Penjelasan Singkat Mengenai Berbagai Perhitungan Pompa

Pada sistem perpipaan sering terjadi adanya penambahan energi atau energy (head) added (h_a) dan sering terjadi adanya pelepasan energi atau energy removed (h_r). Pada sistem penambahan energi maka diperlukan pompa atau turbin/kompresor. Pompa merupakan alat untuk mentransformasi energi mekanik menjadi energi fluida. Pompa untuk mengalirkan gas disebut fans, blowers atau kompressors (tergantung pada kenaikan tekanan yang diinginkan). 

Desain Body Pompa Reciprocating Pump

Efisiensi pompa harus dipertimbangkan dalam perhitungan jika akan memilih pompa. Dari persamaan Bernoulli’s yang telah diterangkan di atas maka persamaan dapat dituliskan sebagai berikut :  

Rumus Bernoulli,s dalam perhitungan pompa

Dimana :

h_a         = energi yang ditambahkan pada sistem perpipaan (ft) atau (m)

h_r         = energi yang dikurangkan pada sistem perpipaan (ft) atau (m)

P          = power (ft-lb/s) atau (N-m/s atau watt)

Q         = laju aliran (ft³/s) atau (m³/s)

            = berat spesifik cairan (lb/ft³) atau (N/m³)

1 hp     = 550 ft-lb/s   

Klasifikasi Pompa

                       Pompa dapat dikalsifikasikan dalam dua jenis tipe, yaitu : (1) positive-displacement (statik) dan (2) kinetik (dinamik). Pompa tipe positive-displacement (statik) dimana fluida digerakkan sepanjang perubahan volume atau pemindahan fluida menggunakan piston dan silinder. Jenis pompa tipe positive-displacement (statik) antara lain adalah reciprocating pump dan rotary pump. Pompa jenis kinetik (dinamik) dimana fluida digerakkan dengan memutar baling-baling (impeller). Jenis pompa tipe kinetik (dinamik) antara lain adalah centrifugal pump atau disebut radial flow pump, axial flow pump, dan mixed flow pump.

Sucker Rod Pump atau yang lebih dikenal dengan Pompa Angguk

Reciprocating Pump

Diagram Cara Kerja Pompa Reciprocating

Rotary Pump

Arah Aliran Fluida dalam Pompa Rotary

Centrifugal Pump

Aliran Fluida dalam Pompa Centrifugal

Penggunaan Pompa salah satunya dalam aplikasi dunia migas

Kompressor Angin dalam cara Kerjanya juga menggunakan prinsip kerja pompa

Pempuatan Impeller Pompa

Desain Body Pompa Centrifugal

Baling Kipas Angin mirip Impeller pada Pompa

Pemilihan Pompa

Dalam pemilihan pompa biasanya ukuran diameter pipa hisap dan ukuran diameter pipa outlet akan memberikan ukuran laju aliran pipa. Jenis impeller, kapasitas pompa, dan head yang akan terjadi sangat juga dipengaruhi jenis pompa yang akan dipilih. Pompa yang dipilih akan memberikan kapasitas dan head pada titik efisiensi maksimum yang akan menentukan kecepatan pompa tersebut. Pompa dengan pipa 6 in akan menghasilkan laju aliran 2000 gpm dan head sebesar 900 ft maka kecepatan pompa yang dihasilkan sebesar 1800 revolutions per menute (rpm). Reciprocating pumps pada umumnya biaya awal tinggi, relatif sulit dan mahal perawatannya.Biasanya dioperasikan pada kecepatan rendah dan perlu efisiensi yang relatif tinggi.

Rotary pump pada umumnya berbentuk sederhana (lebih murah) dan lebih mudah perawatannya dari jenis reciprocating pump. Rotary pump akan menguntungkan jika tekanan rendah dan laju aliran rendah (500 gpm). Sering digunakan untuk sistem air skala domistik. Centrifugal pump memberikan pelayanan ekonomis dan memuaskan dibandingkan dengan reciprocating pump dan rotary pump untuk pemompaan  cairan yang kotor dan viskos. Pada reciprocating pump, katub hisap dan laju aliran cenderung tersumbat oleh fluida yang kotor dan viskos. Pada rotary pump, cairan yang mengandung partikel pasir atau kerikil halus cenderung menghancurkan tutup (seal) antara gigi dengan casing. Pompa centrifugal sering digunakan untuk memompa limbah untuk mengolah limbah tersebut.

Karakteristik Kemampuan Pompa

Karakteristik kemampuan pompa (operasi) dapat ditentukan di laboratorium atau di lapangan dengan mengukur secara langsung dengan memberikan kecepatan rotasi tertentu. Data yang dihubungkan dengan karakteristik kemampuan pompa dicatat secara kontinyu. Kurva kemampuan pompa untuk pompa centrifugal menunjukkan total head, power input, dan efisiensi pompa dinyatakan sebagai fungsi kapasitas pompa (laju aliran pompa). Kurva kemampuan pompa akan berbeda dengan jenis pompa yang akan digunakan.

Kurva Kemampuan Pompa

Kurva Kemamapuan Pompa

Head yang Dihasilkan Oleh Pompa

Dalam memilih dan merancang pompa, laju aliran dan head yang akan dihasilkan harus spesifik. Laju aliran yang dihasilkan harus ditentukan dan head yang dihasilkan dapat ditentukan. Head yang dihasilkan terdiri dari head statik (tinggi cairan), head kecepatan, dan total head loss (head friksi dan atau head minor). Power teoritis yang dibutuhkan kadang-kadang dinyatakan sebagai power air (water power). Power motor yang menggerakkan pompa dapat ditentukan dengan membagi water power dengan efisiensi pompa.

Kecepatan Spesifik Pompa

Tiga parameter yang penting dalam memilih pompa centrifugal adalah laju aliran (discharge) yang dipompakan, head yang terjadi, dan kecepatan putaran impeller. Untuk memudahkan analisis masalah pompa dan pemilihan pompa ketiga parameter tersebut dikombinasikan dengan parameter lain yang dikenal sebagai kecepatan spesifik (specific speed).

Persamaan yang digunakan untuk mengevaluasi kecepatan spesifik adalah sebagai berikut :

Dimana :

            N_s        = kecepatan spesifik

            N         = kecepatan rotasi impeller, rpm

            Q         = laju aliran, gpm

            H         = head, ft

Persamaaan di atas dalam sistem internasional dapat dituliskan sebagai berikut :

Dimana :

            N_s        = kecepatan spesifik

            N         = kecepatan rotasi impeller, rpm

            Q         = laju aliran, m³/s

            H         = head, m

Kecepatan spesifik bukan variabel utama dalam pemilihan pompa. Variabel utama dalam pemilihan pompa adalah pengaruh laju aliran (discharge) Q), head (H), dan kecepatan rotasi impeller (N). Gambar di bawah memperlihatkan hubungan antara efisiensi pompa centrifugal dengan kecepatan spesifik.

1.      Kecepatan spesifik untuk radial flow pumps antara 500 – 5000

2.      Kecepatan spesifik untuk axial flow pumps 10.000 – 15.000

3.      Kecepatan spesifik untuk mixed flow pumps 3500 – 10.000

Efisiensi Pompa Centrifugal Sebagai Fungsi Kecepatan Spesisik

 

Kurva Fungsi Efisiensi Pompa Centrifugal

Contoh Soal

Pompa mengalirkan air dengan laju aliran sebesar 0,300 m³/s untuk melawan head sebesar 200 m dengan kecepatan rotasi sebesar 2000 rpm. Tentukan kecepatan spesifik pompa tersebut?

Jawab :

Diketahui :

Q         = 0,300 m³/s

H         = 200 m

N         = 2000 rpm

Ditanya :

N_s        = ?

Jawab :

Cavitation (rongga/ruang)

Jika pompa diletakkan di atas level cairan yang terdapat dalam reservoir dimana pompa tersebut digunakan untuk mengalirkan air dari reservoir maka garis hisap cairan (antara level cairan dengan pompa) akan mempunyai tegangan dan tekanan cairan  akan lebih kecil dari tekanan atmosfir. Tekanan cairan yang lebih rendah tersebut disebabkan oleh head loss (akibat friksi dan atau akibat kehilangan minor) dan energi kinetik yang dibutuhkan oleh pompa. Jika tekanan absolut didalam cairan menjadi sama dengan atau lebih kecil dari tekanan uap cairan tersebut, maka cairan akan menguap dan membentuk rongga yang mengandung uap dan atau gas yang tidak terlarut maka fenomena ini disebut sebagai cavitation (rongga/ruang). Cavitation sangat potensial merusakkan pompa .

Reservoir Cairan

Diagram Kerja Pompa dalam Pemindahan Fluida

Jika uap cairan terjadi maka akan membentuk gelumbung uap kyang kecil yang dapat runtuh akibat mengalami tekkanan yang lebih tinggi dalam pompa.Runtuhnya gelembung uap dapat menyebabkan kerusakan beberapa bagian pompa (keausan logam dari impeller). Cavitation dapat juga menyebabkan bunyi getaran saat operasi pompa yang dapat menurunkan efisiensi pompa. Faktor penting dalam operasi pompa adalah menghindari terjadinya cavitation dengan cara memelihara efisiensi pompa dengan baik dan melindungi peralatan dari kerusakan potensial. Faktor penting lainnya yang diperlu diperhatikan adalah batas cavitation untuk melawan head agar pompa dapat bekerja. Total head pada garis pusat inlet pompa terdiri dari head kecepatan ditambah head tekanan dan dikurangi dengan head tekanan uap cairan yang dipompakan dari total head yang memberikan paramater pompa yang dikenal dengan net positive suction head (NPSH).

Persamaaan NPSH dapat ditulis sebagai berikut :

Persamaan NPSH dapat ditransformasi kedalam bentuk lain menggunakan persamaan Bernoulli’s antara permukaan cairan (titik A pada gambar) dan garis pusat inlet pompa (titik B pada Gambar yang menghasilkan persamaan sebagai berikut :

Dimana :

NPSH  = net positive suction head, ft atau m

PA         = head tekanan statik (tekanan absolut) digunakan untuk permukaan cairan, ft atau m cairan

z_s= perbedaan ketinggian antara garis pusat inlet pompa dengan permukaan cairan dalam   reservoir, ft atau m (z₎  akan negatif jika pompa diletakkan di bawah permukaan cairan dalam reservoir

h_L= Total head loss dalam pipa hisap, ft atau m  head tekanan uap cairan, ft atau m cairan

Jika NSPH berkurang maka cavitation dianggap mempunyai pengaruh yang menganggu pada suatu titik tertentu. Titik ini disebut NPSH minimum (NPSH_minimum). Kemampuan pompa akan memuaskan (operasi tanpa gangguan) dapat dicapai sepanjang pompa dioperasikan di atas NPSH_minimum. Perusahaan pembuat pomba pada umumnya menyiapkan NPSH_minimum untuk operasi yang memuaskan.

Contoh Soal

Nilai NPSH_minimum untuk pompa yang dibuat oleh pabrik adalah 20 ft. Air dipompa dari reservoir (Lihat Gambar) dengan laju aliran 25 ft³/s. Level air pada reservoir adalah 6,0 ft di bawah pompa. Tekanan atmosfir adalah 14,7 psia dan temperatur 40^oF. Asumsi kehilangan head total pada pompa hisap sebesar 4,0 ft. Tentukan keamanan pompa dari pengaruh cavitation ?

Diagram Kerja Aliran Fluida

Diketahui :

NPSH_minimum = 20 ft

Q          = 25 ft³/s

z_s            = 6,0 ft

P_A        = 14,7 psia

T          = 40^oF

h_L         = 4,0 ft

Ditanya :

NPSH = ?

Jawab :

z_s         = 6,0 ft

h_L         = 4,0 ft

P_v         = 18,5 lb/ft²

NPSH = 33,9 ft – 6,0 ft – 4,0 ft – 0,3 ft = 23,6 ft

NPSH = 23,6 ft > NPSH_minimum = 20 ft

Dari hasil tersebut menunjukkan cavitation tidak bermasalah

Efisiensi Pompa

Gambar sebelumnya menunjukkan efisiensi optimum untuk radial flow pump, mixed flow pump, dan axial flow pump sebagai fungsi kecepatan spesifik. Dari gambar tersebut terlihat efisiensi puncak dari berbagai jenis pompa masing-masing sebesar 93, 92, dan 91 % pada kecepatan spesifik 2500, 6500, dan 12.500 . Efisiensi pompa tidak hanya bergantung pada kecepatan spesifik tetapi juga pada ukuran fisik seperti kapasitas atau laju aliran. Efisiensi pompa cenderung meningkat dengan meningkatnya kapasitas. Hubungan kuantitatif kurva efisiensi dengan beberapa pompa komersial dapat dilihat pada Gambar di bawah ini.

Efisiensi Pompa Komersial sebagai fungsi kapasitas

Kurva Efisiensi Komersial Pompa

Contoh Soal :

Pumpa komersial beroperasi pada kecepatan rotasi impeller sebesar 2150 rpm dan laju aliran sebesar 1800 gpm untuk melawan head sebesar 340 ft. Tentukan efisiensi pompa ?

Diketahui :

N            = 2150 rpm

Q            = 1800 gpm

H            = 340 ft

Ditanya : efisiensi pompa =  ?

Dari Gambar di atas dengan N_s = 1152 dan Q = 1800 gpm maka efisiensi pompa diperoleh sebesar 82%

Pompa Seri dan Paralel

Pada stasiun pompa sering menguntungkan jika pemasangan pompa dilakukan dua atau lebih pompa secara seri atau parallel. Pompa dihubungkan seri menyebabkan meningkatnya tekanan tetapi tidak meningkatkan laju aliran. Jika dua pompa identik dihubungkan seri, maka output tekanan meningkat dua kali sedangkan laju aliran tidak berubah. Pompa dihubungkan paralel menyebabkan meningkatnya laju aliran tetapi tidak meningkatkan tekanan. Jika dua pompa identik dihubungkan paralel dan laju aliran ke atmosfir maka laju aliran meningkat dua kali sedangkan tekanan tidak berubah.

Dua Pompa Identik Dihubungkan Seri

Kurva Hubungan Pompa Seri

Dua Pompa Identik Dihubungkan Paralel

 

Kurva Hubungan Pompa Paralel