tugas akhir - Repository Unsada

TUGAS AKHIR
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Definisi Pompa Sentrifugal
Pompa sentrifugal adalah suatu alat atau mesin yang digunakan untuk
memindahkan cairan dari suatu tempat ke tempat yang lain melalui suatu media
perpipaan dengan cara menambahkan energi pada cairan yang dipindahkan dan
berlangsung secara terus menerus.
Suatu pompa sentrifugal pada dasarnya terdiri dari satu impeller atau lebih
yang dilengkapi dengan sudu-sudu, yang dipasangkan pada poros yang berputar
dan diselubungi dengan atau oleh sebuah rumah (casing). Pompa ini bekerja
dengan prinsip putaran impeller sebagai elemen pemindah fluida yang digerakkan
oleh motor. Zat cair yang berada di dalam akan berputar akibat dorongan sudusudu dan menimbulkan gaya sentrifugal yang menyebabkan cairan mengalir dari
tengah impeller dan keluar melalui saluran di antara sudu-sudu dan meninggalkan
impeller dengan kecepatan tinggi. Cairan dengan kecepatan tinggi ini dilewatkan
ke saluran yang penampangnya makin membesar (volute) sehingga terjadi
perubahan head (tinggi tekan) kecepatan menjadi head tekanan. Setelah cairan
dilemparkan oleh impeller, ruang di antara sudu-sudu menjadi vacuum,
menyebabkan cairan akan terhisap masuk sehingga terjadi proses penghisapan.
Moh. Zadli
2012320001
8
TUGAS AKHIR
Gambar 2. 1 Intalasi Pompa
Selisih energi persatuan berat atau head total dari zat cair pada flens keluar
dan flens masuk disebut sebagai head total pompa. Sehingga dapat dikatakan
bahwa pompa sentrifugal berfungsi mengubah energi mekanik motor menjadi
energi aliran fluida. Energi inilah yang mengakibatkan pertambahan head
kecepatan, head tekanan dan head potensial secara kontinu.
2.2
Tinjauan Umum Sistem Perpipaan
Pipa adalah suatu batang silinder berongga yang dapat berfungsi untuk
dilalui atau mengalirkan zat cair, uap, gas ataupun zat padat yang dapat dialirkan
yang berjenis serbuk atau tepung. Untuk pembuatan pipa baja dapat dibuat dengan
beberapa metode antara lain seamless pipe, butt welded pipe dan spiral welded
Moh. Zadli
2012320001
9
TUGAS AKHIR
pipe. Pembuatan pipa disesuaikan dengan kebutuhan dan dibedakan dari batas
kekuatan tekanan, ketebalan dinding pipa, temperatur zat yang mengalir, jenis
material berkaitan dengan korosi dan kekuatan pipa tersebut.
Penamaan pipa sering disebut dari jenis pipa dan ukuran pipa yaitu
diameter pipa. Diameter pipa sendiri dibagi dua : diameter luar dan diameter
dalam, selain itu ada yang menamakan pipa dari ketebalan pipa yaitu ketebalan
antara diameter luar dan diameter dalam dan sekarang dikenal dengan istilah
schedules.
Untuk instalasi pipa dikapal tentu pipa-pipa tersebut tidak hanya pipa lurus
melainkan terdapat belokan , cabang, mengecil, naik dan turun. Panjang dari pipa
pun beraneka ragam ada yang panjang ataupun pendek. Berkaitan dengan hal ini
maka kita akan mengenal beberpa jenis sambungan pipa seperti sambungan ulir,
sambungan shock, sambungan dengan las (butt welded) dan sambungan dengan
menggunakan flange. Selain itu dikenal juga istilah belokan atau ellbow, cabang T
atau tee, cabang “Y” dan ada juga pipa yang diameternya mengecil disebut
reducer.
Pada setiap kapal yang memiliki perlengkapan permesinan yang terdiri
dari mesin induk, mesin bantu dan pompa-pompa atau kapal yang tidak dilengkapi
mesin penggerak namun memiliki permesinan lain dan pompa-pompa, selalu
dilengkapi dengan instalasi perpipaan.
Instalasi pipa dikapal digunakan untuk mengalirkan fluida dari satu tangki
atau kompartment ke tangki lain, atau dari satu tangki ke peralatan permesinan
dikapal, atau mengalirkan fluida dari kapal keluar kapal atau sebaliknya.
Moh. Zadli
2012320001
10
TUGAS AKHIR
Selain itu terdapat instalasi pipa yang lain berfungsi mengalirkan gas non
cair seperti pipa gas buang, pipa sistim CO2, atau instalasi pipa yang mengalirkan
udara dan uap bertekanan.
Jenis pipa yang terdapat dikapal memiliki beragam jenis ditinjau dari
material pipa sesuai dengan kegunaannya. Material pipa dikapal pada umumnya
terbuat dari baja galvanis, baja hitam, baja campuran, stainless steel, kuningan,
tembaga ataupun alumunium. Pada kegunaan tertentu terdapat pula pipa yang
terbuat dari bahan non metal seperti rubber hose , gelas dan PVC.
Untuk kapal-kapal yang dibangun mengikuti peraturan klasifikasi maka
instalasi pipa harus pula mendapat persetujuan atau gambar instalasi pipa harus
mendapat pengesahan dari badan klasifikasi.
Hal lain yang perlu diperhatikan adalah sistem pemeliharaan atau sistem
reparasi terhadap pipa-pipa dikapal, untuk memudahkan hal tersebut maka sistem
penyambungan pipa-pipa dikapal menggunakan sistem baut dan flange.
Sambungan pada pipa, Ada berbagai macam faktor yang mempengaruhi
hilangnya energi di dalam pipa jenis-jenis sambungan ikut mempengaruhi
hilangnya energi pada pipa. Dengan adanya sambungan dapat menghambat aliran
normal dan menyebabkan gesekan tambahan. Pada pipa yang pendek dan
mempunyai banyak sambungan, fluida yang mengalir di dalamnya akan
mengalami banyak kehilangan energi.
Dalam sistem pipa salah satu konstruksinya adalah menggunakan
sambungan yang berfungsi untuk membelokan arah aliran fluida ke suatu tempat
tertentu. Salah satu efek yang muncul pada aliran ketika melewati suatu
Moh. Zadli
2012320001
11
TUGAS AKHIR
sambungan yang berkaitan dengan pola aliran adalah adanya ketidakstabilan
aliran atau fluktuasi aliran. Fluktuasi aliran yang terjadi terus menerus pada
belokan pipa akan memberikan beban impak secara acak pada sambungan
tersebut. Akibat pembeban impak secara acak yang berlangsung terus menerus
bisa menyebakan getaran pada pipa. Pada sambungan pipa bekerja gaya yang
disebabkan oleh aliran zat cair yang berbelok, disamping berat pipa dan isinya.
Cara penyambungan pipa, Penyambungan tersebut dapat dilakukan dengan :
a. Pengelasan
Jenis pengelasan yang dilakukan adalah tergantung pada jenis pipa dan
penggunaannya, misalnya pengelasan untuk bahan stainless steel menggunakan
las busur gas wolfram, dan untuk pipa baja karbon digunakan las metal.
b. Ulir (threaded)
Penyambungan ini digunakan pada pipa yang bertekanan tidak terlalu
tinggi. Kebocoran pada sambungan ini dapat dicegah dengan menggunakan gasket
tape pipe. Umumnya pipa dengan sambungan ulir digunakan pada pipa dua inci
ke bawah.
c. Menggunakan Flens (flange)
Kedua ujung pipa yang akan disambung dipasang flens kemudian diikat
dengan baut.
2.3
Definisi Fluida
Fluida merupakan suatu zat atau bahan yang dalam keadaan setimbang tak
dapat menahan gaya atau tegangan geser (shear force).
Moh. Zadli
2012320001
12
TUGAS AKHIR
Dapat pula didefinisikan sebagai zat yang dapat mengalir bila ada
perbedaan tekanan dan atau tinggi. Suatu sifat dasar fluida nyata, yaitu tahanan
terhadap aliran yang diukur sebagai tegangan geser yang terjadi pada bidang geser
yang dikenai tegangan tersebut adalah viskositas atau kekentalan atau kerapatan
zat fluida tersebut. Berdasarkan wujudnya, fluida dapat dibedakan menjadi dua
bagian yaitu:
1. Fluida gas, merupakan fluida dengan partikel yang renggang dimana gaya
tarik antara molekul sejenis relatif lemah dan sangat ringan sehingga dapat
melayang dengan bebas serta volumenya tidak menentu.
2. Fluida cair, merupakan fluida dengan partikel yang rapat dimana gaya tarik
antara molekul sejenisnya sangat kuat dan mempunyai permukaan bebas serta
cenderung untuk mempertahankan volumenya.
2.4
Sifat Dasar Fluida
Fluida merupakan zat yang dapat mengalir yang mempunyai partikel yang
mudah bergerak dan berubah bentuk tanpa pemisahan massa. Ketahanan fluida
terhadap perubahan bentuk sangat kecil sehingga fluida dapat dengan mudah
mengikuti bentuk ruang.
Zat tersebut dapat berupa cairan maupun gas. Untuk mengerti aliran fluida
maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida. Sifat–sifat dasar fluida
tersebut yaitu; kerapatan, berat jenis, tekanan, temperatur, kekentalan.
Moh. Zadli
2012320001
13
TUGAS AKHIR
2.5
Aliran Fluida
Karakteristik struktur aliran internal (dalam pipa) sangat tergantung dari
kecepatan rata-rata aliran dalam pipa, densitas, viskositas dan diameter pipa.
Ada 3 tipe aliran fluida didalam sistem pipa, dapat dikategorikan yaitu :
1. Aliran Laminer,aliran fluida dengan kecepatan rendah. Partikel-partikel
fluida mengalir secara teratur dan sejajar dengan sumbu pipa. Reynold
menunjukkan bahwa untuk aliran laminer berlaku Bilangan Reynold, NRe
< 2100.
2. Aliran Turbulen,aliran fluida dengan kecepatan tinggi. Partikel-partikel
fluida mengalir secara tidak teratur atau acak didalam pipa. Reynold
menunjukkan bahwa untuk aliran turbulen berlaku Bilangan Reynold, NRe
> 4000.
3. Aliran Transisi,aliran fluida dengan kecepatan diantara kecepatan linear
dan kecepatan turbulen. Aliran berbentuk laminar atau turbulen sangat
tergantung oleh pipa dan perlengkapannya. Reynold menunjukkan bahwa
untuk aliran transisi berlaku hubungan Bilangan Reynold, NRe 2100 4000.
Moh. Zadli
2012320001
14
TUGAS AKHIR
Gambar 2. 2 Ilustrasi jenis aliran
2.6
Tekanan Aliran Fluida
Pipa atau tabung adalah suatu saluran yang tertutup, umumnya mempunyai
penampang sirkular dan digunakan untuk mengalirkan fluida melalui tekanan
pompa. Bila pipa mengalir dengan terisi penuh maka itu disebabkan oleh adanya
tekanan yang menyebabkan mengalir. Tekanan fluida disebut juga dengan energi
aliran adalah jumlah kerja yang dibutuhkan untuk memaksa elemen fluida
bergerak menyilang pada jarak tertentu dan berlawanan dengan tekanan fluida.
Dalam suatu sistem perpipaan aliran fluida pasti akan mengalami tekanan
dan penurunan tekanan seiring dengan panjang pipa yang dilalui oleh aliran fluida
tersebut. Dalam mekanika fluida tekanan dan penurunan tekanan tersebut
dikarenakan fluida yang mengalir mengalami berbagai macam kerugian sepanjang
Moh. Zadli
2012320001
15
TUGAS AKHIR
aliran fluida
seperti panjang pipa, model penempatan pipa, besar kecilnya
diameter pipa, kekasaran permukaan dan viskositas dari fluida tersebut.
Besarnya tekanan fluida dinyatakan dalam Azas Bernoulli yaitu secara
kuantitatif dalam bentuk persamaan, yang disebut persamaan Bernoulli.
Persamaan ini menyatakan hubungan antara tekanan, kecepatan dan tinggi-rendah
(letak) berbagai titik pada aliran fluida. Besarnya tekanan fluida dalam persamaan
Bernoulli, yaitu :
P=ρgh+
Dimana :
ρ
(Ref. 8, hal. 42)
P = tekanan fluida (Pa)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
h = tingi pipa (m)
v = kecepatan aliran rata-rata fluida (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
2.7
Kecepatan Aliran Fluida
Penentuan
kecepatan
di
sejumlah
titik
pada
suatu
penampang
memungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran
sehingga pengukuran kecepatan merupakan fase yang sangat penting dalam
menganalisa suatu aliran fluida.
Kecepatan dapat diperoleh dengan melakukan pengukuran terhadap waktu
yang dibutuhkan suatu partikel yang dikenali untuk bergerak sepanjang jarak yang
telah ditentukan.
Moh. Zadli
2012320001
16
TUGAS AKHIR
Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol pada
dinding pipa dan mencapai maksimum pada tengah-tengah pipa. Kecepatan
biasanya sudah cukup untuk menempatkan kekeliruan yang serius dalam masalah
aliran fluida sehingga penggunaan kecepatan sesungguhnya adalah pada
terbukanya katup dalam sistem perpipaan. Bentuk kecepatan yang digunakan pada
aliran fluida umumnya menunjukkan kecepatan yang bisa diukur menggunakan
suatu alat yang nilainya dapat terdeteksi.
Jumlah zat cair yang mengalir melalui tampang lintang aliran tiap satu
satuan waktu disebut debit aliran dan diberi notasi Q. debit aliran biasanya diukur
dalam volume zat cair tiap satuan waktu, sehingga satuannya adalah meter kubik
per detik (m3/dt). Besarnya kecepatan rata-rata aliran fluida akan mempengaruhi
besarnya fluida yang mengalir dalam suatu pipa.
Besarnya kecepatan rata-rata aliran fluida dinyatakan dalam:
V=
(Ref. 10, hal. 98)
Dimana :
V = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)
Q = debit aliran (m3/s)
A = luas penampang (m2)
2.8
Kerugian Aliran Fluida
Dalam suatu sistem perpipaan aliran fluida pasti akan mengalami tekanan
dan penurunan tekanan seiring dengan panjang pipa yang dilalui oleh aliran fluida
tersebut. Dalam mekanika fluida tekanan dan penurunan tekanan tersebut
Moh. Zadli
2012320001
17
TUGAS AKHIR
dikarenakan fluida yang mengalir mengalami berbagai macam kerugian sepanjang
aliran fluida
seperti panjang pipa, model penempatan pipa, besar kecilnya
diameter pipa, kekasaran permukaan dan viskositas dari fluida tersebut.
Penampang pipa dengan ukuran yang berbeda atau karena pembesaran atau
pengecilan mendadak akan menimbulkan pola aliran fluida menjadi tidak
beraturan dan kondisi ini merupakan suatu bentuk kerugian aliran dalam suatu
sistem perpipaan.
Perubahan tekanan dalam aliran fluida terjadi karena adanya perubahan
ketinggian, perubahan kecepatan akibat perubahan penampang dan gesekan
fluida. Sehingga perhatian utama dalam menganalisa kondisi aliran nyata adalah
pengaruh dari gesekan. Gesekan akan menimbulkan penurunan tekanan atau
kehilangan tekanan dibandingkan dengan aliran tanpa gesekan. Berdasarkan
lokasi timbulnya kehilangan, secara umum kehilangan tekanan akibat gesekan
atau kerugian ini dapat digolongkan menjadi 2 yaitu: kerugian mayor dan
kerugian minor.
Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida
pada sistem aliran penampang pipa yang konstan. Sedangkan kerugian minor
adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi pada alat kelengkapan pipa
seperti katup, belokan, tee, filter dan pada penampang pipa yang tidak konstan.
Kerugian ini untuk selanjutnya akan disebutkan sebagai head losses.
Moh. Zadli
2012320001
18
TUGAS AKHIR
Adapun kerugian-kerugian aliran (head losses) tersebut, ialah :
2.8.1
Kerugian Mayor (head losses mayor)
Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan yang terjadi akibat adanya
gesekan aliran fluida dengan dinding pipa pada pipa lurus dan perubahan
kecepatan yang dialami oleh aliran fluida (kerugian kecil).
Profil aliran fluida dalam pipa ditentukan dari bilangan Reynolds, yaitu :
Re =
(Ref. 6, hal. 78)
Dimana :
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
D = diameter pipa (m)
μ = viskositas dinamik (kg/m s)
V = kecepatan aliran fluida (m/s)
Dengan memasukkan konsep angka Reynolds maka head losses mayor, yaitu :
hl = f
(Ref.6, hal. 92)
Dimana :
hl = kerugian head losses mayor (m)
f = faktor gesekan
= (
)
D = diameter dalam pipa (m)
L = panjang pipa (m)
v = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Moh. Zadli
2012320001
19
TUGAS AKHIR
2.8.2 Kerugian Minor (head losses minor)
Kerugian minor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan yang terjadi
disebabkan oleh gangguan pada alat kelengkapan pipa seperti katup, belokan, tee,
filter dan pada penampang pipa yang tidak konstan. Kerugian minor ini dapat
diketahui dari persamaan, yaitu :
hlm = K
(Ref.6, hal. 96)
Dimana :
hlm = kerugian head losses minor (m)
K = Koefisien rugi
v = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/s2)
Tabel.2.1 Values of loss factors for pipe fitting
No
Fitting
K
L/D
1
Globe valve, wide open
10,00
350
2
Angle valve, wide open
5,00
175
3
Close return bend
2,20
75
4
T, through side outlet
1,80
67
5
Short-radius elbow
0,90
32
6
Medium-radius elbow
0,75
27
7
Long-radius elbow
0,60
20
8
45'elbow
0,42
15
9
Gate valve, wide open
0,19
7
(Sumber : Ir. M. Orianto, BSE. Mekanika Fluida : Surabaya.1984, hal. 97)
Moh. Zadli
2012320001
20
TUGAS AKHIR
Kerugian ini untuk selanjutnya akan disebut sebagai head losses dari penjumlahan
antara kerugian mayor (head losses mayor) dengan kerugian minor (head losses
minor).
head losses = kerugian mayor (head losses mayor) + kerugian minor (head losses
minor).
Moh. Zadli
2012320001
21