BOREBLOG: 2017

Kavitasi
Pada sistem perpipaan yang menggunakan pompa sangat mungkin terjadi kavitasi yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran dan perbedaan penampang yang menyebabkan terjadinya penurunan tekanan sampai turun di bawah tekanan uap jenuhnya sehingga menyebabkan terjadinya fenomena yang disebut kavitasi. Kavitasi adalah peristiwa terbentuknya gelembung-gelembung uap di dalam cairan yang dipompa akibat turunnya tekanan cairan sampai di bawah tekanan uap jenuh cairan pada suhu operasi pompa. Gelembung uap yang terbentuk dalam proses ini mempunyai siklus yang sangat singkat. Knapp (Karassik dkk, 1976) menemukan bahwa mulai terbentuknya gelembung sampai gelembung pecah hanya memerwaktu sekitar 0,003 detik. Gelembung ini akan terbawa aliran fluida sampai akhirnya berada pada daerah yang mempunyai tekanan lebih besar dari pada tekanan uap jenuh cairan. Pada daerah tersebut gelembung tersebut akan pecah dan akan menyebabkan shock pada dinding dekatnya. Cairan akan masuk secara tiba-tiba ke ruangan yang terbentuk akibat pecahnya gelembung uap tadi sehingga mengakibatkan tumbukan.

Gejala kavitasi yang timbul pada pompa biasanya ada suara berisik dan getaran,unjuk kerjanya menjadi turun, kalau dioperasikan dalam jangka waktu lama akan terjadi kerusakan pada permukaan dinding saluran. Permukaan dinding saluran akan berlubang-lubang karena erosi kavitasi sebagai tumbukan gelembung-gelembung yang pecah pada dinding secara terus-menerus.

Penyebab Kavitasi pada Pompa

Pompa mempunyai sifat-sifat teknis yang harus dipenuhi agar dapat beroperasi dengan baik. Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada pompa adalah gagalnya pompa dalam proses priming, sehingga pompa tidak bias mengisap dan akhirnya gagal pemompaan serta menyebabkan kerusakan pada bagian-bagian pompa.

Ada beberapa penyebab kavitasi pada pompa diantaranya, adalah :
1. Vaporation ( penguapan)
2. Air Ingestion (masuknya udara luar ke dalam sistem)
3. Internal Recirculation (sirkulasi balik di dalam sistem)
4. Turbulance (pergolakan aliran)
5. Vane Passing Syndrome

Cara menghindari proses kavitasi yang paling tepat adalah dengan memasang instalasi pompa dengan NPSH yang tersedia lebih besar dari pada NPSH yang
diperlukan. NPSH yang tersedia bisa diusahakan oleh pemakai pompa sehingga
nilainya lebih besar dari NPSH yang diperlukan. Berikut ini hal-hal yang diperlukan untuk instalasi pompa.

1. Ketinggian letak pompa terhadap permukaan zat cair yang diisap harus dibuat serendah mungkin agar head statis lebih rendah pula. Pipa isap harus dibuat sependek mungkin. Jika terpaksa dipakai pipa isap yang panjang, sebaiknya diambil pipa yang berdiameter satu nomor lebih besar untuk mengurangi kerugian gesek.

2. Kecepatan aliran pada pipa isap tidak boleh terlalu besar (bagian yang mempunyai kecepatan tinggi maka tekanannya akan rendah).

3. Tidak dibenarkan untuk mengurangi laju aliran dengan menghambat aliran disisi isap.

4. Head total pompa harus ditentukan sedemikian hingga sesuai dengan yang diperlukan pada kondisi operasi yang sesungguhnya.

5. Jika head pompa sangat berfluktuasi, maka pada keadaan head terendah harus diadakan pengamanan terhadap terjadinya kavitasi.

6. Menghindari instalasi perpipaan berupa belokan-belokan tajam, karena belokan yang tajam kecepatan fluida akan meningkat sedangkan tekanan fluida akan turun sehingga menjadi rawan terhadap kavitasi.

Kerusakan impeller akibat kavitasi

Net Positive Suction Head (NPSH)

Gejala kavitasi terjadi apabila tekanan statis suatu aliran zat cair turun sampai dibawah tekanan uap jenuhnya. Kavitasi banyak terjadi pada sisi isap pompa, untuk mencegahnya nilai head aliran pada sisi hisap harus diatas nilai head pada tekanan uap jenuh zat cair pada temperatur bersangkutan. Pengurangan head yang dimiliki zat cair pada sisi isapnya dengan tekanan zat cair pada tempat tersebut dinamakan Net Positif Suction Head (NPSH) atau Head Isap Positif Neto yang dipakai sebagai ukuran keamanan pompa terhadap kavitasi. Ada dua macam NPSH yaitu NPSH tersedia pada instalasi dan NPSH yang diperlukan pompa.

Gejala kavitasi terjadi pada titik terdekat setelah sisi masuk sudu impeller di dalam pompa. Di daerah tersebut, tekanan lebih rendah daripada tekanan pada lubang isap pompa. Hal ini disebabkan zat cair mengalir melalui nozel isap sehingga kecepatannya naik. Dengan kenaikan kecepatan, tekanan zat cair menjadi turun.

Net Positive Suction Head Available (NPSH yang tersedia)

NPSH yang tersedia adalah head yang dimiliki oleh zat cair pada sisi hisap pompa dikurangi dengan tekanan uap jenuh zat cair ditempat tersebut. Dalam hal pompa yang menghisap zat cair dari tempat terbuka, maka besarnya NPSH yang tersedia dapat dituliskan seperti persamaan

Dengan:

h_sv = NPSH yang tersedia

P_a = Tekanan atmosfir (kg/m²)

γ = Berat zat cair per satuan volume (kg/m³)

h_ls = Kerugian head didalam pipa hisap (m).

Jika zat cair dihisap dari tangki tertutup, maka harga Pa menyatakan tekanan mutlak yang bekerja pada permukaan zat cair didalam tangki tertutup tersebut. Khususnya jika tekanan diatas permukaan zat cair sama dengan tekanan uap jenuhnya, maka Pa = Pv. Dalam hal pompa yang menghisap zat cair dari tempat terbuka, maka besarnya NPSH yang tersedia dapat dituliskan seperti persamaan

h_sv = - h_s - h_ls

Harga hs adalah negatif (-) karena permukaan zat cair di dalam tangki lebih tinggi dari pada sisi hisap pompa. pemasangan pompa semacam ini diperlukan untuk mendapatkan harga NPSH positif.

Posisi pompa terletak diatas permukaan fluida yang dihisap

Posisi pompa terletak dibawah permukaan fluida yang diisap

Net Positive Suction Head Required (NPSH yang diperlukan)

Tekanan terendah didalam pompa biasanya terdapat disuatu titik dekat setelah sisi masuk sudu impeller ditempat tersebut, tekanan adalah lebih rendah dari pada tekanan pada lubang hisap pompa. Hal ini disebabkan oleh kerugian head dinosel hisap, kenaikan kecepatan aliran karena luas penampang yang menyempit, dan kenaikan kecepatan aliran karena tebal sudu setempat. Agar tidak terjadi penguapan zat cair, maka tekanan pada lubang masuk pompa dikurangi dengan penurunan tekanan didalam pompa harus lebih tinggi dari pada tekanan uap zat cair. Head tekanan yang besar sama dengan penurunan tekanan ini disebut NPSH yang diperlukan atau Net Positive Suction Head Required (NPSHR). Besarnya NPSH yang diperlukan berbeda untuk setiap pompa. Untuk suatu pompa tertentu, NPSH yang diperlukan berubah menurut kapasitas dan putarannya. Agar pompa dapat bekerja tanpa mengalami kavitasi, maka harus dipenuhi syarat NPSH yang tersedia lebih besar dari pada NPSH yang diperlukan. Jadi untuk menghindari kavitasi pada pompa harus dipenuhi persyaratan berikut:

NPSH tersedia > NPSH yang diperlukan

Harga NPSH yang diperlukan diperoleh dari pabrik pembuat pompa. Namun untuk penaksiran secara kasar, NPSH yang diperlukan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan

Dengan:

σ = Koefisien kavitasi Thoma

HsvN = NPSH yang diperlukan (m)

HN = Head total pompa pada titik efisiensi maksimum (m).

Kecepatan spesifik sisi hisap (S) dapat juga digunakan sebagai pengganti koefisien kavitasi Thoma dalam menghitung NPSH yang diperlukan. Hubungannya dapat dilihat pada persamaan

H _{svN = ( n )}^4/3Q _N^2/3

Dengan:

HsvN = NPSH yang diperlukan (m)

n = Putaran pompa (rpm)

N = Kecepatan spesifik sisi hisap (m/min).

Temperatur Fluida

Suhu merupakan variabel yang paling mudah dipantau. Hampir semua fenomena alam akan mengakibatkan terjadinya perubahan suhu. Pengukuran suhu dapat dilakukan baik secara kontak maupun non-kontak. Salah satu fenomena kavitasi pada pompa adalah perubahan suhu fluida akibat proses penguapan pada tekanan uap jenuh. Sebagian besar pengukuran suhu dengan metode kontak dilakukan dengan menggunakan termometer atau termokopel. Sedangkan pengukuran nonkontak menggunakan sensor infra merah (thermography) yang semakin banyak dikembangkan dan mulai banyak digunakan. Jika kita mempertimbangkan pentingnya pengukuran temperatur dan hubungannya dengan tekanan dan flow, maka dengan mudah kita dapat melihat pada pompa yang mengalami kavitasi.

Hubungan Tekanan Uap Jenuh dengan Temperatur Fluida

Fluida menguap bila tekanannya menjadi sangat rendah atau temperaturnya menjadi sangat tinggi. Setiap perubahan karakteristik fluida tentu akan mempengaruhi sistem pemompaan baik sisi suction maupun sisi discharge yang diperlukan oleh sistem yang dilayani pompa maupun dari performansi pompa hubungan tekanan atmosfer, tekanan uap jenuh fluida, massa jenis dan luas penampang seperti ditunjukkan pada persamaan

P _u A = P _atmA γ ( hA)

Dimana:

Pu = Tekanan uap dalam Pa (Pascal)

Patm = Tekanan atmosfer

A = Luas penampang pipa (m2)

γ = Berat jenis cairan ( kg/m3)

Pola Aliran

Dalam berbagai industri sebagian besar fluidanya mengalir pada pipa-pipa saluran tertutup (closed conduit flow). Masalah utama yang muncul antara lain:
1. Terjadinya gesekan pada dinding pipa.
2. Terjadinya turnulensi karena gerakan relatif dalam molekul fluida yang dipengaruhi ole viskositas fluida, kecepatan aliran dan bentuk pipa.
3. Terjadinya fluktuasi aliran akibat pemasangan belokan (elbow) dan pengecilan salura mendadak (sudden constraction).
Dalam suatu aliran yang melewati sistem atau instalasi pipa maka akan terjadi hambatan aliran, hambatan tersebut diakibatkan oleh faktor- faktor bentuk instalasi. Hambatan aliran akan menyebabkan turunnya energi dari fluida tersebut yang sering disebut dengan kerugian tinggi tekan (head loss) atau penurunan tekanan (pressure drop). Kedua faktor ini merupakan pengaruh yang ditimbulkan karena pengaruh gesekan fluida (friction loss) dan perubahan pola aliran terjadi karena fluida harus mengikuti bentuk saluran dan dindingnya. Ketika pipa utama dialiri fluida yang bersifat turbulen, maka fluida dalam pipa akan mengalami pulsasi atau perubahan pola aliran yang dipengaruhi oleh kecepatan aliran meningkat dan tekanannya menurun.

Salah satu besaran non-dimensional yang menggambarkan pola aliran fluida adalah Bilangan Reynolds. Pada tahun 1883 Osborne Reynolds menunjukkan bahwa penurunan tekanan tergantung pada parameter: kerapatan (ρ), kecepatan (U), diameter (D) dan viskositas (µ) absolute yang selanjutnya disebut dengan bilangan Reynolds. Penurunan tekanan merupakan fungsi dari factor gesekan (λ) dan kekasaran relative dari dinding pada (ε/D), sehingga persamaannya menjadi :

λ = f ( Re ε/D )

Menurut Henry Darcy (1857) yang melakukan eksperimen aliran dalam pipa menyatakan bahwa kekasaran mempunyai dampak terhadap pola aliran, sehingga faktor gesekan sangat berpengaruh. dan nilai head loss friction dapat diketahui dengan persamaan:

Dengan:

Hf= head loss friction (m)

f = friction factor

d = Diameter saluran (m)

v = kecepata fluida(m/s)

L = Panjang pipa(m)

Klasifikasi Pola Aliran

Pola aliran pada pipa horizontal, ada efek kekuatan gravitasi untuk menggantikan cairan yang lebih berat mendekati pipa bagian bawah. Bentuk lain dari pola aliran dapat bertambah karena efek ini, dimana aliran tersebut dibagi dua lapisan. Banyak kriteria pola aliran yang kita perhatikan baik dari literature dan penelitian-penelitian, tetapi maksud dan tujuannya adalah sama. Deskripsi pola aliran menurut Collier (1980), dengan arah aliran horizontal adalah sebagai berikut:

       · Aliran gelembung (Bubble flow)
       · Aliran kantung gas atau sumbat cairan (Plug/Slug flow)
       · Aliran acak (Churn flow)
       · Aliran cicin kabut tetes cairan ( Wispy-Annular flow)
       · Aliran cincin (Annular flow)

Pola aliran pada pipa horizontal

Aliran Fluida

Aliran fluida (cairan atau gas) di dalam sebuah saluran tertutup atau pipa sangat penting di dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa komponen dasar yang berkaitan dengan sistem perpipaan adalah meliputi pipa-pipa itu sendiri, sambungan pipa (fitting) yang digunakan untuk menyambung masing-masing pipa guna membentuk sistem yang diinginkan, peralatan pengatur laju aliran (katup-katup) dan pompapompa atau turbin-turbin yang menambah energi atau mengambil energy pada fluida. Pada aliran fluida di dalam pipa, lapisan fluida pada dinding mempunyai kecepatan nol. Lapisan fluida pada jarak yang semakin jauh dari dinding pipa mempunyai kecepatan yang semakin besar, dengan kecepatan maksimum terjadi pada pusat pipa.

Daerah aliran di dalam sebuah sistem pipa

Aliran Laminar dan Turbulen

Perbandingan gaya-gaya yang disebabkan oleh gaya inersia, grafitasi dan
kekentalan dikenal sebagai bilangan Reynolds seperti persamaaan

Dengan:

U = Kecepatan rata-rata aliran (m/s)

D = Diameter pipa (m)

ρ = Massa jenis fluida (kg/m3)

µ = Viscositas dinamik (m2/s)

Aliran fluida mengikuti bentuknya, sewaktu mengalir aliran fluida membentuk suatu jenis/bentuk jenis dan bentuk dari pergerakan fluidanya. Dalam hal ini. Jika nilai Re kecil, partikel-partikel fluida bergerak sepanjang lintasan-lintasan yang halus atau lapisan-lapisan dengan satu lapisan meluncur secara mulus lapisan yang bersebelahan yang dikenal sebagai aliran laminar, sedangkan jika partikel-partikel fluida bergerak secara acak (random) baik arahnya maupun kecepatannya tidak terdapat garis edar tertentu yang dapat dilihat, aliran ini disebut aliran turbulen.

(a) Aliran laminar, (b) Aliran turbulen

Pada pipa:

· Aliran laminer terjadi jika Re < 2100
· Aliran transisi terjadi jika Re > 2100
· Aliran turbulen terjadi jika Re > 4000

Pompa

Pompa adalah suatu alat atau pompa 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. Salah satu jenis pompa pemindah non positif adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetis (kecepatan) cairan menjadi energy potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pompa sentrifugal umumnya dibagi ke dalam empat kelas, yaitu aliran sentrifugal atau radial campuran, aliran aksial dan turbin regenerative

Karakteristik pompa

Karakteristik pompa adalah prestasi pompa dalam bentuk grafik hubungan antara parameter-parameter: head (H), daya (N) dan efisiensi (η) terhadap debit (Q), parameter-parameter ini menandai prestasi kerja dan biaya operasi pompa. Karakteristik dari pompa entrifugal merupakan cara dimana tinggi tekan tekanan diferensial bervariasi dengan keluaran (output) pada kecepatan konstan. Untuk mempertahankan pompa beroperasi pada kecepatan konstan, jumlah aliran yang melalui pompa tergantung pada perbedaan tekanan atau head yang dihasilkan oleh pompa. Karakteristik dapat juga menyertakan kurva efisiensi dan harga brake horse power-nya. Kurva kapasitas tinggi tekan ditunjukkan sebagai kapasitas peningkatan total tinggi tekan, dimana tinggi tekan pompa mampu untuk dinaikkan atau dikurangi.

Tinggi tekan (head) pompa

Head pompa adalah energi per satuan berat yang harus disediakan untuk mengalirkan sejumlah zat cair yang direncanakan sesuai dengan kondisi instalasi pompa, atau tekanan untuk mengalirkan sejumlah zat cair, yang umumnya dinyatakan dalam satuan panjang.

Menurut persamaan Bernoulli, ada tiga macam head (energi) fluida dari sistem instalasi aliran, yaitu, energi tekanan, energi kinetik dan energy potensial. Hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan

Dengan:

H = Head total pompa ( m)

P/γ = Head tekanan (m)

Z = Head statis total (m)

V²/2g = Head kecepatan (m)

Head Tekanan

Head tekanan adalah perbedaan energi tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi tekan dengan energi tekanan yang bekerja pada permukaan zat cair pada sisi isap. Head tekanan dapat dinyatakan dengan persamaan

Dengan:

P/γ = Head tekanan

P_d /γ = Head tekanan pada permukaan zat cair pada sisi tekan

P_s/γ = Head tekanan pada permukaan zat cair pada sisi hisap

Head Kecepatan

Head kecepatan adalah perbedaan antar energi kecepatan zat cair pada saluran tekan dengan energi kecepatan zat cair pada saluran isap. Head kecepatan dapat dinyatakan dengan persamaan

Dengan:

Hk = Head kecepatan

V _d²/2g= Kecepatan zat cair pada saluran tekan

V _s²/2g= Kecepatan zat cair pada saluran isap

Head Statis Total

Head statis total adalah perbedaan tinggi antara permukaan zat cair pada sisi tekan dengan permukaan zat cair pada sisi isap. Head statis total dapat dinyatakan dengan:

Dengan:

Z = Head statis total

Zd = Head statis pada sisi tekan
Zd = Head statis pada sisi isap

Kerugian Head

Kerugian head yang terjadi pada instalasi pompa terjadi pada pipa dan perlengkapan pipa. Kerugian head pada pipa karena adanya turbulensi air dan gesekan pada sepanjang pipa hal ini disebut sebagai kerugian mayor. Kerugian minor terjadi pada perlengkapan pipa termasuk adanya belokan, penyempitan maupun pembesaran penampang secara mendadak pada pipa, katup dan sambungan sehingga menimbulkan turbulensi sepanjang pipa isap dan pipa tekan. Kerugian energi persatuan berat fluida dalam pengaliran cairan dalam sistem perpipaan disebut sebagai kerugian head (head losses). Head losses terdiri dari mayor head losses (hfs),minor head losses (hm), dan total losses (htot)

Kerugian Head Minor (hm)

Merupakan kerugian head pada fitting dan valve yang terdapat sepanjang sistem perpipaan. Dapat dicari dengan menggunakan persamaan

Dengan:

Hm = Minor losses (m)

f = Koefisien kerugian dari elbow dan valve

Koefisien f tergantung pada bentuk belokan, penyempitan, katup dan sambungannya. Namun, nilai k masih berupa nilai pendekatan, karena sangat dipengaruhi oleh bahan, kehalusan membuat sambungan, serta umur sambungan itu sendiri.

Kerugian head mayor ( Hfs)

Besarnya kerugian Head sepanjang pipa isap dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach:

Dengan:

H_f = Mayor losses (m)

f = Koefisien gesek pipa

L = Panjang pipa (m)

V = Kecepatan aliran (m/s)

D = Diameter dalam pipa (m)

Sedangkan besarnya Reynolds Number (Re) dapat dihitung dengan persamaan

Dengan:

Re = Reynold Number

r = Massa jenis fluida (air) ( kg/m 3 )

V = Kecepatan rata-rata aliran (m/s)

D = Diameter dalam pipa (m)

m = Viscositas absolut cairan (N.s/m 2 )

Apabila aliran laminar (Re < 2000), faktor gesekan (f) dapat dicari denganpendekatan persamaan

Apabila aliran turbulen (Re > 2000), faktor gesekan (f) dapat dicari dengan Moody Diagram. Metode yang umum digunakan untuk menentukan kerugian-kerugian head atau penurunan tekanan adalah dengan menentukan koefisien kerugian