BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sifat – Sifat Zat Air

 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1
Sifat – Sifat Zat Air
zat cair mempunyai atau menunjukan sifat-sifat atau karakteristik-karakteristik yang
dapat ditunjukkan
sebagai berikut.
2.1 Tabel Sifat-sifat air sebagai fungsi temperatur
2.1.1 Massa Jenis
Kerapatan (massa jenis) dapat didefinisikan sebagai massa per volume satuan zat
tersebut. Untuk cairan kerapatannya dapat dianggap tetap untuk perubahan-perubahan
tekanan praktis. Kerapatan air adalah 1000 kg/
Laporan Tugas Akhir 2012
pada
C pada tekanan 1 atm.
5
…….. (2.1)
ρ=
dimana : ρ = massa jenis (kg/
)
m = massa (kg)
V = volume (
2.1.2 Viskositas
Didefinisikan sebagai sifat yang menentukan besar daya tahan zat cair terhadap gaya
geser atau dengan kata lain akibat dari hambatan yang dialami zat cair ketika mengalir. Zat
cair mengalami
hambatan karena pengaliran sepanjang dinding pipa (gesekan luar).
Viskositas cairan
berkurang dengan naiknya temperature hal ini timbul karena adanya saling pengaruh antara molekul-molekul fluida tetapi tak cukup banyak dipengaruhi oleh perubahan
tekanan. Gambar dibawah ini menunjukkan sifat-sifat viskositas fluida dimana terdapat
hubungan antara viskositas terhadap perubahan temperatur.
Gambar 2.1 Grafik Viskositas untuk beberapa jenis fluida
Sumber : White,Frank,M,1994,hal 699
Laporan Tugas Akhir 2012
6
Dari gambar terlihat bahwa nilai viskositas air turun ketika nilai temperaturnya naik.
Viskositas suatu
fluida dibedakan menjadi :
2.2
a. Viskositas dinamik
b. Viskositas kinematik.
Tekanan
Tekanan
adalah gaya normal persatuan luas, dirumuskan sebagai berikut :
P=
…….. (2.2)
Apabila suatu fluida diam didalam wadah, maka hanya tegangan normalnya yang ada.
Dalam hal ini , tekanannya pada suatu titik akan menjadi fungsi skalar dengan demikian
fluida tersebut memiliki tekanan static. Satuan tekanan dalam SI adalah pascal (1 Pa = 1
). Satuan lainnya yang sering dipergunakan untuk pengukuran tekanan adalah bar. Satu
bar sebanding dengan 100 Pa. Pengukuran fluida dapat ditunjukan dalam bentuk kolom fluida
seperti air raksa (Hg) atau air (H2O). ketika air raksa dipergunakan sebagai fluida kerja pada
kolom alat ukur maka tekanan digambarkan dalam bentuk multimeter kolom raksa (mmHg)
sedangkan jika air yang dipergunakan maka menjadi millimeter kolom air (mmH2O).
Istilah tekanan yang sering dipergunakan yang dibagi menjadi tiga macam yaitu
tekanan absolut adalah tekanan terukur ditambah tekanan atmosfer, tekanan barometer adalah
tekanan lingkungan/tekanan atmosfer dan tekanan pengukuran adalah tekanan yang terbaca
oleh alat ukur.
2.3
Pompa
2.3.1 Pengertian Pompa
Pompa adalah mesin atau peralatan mekanis yang digunakan untuk menaikkan cairan
dari dataran rendah ke dataran tinggi atau untuk mengalirkan cairan dari daerah bertekanan
rendah ke daerah yang bertekanan tinggi dan juga sebagai penguat laju aliran pada suatu
sistem jaringan perpipaan. Hal ini dicapai dengan membuat suatu tekanan yang rendah pada
sisi masuk atau suction dan tekanan yang tinggi pada sisi keluar atau discharge dari pompa.
Pada prinsipnya, pompa mengubah energi mekanik motor menjadi energi aliran fluida.
Energi yang diterima oleh fluida akan digunakan untuk menaikkan tekanan dan mengatasi
tahanan-tahanan yang terdapat pada saluran yang dilalui.
Laporan Tugas Akhir 2012
7
2.3.2
Sentrifugal
Pompa
Pompa
sentrifugal merupakan jenis aliran radial yang digerakkan oleh motor. Daya
dari motor diberikan pada poros pompa untuk memutar impeler yang dipasangkan pada poros
tersebut. Akibat dari putaran impeler yang menimbulkan gaya sentrifugal, maka zat cair akan
mengalir dari tengah impeler keluar lewat saluran di antara sudu-sudu dan meninggalkan
kecepatan yang tinggi.
impeler dengan
2.3.3 Komponen Utama Pompa Sentrifugal
Secara
garis
besar
elemen
atau
komponen-komponen
utama
dari pompa
sentrifugal ini adalah sebagai berikut :
Gambar 2.2 Bagian-bagian Komponen Pompa sentrifugal
1. Impeller
Sudu impeller merupakan cakram bulat dari logam dengan lintasan untuk aliran
fluida yang sudah terpasang. Impeler biasanya terbuat dari perunggu, polikarbonat, besi
tuang atau stainless steel, namun bahan-bahan lain juga digunakan. Sebagaimana kinerja
pompa tergantung pada jenis impelernya, maka penting untuk memilih rancangan yang
Laporan Tugas Akhir 2012
8
cocok dan mendapatkan
impeler dalam kondisi yang baik. Jumlah impeller menentukan
jumlah tahapan
pompa. Pompa satu tahap memiliki satu impeler dan sangat cocok untuk
layanan head (=tekanan) rendah. Pompa dua tahap memiliki dua impeler yang terpasang
secara seri untuk layanan head sedang. Pompa multi-tahap memiliki tiga impeler atau
lebih terpasang seri untuk layanan head yang tinggi. Impeller dapat digolongkan atas
dasar:
a. Arah utama aliran dari sumbu putaran: aliran radial, aliran aksial,
aliran campuran
b. Jenis hisapan: hisapan tunggal dan hisapan ganda
c. Bentuk atau konstruksi mekanis
Macam-macam
jenis impeller adalah sebagai berikut:
a.
Impeller yang tertutup
Impeler yang tertutup memiliki baling-baling yang ditutupi oleh mantel
(penutup) pada kedua sisinya. Biasanya digunakan untuk pompa air, dimana baling-baling
seluruhnya mengurung air. Hal ini mencegah perpindahan air dari sisi pengiriman ke
sisi
penghisapan, yang akan mengurangi
efisiensi
pompa.
Dalam
rangka
untuk
memisahkan ruang pembuangan dari ruang penghisapan, diperlukan sebuah sambungan
yang bergerak diantara impeler dan wadah pompa. Penyambungan ini dilakukan oleh
cincin yang dipasang diatas bagian penutup impeler atau dibagian dalam permukaan silinder
wadah pompa. Kerugian dari impeler tertutup ini adalah resiko yang tinggi terhadap
rintangan.
b. Impeller terbuka dan semi terbuka.
Memudahkan dalam pemeriksaan impeller. kemungkinan tersumbatnya kecil.
Akan tetapi utnuk menghindari terjadinya penyumbatan melalui resirkulasi internal,
volute atau back-plate pompa harus diatur secara manual untuk mendapatkan setelan impeler
yang benar.
c. Impeler pompa berpusar/vortex
Impeller ini cocok untuk bahan-bahan padat dan “berserabut” akan tetapi pompa
ini 50% kuran efisien dari rancangan yang konvensional.
Laporan Tugas Akhir 2012
9
Gambar 2.3 Jenis impeller pada pompa
2. Kasing pompa
Fungsi utama
kasing adalah menutup impeller pada penghisapan dan pengiriman pada
ujung
dan sehingga berbentuk tangki tekanan. Tekanan pada ujung penghisapan dapat
sekecil sepersepuluh tekanan atmosfir dan pada ujung pengiriman dapat dua puluh kali
tekanan atmosfir pada pompa satu tahap. Untuk pompa multi- tahap perbedaan
tekanannya jauh lebih tinggi. kasing dirancang untuk tahan paling sedikit dua kali
tekanan ini untuk menjamin batas keamanan yang cukup. Fungsi kasing yang kedua
adalah memberikan media pendukung dan bantalan poros untuk batang torak dan
impeler. Oleh karena itu kasing pompa harus dirancang untuk:
 Memberikan kemudahan mengakses ke seluruh bagian pompa untuk pemeriksaan,
perawatan dan perbaikan.
 Membuat wadah anti bocor dengan memberikan kotak penjejal
 Menghubungkan pipa-pipa hisapan dan pengiriman ke flens secara langsung
 Mudah dipasang dengan mudah ke mesin penggerak
(motor
listrik)
tanpa
kehilangan daya.
Gambar 2.4 Casing Pompa sentrifugal
3. Back Plate
Back plate terbuat dari logam dimana dengan kasing pompa membentuk kamar cairan
untuk fluida untuk dijadikan tekanan.
Laporan Tugas Akhir 2012
10
4. Mechanical
Seal
Koneksi antara
batang motor shaft/pompa dan selubung pompa dilindungi oleh suatu segel
mekanik
5. Shroud and Legs
Kebanyakan jenis pompa di coba dengan shourd dan legs yang dapat disetel. Shroud
meredam suara gaduh dan melindungi motor dari kerusakan.
dibatasi untuk
6.
Pump Shaft
Kebanyakan pompa mempunyai batang potongan yang ditempatkan dibatang motor
untuk menggabungkan tekanan, menghapuskan penggunaan keyways. Perakitan batang
potongan dapat didesain secara sederhana, sekalipun begitu masih menjamin pengarahan
mengurangi suara gaduh dan getaran. Untuk pompa sentrifugal multi-stage
metode untuk
panjang
batang pompa akan berbeda tergantung dari banyaknya pendorong yang digunakan.
Gambar 2.5 Pump Shaft
7. Adaptor
Kebanyakan pompa dengan suatu standar IEC motor elektrik. Koneksi antaranmotor dan
backplate dihubungkan oleh suatu adaptor dimana sesusai dengan standar IEC atau Cframe motor elektronik.
2.3.4 Prinsip Kerja Pompa 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
kepada poros pompa untuk memutarkan impeller di dalam zat cair. Maka zat cair yang
ada didalam impeller, oleh dorongan sudu-sudu dapat berputar. Karena timbul gaya
sentrifugal maka zat cair mengalir dari tengah impeller ke luar melalui saluran diantara sudusudu. Disini head
tekanan zat cair menjadi
lebih
tinggi.
Demikian
pula
head
kecepatannya menjadi lebih tinggi karena mengalami percepatan. Zat cair yang keluar
melalui 5 impeller ditampung oleh saluran berbentuk volut (spiral) dikelilingi impeller
dan disalurkan keluar pompa melalui nosel. Didalam nosel ini sebagian head kecepatan
Laporan Tugas Akhir 2012
11
menjadi head tekanan. Jadi impeller pompa berfungsi memberikan kerja pada
aliran diubah
zat cair sehingga
nergy yang dikandungnya menjadi lebih besar. Selisih energy per satuan
berat atau head total zat cair antara flens isap dan flens keluar disebut head total pompa.
Dari uraian diatas jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah energy mekanik dalam
bentuk kerja poros menjadi energi fluida. Energi inilah yang mengakibatkan perubahan
, head kecepatan dan head potensial pada zat cair yang mengalir secara
head tekanan
continue.
Pada keliling luar kipas, zat cair mengalir dalam rumah pompa dengan
tekanan dan kecepatan tertentu. Dalam rumah pompa ini zat cair disalurkan sedemikian
rupa, sehingga terdapat perubahan kecepatan ke dalam tekanan yang sempurna. Oleh
karena ini, kolom zat cair dalam saluran kempa digerakkan. Zat cair ini bergerak dalam
aliran yang tak terputus-putus dari saluran isap melalui pompa ke saluran kempa.
Gambar 2.6 Prinsip Kerja Pompa
2.3.5 Head
a. Tinjauan umum
Kerja yang dilakukan oleh sebuah pompa merupakan perbedaan energi yang timbul pada
suatu titik dimana zat cair meninggalkan dan memasuki pompa. Kerja yang dihasilkan
merupakan jumlah energi yang ditambahkan oleh zat cair didalam sistem. Besarnya
energi total pada setiap titik didalam sebuah sistem pompa tergantung dari pemasangan
alat ukur dan titik acuan diambil. Pandanglah aliran suatu zat cair (atau fluida
inkompresible, misalnya air) melalui suatu penampang saluran seperti diperlihatkan
dalam gambar dibawah ini. Pada penampang tersebut zat cair mempunyai tekanan statis p
(dalam N/m2), kecepatan rata-rata v (dalam m/s), dan ketinggian Z (dalam m) di ukur dari
bidang referensi. Maka zat cair tersebut pada penampang yang bersangkutan dikatakan
mempunyai head total H (dalam m) yang dapat dinyatakan sebagai :
Laporan Tugas Akhir 2012
12
H=
‫ﻻ‬
+
+Z
……… (2.3)
Dimana g (dalam m/ ) adalah percepatan gravitasi, dan ‫ ﻻ‬adalah berat zat cair
persatuan volume (N/m3).
Gambar 2.7 Head Fluida Disuatu Titik Tertentu dalam aliran Pipa
Sumber : L.Mott,Robert,1994r, hal 155
Adapun masing-masing suku dari persamaan tersebut diatas, yaitu p/‫ﻻ‬,
/2g dan Z,
berturut-turut disebut head tekanan, head kecepatan, head potensial. Ketiga head ini tidak
lain adalah energi mekanik yang dikandung oleh satu satuan berat zat cair yang mengalir
pada penampang yang bersangkutan.
b. Head Total Pompa
Head total pompa yang harus disediakan untuk mengalirkan sejumlah air seperti
direncanakan, dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani oleh pompa
seperti yang diperlihatkan pada gambar, head total pompa dapat ditulis sebagai berikut:
Gambar 2.8 Head Pompa
Sumber Sularso dan Tahara,H,Pompa dan Kompresor, hal 27
Laporan Tugas Akhir 2012
13
H = (z2 – z1) +
Dimana :
[‫ﻻ‬
+
‫ﻻ‬
]+[
+
]+ hl
……. (2.4)
H = head total pompa (m)
Z = tinggi statis terhadap referensi (m)
P = tekanan statis (N/m2)
hl = berbagai kerugian head (m)
v = kecepatan fluida (m2)
G = percepatan gravitasi (m/s2)
2.3.6 Daya Poros
Daya poros yang diperlukan untuk menggerakan sebuah pompa adalah sama dengan
ditambah kerugian daya didalam pompa. Daya ini dapat dinyatakan sebagai
daya hidrolik
berikut
:
Pp =
..…… (2.5)
Dimana : Pp = daya poros sebuah pompa (W)
= efisiensi pompa (%)
= daya hidrolik pompa (W)
Untuk dapat memperoleh daya poros pompa yang lebih akurat dapat dilakukan dengan
menggunakan rumus :
Pp = T.ω
.…….. (2.6)
=T
Dimana : T = torsi motor (Nm)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
n = kecepatan putar motor (rpm)
𝝅 = konstanta (3,14)
Pp = daya poros (W)
2.3.6.1 Torsi
Torsi didefinisikan sebagai perkalian antara gaya dengan jarak. Pada saat motor
beroperasi untuk memutar pompa, maka keseimbangan motor akan berubah. Untuk
menyeimbangankannya ditambahkan beban pada sisi salah satu motor. Beban ini besi dengan
massa tertentu. Sehingga perhitungan torsinya dapat diperoleh sebagai berikut :
Laporan Tugas Akhir 2012
14
T = F x l (Nm)
……. (2.7)
= m x g x l (Nm)
Dimana : m = massa beban pemberat (kg)
g = percepatan gravitasi (m/ )
l = jarak tuas dari poros motor ke beban (m)
2.3.7 Daya Hidrolik
Energi yang secara aktif diterima oleh air dari pompa persatuan waktu merupakan
definisi dari daya hidrolik, dapat ditulis :
Dimana :
Ph = ρ . g. H . Q
..……… (2.8)
ρ = massa air persatuan volume (kg/
)
g = Percepatan gravitasi (m/ )
Q = kapasitas air (
/s)
H = head total pompa (m)
Ph = daya hidrolik (W)
2.3.8 Efisiensi
Efisiensi didefinisikan sebagai perbandingan antara daya output dengan daya input
atau daya output dibagi daya input. Pada gambar dibawah menunjukan proses aliran energi
untuk alat pengujian pompa yang dibuat ini :
Ph
Pe
Pp
Motor
n (rpm)
P
Gambar 2.9 Diagram aliran energi sebuah Pompa
keterangan : Pe = daya listrik (W)
Pp = daya poros (W)
Ph = daya hidrolik (W)
Laporan Tugas Akhir 2012
15
Pada saat motor
penggerak diberi tegangan listrik dari sumber maka motor akan berputar dan
menyebabkan
pompa ikut berputar pada kecepatan putar tertentu. Daya yang keluar dari
pompa adalah daya hidrolik sehingga efisiensi pompa didefinisikan sebagai berikut :
ηp =
…….. (2.9)
efisiensi pompa
sentrifugal tergantung pada sejumlah faktor, yang perlu diperhatikan adalah :
a. kerugian-kerugian hidrolik
b. gesekan pada sudu
c. kerugian pada bantalan paking
d. kerugian
akibat kebocoran
2.3.9 Kurva prestasi pompa sentrifugal
Gambar 2.10 Kurva Prestasi Pompa Sentrifugal
Pada gambar diatas menunjukkan kurva karakteristik yang dimiliki oleh pompa
sentrifugal. Parameter dasar yang dipergunakan untuk menunjukkan kurva karakteristik dari
pompa sentrifugal adalah head, efisiensi, dan daya input (daya poros) sebagai fungsi debit.
Kapasitas (debit) pompa sebanding dengan kecepatan, sehingga jika kecepatannya naik maka
debitnya ikut naik. Pada gambar diatas terlihat bahwa head mengalami kenaikkan kemudian
terjadi penurunan seiring dengan kenaikkan debit. Sedangkan daya input mengalami
kenaikkan sejalan dengan debit. Begitu juga dengan efisiensi pompa akan naik seiring dengan
kenaikkan debit dan akan mencapai titik tertentu kemudian akan mengalami penurunan
sedangkan daya input akan terus naik seiring dengan kenaikkan debit.
Laporan Tugas Akhir 2012
16
2.3.10 Pengertian
NPSH
Didefinisikan
sebagai tinggi tekan total ekuivalen pada sumbu pompa yang telah
dikurangi dengan tekanan uap.
Faktor penentunya adalah
a. Hp adalah tinggi tekan akibat tekanan absolute pada permukaan cairan dari mana
melakukan pengisapan.
pompa
b. Hz adalah ketinggian dalam meter diatas atau dibawah sumbu impeller
c. Hvp adalah tinggi tekan yang diakibatkan oleh tekanan uap cairan pada temperatur
cairan
d. Hf adalah tinggi tekan yang hilang akibat gesekan dan turbulensi
e. Hsv adalah NPSH yang tersedia
Tinggi
tekan hisap adalah penjumlahan aljabar dari faktor-faktor tersebut, persamaan untuk
tinggi tekan hisap (suction Head) adalah :
Hsv = Hp ± Hz – Hvp – Hf
..….. (2.10)
Gambar 2.11 Hsv Sebuah Pompa
Untuk mendesain instalasi system pompa dan membeli sebuah pompa ada dua jenis tinggitekan hisap (suction Head) atau NPSH yang harus diperhatikan.
a. NPSH yang tersedia
NPSH yang tersedia ialah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa (
ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi hisap pompa), dikurangi dengan tekanan uap jenuh
yang tersedia.
Laporan Tugas Akhir 2012
17
b. NPSH yang
diperlukan
Tinggi-tekan
hisap yang dibutuhkan dari sebuah pompa termasuk tinggi tekan akibat
kecepatan pada flens hisap ditambah dari ketinggian tinggi tekan yang terjadi antara flens
hisap dan impeller. Tinggi tekan hisap ini juaga harus cukup besar untuk mengatasi
penurunan tekanan akibat perubahan kecepatan yang tiba-tiba (baik perubahan pada
besarannya maupun
pada arahannya).
2.4
Metoda Pengujian Pompa Secara Umum
Berdasarkan standar ASME (American Society of Mechanical Engineers) Metoda
pengujian pompa terdiri dari beberapa metoda, diantaranya adalah :
a.
Pengubahan NPSH
Metoda
Gambar instalasi pengujian untuk metoda ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini
Gambar 2.12 Instalasi pengujian metoda NPSH
Berdasarkan gambar 2.13 diatas, pompa mendapat suplay air dari reservoir (sump) yang
diletakkan dibawah pompa. Pada metode ini, air didalam reservoir levelnya diubah-ubah
dengan tujuan untuk mengubah nilai NPSH pompa.
b.
Metoda Pencekikan
Yang dimaksud dengan pencekikan adalah pengaturan debit air yang masuk pompa
dengan cara mengubah posisi bukaan katup yang terpasang disisi hisap pompa, seperti
yang terlihat pada gambar dibawah ini :
Laporan Tugas Akhir 2012
18
Gambar 2.13 Instalasi Pengujian Metode Pencekikan
Sumber air pada metode ini levelnya tidak diubah-ubah tetapi bukaan katupnya yang diubah ubah. Pengubahan katup ini bertujuan untuk mengubah nilai NPSH karena jika bukaan katup
kecil (dicekik) maka nilai rugi-ruginya besar, sehingga nilai NPSHnya akan berkurang.
Selain itu, akibat yang ditimbulkan oleh pencekikan adalah kecepatan air akan tinggi
sehingga aliran akan menjadi turbulen adan timbul gelembung-gelembung udara.
Laporan Tugas Akhir 2012
19