BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
PENGE NGERTI RTIAN POMPA OMPA
Gaya gravitasi menyebabkan fluida cair mengalir dari satu tempat yang relatif tinggi tinggi menuju menuju tempat tempat yang yang relatif lebih rendah. rendah. Fluida Fluida cair pada tekanan tekanan tinggi memiliki energi potensial yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan fluida cair pada tekanan yang rendah. Oleh karenanya, fluida cair akan mengalir dari tempat bertekanan tinggi menuju tempat bertekanan rendah. Banyak pengertian pengertian tentang pompa, namun namun pengertian pompa yang yang dipakai secara umum adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Pompa merupakan sebuah mesin yang mampu menambahkan tekanan ataupun energi energi kepada fluida fluida cair. Kenaikan Kenaikan tekanan cairan tersebut tersebut digunakan digunakan untuk untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek.
Dengan Dengan memasang memasang pompa, pompa, fluida fluida cair cair akan mampu dialirkan dialirkan dari tempat tempat berdataran rendah menuju tempat yang relatif lebih tinggi tinggi. Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini berguna untuk mengalirkan cairan dan mengatasi hambatan yang ada di sepanjang pengaliran. Sistim pemompaan bertanggung jawab terhadap hampir 20% kebutuhan energi listrik dunia dan penggunaan energi dalam operasi pabrik industri tertentu berkisar 25-50% (US DOE, 2004).
Gambar 2.1 Sistem Pemompaan Pemompaan Dalam Sebuah Industri (US DOE, 2001)
[12]
Secara umum, komponen utama sistem pemompaan (seperti yang terlihat dalam Gambar 2.1 di atas) adalah: 1. Pompa 2. Mesin pengge penggerak: rak: motor motor listrik, listrik, mesin mesin diesel diesel atau atau sistem udara 3. Pemipaan, Pemipaan, digunakan digunakan untuk membawa membawa fluida
4. Kran, digunakan digunakan untuk mengendali mengendalikan kan aliran aliran dalam dalam sistem sistem 5. Sambungan Sambungan,, pengendal pengendalian ian dan dan instrumen instrumentasi tasi lainny lainnyaa 6. Peralatan Peralatan penggun penggunaa akhir, yang yang memiliki memiliki berbaga berbagaii persyaratan persyaratan (misalnya (misalnya tekanan,
aliran)
yang
menentukan
komponen
dan
susunan
sistim
pemompaan. Contohnya adalah alat penukar panas, tangki dan mesin hidrolik.
2.2
KLASI LASIF FIKAS IKASII POMPA OMPA
Klasifikasi pompa menurut prinsip operasi dasarnya, dapat diklasifikasikan menjadi dua bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (dynamic pump) atau yang sering disebut sebagai pompa sentrifugal. sentrifugal. Pada prinsipnya, cairan apapun dapat ditangani oleh berbagai rancangan pompa. Jika berbagai rancangan pompa digunakan, pompa sentrifugal biasanya yang paling ekonomis diikuti oleh pompa rotary dan reciprocating . Walaupun pompa perpindahan positif biasanya lebih efisien daripada pompa sentrifugal, namun keuntungan efisiensi yang lebih tinggi cenderung diimbangi dengan meningkatnya biaya perawatan. Gambar 2.2 di bawah ini akan menjelaskan berbagai jenis pompa yang hadir dalam berbagai ukuran untuk penggunaan yang luas.
Gambar Gambar 2.2 2.2 Berbagai Berbagai Jenis Pompa [12]
2.2.1 Pompa Kerja Positif (Positive Displacement Pump)
Pompa perpindahan positif dikenal dengan caranya beroperasi, yaitu cairan diambil dari salah satu ujung dan pada ujung lainnya dialirkan secara positif untuk setiap putarannya. Energi mekanik dari putaran poros pompa dirubah menjadi energi tekanan untuk memompakan fluida. Pada pompa kerja positif kenaikan tekanan cairan di dalam pompa disebabkan oleh pengecilan volume ruangan yang ditempati cairan tersebut. Adanya elemen yang bergerak dalam ruangan tersebut menyebabkan volume ruangan akan membesar atau mengecil sesuai dengan gerakan elemen tersebut. Pada pompa jenis ini dihasilkan head yang head yang tinggi tetapi kapasitas yang dihasilkan rendah. Pompa perpindahan perpindahan positif digunakan digunakan secara luas untuk pemompaan pemompaan fluida selain air, biasanya fluida kental. Pompa perpindahan positif selanjutnya digolongkan berdasarkan cara perpindahannya, yaitu: pompa rotary dan pompa torak (piston).
2.2.2 2.2.2 Pompa Pompa Kerj Kerja a Dinam Dinamis is (Dynamic Pump)
Sering juga disebut sebagai pompa sentrifugal. Gaya sentrifugal adalah sebuah gaya yang mengakibatkan benda atau partikel terlempar ke luar dalam lintasan melengkung (melingkar). Pompa sentrifugal merupakan suatu pompa yang memiliki elemen utama sebuah motor dengan sudu impeller berputar dengan kecepatan tinggi. Fluida masuk dipercepat oleh impeller yang menaikkan kecepatan fluida maupun tekanannya dan melemparkan ke luar volut. Biasanya lebih dari 75 % pompa yang dipasang di sebuah industri adalah pompa sent rifugal. Prinsip kerjanya adalah mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing .
2.2.2.1 Prinsip Kerja Kerja Sentrifugal Sentrifugal
Pompa sentrifugal mempunyai sebuah impeller (baling-baling) untuk mengangkat zat cairan dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Daya dari luar diberikan pada poros pompa untuk memutarkan impeller di dalam zat cair. Maka zat cair yang ada di dalam impeller oleh dorongan sudu-sudu dapat berputar. Karena timbul gaya sentrifugal, maka zat cair mengalir dari tengah impeller ke luar melalui saluran di antara sudu-sudu. Disini head tekanan zat cair menjadi lebih tinggi. Demikian juga head kecepatannya menjadi lebih tinggi karena mengalami percepatan. Zat cair yang keluar melalui impeller akan ditampung oleh saluran berbentuk volute (spiral) dikelilingi impeller dan disalurkan keluar pompa melalui nozel (outlet/discharge). (outlet/discharge). Di dalam nosel ini sebagian head kecepatan aliran diubah menjadi head t ekanan. Jadi impeller pompa berfungsi memberikan kerja pada zat cair sehingga energi yang dikandungnya dikandungnya
menjadi lebih besar. Selisih energi per satuan berat atau head total zat cair antara flange (flens) isap dan flange dan flange (flens) keluar disebut head total pompa. Dari uarian di atas, jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah energi mekanik dalam bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah yang mengakibatkan perubahan head tekanan, head kecepatan dan head potensial pada zat cair yang mengalir secara kontinu.
Gambar 2.3 Aliran Fluida Dalam Pompa Sentrifugal
[14]
Menurut proses perpindahan energi dan benda cair sebagai bahan aliran, maka pompa sentrifugal termasuk mesin aliran fluida hidraulik. Rumus utama Euler untuk mesin aliran fluida juga berlaku untuk pompa ini. Tinggi kenaikan kenaikan dari pompa sentrifugal adalah sama dengan perbandingan kwadrat dari kecepatan putar pompa. Karakteristik pompa sentrifugal ditentukan oleh besaran-besaran sebagai berikut:
1. Volume Volume fluida fluida yang yang dipomp dipompaa V 2. Ting Tingg gi ken kenai aika kan n H 3. Sifa Sifatt atau atau keada keadaan an di di sisi sisi bagian bagian isa isap p 4. Daya yang dibutuhka dibutuhkan n untuk untuk memutar memutar pompa pompa
Pompa sentrifugal mempunyai daerah penggunaan yang sangat luas, seperti pada pemakaian dalam masalah ekonomi air, mesin tenaga dan d an instalasi pemanas, kimia maupun maupun petro kimia, kimia, perkapalan perkapalan dan pompa pompa yang dipakai dipakai di tambangtambangtambang. Lingkup penggunaan pompa sangat luas dengan berbagai kebutuhan terhadap kapasitas dan tinggi kenaikan yang berbeda-beda. Kadang-kadang pompa harus dibuat secara khusus sedemikian rupa sesuai dengan kebutuhan terhadap kapasitas pompa yang dibutuhkan, tinggi kenaikan dan bahan (fluida) yang akan dipompa, serta terdapat juga persyaratan khusus dari tempat di mana pompa tersebut akan dipasang, dari kemungkinan pemilihan mesin penggerak pompa dan dari masalah perawatan pompa tersebut.
2.2.2. 2.2.2.2 2 Bagian Bagian-B -Bagi agian an Pomp Pompa a Sentr Sentrifu ifugal gal
Pada pompa sentrifugal, fluida cair digerakkan oleh gaya sentrifugal dari daerah yang bertekanan rendah di pusat impeller menuju daerah yang bertekanan tinggi di discharge pompa. Secara garis besar, elemen atau komponen-komponen utama dari pompa sentrifugal ini, adalah sebagai berikut:
Gambar 2.4 Bagian-Bagian Utama Pompa Sentrifugal
[2]
Keterangan gambar (bagian-bagian utama pompa sentrifugal): A.
Stuffing Box
B.
Packing
C.
Shaft (Poros)
D.
Shaft Sleeve (Selongsong Poros)
E.
Vane
F.
Casing (Rumah Pompa)
G.
Eye of Impeller
H.
Bearing (Bantalan)
I.
Casing Wear Ring (Cincin Penahan Aus)
J.
Impeller
K.
Discharge Nozzle
2.3
TURBIN AIR
Kemajuan teknologi sekarang ini dalam bidang teknik mesin terutama dalam bidang bidang konver konversi si energi dan dan pemanfaatan pemanfaatan alam sebagai sebagai sumber sumber energi energi banyak dibuat peralatan-peralatan yang inovatif dan tepat guna. Diantaranya adalah pemanfaatan air yang bisa digunakan untuk menghasilkan listrik. Alat tersebut adalah berupa turbin yang digerakkan oleh air yang disambungkan dengan generator. generator. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan digunakan untuk memutar roda turbin. Turbin air dikembangkan pada awal abad ke-19 dan digunakan secara luas untuk untuk tenaga industri industri sebelum adanya adanya jaringan listrik. Kata “turbin” “turbin” ditemukan ditemukan oleh insinyur Perancis yang bernama Claude Bourdin yang diambil dari terjemahan bahasa Latin dari kata whirling (putaran) atau vortex (pusaran air) pegunungan. Turbin dapat memanfaatkan air dengan putaran lebih cepat dan dapat dapat memanf memanfaat aatkan kan head head yang yang lebih lebih tingg tinggi. i. Sekaran Sekarang g turbin turbin air diguna digunakan kan untuk untuk pembangkit tenaga listrik. Air yang mengalir mempunyai energi yang dapat digunakan untuk memutar roda turbin, karena itu pusat-pusat tenaga air dibangun di sungai-sungai dan di pegunungan-pegunungan. pegunungan-pegunungan. Pusat tenaga air tersebut dapat dibedakan dalam dua golongan, yaitu pusat tenaga air tekanan tinggi dan pusat tenaga air tekanan rendah.
Gambar 2.5 Pusat Tenaga Air Tekanan Tinggi Di Pegunugan
[2]
Dalam suatu PLTA, turbin air merupakan salah satu peralatan utama selain generator. Turbin air mengubah energi air (energi potensial, tekanan dan energi kinetik) menjadi energi mekanik dalam bentuk putaran poros. Energi mekanik dalam bentuk putaran poros ini akan diubah oleh generator listrik menjadi tenaga listrik.
Total energi yang tersedia dari suatu reservoir air adalah merupakan energi potensial air yaitu: Ep = m × g × h Keterangan: Ep
= energ energii poten potensia siall air (Joul (Joule) e)
m
= massa air (kg)
h
= tinggi air jatuh (meter)
g
= percepatan gravitasi (m/s2)
Dengan menggunakan rumus-rumus mekaina fluida, daya turbin, luas penampang lintang saluran dan dimensi baian-bagian turbin lainnya serta bentuk energi dari aliran air dapat ditentukan. Ukuran dan penampang saluran aliran air, termasuk sudut-sudut sudu dari konstruksi turbin air yang berbeda-beda adalah diperuntukkan pada keadaan
pembebanan yang normal (kebanyakan untuk pembebanan penuh). Dari kapasitas air Q air Q dan tinggi air jatuh efektif H H eff. eff. dapat diperoleh daya yang dihasilkan turbin: P = Q × ρ× G × H eff eff × ηT
Keterangan: P
= daya turbin (KW)
Q
= kapasitas air (m3/detik)
ρ
= massa jenis cairan (kg/m (kg/m3)
H eff eff
= head efektif (m)
ηT
= effisiensi turbin
Selama tinggi air jatuh efektif H efektif H eff. eff. tetap sama daya yang dihasilkan turbin disesuaikan dengan kebutuhan, dengan jalan mengubah-ubah kapasitas Q. Hal ini terjadi karena posisi peralatan pengarah yang berubah. Sebagai hasilnya didapat perbedaan harga randemen r andemen turbuin saat pembebanan penuh.
ηT pada saat pembebanan sebagian dari pada
Gambar 2.6 Randemen Beberapa Beberapa Konstruksi Turbin Air Pada Saat Pembebanan Sebagian; Informatif
[2]
Gambar 2.7 Diagram Bernoulli Bernoulli Untuk Turbin Air [2]
Persamaan momentum untuk pipa yang dialiri fluida, dimana sifat fluida konstan sebagai berikut:
Saat head losses akibat gesekan tidak diperhitungkan, maka persamaan momentum akan berubah menjadi persamaan Bernoulli. Persamaan ini ditemukan pada aliran fluida yang tidak mengalami gesekan.
Persamaan momentum untuk titik 1 dan 3, diperoleh:
Persamaan momentum untuk titik 2 dan 3, diperoleh:
Keterangan: P
= tekanan absolut (N/m2)
v
= kecepatan (m/s)
H l l
= head losses pada pipa pipa (m)
H eff eff
= head efektif (m)
Untuk kondisi-kondisi instalasi turbin air di atas dimana:
Untuk waduk (reservoir titik 1) kecepatan V 1 ≈ 0. ( pressure pressure grade adalah nol).
Maka,
Persamaan kontinuitas: Q=V×A
Keterangan: Q
= debit aliran (m3/detik)
V
= kecepatan aliran (m/s)
A
= luas penampang penampang pipa (m2)
Head losses yang terjadi pada saluran pipa: 1. Mayor Losses yang terjadi akibat gesekan aliran dalam satuan pipa
2. Minor Losses yang terjadi akibat adanya perlengkapan (equipment) pipa, seperti belokan (elbow (elbow), ), valve, valve, saringan dan peralatan lainnya.
2.3.1 Klasifikas Klasifikasii Turbin Turbin
Gambar 2.8 Kincir Air [11]
Kincir air adalah jenis turbin yang paling kuno, sudah sejak lama digunakan oleh masyarakat. Teknologinya sederhana dan biasanya bekerja pada tinggi air yang rendah berkisar antara 0,1 meter sampai 12 meter (roda kincir besar), dengan kapasitas aliran antara 0,05 m3/det sampai 5 m 3/det, serta kecepatan putarannya kecil berkisar pada 2 rpm sampai 12 rpm. Selain energi tempat, faktor yang harus diperhatikan pada kincir air adalah pengaruh berat air yang mengalir masuk ke dalam sel-selnya. Air yang mengalir ke dalam dan ke luar dari kincir tidak mempunyai tekanan lebih, hanya tekanan atmosfir saja. Kecepatan air yang mengalir ke dalam kincir harus kecil, sebab bila kecepatannya besar ketika melalui sel air akan melimpah ke luar atau energi yang ada hilang percuma. Berdasarkan prinsip kerjanya turbin air dibagi menjadi dua kelompok, yaitu turbin impuls dan turbin reaksi.
Table 2.1 Pengelompokan Turbin High Head
Pelton Impulse Turbine
Turgo
Medium Head
Low Head
Cross Flow Multi-Jet Pelton Turgo
Cross Flow
Francis
Reaction Turbine
Francis
Propeller Kaplan
Kaplan
