini akan ditegaskan lagi bahwa tekanan udara di ketinggian nol (permukaan laut) adalah satu atmosfir yaitu sekitar 1,0332 kg pada setiap luas 1 cm2. Tekanan ini menjadi tekanan nol pada alat ukur. Jika kita mengukur tekanan suatu ruang tertutup misalnya, maka yang terbaca adalah nilai lebih dari tekanan atmosfir tadi. Jadi tekanan yang sebenarnya (tekanan mutlak) adalah tekanan alat ukur (gage) atau tekanan lebih ditambah tekanan satu atmosfir tersebut.
7.6. Pemakaian Kompresor dan Udara Tekan Kompresor menempati banyak penerapan dari skala kecil hingga besar. Berikut ini beberapa contoh penerapan kompresor dari beberapa sumber: •
Pada pipa penyalur gas alam, kompresor digunakan untuk menekan gas yang dikirim ke konsumen.
•
Untuk penyemprotan cat, cairan anti kuman, minyak, cairan pembersih dan lainnya.
•
Dalam beberapa industri seperti kilang minyak, pengolah gas alam, industri kimia dan petrokimia dan yang serupa, kompresor digunakan untuk kompresi gas produk setengah jadi dan produk akhir.
•
Pada finishing, pembersihan permukaan, blasting, digunakan untuk penyemprotan partikelpartikel gelas atau logam.
•
Untuk pembersihan melalui peniupan.
•
Pada industri minyak dan gas, digunakan untuk mengangkat minyak (gas lift) serta untuk menghilangkan gas dari zat cair.
•
Pada sistem pendingin dan pengkondisi udara, kompresor digunakan untuk memompa panas melalui siklus gas pendingin (refrigeran).
•
Pada sistem turbin gas, digunakan untuk kompresi udara masukan ke ruang bakar.
•
Untuk menyimpan gas yang dimurnikan pada volume kecil atau tabung bertekanan untuk keperluan medis, pengelasan atau penggunaan lain.
•
Untuk menghidupkan dan menggerakkan alat-alat pneumatik pada berbagai industri, pabrik dan perakitan.
•
Sebagai alat untuk mengirim energi untuk mentenagai sistem-sistem pneumatik seperti mesin press dan penggetar.
114
•
Untuk mengkondisikan udara di dalam kabin pesawat terbang (pressurized cabin) agar bertekanan tetap 1 atm (di luar lebih rendah) dengan udara yang layak untuk bernafas.
•
Pada mesin jet seperti turbojet dan turbofan, digunakan untuk memberikan udara bertekanan yang diperlukan untuk pembakaran. Kompresor sedemikian mengambil daya dari mesin itu sendiri.
•
Untuk menyimpan gas untuk bernafas pada penyelaman (scuba diving), terapi zat asam yang bertekanan dan alat-alat penyangga hidup yang lain seperti untuk kolam ikan dan untuk pekerja tambang.
•
Menyimpan udara pada kapal selam untuk mengapung.
•
Mengirimudara panas (untuk pemanasan) dan udara dingin (untuk pendinginan).
•
Meningkatkan konsentrasi oksigen pada sistem turbocharger dan supercharger untuk meningkatkan performansi mesin.
•
Untuk pengendalian otomatis.
•
Memberi udara bertekanan untuk pengereman kendaraan berat dan kereta api, untuk menggerakkan pintu-pintu, jendela-jendela, wiper dan gearbox.
•
Pengkondisian udara (kelembaban). Dengan kompresi, uap air akan mengkondensasi (mengembun).
•
Dalam industri gelas/kaca, udara tekan digunakan untuk meniup gelas (botol) yang masih panas (lunak) dalam cetakan.
•
Dalam industri keramik, ada pelapisan gelas dan didinginkan dengan udara tekan.
•
Pada pekerjaan sipil, digunakan untuk penggetar untuk meratakan coran, atau sebaliknya untuk memecahkan beton. Udara tekan digunakan juga untuk stamper (pemadat), penggali jalan, penumbuk tiang pancang.
Demikianlah beberapa contoh penerapan kompresor dan udara tekan. Kita bisa melihat contoh penggunaan lain dari berbagai sumber.
115
8. Kompresor dan Performansinya
Dalam bab ini disajikan azas kompresor yang tidak lain merupakan pompa untuk gas karena memang bersifat kompresibel (bisa dikompresi, dimampatkan). Kompresor menempati bidang penggunaan dan penerapan yang luas sehingga juga memiliki daerah tekanan yang luas. Ini akan diulas dalam klasifikasi dan konstruksi kompresor. Pasal-pasal berikutnya dalam bab ini membahas performansi kompresor berkaitan dengan kebutuhan daya, efisiensi dan langkahlangkah penghematan energi pada kompresor.
8.1. Klasifikasi dan Konstruksi Kompresor Kita sebenarnya sudah sangat akrab dengan kompresor, karena sudah biasa menggunakan pompa ban sepeda atau menggunakan kompresor ketika kendaraan kita menghadapi masalah dengan ban. Pompa sepeda lebih akrab di telinga kita ketimbang kompresor (sepeda) meskipun seharusnya istilah kedua tersebut yang lebih tepat. Mengapa? Dalam pompa sepeda, sejumlah udara diisap, kemudian dimampatkan (compressed) dengan terus menekan atau mengurangi volume yang ditempatinya. Dengan memperkecil volume, tekanan meningkat sehingga melampaui tekanan di dalam ban. Jika sudah mampu mengatasi tekanan ban dan tekanan pentil sepeda, udara di dalam pompa tadi akan masuk ke dalam ban. Semakin lama kita akan merasakan semakin berat memompa karena memang tekanan di dalam ban makin tinggi dan makin sedikit udara yang mampu masuk ke dalam ban. Jadi kompresor secara fisik tidak jauh berbeda dengan pompa. Jika pompa menangani fluida cair, maka kompresor menangani fluida gas. Demikian pula jika kita sudah mengerti prinsip kerja pompa, maka begitu pula prinsip kerja kompresor.
Jenis Kompresor Pompa sepeda termasuk dalam kompresor perpindahan (positive displacement). Dalam kompresor perpindahan, sejumlah gas diperangkap dan dipindahkan ke bagian keluaran. Selama dalam perpindahan, volume udara relatif tetap. Pada frekuensi yang sama, kapasitas aliran (massa) gas yang dipindahkan relatif konstan, tidak bergantung pada tekanan keluaran. Di sini sejumlah gas dipaksa masuk. Kapasitas kompresor jenis ini bergantung erat atau berbanding lurus dengan frekuensi atau kecepatan putar. Makin tinggi frekuensi atau kecepatan putar, makin tinggi pula kapasitasnya secara linear. Untuk dapat lebih jelas memahami kompresor perpindahan ini perhatikan gambar berikut:
116
Gambar 8.1. Kompresor Lobe Gambar di atas adalah kompresor lobe (cuping) atau disebut juga jenis roots yang merupakan salah satu jenis kompresor perpindahan. Misalkan pada mulanya udara terperangkap dalam ruang A. Karena lobe berputar, ruang A ini pun berpindah sampai akhirnya menempati B. Selama dalam perjalanan menuju B, volume dan tekanan udara dalam ruang tersebut tetap yakni sama dengan tekanan Ps. Andaikan tekanan Pd lebih besar dari Ps atau B, maka begitu ruang B terbuka dan berhubungan dengan Pd, udara dalam B ini langsung bertekanan (hampir) sama dengan Pd. Kompresor perpindahan ini bisa terdiri dari jenis resiprokal (gerak bolak-balik) dan rotari (berputar). Contoh di atas merupakan salah satu bentuk kompresor perpindahan rotari. Pada kompresor resiprokal, ada piston atau membran yang bergerak bolak-balik mengisap dan mendorong gas. Ciri khas jenis resiprokal ini adalah keluarannya pulsatif seperti detak jantung, seperti tampak pada gambar berikut:
Gambar 8.2. Pulsasi Pompa
Kompresor Sentrifugal Dari segi impeler, kompresor sentrifugal juga seperti pompa sentrifugal yaitu terbagi dalam kompresor radial, aksial dan campur. Bentuk impeler dan besarnya kecepatan spesifik juga sama seperti pompa. Oleh karena itu, dalam perhitungan kita dapat menggunakan besarnya kecepatan spesifik impeler untuk pompa.
Kipas, Blower, Ventilator dan Kompresor Pada hakikatnya kipas (fan) dan peniup (blower) itu juga kompresor yang bekerja pada tekanan keluaran yang rendah, kurang dari 1 mH2O. Pada tingkat menengah, pada tekanan antara 1
117
sampai 10 mH2O (hampir 1 atm) disebut blower atau ventilator. Sedangkan kompresor lazim dihubungkan pada daerah tekanan yang lebih besar dari 10 mH2O.
8.2. Kerja dan Head Kompresor Sebelum menghitung kerja (usaha) kompresor keseluruhan yang diberikan kepada gas, kita tinjau terlebih dahulu kerja setiap jenis proses kompresi: isobarik, isokhorik, isotermal, adiabatik dan politropik.
8.2.1. Isobarik Proses isobarik berjalan pada tekanan tetap, sehingga usaha yang diberikan kompresor terhadap gas adalah gaya dikali jarak perpindahan atau tekanan dikali luas dikali jarak atau tekanan dikali perubahan volumenya. Jika digambarkan dalam diagram PV, akan tampak seperti luas yang diarsir:
Gambar 8.3. Kerja pada proses isobarik. Luas yang diarsir yang menunjukkan besarnya usaha yang diberikan adalah:
W = p. − ( ∆V ) = p1 .(Vb − Va )
(8.1)
karena p1 konstan. Luasan ini merupakan besarnya energi yang diterima gas ketika dikompresi. Tanda minus harus diberikan karena dalam kasus ini energi gas bertambah, yang berarti perubahan energi bersifat positif sedangkan perubahan volume bersifat negatif.
8.2.2. Isokhorik Karena proses kompresi isokhorik berlangsung pada volume tetap, berarti tidak ada kompresi, energi yang diterima gas juga nol, seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 8.4. Kerja pada proses isokhorik.
118
8.2.3. Isotermal, Adiabatik dan Politropik Ketiga proses ini memiliki kurva PV yang mirip (seperti tampak pada gambar di bawah). Yang paling terjal adalah adiabatik (kurva a). Proses ini bertekanan lebih tinggi pada volume yang sama karena pada proses adiabatik, volumenya berpangkat k yang lebih besar dari satu. Yang paling landai tentu isotermal (kurva i) karena volumenya berpangkat satu. Kurva di antara keduanya adalah politropik (kurva p).
Gambar 8.5. Kerja pada proses isotermal, politropik dan adiabatik. Cara menentukan besarnya usaha (energi) yang diterima gas dalam ketiga proses itu mirip. Kita ambil politropik dalam perhitungan ini. Kerja yang diterima gas: W = ∫dW = −∫ p.dV =
(8.2) Pada proses politropik,
p=
C = CV −n → pV = CV 1− n n V
Jadi 2
C −1 dV = CV 1−n n 1 − n V 1
W = −∫ p.dV = −∫
2 1
=
1 ( p 2V2 − p1V1 ) n −1
(8.3)
Untuk proses adiabatik, berlaku persamaan seperti di atas hanya saja n diganti dengan k. Akan tetapi, untuk proses isotermal tidak langsung n diganti dengan 1, tetapi: 2
C dV = −C ln V V 1
W = −∫ p.dV = −∫
2 1
= C ln
V1 V p = p1V1 ln 1 = p1V1 ln 2 V2 V2 p1
(8.4)
8.2.4. Kerja Keseluruhan Untuk menghitung kerja kompresor, kita lihat kompresor torak bolak-balik (resiprokal) yang mengkompresi udara satu siklus (putaran). Di sini kita lihat kompresor ideal yaitu kompresor yang dapat mencapai volume nol di titik mati atas. Grafik PV untuk kompresor ideal adalah seperti tampak pada gambar di bawah:
119
Gambar 8.6. Kerja satu siklus pada kompresor torak. Misalkan proses kompresi berjalan dari titik 1 (titik mati bawah). Dari sini torak bergerak ke kiri sampai pada titik 2 yaitu titik di mana tekanan di dalam kompresor melebihi tekanan keluaran (reservoir). Di titik 2 ini gas yang dikompresi keluar melalui katup keluaran pada tekanan tetap sampai pada titik mati atas ideal (V=0) yaitu titik 3. Karena di titik 3 ini semua gas keluar (gambar sebelah kiri), maka begitu torak bergerak ke kanan, di dalam kompresor langsung mencapai tekanan atmosfir. Di titik ini katup masukan terbuka dan gas dari katup ini masuk terisap. Proses ini berjalan secara isobarik (tekanan tetap) sampai pada titik mati bawah (titik 1). Daya yang diterima gas yang dikompresi dalam satu putaran adalah luas bidang yang diarsir yaitu luas bidang 1-2-3-4-1. Jika proses dari 1 ke 2 berjalan politropik, maka luas bidang yang diarsir tersebut adalah luas proses politropik dari 1 ke 2 yaitu luas 1-2-a-b-1 ditambah luas proses isobarik dari 2 ke 3 yaitu luas bidang 2-3-0-a-2 dan dikurangi luas proses isobarik dari 4 ke 1 yaitu luas bidang 4-0-b-1-4. Jadi kerja totalnya adalah:
1 ( p2V2 − p1V1 ) + p 2V2 − p1V1 n −1 1 = + 1( p 2V2 − p1V1 ) n −1 n ( p2V2 − p1V1 ) = n −1 p V n = p1V1 2 2 − 1 n −1 p1 V1
W=
Karena pada proses politropik berlaku: V2 p1 = V1 p 2 Kita peroleh:
120
1
n
p = 2 p1
−1
n
p p −1 n n 2 2 W = p1V1 − 1 n −1 p1 p1 n −1 p 2 n n = p1V1 −1 n −1 p1
atau
W = p1V1 .C
(8.5)
di sini C: n p 2 C = n −1 p1
n −1 n
−1
(8.6)
Perbandingan tekanan p2/p1 adalah perbandingan tekanan kompresi yaitu rasio antara tekanan keluaran terhadap tekanan masukan pada satu tingkat (stage). Karena rasio tekanan total kompresor bertingkat adalah pangkat jumlah tingkat dari rasio masing-masing, C total dapat ditentukan dengan: n p 2 C = n −1 p1
i
n −1 n
−1
(8.7)
di sini i = jumlah tingkat. Jika kita petakan C (tunggal) terhadap rasio tekanan ini kita peroleh grafik berikut: Tabel 8.1. Harga C terhadap rasio tekanan. N n/(n-1) (n-1)/n
1,01 101 0,009901
1,1 11 0,090909
P2/p1
1,2 6 0,166667
1,3 4,333333 0,230769
1,4 3,5 0,285714
0,000 0,752 1,250 1,634 1,949 2,219 2,456 2,669 2,862 3,039 3,203 3,356 3,499 3,634 3,762 3,883 3,999
0,000 0,767 1,291 1,701 2,043 2,340 2,603 2,840 3,057 3,257 3,444 3,619 3,783 3,939 4,087 4,229 4,364
C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
0,000 0,696 1,105 1,396 1,622 1,808 1,965 2,101 2,221 2,329 2,427 2,516 2,598 2,674 2,745 2,811 2,873
0,000 0,715 1,155 1,477 1,733 1,946 2,129 2,289 2,432 2,561 2,679 2,788 2,889 2,983 3,071 3,153 3,232
0,000 0,735 1,206 1,560 1,846 2,088 2,299 2,485 2,653 2,807 2,948 3,079 3,200 3,315 3,423 3,524 3,621
121
N n/(n-1) (n-1)/n
1,01 101 0,009901
1,1 11 0,090909
1,2 6 0,166667
P2/p1
1,3 4,333333 0,230769
1,4 3,5 0,285714
4,110 4,216 4,318
4,493 4,618 4,737
C 18 19 20
2,932 2,988 3,041
3,306 3,376 3,443
3,713 3,801 3,885
Jika diplot, diperoleh kurva-kurva berikut: 5 4,5 4 3,5
C
3
n=1,01
2,5
1,1
2
1,2 1,3
1,5
1,4
1 0,5 19
17
15
13
11
9
7
5
3
1
0
Rasio Tekanan
Gambar 8.7. Harga C terhadap rasio tekanan. Daya kompresor dapat secara langsung ditentukan dengan melibatkan waktu pada volume sehingga menjadi kapasitas. Jadi daya kompresor politropik tersebut adalah:
P = p1Q1 .C
(8.8)
di sini P adalah daya. Jika kita kembalikan ke dalam persamaan gas ideal untuk menggantikan p1V1, diperoleh: W = mR mT1 .C P = ρQ1 Rm T1C
(8.9)
8.2.5. Head Kompresi Kita maklum bahwa head adalah energi/usaha per satuan berat. Jika demikian, maka head kompresi adalah:
122
H =
R T .C W = m 1 mg g
(8.10)
Dengan demikian maka daya kompresor dapat dinyatakan dengan persamaan head: P = ρ.Q.g .H
(8.11)
Contoh Soal 8.1: Hitung head yang dihasilkan kompresor yang memampatkan udara dengan tekanan awal 1 bar, temperatur 27 oC menjadi 5 bar dengan n = 1,2. Abaikan head kecepatan. Jawab: Dari persamaan atau kurva di atas diperoleh C = 1,85. T1 = 300 K, Rm udara = 287 J/kgK. H = RmT1C/g = 287.300.1,85/9,8 = 16253,6 m.
8.3. Efisiensi Dalam literatur dijumpai tiga jenis efisiensi pada kompresor: efisiensi adiabatik (isentropik), isotermal dan volumetrik. Untuk kompresor sentrifugal dikenal juga efisiensi politropik. Di sini disajikan dua saja: efisiensi volumetrik dan adiabatic/politropik.
Volume Perpindahan Torak Volume perpindahan torak merupakan volume yang dihasilkan torak saat kompresi. Untuk itu perhatikan gambar berikut:
Gambar 8.8. Langkah torak dan volume perpindahan. Volume perpindahan ini dapat ditentukan secara mudah melalui luas penampang torak dikali jarak perpindahan: V p = S.A = S.
π 4
D2
(8.12)
Jika frekuensi torak itu N putaran per menit (rpm), maka volume perpindahan per menit adalah: V pn = N .S .
π 4
D2
(8.13)
123
Persamaan ini berlaku untuk kompresor kerja tunggal yang hanya menggunakan satu ruang (sebelah kiri) seperti tampak pada gambar sebelah kiri di atas, sedangkan untuk kompresor kerja ganda (sebelah kanan), kompresi terjadi baik di sebelah kanan maupun sebelah kiri torak. Di sini berlaku: V p = 2 S .N .
π 4
D 2 − S .N .
π 4
d2
(8.14)
Ini merupakan volume torak teoritis karena yang sesungguhnya tidak demikian. Untuk dapat melihat hal ini lebih jauh, kita tinjau efisiensi volumetrik.
Efisiensi Volumetrik Proses kompresi yang terjadi sebenarnya tidaklah seperti yang terjadi pada kompresor ideal seperti di atas, melainkan seperti tampak pada gambar di bawah. Misalkan torak berawal dari titik 1 melakukan kompresi secara adiabatik. Ketika tekanan belum melampaui tekanan luar dan katup, gas masih terus termampatkan. Andaikan di titik 2 ini gas mulai keluar, maka torak terus melakukan kompresi pada tekanan tetap p2. Ketika torak mencapai titik mati atas, masih ada volume sisa, karena memang harus ada kelonggaran (clearance) supaya torak tidak menyentuh bagian atas silinder dan memberi ruang untuk gerak katup. Volume sisa ini, akan mengalami proses ekspansi seperti tampak dari titik 3 ke 4. Jadi udara luar tidak langsung terisap ketika torak mulai mundur (turun) karena tekanannya masih lebih tinggi. Gas dalam volume sisa ini kemudian mengalami ekspansi. Setelah tekanan mencapai p1, barulah gas dari luar terisap. Jadi massa gas yang sebenarnya dikeluarkan kompresor pada tekanan p2 dari V2 ke V3 sama dengan gas yang terisap dari posisi 4 ke 1. Efisiensi volumetrik didefinisikan sebagai rasio volume gas yang diisap pada kondisi masuk, terhadap volume torak yang berpindah.
Gambar 8.9. Kerja kompresor yang sebenarnya. Dari gambar di atas, volume gas yang terisap pada kondisi isap adalah volume di titik 1 (V1) dikurangi volume di titik 4 (V4). Sedangkan volume yang dihasilkan langkah torak adalah Vs = V1-Vc. Jadi V1 =V s +Vc
124
Jika efisiensi volumetrik didefinisikan sebagai rasio volume gas yang diisap pada kondisi masuk, terhadap volume torak yang berpindah, maka
ηv =
V1 − V4 Vs + Vc − V4 = V1 − Vc Vs
(8.15)
Apabila di sini ekspansi berjalan secara politropik, maka p V4 = Vc 2 p1
1
n
sehingga p Vs − Vc 2 p1 ηv = Vs
1
n
+ Vc
p 1n = 1 − ε 2 − 1 p1
(8.16)
di sini:
ε=
Vc Vs
Jika efisiensi ini ditabelkan terhadap perbandingan kompresi untuk n = 1,2 diperoleh: Tabel 8.2. Efisiensi Volumetrik terhadap rasio tekanan. ε
0,05
p2/p1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0,07
0,09
0,11
0,13
100,0 91,4 83,5 76,1 68,9 62,0 55,3 48,8 42,4 36,1 29,9 23,8
100,0 89,8 80,5 71,7 63,3 55,1 47,2 39,5 31,9 24,4 17,1 9,9
Eff Volumetrik 100,0 96,1 92,5 89,1 85,9 82,7 79,7 76,7 73,8 70,9 68,1 65,3
100,0 94,5 89,5 84,8 80,2 75,8 71,6 67,4 63,3 59,3 55,4 51,5
100,0 93,0 86,5 80,4 74,6 68,9 63,4 58,1 52,8 47,7 42,6 37,6
Jika diplot akan didapat:
125
100 90
Efisiensi Volumetrik
80 70 60
0,05
50
0,07
40
0,09 0,11
30
0,13
20 10 11
9
7
5
3
1
0
Rasio Tekanan
Gambar 8.10. Efisiensi Volumetrik Pada perbandingan kompresi yang rendah, perbedaan efisiensi sebagai fungsi volume clearance relatif tidak begitu besar, akan tetapi pada perbandingan kompresi yang besar, perbedaannya mencolok. Jelas bahwa efisiensi menurun drastis pada perbandingan kompresi yang tinggi. Jadi, supaya pengaruh volume sisa terhadap efisiensi tidak signifikan, sebaiknya perbandingan kompresi tidak terlalu besar.
Efisiensi Adiabatik Efisiensi adiabatik dapat ditentukan dari rasio daya adiabatik terhadap daya yang diberikan penggerak pada poros kompresor:
ηa =
Pa Ps
(8.17)
di sini Pa adalah daya adiabatik teoritis dan Ps adalah daya poros (sumbu) yang diberikan mesin penggerak. Daya adiabatik diperoleh dari kerja kompresor secara adiabatik seperti diuraikan di muka tiap satuan waktu: Pa = p1Q1C
(8.18)
di sini digunakan C untuk adiabatik: k p 2 C = k −1 p1
k −1 k
−1
(8.19)
8.4. Peningkatan Efisiensi Sistem kompresi udara yang digunakan untuk menggerakkan peralatan di industri memegang peranan yang sangat penting di samping tenaga listrik. Keuntungan alat yang menggunakan udara tekan ini adalah di samping handal, tidak mudah rusak, juga memiliki kemampuan bertenaga lebih besar (high power) dalam ukuran yang relatif lebih kecil. Akan tetapi sistem
126
udara tekan ini juga memiliki kelemahan, relatif lebih rendah efisiensinya. Dalam penerapan industri yang setiap hari menggunakan sistem tersebut, pemborosan ini akan terakumulasi. Oleh karena itu, efisiensi sistem dalam setiap tahapan harus diperhatikan dan harus diprioritaskan.
8.4.1. Kompresor Bertingkat Dari pasal tentang efisiensi kita maklum bahwa volume sisa akan menurunkan efisiensi volumetrik secara signifikan terutama pada rasio pemampatan yang tinggi. Oleh karena itu, agar kompresor lebih efisien, harus bekerja pada rasio pemampatan yang rendah dan jika dibutuhkan rasio yang lebih tinggi, harus dibuat bertingkat. Misalnya kita membutuhkan kompresor yang menghasilkan 8 bar dari tekanan masukan 1 bar. Ini berarti rasio pemampatan 8 kali. Jika kita memiliki volume sisa 5% saja dari volume langkah torak (Vs) maka efisiensi volumetrik untuk n=1,2 hanya sekitar 76%. Jika rasio 8 kali ini kita buat bertingkat 3, dengan masing-masing rasio 2 kali (8=2x2x2), maka tiap tingkat efisiensinya 96,1%, atau secara keseluruhan (0,961)3 = 88,5%. Jadi makin banyak tingkat makin baik.
Menentukan Jumlah Tingkat Kompresor bertingkat tidak dibuat terpisah tetapi dibuat berdekatan dalam satu rumah. Karena itulah maka umumnya tiap tingkat terdiri dari impeler yang sama, sehingga memiliki rasio kompresi dan kapasitas yang sama pula. Dengan demikian, rasio kompresi total merupakan rasio satu tingkat dipangkat dengan jumlah tingkat: Pd Ps
n
p p P = d → d = i d total p s setingkat p s setingkat Ps total
(8.20)
Karena kompresor bertingkat merupakan susunan seri, jumlah tingkat dapat ditentukan dari head tiap tingkat:
i=
H total H setingkat
(8.21)
Contoh Soal 8.2: Anda diminta untuk merancang kompresor rotari bertingkat banyak yang akan digunakan untuk mengkompresi udara (Ri = 287 J/KgK) bertekanan 1 bar (105 Pa) temperatur 20 oC menjadi 2,5 bar dan proses berjalan politropik dengan n=1,3. Jika Qs = 120 m3/mnt, dan kecepatan putar penggerak 3000 rpm, a. Tentukan jenis impeler (ns) jika jumlah tingkat dibatasi hanya 3 tingkat saja. b. Berapa perbandingan tekanan pada tiap tingkat? Jawaban a. Untuk dapat menentukan kecepatan spesifik ns kita harus menghitung head per tingkat dan ini memerlukan head total yang dihitung dari nilai C total. Pertama kita harus menentukan C total dan dari sini kita dapat menentukan head total. Nilai C untuk head total harus diambil dari rasio pemampatan total. Untuk n = 1,3 dan rasio pemampatan 2,5 diperoleh:
127
C=1,02 H total =
RTC 287 .293 .1,02 = = 8752 ,328 m g 9,8
Hsetingkat = 8752,328/3 = 2917,4 m Dari head untuk satu tingkat ini kita dapat menentukan kecepatan spesifik:
ns = n
Q H
1
2
3
4
1
120 2
10,954 = 3000 = 3000 = 82,8 3 397 4 2917,4
Dengan demikian impeler yang harus digunakan adalah jenis radial. b. Perbandingan tekanan (rasio pemampatan): 2,51/3 = 1,4 Dari rasio pemampatan ini sebenarnya kita dapat menentukan head tiap tingkat dari harga C (tunggal) untuk rasio tersebut. Dari sini diperoleh C = 0,35. H setingkat =
RTC 287 .293 .0,35 = = 3003,25 m g 9,8
Ada sedikit perbedaan hasil perhitungan sebesar sekitar 85 meter.
8.4.2. Pendinginan Jika beberapa gas bercampur, maka tekanan totalnya adalah jumlah dari tekanan masing-masing gas dalam campuran itu. Dalam kasus udara misalnya, maka tekanan total udara merupakan tekanan udara kering ditambah tekanan uap air dan lainnya. Udara jenuh berarti udara yang mengandung uap air jenuh (maksimum), yang berarti kandungan udara keringnya minimum. Ketika kita mengkompresi udara, maka uap air ini mengkondensasi menjadi air dan tentu saja air ini akan dibuang. Jadi makin banyak kandungan uap air, makin banyak energi terbuang untuk mengkompresi air tersebut. Kemudian di depan kita juga maklum bahwa makin tinggi temperatur udara, makin besar tekanan uapnya dan sebaliknya makin dingin udara, makin banyak uap yang mengembun dan makin kering. Jadi makin panas udara, makin banyak kandungan uap air dan makin banyak energi terbuang. Di sinilah pentingnya pendinginan udara sebelum masuk kompresor karena udara dingin lebih hemat (menguntungkan) dibanding udara panas. Kedua, dari persamaan kerja kompresor jelas bahwa kerja yang diberikan pada gas sebanding dengan besarnya temperatur masukan. Makin besar T1 makin besar pula kerja yang dibutuhkan. Dengan kata lain, dapat kita simpulkan bahwa makin tinggi temperatur, makin besar head, karena daya berbanding lurus dengan head. Ketiga, dari sisi proses, kompresi isotermal lebih hemat dari pada proses lainnya. Dengan demikian, pendinginan yang dapat sedikit mendekati proses isotermal akan lebih menghemat energi dibanding tanpa pendinginan. Untuk itu kita lihat gambar di bawah:
128
Gambar 8.11. Pendinginan antar stage dan penghematannya. Dari gambar di atas, tampak proses 1 ke 2 berjalan secara politropik. Dari keadaan dua ini didinginkan ke keadaan 3 yang merupakan kurva isotermal dari 1 ke 7. Dari titik 3 ke 4 kompresi berjalan politropik juga dan didinginkan ke titik 5 demikian seterusnya sampai tingkat tiga hingga ke titik 7. Dari gambar sebelah kiri tampak energi yang dihemat yang merupakan luasan yang diarsis. Luasan ini adalah selisih usaha politropik dikurangi pendekatan isotermal. Keuntungan lain dari rendahnya temperatur masukan adalah bahwa kompresor itu mengisap gas sejumlah volume tertentu dan bukannya massa. Jika temperatur rendah, maka massa jenis tinggi dan pada volume yang sama, massa gas yang terisap lebih besar dari pada gas dengan temperatur yang lebih tinggi. Demikianlah maka pendinginan memegang peranan yang penting pada peningkatan efisiensi atau konservasi energi.
8.4.3. Perlengkapan Penting Dalam peningkatan efisiensi dan keselamatan, biasanya kompresor dilengkapi dengan beberapa perlengkapan dan alat-alat pengendalian (kontrol) untuk mengkondisikan udara (gas) dan mengatur kerja kompresor. Beberapa perlengkapan itu misalnya saringan masuk (intake filter), pengering, tabung penampung dan katup pengaman.
Saringan Saringan diperlukan agar udara (gas) yang masuk tidak mengandung debu atau partikel lain karena hal ini akan mempercepat keausan cincin torak dan silinder. Saringan ini dipasang pada sisi isap. Karena itu, sebaiknya saringan dibuat cukup besar agar kerugian gesek (pressure drop) pada saringan tersebut cukup kecil. Saringan harus sering dibersihkan.
Pengering Telah maklum bahwa kelembaban yang tinggi dapat menambah kebutuhan daya pada kompresor. Hal lain yang menuntut untuk mengurangi kelembaban adalah karena air yang terbentuk setelah kompresor dapat mengakibatkan kerusakan pada alat pengguna udara tekan. Air yang terbentuk akan menyebabkan karat (korosi) atau benturan air. Pengeringan dapat ditempuh dengan menempatkan kompresor di tempat yang cukup ventilasi karena hal ini akan mengurangi kelembaban. Kedua, bisa juga dipasang pendingin dan ketiga dengan penyerap uap air.
129
Dengan pendinginan, uap air akan mengalami kondensasi (mengembun), kemudian air tersebut dibuang. Di sini perlu diperhatikan bahwa biasanya refrigeran (zat pendingin) yang digunakan adalah air atau udara. Artinya, titik terendah pendingin ini biasanya berkisar pada 2 oC, sehingga titik embun udara yang hendak dikeringkan harus di atas temperatur tersebut. Kalau tidak demikian, tidak akan dicapai kondensasi. Pendinginan dapat dilakukan dengan menggunakan pengalih panas (heat exchanger) seperti radiator mobil. Dengan terus mensirkulasikan air yang bersentuhan dengan udara melalui pengalih panas, maka panas dari udara dialihkan ke air dan air ini selanjutnya disemprotkan di dalam menara pendingin. Jika digunakan pendingin udara, udara hasil kompresi yang diputar di dalam pengalih panas, terus dikipasi sehingga menjadi lebih dingin. Jika pendinginan ini mencapai titik embun (dew point) maka uap air akan mengembun. Penyerapan uap air (adsorpsi) biasanya menggunakan zat penyerap (desikan, desiccant). Pengeringan cara ini utamanya digunakan pada udara dengan titik embun yang sangat rendah (sampai di bawah – 40 oC). Karena menyerap uap, maka desikan akan jenuh dan pada keadaan ini sudah tidak dapat menyerap uap air lagi. Oleh karena itu desikan harus dikeringkan dengan cara dipanaskan agar uap air yang dikandungnya lepas menguap. Jadi harus ada desikan dengan jumlah ganda agar jika sebagian dipakai, sebagian lagi dikeringkan untuk digunakan secara bergiliran.
Katup Pengaman Katup pengaman dimaksudkan untuk mencegah pecahnya komponen yang bertekanan tinggi (meledak) akibat adanya sumbatan. Dengan katup pengaman, gas akan terbuang jika tekanan melampaui titik maksimum. Pembuangan akan menyebabkan tekanan turun dan ledakan dapat dihindari. Tekanan buka katup biasanya sekitar 20% di atas tekanan normal maksimum (tekanan kerja). Sebaliknya, katup pun harus secara tepat menutup kembali pada saat tekanan mendekati tekanan maksimum ini. Jika tidak, gas akan terus terbuang sampai tekanan jauh di bawah maksimum, sehingga ada pemborosan.
Tangki Udara Tangki udara atau biasa juga disebut receiver, dimaksudkan untuk menampung udara agar bisa lebih leluasa dalam pemakaian. Jika kapasitas tabung besar, maka kompresor tidak sering hidup-mati untuk mencatu udara. Tabung juga dapat mengurangi fluktuasi tekanan keluaran karena berfungsi juga sebagai peredam. Fungsi lain dari tabung ini adalah untuk pemisah air dan udara jika udara yang diisap masih basah. Dalam kasus ini, uap air di dalam udara akan mengalami kondensasi dan tertampung di dasar tabung. Oleh karena itu, di sini diperlukan katup drainase untuk membuang air yang makin banyak tertampung.
8.4.4. Peluang Efisiensi Lainnya Kompresor merupakan alat yang rendah efisiensinya. Oleh karena itu beberapa hal berikut juga harus diperhatikan untuk menghemat energi:
130
Penggunaan Alat Alternatif Jika ada cara lain untuk melakukan suatu pekerjaan, jangan gunakan udara tekan untuk hal itu misalnya, penggunaan kipas untuk pengeringan, pendinginan udara sekitar dan lainnya. Penggunaan kuas atau sikat untuk membersihkan kotoran.
Mencegah Kebocoran dan Berlebihan Kebocoran dan pengaturan tekanan yang tidak tepat dapat mengurangi kapasitas daya separuhnya atau bahkan lebih. Selain itu, gunakan peralatan yang efisien. Biasanya alat yang sudah tua kurang efisien. Perhatikan jalur udara tekan karena jalur pemipaan yang rumit kurang efisien karena menimbulkan kerugian tekanan. Kurangi sedapat mungkin jalur udara, pemipaan dan slang, agar memperkecil peluang kebocoran sistem. Demikian pula penggunaan udara tekan yang berlebihan dapat menghabiskan energi secara percuma dan harus dihindari. Tekanan kerja juga harus diatur agar tidak terlalu berlebihan, jauh di atas tekanan yang diperlukan.
Pemanfaatan Panas Panas yang timbul akibat kompresi dapat dimanfaatkan untuk keperluan lain seperti memanaskan air, atau memanaskan ruangan di musim dingin atau lainnya.
8.5. Pengaturan Kapasitas Kebutuhan akan udara tekan tidaklah tetap. Suatu saat tinggi dan pada waktu yang lain rendah. Di pihak lain, kompresor terus bekerja mencatu udara tekan. Pada waktu kebutuhan rendah, tekanan udara di dalam penampung akan terus naik sehingga harus ada cara untuk membatasi kapasitas kompresor agar tidak melampaui tekanan maksimum. Ada beberapa cara untuk mengatur kapasitas yang dapat digolongkan dalam: •
Pengaturan on/off atau start/stop.
•
Pembebanan/Pelepasan Beban.
•
Modulasi/Throttle Isap.
•
Multi step: Pelepasan beban dilakukan secara bertahap, sedikit demi sedikit, tidak langsung ke beban nol atau sebaliknya, pembebanan pun dilakukan secara bertahap.
•
Jika kasusnya melibatkan banyak kompresor, pengaturan biasanya dilakukan secara menyeluruh dan terpadu.
Pengaturan on/off. Kompresor dinyalakan jika tekanan rendah dan dimatikan kalau sudah tinggi. Untuk itu biasanya digunakan saklar tekanan (pressure switch) pada pengaturan otomatis. Cara ini biasanya diterapkan pada kompresor daya kecil dengan penggerak motor listrik. Pada kompresor dengan penggerak motor bakar/diesel lazim juga dengan cara manual. Mesin penggerak dinyalakan dengan diengkol (diputar) dan dimatikan dengan menutup saluran bahan bakar.
131
Pembebanan dan Pelepasan Beban. Dalam cara ini, kompresor terus bekerja, tetapi jika tekanan sudah tinggi, udara dilepas (dibuang) melalui pembukaan katup isap, tidak didorong ke tangki penerima. Jadi pada saat pelepasan beban (unloading), katup isap terus terbuka. Cara ini biasanya diterapkan pada kompresor torak daya besar dan/atau penggerak motor bakar/diesel. Berikut ini contoh sistem pelepasan beban pada kompresor torak:
Gambar 8.12. Pelepasan Beban.
Modulasi/Throttle Pengaturan kapasitas di sini dilaksanakan dengan mengatur volume (luas) lubang masukan (inlet). Jika kebutuhan menurun, masukan dipersempit dan sebaliknya. Pengaturan dapat berjalan otomatis dengan penggunaan katup yang mendeteksi tekanan keluaran. Jika tekanan mendekati maksimum, katup membuka dan menyebabkan katup di sisi isap menyempit. Cara ini digunakan pada kompresor sekrup (ulir) dan sentrifugal. Cara modulasi juga bisa diwujudkan dengan mengatur kecepatan putar.
8.6. Pengendalian Surjing Permasalahan besar dalam kompresor sentrifugal adalah surging. Surging merupakan gejala ketidakstabilan (instability). Jika ini terjadi, tekanan di dalam kompresor berfluktuasi sangat besar demikian juga aliran. Bahkan bisa terjadi aliran balik. Surging dapat mengakibatkan penurunan efisiensi secara drastis dan dapat menimbulkan kerusakan mesin akibat fluktuasi tadi. Oleh karena itu surging harus dihindari. Dalam pasal ini akan disinggung sedikit pengenalan dan pengendalian surging.
8.6.1. Gejala Surjing Pada keadaan normal, jika kapasitas diperbesar, maka head menurun. Demikian pula jika terkena gangguan, baik berupa penurunan atau kenaikan kapasitas, kompresor akan kembali bekerja pada titik normal. Untuk kembali ke titik normal, diperlukan penurunan kapasitas dan kenaikan head atau sebaliknya kenaikan kapasitas tetapi penurunan head. Dalam kasus ini kompresor stabil. Akan tetapi jika berada pada daerah tidak stabil, penurunan kapasitas juga
132
diiringi penurunan head. Di sini kompresor sulit kembali ke titik normal karena dari daerah tersebut diperlukan kenaikan head dan kapasitas secara bersamaan. Batas daerah stabil dan tidak stabil dikenal sebagai titik surjing. Jika titik-titik surjing ini kita hubungkan untuk tiap kurva karakteristik kompresor (untuk tiap kecepatan), diperoleh garis surjing seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 8.13. Batas Surjing.
8.6.2. Mekanisme Surjing Untuk dapat memahami bagaimana surjing terjadi perhatikan gambar berikut [9.2]:
Gambar 8.14. Mekanisme Surjing. Pertama kita berasumsi bahwa kompresor bekerja pada kecepatan yang tetap karena dengan kelembaman (inersia) kompresor akan membutuhkan waktu untuk berubah kecepatan. Jadi dalam mekanisme terjadinya surjing, kecepatan bisa dianggap tetap. Sekarang anggap kompresor sedang bekerja pada titik A sebagai keadaan tunak (steady state). Dari sini tiba-tiba ada penurunan kebutuhan gas secara mendadak yang dirasakan sebagai kenaikan head bagi kompresor akibat kecepatan yang tetap tadi. Karena kecepatan tetap, kompresor tidak dapat menjaga kapasitas yang tetap sehingga titik kerja kompresor bergerak ke kiri ke arah B (belum mencapai B). Kapasitas menurun, diiringi kenaikan head. Andaikan kebutuhan gas tadi terus berkurang lagi, maka head tertinggi yang bisa dicapai kompresor adalah titik B (titik surjing) karena kecepatan tetap. Kapasitas aliran di sini merupakan kapasitas terendah yang sanggup bagi kompresor untuk tetap bisa mencengkeram gas yang dikompresi, karena di bawah titik tersebut, penurunan kebutuhan gas tidak akan menyebabkan kenaikan head. Akibatnya, impeler seakan lepas hubungan dengan gas yang didorongnya. Dalam waktu singkat, gas dan impeler hanya berputar seperti perputaran roda
133
mobil ketika skid (roda berputar tetapi mobil tidak bergerak) atau seperti sayap pesawat terbang yang mengalami stall. Jadi impeler sudah tidak berfungsi sebagai impeler lagi. Begitu beban di jalur pipa terus menurun, maka kapasitas aliran menuju nol, di titik C. Akan tetapi tidak terus berada di sini. Karena gas antara kompresor dan katup cegah bertekanan tinggi, gas ini mengalir mundur sehingga menghasilkan aliran negatif. Titik kerja kompresor loncat dari C ke D. Aliran negatif ini terus berkurang dan demikian pula head, menurun menuju titik E. Dari sini impeler kembali terbebani sehingga aliran kembali timbul dan titik kerja kompresor bergeser ke titik F. Jika aliran tetap rendah di bawah titik surjing, proses ini akan terus berulang dalam periode yang singkat (sekitar satu detik). Karena tekanan berfluktuasi, kompresor pun berfluktuasi secara hebat.
8.6.3. Pencegahan Surjing Banyak metode digunakan untuk mencegah surjing akan tetapi pada prinsipnya sama yaitu mengontrol titik kerja kompresor sedemikian sehingga tidak sampai pada titik surjing. Jika mendekati titik surjing, maka tekanan keluaran diturunkan dengan membuang gas (blow off) atau dengan resirkulasi (mencatu gas keluaran kembali ke masukan). Keduanya melalui katup yang dikendalikan secara otomatis. Penentuan kedekatan terhadap titik surjing berpengaruh pada performansi total. Jika terlalu dekat, bisa beresiko masuk surjing sebelum sempat ditangani pengendali atau memang karena respon sistem pengendali masih terlalu lamban. Tetapi sebaliknya jika terlalu jauh, sistem akan lebih sering mengalami blow off atau resirkulasi sehingga lebih banyak energi terbuang atau efisiensi jadi lebih rendah. Nilai kedekatan didefinisikan sebagai titik kendali yang biasanya dipilih antara 7 sampai 8 persen dari kapasitas aliran surjing pada kecepatan yang bersangkutan. Jika kapasitas pada titik surjing q m3/mnt, maka jika kapasitas 107% q, sistem melakukan blow off atau resirkulasi. Lokus titik-titik kendali untuk berbagai kecepatan ini membentuk garis kendali surjing (surge control line, SCL) dan daerah antara garis surjing dengan garis kendali surjing disebut daerah blow off (blow off zone) atau daerah resirkulasi (recirculation zone), seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 8.15. Garis Kendali Surjing. Dengan prinsip pengendalian surjing seperti di atas, maka pengendali surjing membutuhkan data tekanan (head tekanan) antara keluaran terhadap masukan. Jika masukan kompresor terbuka ke atmosfir, maka cukup dengan mendeteksi tekanan keluaran. Data kedua tentunya adalah kapasitas masukan yang diukur melalui pengukuran tekanan pada orifice atau cara lain. Sedangkan yang ketiga adalah kecepatan putar kompresor. Keluaran dari pengendali surjing 134
adalah data pengendalian untuk mengendalikan katup blow off atau katup resirkulasi (disebut juga sebagai katup anti surjing). Berikut ini contoh diagram pengendali anti surjing dengan resirkulasi:
Gambar 8.16. Pengendali (anti) Surjing. Pada gambar di atas, sinyal Q merupakan data kapasitas aliran, N adalah data kecepatan putar, H merupakan data head keluaran terhadap masukan. Sedangkan sinyal act adalah sinyal untuk mengatur posisi katup anti surjing sedangkan sinyal pos digunakan untuk membaca data posisi katup. Lingkaran bertanda ∆ p adalah transduser (sensor pengukur dan pengubah) tekanan dan mengubah besaran tekanan ke sinyal listrik yang dikirim ke pengendali. Katup anti surjing harus dilengkapi dengan penggerak (aktuator) untuk mengatur pembukaan dan penutupan katup serta ada transduser posisi katup.
8.7. Pemilihan Dalam suatu aplikasi, kita akan berhadapan pada pemilihan apakah akan menggunakan kompresor torak (resiprokal) atau sentrifugal (aksial). Di sini akan disajikan perbandingan keduanya yang diambil dari [9.2] untuk dapat memberikan gambaran agar dapat menjadi bahan pertimbangan dalam memilih kompresor. Untuk lebih mudah pembacaan disajikan dalam tabel seperti berikut: Tabel 8.3. Perbandingan Kompresor Resiprokal dan Sentrifugal. Faktor
Resiprokal
Sentrifugal
Tekanan Keluar
Kompresor tertentu digunakan Digunakan pada untuk tekanan sampai 828 bar. sampai 1000 bar. Kompresor tekanan sangat tinggi (hiper kompresor) untuk gas ringan bertekanan sampai 3500 bar
tekanan
100
Tekanan masukan Dapat digunakan untuk tekanan Dapat digunakan untuk tekanan minimum sedikit vakum (sub atmosfir) vakum (sub atmosfir) Temperatur keluaran
Temperatur keluaran tergantung Temperatur bisa mencapai 204 pada penerapan. Untuk gas yang sampai 232 C. Pada temperatur
135
Faktor
Resiprokal
maksimum
kaya hidrogen bisa sampai 135 C yang tinggi perlu disain khusus dan untuk gas bisa sampai 175 C. serta pemilihan bahan yang tepat. Meskipun dalam banyak kasus sampai 149 C tetapi kompresor udara bisa mencapai 204 C
Temperatur masukan minimum
Untuk bahan silinder yang lazim digunakan, bisa diterapkan untuk temperatur -40 C yang biasa dijumpai pada sistem pendingin. Untuk pendinginan gas alam, bisa mencapai -162 C.
Kapasitas maksimum
Kapasitas maksimum dibatasi ukuran perpindahan dan penggerak.
Kapasitas minimum
Kompresor mini banyak dijumpai Kapasitas minimum kompresor dengan kapasitas yang rendah sentrifugal dibatasi masalah surjing
Rentang kapasitas
Bisa dioperasikan pada kapasitas 20 Pengaturan kapasitas sampai 100 persen dengan memperhatikan surjing. pengaturan kecepatan, atau lainnya.
Berat
Berbagai berat dengan berbagai Lebih ringan untuk daya yang jenis. Akan tetapi perbandingan sama. berat terhadap daya, kompresor sentrifugal lebih ringan
Ukuran
Ukuran dan berat kompresor Ukuran bergantung pada kapasitas. resiprokal bergantung pada ukuran silinder dan perpindahan. Jika kecepatan tinggi, perpindahan kecil dan sebaliknya. Makin rendah kecepatan, makin besar stroke dan makin besar ukurannya
Kehandalan
Karena kompresor resiprokal lebih Kehandalan kompresor ini bisa banyak komponen (spare part), mencapai 98-99 persen. kehandalannya lebih rendah. Lebih banyak komponen yang bergesekan dan lebih sering memerlukan penggantian. Katup isap dan katup buang, meskipun sederhana, perlu sering pemeliharaan. Gas harus lebih bersih.
Interval
Berkaitan dengan kehandalan, perlu Menurut
136
Sentrifugal
Kompresor standar bisa digunakan sampai pada -46 C. Untuk aplikasi gas alam, dengan bahan khusus, bisa mencapai -171 C.
resiprokal Kapasitas masukan maksimum silinder, kompresor sentrifugal bisa 3 kecepatan mencapai 680.000 m /jam.
API
617
harus
(2002),
Faktor
Resiprokal
Sentrifugal
pemeliharaan
lebih sering dalam pemeliharaan
kompresor ini bisa digunakan setidaknya 5 tahun. Untuk gas bersih bisa 10 tahun.
Berat Molekul Gas
Hampir tidak ada batasan dalam Perbandingan kompresi tergantung berat molekul gas yang dikompresi. berat molekul
Perbandingan Kompresi
Berkisar antara 1,2 sampai 4,0.
Perbandingan kompresi tergantung berat molekul dan lainnya.
Bahan
Lazim dijumpai dengan bahan besi, baja karbon, alloy, stainless. Pemilihan bahan bergantung pada temperatur kerja, tekanan dan sifat gas (korosif, erosif).
Lazim dijumpai dengan bahan baja karbon, alloy, stainless. Pemilihan bahan bergantung pada temperatur kerja, tekanan dan sifat gas (korosif, erosif).
Efisiensi
Efisiensi sangat bervariasi 60-90%. Karakteristik efisiensi (adiabatik) bergantung perbandingan kompresi. Jika perbandingan kompresi rendah, efisiensi rendah.
Efisiensi politropik biasa digunakan pada kompresor sentrifugal. Efisiensi berkisar antara 70-85 persen.
Biaya
Biaya investasi (capital) rendah Berkebalikan dengan kompresor tetapi biaya operasi tinggi. Biaya resiprokal karena pembuatan investasi rendah karena komponen impeler berbiaya tinggi. sederhana, biaya pembuatan murah. Biaya operasional tinggi karena membutuhkan lebih banyak pemeliharaan.
Daya
Berkisar antara 7,5 KW sampai 9,0 MW.
Waktu Instalasi Beberapa hari sampai 2 pekan dan kerumitan
Berkisar antara 75 KW sampai 97 MW. Bisa 2 sampai 3 pekan. Untuk yang besar bisa sampai 6 pekan.
Faktor-faktor di atas dapat juga dijadikan sebagai bahan pertimbangan disain. Misalnya temperatur keluaran yang tinggi membutuhkan bahan yang khusus yang tahan pada temperatur kerja tersebut.
137
9. Keselamatan dan Pemeliharaan
Berikut ini disajikan beberapa hal yang perlu diperhatikan berkaitan dengan keselamatan dan pemeliharaan. Pemeliharaan ini sangat penting karena berhubungan dengan keselamatan, efisiensi dan kehandalan.
9.1. Keselamatan Berbeda dengan pompa, kompresor umumnya bekerja pada tekanan tinggi. Oleh karena itu, kompresor lebih kritis dalam hal keselamatan dibanding pompa. Dalam pasal ini disinggung sedikit tentang langkah-langkah pencegahan bahaya terutama pada sistem udara tekan. •
Semua pipa, slang dan sambungan-sambungan harus yang mampu bekerja pada tekanan kerja maksimum. Biasanya pada alat-alat untuk udara bertekanan tercantum tekanan maksimumnya.
•
Pasanglah katup penutup catu udara dan letakkan sedekat mungkin dengan titik kerja agar mudah dijangkau pekerja.
•
Slang atau pipa-pipa jangan dibiarkan mengganggu lintasan orang karena bisa menyebabkan orang tersangkut dan jatuh. Kalau bisa, pemipaan dipasang di atas dan lebih baik terlindungi agar terhindar dari kerusakan.
•
Ujung slang harus aman dan terhindar dari berlarian ke mana-mana kalau terjadi putus slang.
•
Alat-alat pneumatik, jangan pernah diarahkan ke manusia.
•
Sebelum alat-alat pneumatik dilepas, tutup dulu katup penutupnya, kecuali kalau dapat menutup secara otomatis.
•
Gunakan alat pelindung seperti kaca mata pelindung jika menggunakan udara tekan untuk membersihkan sesuatu.
•
Terkadang bisa muncul listrik statik pada alat-alat pneumatik. Jika bekerja pada/dekat zat yang mudah terbakar, gunakan kabel grounding dengan baik.
•
Hanya orang yang berkualifikasi yang diperbolehkan untuk memperbaiki semua peralatan dalam sistem.
•
Jika menggunakan penggerak berbahan bakar bensin atau solar, sebaiknya jangan ditempatkan pada tempat tertutup (indoor).
Selain itu, kita juga harus memberi perhatian khusus pada beberapa alat yang merupakan bagian dari sistem. Semua prosedur kerja harus dilakukan sesuai standar.
138
Tangki Penampung Udara •
Jangan memberi tekanan kerja melebihi tekanan maksimum yang diperbolehkan kecuali pada saat diuji coba. Gunakan tangki yang sudah teruji dan diakui kekuatannya. Tangki yang sudah dipakai jangan diganti atau diubah begitu saja terutama oleh orang yang tidak berwenang.
•
Tangki juga harus dilengkapi dengan kran buang yang dipasang di bawah untuk membuang air yang timbul akibat kompresi. Dalam hal ini, tangki harus sering dikeringkan (drainase) bahkan lebih baik lagi jika menggunakan pembuka otomatis. Perlengkapan lain yang penting adalah adanya minimal satu pengukur tekanan dan katup pengaman untuk mencegah tangki dari bertekanan lebih besar dari tekanan maksimum.
•
Tangki harus dipasang sedemikian agar mudah diinspeksi secara menyeluruh. Jangan sampai dipasang di tempat yang sulit dijangkau atau dikubur. Inspeksi terhadap kerusakan atau kebocoran harus sering dilakukan.
Pipa Distribusi Udara •
Pemipaan harus terdiri dari alat yang bermutu tinggi dan harus dipasang dengan fitting yang kokoh. Hanya fitting standar yang boleh digunakan karena kalau tidak bisa berbahaya.
•
Hindari pelipatan atau pengusutan slang karena dapat menimbulkan kebocoran dan putus. Pemasangan pipa pada titik keluaran (outlet) harus diperiksa kekuatannya sebelum dipakai. Pemipaan juga harus sering diperiksa sehingga dapat menjamin tidak adanya kebocoran atau kerusakan.
Alat Perlengkapan •
Regulator, katup dan alat ukur harus dipasang sedemikian sehingga tidak dapat sembarangan atau dengan mudah atau tidak sengaja dimatikan fungsinya.
•
Katup pengaman pada tangki harus diset tidak kurang dari 15 psi atau 10 persen (mana yang lebih besar) di atas tekanan kerja kompresor tetapi tidak pernah lebih besar dari tekanan kerja tangki.
•
Jalur antara kompresor dan tangki jangan pernah dipasang katup pengatur (penutup). Jika memang harus ada, gunakan katup pengaman berstandar di antara kompresor dan katup penutup tadi. Katup pengaman ini harus diset agar membuka (blow off) pada tekanan sedikit di atas tekanan yang diperlukan untuk membuka katup pengaman pada tangki.
•
Temperatur kerja di sekitar peralatan harus diperhatikan terutama pada titik beku air sekitar katup pengaman. Hal ini dapat menyumbat dan mencegah udara keluar.
•
Pasang pengukur tekanan untuk memantau bagian-bagian yang sekiranya dapat tersumbat terutama saringan. Jika tekanan jatuhnya (pressure drop) tinggi, berarti sudah harus dibersihkan.
Pengoperasian Alat •
Peralatan hanya boleh dioperasikan oleh orang yang terlatih dan berwenang.
•
Udara masukan harus berasal dari tempat yang bersih, segar dan teduh. Gunakan kasa atau saringan yang baik.
139
•
Seharusnya kompresor tidak dioperasikan pada kecepatan putar yang melebihi anjuran pabrik.
•
Perhatikan temperatur kompresor, jangan sampai timbul panas berlebihan.
•
Bagian yang bergerak atau berputar harus dilindungi dari jangkauan manusia.
•
Jangan gunakan udara tekan untuk hal-hal yang bisa dilakukan alat lain karena efisiensi kompresor relatif rendah.
9.2. Pemeliharaan Rutin •
Kompresor jangan dilumasi secara berlebihan.
•
Gunakan air sabun untuk membersihkan bagian kompresor dari jelaga (arang). Jangan gunakan minyak tanah atau bahan yang mudah terbakar.
•
Selama pemeliharaan, matikan saklar atau bahkan putuskan hubungan listrik agar tidak terjadi sengatan dan kompresor tidak mengalami start secara tidak sengaja.
•
Bersihkan secara teratur sistem-sistem yang dilalui udara. Kotoran yang sedikit menyumbat akan mengurangi efisiensi.
•
Jaga agar katup-katup selalu dalam kondisi baik dengan sering memeriksanya setiap 6 bulan sekali. Kebocoran katup akan sangat merugikan.
•
Bersihkan sistem pendingin secara teratur karena jika tidak efektif, akan sangat merugikan.
•
Catatlah setiap kali pembacaan data dari alat ukur, jika suatu saat ada perbedaan mencolok, periksa kemungkinan yang terjadi. Cegahlah sesegera mungkin jika bisa menimbulkan bahaya.
•
Periksa secara teratur jalur pemipaan atau lainnya terhadap kebocoran. Segera ambil tindakan jika ada.
•
Buatlah daftar dan jadwal pemeliharaan agar dapat diketahui kapan suatu bagian harus diperiksa, atau suatu komponen harus diganti. Jika sudah harus diganti karena sudah mencapai umur layak pakai komponen, sebaiknya diganti meskipun masih bisa bekerja. Ini terutama untuk komponen yang kritis seperti katup pengaman pada sisi keluaran.
Berikut ini beberapa check list yang penting dalam pemeliharaan baik dari segi efisiensi maupun keselamatan. Tabel 9.4. Check list Pemeliharaan dan Keselamatan. Pemeriksaan Apakah kompresor dilengkapi dengan katup pelepas tekanan dan alat ukur tekanan? Apakah masukan kompresor dilengkapi saringan yang menjamin kebersihan udara masuk? Apakah kompresor dilumasi sesuai dengan rekomendasi pabrik? Apakah alat-alat keselamatan sering diperiksa?
140
Ya
Tidak Komentar/Tindakan
Pemeriksaan
Ya
Tidak Komentar/Tindakan
Sebelum dilakukan reparasi pada sistem bertekanan, apakah terlebih dahulu tekanannya dilepas dan sistem terkunci sehingga tidak mungkin dijalankan tanpa sengaja? Adakah tanda yang menempel yang dapat memperingati seseorang kalau kompresor jalan secara otomatis? Pada sistem penggerak dengan sabuk, adakah pelindung dari depan, belakang dan samping? Apakah ada larangan keras untuk mengarahkan udara yang terkompresi kepada seseorang? Apakah pegawai dilarang untuk menggunakan udara bertekanan tinggi untuk bebersih? Jika digunakan untuk membersihkan pakaian/kain, apakah tekanan keluarnya diturunkan hingga 10 psig? Jika digunakan untuk bebersih, apakah diharuskan untuk mengenakan pelindung?
pegawai
141
Daftar Pustaka
1. Dietzel, F.; Sriyono, D.; Turbin Pompa dan Kompresor; Penerbit Erlangga; Jakarta; 1996. 2. Sularso; Tahara, H.; Pompa dan Kompresor, Pemilihan, Pemakaian dan Pemeliharaan; PT Pradnya Paramita; Jakarta; 1983. 3. Syska, R.E.; Pump Engineering Manual; The Durion Company, Inc. Dayton; 1980. 4. Fox, R.W; McDonald A.T.; Introduction to Fluid Mechanic; John Wiley and Sons. 5. Sushkov, V.V.; Technical Thermodynamics; Peace Publishers, Moscow. 6. Chaurette, J.; “More on What is Cavitation?”; Fluide Design Inc.; 2003; dari http://www.fluidedesign.com. 7. http://www.owlnet.rice.edu 8. http://www.LMNOeng.com 9. http://www.pipeflow.co.uk 10. http://www.thermexcel.com 11. http://www.pdhengineer.com 12. http://www.goulds.com 13. http://www.fluidedesign.com 14. http://www.the-engineering-page.com 15. http://www.theengineeringtoolbox.com 16. Chaurette, J.; “The Influence of Specific Gravity on Total Head”; Fluide Design Inc.; 2005; dari http://www.fluidedesign.com. 17. http://www.pumps.org. 18. Jacoby, R.; “When to use a positive displacement pump”; Viking Pump. 19. Livingston, D.; “Design innovations offered in Compressor Surge-Relieve Valve”; Pipe Line and Gas Industry, 2000. 20. White, R.C.; Kurz, R.; “Surge Avoidance for Compressor Systems”; Proceedings of the thirty-fifth Turbomachinery Symposium; 2006. 21. Gallick, P., Phillippi, G.; Williams, B.F.; “What’s correct for my apllication – a centrifugal or reciprocating compressor?”; Proceedings of the thirty-fifth Turbomachinery Symposium; 2006.
142
