mekflu alat transportasi fluida.docx

Click here to load reader

Post on 22-Nov-2015

297 views

Category:

Documents

31 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

BAB VALAT TRANSPORTASI FLUIDA

5.1 PendahuluanPeranan pompa, fan, blower dan kompresor sangat penting. Sebagai contoh, pompa sebagai salah satu alat bantu untuk memindahkan zat cair dari satu tempat ketempat lainnya. Untuk melaksanakan fungsi itu masih diperlukan perangkat tambahan lainnya sehingga peran sebagai sarana pemindah zat cair dapat dilaksanakan dengan baik. Adapun perangkat tambahan yang dimaksud adalah sistem perpipaan sebagai sarana atau tempat mengalirnya cairan dari satu tempat ke tempat lainnya. Dalam melaksanakan fungsi transfer atau perpindahan zat cair/fluida, maka pompa harus mampu mengatasi sejumlah tahanan dari jaringan pipa hendak yang dilaluinya. Efektifitas sebuah sistem perpipaan dan pemompaan dapat ditentukan oleh jenis pompa yang digunakan. Dalam makalah ini akan dibahas berbagai jenis pompa yang sering digunakan. Jenis pompa dapat dibedakan berdasarkan cara kerja dan bagian-bagian yang menyusun pompa tersebut. Penggunaan fan blower sangat umum dan cukup luas pemakaiannya, salah satunya untuk pengkondisian udara pada suatu ruangan. Fungsi penyediaan udara bersih disuplai oleh alat yang dinamakan fan dan blower. Penentuan daya dan pemilihan jenis fan dan blower sangat ditentukan oleh karakteristik yang dikehendaki pada ruangan tersebut. Penggunaan kompresor kebanyakan lebih diminati untuk pelayanan yang membutuhkan udara bertekanan tinggi. Kompresor memiliki tekanan kerja yang tertinggi dibanding dengan jenis-jenis mesin fluida bertekanan lainnya. Pemindahan fluida melalui pipa, peralatan, ataupun udata terbuka dilakukan dengan bantuan pompa, kipas (blower) dan kompressor. Alat-alat tersebut berfungsi untuk meningkatkan energi mekanik fluida. Tambahan energi itu lalu digunakan untuk meningkatkan kecepatan, tekanan atau elevasi (ketinggian) fluida. Dalam kasus khusus logam cair, tambahan energi itu dapat dilakukan dengan pengaruh medan elektromagnet yang berputar. Pengangkat udara, pompa jet dan ejector menggunakan energi dari fluida kedua untuk memindahkan fluida pertama. Tetapi metode yang paling umum untuk menambahkan energi ialah aksi anjakan positif atau aksi sentrifugal yang diberikan dengan gaya dari luar. Kedua metode ini manghasilkan dua jenis peralatan utama pemindah fluida : yang pertama yang menggunakan tekanan langsung pada fluida dan yang kedua yang menggunakan momen puntir untuk membangkitkan rotasi (putaran). Dalam kelompok pertama termasuk piranti-piranti anjakan positif dan dalam kelompok kedua pompa sentrifugal, blower dan kompressor. Disamping itu, pada piranti anjakan positif gaya yang diperlukan bisa diberikan piston (torak) yang bekerja didalam silinder atau bagian penekan yang berputar. Jenis pertama disebut mesin bolak balik (reciprocating machines) dan jenis kedua merupakan anjakan positif putar (rotary positive displacement machines).Istilah pompa (pump), kipas (fan), blower dan compressor tidak mempunyai arti yang tepat. Umpamanya pompa angin dan pompa vacum adalah mesin-mesin untuk memampatkan gas. Namun, pada umumnya pompa ialah alat untuk memindahkan zat cair, sedangkan kipas, blower atau kompressor menambahkan energi pada gas. Kipas membuang udara pada volume besar keruang terbuka atau talang besar, biasanya merupakan mesin putar kecepatan rendah dan tekanan yang dibangkitkannya hanyalah sekitar beberapa inci saja. Kompresor membuang pada tekanan 2 sampai beberapa ribuan atmosfer.Dari sudut pandangan mekanika fluida, fenomena yang berlangsung didalm piranti-piranti itu dapat dikelompokkan dibawah dua judul umum, yaitu aliran mampu mampat dan aliran tak mampu mampat. Dalam pompa dan kipas, densitas fluida tidak berubah banyak dan dalam membahas piranti ini, teori aliran tak mampu mampat cukup memadai. Dalam hal blower dan compressor, peningkatan densitas itu cukup besar, sehingga kita tidak bisa menggunakan pengandaian penyederhanaan bahwa densitas tetap dan untuk ini kita harus menggunakan teori aliran mampu mampat.Dalam semua alat itu persyaratan untuk kerja dan karakteristik operasi alat sangat penting. Kapasitas aliran biasanya diukur dalam aliran volumetric dalam persatuan waktu pada densitas tertentu kebutuhan daya dan efisiensi mekanik jelas sangat penting. Keandalan dan kemudahan pemeliharaan juga merupakan hal yang diinginkan. Dalam alat-alat kecil, kesederhanaan operasi tanpa kesulitan merupakan hal yang lebih diutamakan daripada efisiensi mekanik yang tinggi yang hanya menghasilkan penghematan daya beberapa kilowatt saja.

5.2 Macam-Macam Alat Transportasi Fluida1. PompaPada pompa, densitas fluida konstan dan besar. Perbedaan tekanan biasanya cukup kasar dan konstruksinya pun perlu berat.Tinggi takan yang dibangkitkan. Contoh penggunaan pompa digambarkan dengan diagram pada gambar 5.1. Pompa itu dipasang didalam jalur pipa guna memberikan energi yang diperlukan untuk menarik zat cair dari reservoir dan membuangnya dengan laju aliran volumetric yang konstan pada waktu keluar dari jalur pipa pada ketinggian diatas permukaan zat cair. Pada pompa itu sendiri, zat cair masuk melalui sambungan isap pada stasion a dan keluar melalui sambungan buang pada stasion b. persamaan Bernoulli dapat kita tuliskan antara stasion a dan b. oleh karena itu satu-satunya gesekan ialah gesekan yang terjadi didalam pompa itu sendiri, yang telah diperhitungkan dalam efisiensi mekanik, hf=0, jadi persamaan dapat dituliskan

..(5-1)

Kuantitas dalam kurung disebut tinggi tekan total (total head) dan ditandai dengan H, H = p + gZ + V2 gc 2gc

Gambar 5.1 sistem aliran pompa

Perbedaan tinggi sambungan masuk dan sambungan keluar pada pompa biasanya dapat diabaikan, sehingga Za dan Zb dapat dikeluarkan dari persamaan 5-1. Jika Ha ialah tinggi tekan total isap dan Hb tinggi tekan total buang dan H= Hb-Ha, maka persamaannya dapat dituliskan ;Wp = Hb Ha = H (5-2)

Kebutuhan daya. Daya yang didistribusikan kepada penggerak pompa dari sumbu luar ditandai dengan lambing Pb. Nilainya dihitung dari Wp denganPb = m Wp = m H .(5-3) Dimana m adalah laju aliran massa.Daya yang diberikan pada fluida dihitung dari laju aliran massa dan tinggi tekan yang dibangkitkan pompa. Daya ini ditandai dengan lambang Pf dan didefenisikan sebagaiPf = m H..(5-4)Dari persamaan 8-4 dan 8-5Pb = Pf ..(5-5)

Persamaan 5-1 sampai 5-5 dapat pula digunakan untuk kipas dengan menggunakan densitas rata-rata = ( a +b) sebagai pengganti . Angkatan isap dan kavitasi. Daya yang dihitung dengan persamaan 5-3 bergantung pada perbedaan tekanan antara titik buang dan titik isap dan tidak bergantung pada tinggi tekanan. Dari segi energi, tidaklah menjadi soal apakah tekanan isap itu berada dibawah tekanan atmosfer atau jauh diatasnya, asal fliuda itu tetap berwujud cair. Akan tetapi jika tekanan hisap hanya sedikit lebih tinggi dan tekanan uap, sebagian zat cair itu mungkin berubah menjadi uap (flash) didalam pompa. Proses ini disebut dengan kavitasi (cavitation). Akibatnya kapasitas pompa jauh berkurang, dan dapat pula menyebabkan terjadinya erosi yang hebat. Jika tekanan isap itu sampai kurang dari tekanan uap, kavitasi akan terjadi pada pipa isap, dan zat cair tidak akan terisap ke pompa.Untuk mencegah terjadinya kavitasi, tekanan pada waktu masuk pompa harus lebih besar dari tekanan uap yaitu pada suatu nilai tertentu diatas tekanan uap. Nilai itu disebut tinggi tekan isap positif neto (net positive suction head) atau NPSH. Nilai NPSH yang diperlukan ialah 5 sampai 10 ft untuk pompa sentrifugal kecil (sampai 100 gal/min) tetapi meningkat dengan kapasitas pompa, kecepatan impeller dan tekanan buang, dan untuk pompa yang sangat besar disarankan nilai sebesar 50 ft6 .untuk pompa yang mengisap dari reservoir, seperti terlihat pada gambar 5-1, NPSH yang bisa didapatkan biasanya dihitung sebagai :

..(5-6)

Dimana Pa = tekanan absolute pada permukaan reservoirPv = tekanan uaphfs = gesekan didalam pipa isapTinggi tekan kecepatan pada lubang masuk pompa , yaitu aaVa2/2gc dapat dikurangkan dari hasil yang didapatkan dari persamaan 5-6 sehingga didapatkan hasil yang secara teoritis lebih benar mengenai NPSH yang tersedia, tetapi nilai ini bisanya hanya 1 sampai 2 ft dan biasanya sudah diperhitungkan dalam nilai NPSH yang disarankan oleh pabrik pembuat pompa.Dalam situasi khusus dimana zat cairnya dapat dianggap tidak mudah menguap (Pv=0), dan gesekan dapat diabaikan (hfs = 0), dan tekanan pada stasion a ialah tekanan atmosfer, nilai maksimum yang bisa didapatkan untuk angkatan isap didapatkan dengan mengurangkan nilai NPSH uang diperlukan dan tinggi tekan barometer. Untuk air, nilai angkatan isap maksimum ini ialah 34 ft : nilai praktisnya ialah maksimum 25 ft.

Contoh 5-1 benzena pada suhu 100 oF (37.8oC) dipompakan melaui sistem pada gambar 5-2 dengan lauju 40 gal/min (9,09 m3/jam). Reservoir berada pada tekanan atmosfer. Tekanan pengukur pada ujung pipa buang ialah 50 lbf/in2 (345 kN/m2). Buangan itu berada 10 ft di atas permukaan reservoar sedangkan isapan pompa 4 ft di atas permukaan itu. Pipa buang ialah pipa 1 in skedul 40. Gesekan di dalam pipa isap diketahui besarnya 0,5 lbf/in2 (3,45 kN/m2) dan pipa buang 5,5 lbf/in2 (37,9 kN/m2). Efisiensi mekanik pimpa adalah 0,60 (60%). Densitas benzene ialah 54 lb/ft3 (865 kg/m3) dan tekanan uapnya pada 100 oF (37,8oC) ialah 3,8 lbf/in2 (26,2 kN/m2).hitunglah (a) tinggi tekan yang dibangkitkan pompa (b) daya total yang diperlukan (c) tinggi tekan isap positif neto.Penyelesaian (a) kerja pompa Wp didapat dengan menggunakan pers (5-1). Stasion hula a ialah permukaan zat cair di dalam reservoar, dan stasion hilir b ujung pipa buang seperti terlihat pada gambar 5-1. Bila permukaan didalam tangki kita pilih sebagai tinggi acuan dan kita ingat bahwa Va = 0, pers (5-1) akan menjadi Wp = b + gZb + bVb2 + hf - a gc 2gc kecepatan keluar Vb didapat dengan menggunakan data dari lampiran 6. Untuk pipa 1 in. skedul 40 kecepatan 1 ft/det berarti laju aliran 6,34 gal/min, danVb = 40 = 6,31 ft/det 6,34

Dengan b = 1,0 pers (5-1) memberikan

wp = (14,7 +50) 144 + g 10 + 6,312 + (5,5+0,5)144 - 14,7 x 144 54 gc 2 x 32,17 54 54

=159,9 ft-lbf/lb

Dari pers 5-2 wp ialah juga tinggi tekan yang dibangkitkan dan

H= Hb Ha = 159,9 ft-lbf/lb (477,9 J/kg)

(b) laju aliran massa ialah

m = 40 x 54 = 4,81 lb/det (2,18 kg/det) 7,48 x 60

Daya yang diperlukan dari pers (5-3) ialah

Pp = 4,81 x 159,9 = 2,33 hp (1,74 Kw) 550 x 0,60

(c) tekanan uap menunjukkan tinggi tekan 3,8 x 144 = 10,1 ft-lbf/lb (30,2 J/kg) 54Gesekan didalam pipa isap adalah

hf = 0,5 x 144 = 1,33 ft lbf/lb (3,98 J/kg) 54

Jadi, nilai NPSH yang tersedia, dengan mengandaikan g/gc = 1, ialah

NPSH = 39,2 - 10,1 - 1,33 -4 = 23,77 ft (7,25 m)

Pompa anjakan positif. Pada kelompok utama pertama pompa ini, volume tertentu zat cair terperangkap di dalam suatu ruang, yang berganti-ganti diisi melalui pemasuk dan dikosongkan pada tekanan yang lebih tinggi melalui pembuang. Ada dua sub kelompok pompa anjakan positif. Pada pompa bolak balik ruang itu ialah silinder stasioner yang berisi piston atau plunyer; sedang pada pompa puter, ruangnya bergerak dari pemasuk sampai pembuang dan kembali lagi ke pemasuk.Pompa bolak-balik. Contoh pompa bolak-balik (reciprocating pump) ini adalah pompa piston, pompa plunyer, dan pompa diafragma. Dalam pompa piston zat cair ditarik melalui katup searah pemasuk kedalam silinder dengan menarik piston, dan kemudian didorong keluar melalui katup searah pembuang pada waktu langkah kembali. Kebanyakan pompa piston beraksi ganda, artinya zat cair itu masuk berganti-ganti pada kedua sisi piston, sehingga satu bagian silinder dalam keadaan mengisi sedang bagian yang lain dalam keadaan dikosongkan. Sering pula dua silinder atau lebih dipasang sejajar dengan satu pemasuk bersama dan satu pembuang bersama, dan konfigurasi piston tersebut diatur pula sehingga fluktuasi laju buangan menjadi sekecil mungkin. Piston itu dapat digerakkan oleh motor melalui roda gigi reduksi ; atau barang piston itu dapat pula digerakkan langsung dengan menggunakan silinder uap. Takanan buang maksimum untuk pompa piston komersial ialah kira-kira 50 atm.Untuk tekanan yang lebih tinggi digunakan pompa plunyer. Contohnya terlihat pada gambar 5-3a. sebuah silinder berdinding tebal dan berdiameter kecil berisi plunyer bolak-balik yang sesuai rapat, yang tidak lain merupakan perpanjangan dari batang piston. Pada batas langkah nya plunyer itu mengisi hamper keseluruhan ruang silinder . pompa plunyer selalu beraksi tunggal dan biasanya digerakkan dengan motor. Pompa ini dapat membuang melawan tekanan 1500 atm atau lebih.Pada pompa diafragma, bagian bolak-baliknya terbuat dari diafragma fleksibel dari logam, plastic atau karet. Hal ini menghindarkan diperlukannya isian padat atau perapat yang bersentuhan dengan fluida yang dipompakan, dan ini merupakan suatu hal yang menguntungkan, bila kita harus menangani zat cair beracun atau korosif. Contoh pompa ini terlihat pada gambar 5-3b. pompa difragma dapat digunakan untuk mengangani zat cair yang kuantitasnya kecil atau sedang, yaitu sampai 100 gal/min , dan dapat membangkitkan tekanan sampai 100 atm.Efisiensi mekanik pompa bolak-balik berkisar antara 40-50 % untuk pompa kecil hingga 70-90% untuk pompa besar. Efisiensi hamper tidak bergantung pada kecepatan dalam daerah operasi normal dan berkurang sedikit bila tekanan buang lebih tinggi, karena adanya tambahan geseran dan kebocoran.

Gambar 5-2 Pompa bolak-balik anjakan positif: (a) pompa plunyer (b) pompa diafragmaEfisiensi volumetric. Rasio volume zat cair yang dibuang terhadap volume sapuan piston atau plunyer disebut efisiensi volumterik. Pada pompa anjakan positif, efisiensi volumterik itu hamper konstan saja dengan peningkatan tekanan, walaupun agak berkurang sedikit karena kebocoran. Oleh karena volume alirannya tetap, pompa plunyer dan pompa diafragma banyak dipakai sebagai pompa pengukur (metering pump)

Gambar 5.3 Pompa roda gigi: (a) pompa roda gigi lurus (b) pompa roda gigi dalam

Pompa putar. Ada bermacam-macam jenis pompa anjakan-positif putar, ada yang memakai pompa roda-gigi (gear pump), pompa cuping (lobe pump), pompa ulir (screw pump), pompa bubungan (cam pump), dan pompa suhu (vane pump). Dua buah contoh pompa roda-gigi disajikan pada Gambar 5-3. Berbeda dari pompa bolak-balik, pada pompa putar tidak terdapat katup searah. Toleransi yang ketat antara bagian-bagian yang bergerak dan bagian-bagian yang stasioner mengurangi kebocoran dari ruang buang kembali ke ruang isap; tetapi hal ini juga mengurangi kecepatan operasi. Pompa putar beroperasi paling memuaskan dengan fluida yang bersih dan agak viskos, seperti minyak pelumas ringan. Tekanan buangnya dapat mencapai 200 atm atau lebih.Pada pompa roda-gigi lurus (spur-gear pump) (Gambar 5-3a), dua roda gigi yang saling bersesuaian berputar dengan toleransi yang cukup ketat di dalamrumahannya. Zat cair yang masuk melalui pipa isap pada dasar rumahan ditangkap dalam ruang-ruang antara gigi dan dinding rumahan, dan dibawa berputar sampai ke bagian atas rumahan lalu didorong ke luar melalui lubang buang. Zat cair itu tidak dapat melintas kembali ke ruang isap karena rapatnya kesesuaian gigi-gigi di tengah pompa.Pada pompa roda gigi dalam (Gambar 5-3b), sebuah roda-gigi lurus, atau pinyon (pinion) disesuaikan dengan roda-gigi gelang yang mempunyai gigi dalam. Kedua roda-gigi itu ditempatkan di dalam sebuah rumahan. Roda gigi gelang itu mempunyai sumbu yang terletak di pusat rumahan, tetapi pinyon, yang digerakkan dari luar, terpasang eksentrik terhadap pusat rumahan. Lalu ada lagi sebuah logam berbentuk bulan sabit yang mengisi ruang antara kedua roda-gigi. Zat cair dibawa dari pemasuk ke pembuang oleh kedua roda-gigi, yaitu di dalam ruang antara roda-gigi dan bulat sabit.

Pompa sentrifugal. Pada kelompok besar pompa yang kedua ini, energi mekanik zat cair ditingkatkan dengan aksi sentrifugal. Contoh pompa sentrifugal yang sederhana namun paling umum dipakai, terlihat pada Gambar 5-4a. Zat cair masuk melalui sambungan isap yang konsentrik dengan sumbu suatu elemen putar berkecepatan tinggi yang disebut impeler (impeller). Impeler ini mempunyai sudu-sudu radial yang dicorkan pada impeler tersebut. Zat cair mengalir ke luar di dalam ruang-ruang antara sudu, dan meninggalkan impeler dengan kecepatan yang jauh lebih besar dari pada pada waktu masuk. Bila pompa bekerja dengan baik, ruang diantara sudu-sudu terisi penuh oleh zat cair yang mengalir tanpa kavitasi. Zat cair yang meninggalkan keliling luar impeler dikumpulkan di dalam rumahan berbentuk spiral yang dinamakan volut (volute) dan meninggalkan pompa melalui sambungan buang yang arahnya tangensial (arah singgung). Dalam volut itu tinggi-tekan kecepatan zat cair dari impeler diubah menjadi tinggi-tekan tekanan. Daya diberikan kepada-fluida oleh impeler dan ditransmisikan ke impeler oleh momen puntir poros penggerak, yang biasanya digerakkan dengan motor yang dihubungkan langsung. Motor itu berputar dengan kecepatan konstan, biasanya pada 1.750 put/mm (putaran per menit).Pada keadaan ideal di mana alirannya tanpa gesekan, efisiensi mekanik pompa sentrifugal tentulah 100 persen, dan . Pompa ideal yang bekerja pada kecepatan tertentu akan memberikan buangan dengan laju tertentu pada tinggi-tekan bangkitan tertentu. Pada kenyataannya, berhubung adanya gesekan dan penyimpangan-penyimpangan dari kesempurnaan, efisiensi pompa jauh di bawah kondisi ideal ini.Pompa sentrifugal merupakan mesin pemompaan yang paling banyak dipakai dalam pabrik-pabrik pada umumnya. Pompa ini terdapat dalam berbagai jenis di samping jenis mesin volut sederhana yang ditunjukkan pada Gambar 5-4a. Jenis yang cukup umum menggunakan impeler isap-ganda, yang menarik zat cair dari dua sisi, seperti pada Gambar 5-4b. Di samping itu impelernya dapat pula berbentuk laba-laba terbuka atau dapat pula terkurung atau terselubung. Macam ragam pompa sentrifugal, ukurannya, rancangannya, dapat dilihat pada berbagai buku pegangan dan buku pelajaran tentang pompa, dan terutama pada katalog-katalog yang diterbitkan oleh pabrik-pabrik pembuat pompa.

Gambar 5.4 Pompa sentrifugal volut: (a) isapan tunggal (b) isapan ganda

Teori pompa-sentrifugal. Persamaan dasar yang menghubungkan daya, tinggi-tekan yang dibangkitkan, dan kapasitas pompa sentrifugal diturunkan untuk pompa ideal dan prinsip-prinsip fundamental dinamika fluida. Oleh karena unjuk kerja pompa dalam keadaan sebenarnya berbeda jauh dari pompa ideal, pompa sebenarnya dirancang dengan menerapkan koreksi-koreksi yang ditentukan secara eksperimental, terhadap kondisi ideal itu.Pada Gambar 5-5 terlihat diagram yang menunjukkan bagaimana zat cair itu mengalir melalui pompa sentrifugal. Zat cair itu masuk secara aksial dari sambungan isap yaitu stasion . Di pusat putaran impeler, zat cair itu menyebar secara radial memasuki saluran-saluran antara sudu pada stasion . Zat cair itu lalu mengalir melalui impeler meninggalkan tepi impeler pada stasion , dan mengumpul di dalam volut, lalu keluar pompa dari pembuang, stasion .

Gambar 5.5 pompa sentrifugal dengan menunjukkan stasion-stasion bernoulli

Gambar 5.6 kecepatan pada waktu masuk dan keluar dari sudu pompa sentrifugal: (a) vector dan sudu (b) diagram vector pada ujung suduUnjuk kerja pompa dianalisis dengan memperhatikan ketiga bagian dari lintasan total itu satu per satu: pertama, aliran dari stasion ke stasion ; kedua, aliran melalui impeler dari stasion ke stasion ; dan ketiga, aliran melalui volut station ke stasion . Jantung pompa itu adalah impelernya, dan teori mekanika-fluida dari bagian kedua itulah yang akan kita tinjau terlebih dahulu.Pada Gambar 5-6 terlihat sebuah sudu, yaitu salah satu dari banyak sudu yang terdapat pada impeler itu. Vektor-vektor pada gambar menunjukkan berbagai kecepatan pada stasion dan stasion , yaitu pada waktu masuk dan pada waktu keluar dari sudu itu. Perhatikan terlebih dahulu vektor-vektor pada stasion . Sesuai dengan rancangan pipa, garis singgung terhadap impeler pada ujung impeler itu membuat sudut dengan garis singgung terhadap lingkaran yang digambarkan oleh ujung impeler. Vektor ialah kecepatan fluida pada titik , sebagaimana terlihat oleh pengamat yang bergerak bersama impeler ; jadi, ini merupakan kecepatan relatif. Sekarang kita terima dua buah idealisasi. Pertama, kita andaikan bahwa semua zat cair yang mengalir melintas tepi luar impeler mengalir dengan kecepatan yangsama, sehingga nulai numerik kecepatan itu (tetapi tidak arah vektornya) ialah pada setiap titik; kedua kita andaikan bahwa sudut antara dan garis singgung adalah sudut sebenarnya, yaitu . Pengadaian kedua ini berarti kita mengandaikan bahwa banyaknya sudu ialah tak-berhingga, masing-masing tebalnya nol, dan berjarak tak-berhingga-kecil satu sama lain. Keadaan ideal ini disebut panduan sempurna (perfect guidance). Titik pada ujung daun itu bergerak pada kecepatan keliling terhadap sumbu. Vektor dan ditandai dengan Perangkat vektor seperti itu terdapat pula pada titik masuk ke sudu pada stasion seperti terlihat pada Gambar 8-10a. Dalam rancangan yang biasa, dibuat mendekati 90, dan vektor dapat dianggap radial.Gambar 5-6b ialah diagram vektor dari titik 2 yang menunjukkan hubungan antara berbagai vektor menurut cara yang lebih umum. Gambar itu menunjukkan pula bagaimana vektor kecepatan-absolut dapat diuraikan menjadi komponen-komponennya yaitu komponen radial yang ditandai dengan dan komponen perifera.Daya yang diberikan impeler, jadi, daya yang diperlukan pompa, dapat dikonsisten dengan Gambar 5-6, besaran menjadi dan menjadi Jadi,............................(5-6)

Faktor koreksi momentum yaitu adalah satu, karena kita mengandaikan panduan sempurna. Demikian pula, pada aliran radial, dimana Pada titik masuk, karena itu , sehingga suku kedua dalam kurung pada Pers. (5-6) dapat dihapuskan, dan

..(5-7)

Karena , persamaan daya pompa ideal ialah

..(5-8)

dimana subskrip menunjukkan pompa tanpa gesekan.

Hubungan tinggi-tekan dan aliran pada pompa ideal. Dari Pers. (5-4) yang dituliskan untuk pompa ideal, , dan karena itu

.(5-9)Oleh karena

..(5-10)Dari Gambar 5-6, , dan

..(5-11)Laju aliran volumetrik melalui pompa diberikan oleh

(5-12)

dimana ialah luas penampang saluran di sekeliling tapi luar. Penggabungan Pers. (5-11) dan (5-12) memberikan

.(5-13)

Oleh karena , dan konstan, Pers. (5-13) menunjukkan bahwa hubungan antara tinggi-tekan dalam aliran volumetrik adalah bersifat linear. Kemiringan garis tinggi-tekan/laju aliran bergantung dari tan dan karena itu berubah sesuaidengan sudut . Jika kurang dari 90, sebagaimana halnya pada umumnya, garis itu mempunyai kemiringan negatif. Aliran di dalam sistem pemipaan dapat menjadi tidak stabil jika garis itu horizontal atau memiliki kemiringan positif.

Hubungan tinggi-tekan dan kerja pompa ideal. Kerja yang dilakukan per satuan massa zat cair yang mengalir melalui pompa ideal, dari Pers. (5-3) dan (5-8) adalah

(5-14)

Persamaan Bernaulli yang dituliskan antara stasion 1 dan stasion 2, andaikan ada gesekan dan dapat diabaika, serta andaikan panduan sempurna, memberikan

(5-15)

Demikianlah pula, persamaan Bernouli yang dituliskan antara stasiun a dan 1 dan antara stasion b dan 2, adalah masing-masingnya (5-16) (5-17)Penjumlahan antara pers. (5-15), (5-16) dan (5-17) memberikan .(5-18)Persamaan (5-18) dapat ditulis dalam bentuk.(5-19)

Persamaan (5-19) sesuai dengan pers. (5-2) untuk pompa tanpa gesekan atau pompa ideal, dimana = 1,0, H = Hr, dan W = Wr

Pengaruh perubahan kecepatan.Suatu masalah praktis ialah bila kita mengubah kecepatan pompa, bagaimana meramalkan pengaruhnya terhadap tinggi tekan, kapasitas daya yang terpakai. Bila kecepatan ditingkatkan, kecepatan ujung u2 naik sebanding dengan itu; pada pompa ideal, kecepatan V2, Vu2, dan Vr2 juga naik sebanding dengan kenaikan n. Jadi,Kapasitas q berubah menurut n ( dari pers. (5-12))Tinggi tekan H berubah menurut n2 ( dari pers. (5-10))Daya P berubah menurut n3 ( dari pers. (5-8), karena m = pq dan karena itu berubah menurut n)

Untuk kerja nyata pompa sentrifugalTinggi tekan yang dibangkitkan oleh pompa dalam keadaan sebenarnya jauh lebih kecil dari yang diramalkan untik pompa ideal oleh pers. (5-19). Demikian pula efisiensinya kurang dari satu dan daya kuda fluida lebih besar dari daya kuda ideal. Rugi-rugi tinggi tekan dan rugi daya akan kita bahas satu persatu

Rugi-rugi tinggi-tekan; aliran sirkulasiSalah satu andaian dasar dalam teori pompa ideal ialah panduan sempurna, sehingga sudut antara vektor v2 dan u2 sama dengan sudut-sudut 2. Pada pompa sebenarnya, panduan itu tidaklah sempurna dan arus fluida sebenarnya bergerak keluar dengan sudut yang jauh lebih kecil dari 2. Alasan fisik dari pada hal tersebut ialah bahwa kecepatan pada satu penampung tertentu jauh dari serangan. Akibatnya ialah terjadinya aliran sirkulasi dari ujung ke ujung didalam saluran yang berimpitan dengan aliran neto melalui saluran itu. Oleh karena adanya sirkulasi kecepatan resultan V2 menjadi lebih kecil dari nilai teoritisnya. Diagram vektor pada gambar 5-7 menunjukkan bagaimana sirkulasi itu mengubah kecepatan teoritis sudutny. Garis-garis penuh dan besar-besaran yang bertanda aksen ialah yang mengeni pompa nyata, sedang garis putus-putus dan besran-besran tanpa tanda aksen berkaitan dengan kasus teoritis dan sudutnya. Garis-garis penuh dan besar-besaran yang bertanda aksen ialah yang mengenai pompa nyata, sedang garis-garis putus dan besaran-besaran tanpa tanda aksen berkaitan dengan kasus teoritis. Kecepatan pompa, dan karena itu u2 juga, dan aliran fluida melalui pompa, sebanding dengan Vr2, dan sama dalam kedua hal. Jelaslah bahwa baik sudut 2, maupun komponen tangensial Vu2 akan berkurang. Dari pers (5-19) terlihat bahwa tinggi tekan yang dibangkitkan pun akan berkurang.

Gambaar 5.7 diagram vector menunjukkan pengaruh sirkulasi dalam impeller pompa.Kurva karateristik; hubungan tinggi-tekan dan kapasitasGrafik tinggi-tekan nyata, kebutuhan total daya dan efisiensi vs laju volumetrik disebut kurava-kurva karateristik pompa. Skema contoh kurva itu terlihat pada gambar (5-8). Pada gambar 5-8a, hubungan antara tinggi-tekan teoritis dan laju aliran (hubungan tinggi-tekan dan kapasitas) merupakan garis lurus, sesuai dengan pers (5-19); tetapi untuk setiap pompa tertentu tinggi-tekan yang nyata-nyata dibangkitkan jauh lebih rendah dan bahkan turun hingga nol bila laju ditingkatkan sampai suatu nilai tertentu. Nilai ini disebut laju aliran tinggi-tekan nol (zero-head flow rate); dan merupakan nilai maksimum yang dapat diberikan pompa pada kondisi tertentu. Laju aliran teruji (rated flow rate) atau laju aliran operasi optimum (optimum operating flow rate) tentulah lebih kecil dari nilai ini.Perbedaan antara kurva teoritis dan kurva kenyataan terutama adalah karena adanya aliran sirkulasi. Faktor-faktor lain yang ikut menyebabkan rugi tinggi-tekan ialah gesekan fluida didalam jalur-jalur dan saluran di dalam pompa, rugi kejutan karena perubahan tiba-tiba daripada arah zat cair yang meninggalkan impelerdan bersatu dengan arus zat cair yang bergerak menuruti keliling rumahan. Gesekan yang paling tinggi ialah pada laju aliran maksimum; rugi kejutan adalah minimum pada kondisi operasi teruji pompa itu dan menjadi lebih besar jika laju aliran dinaikkan atau diturunkan dari nilai teruji.Kurva dayaContoh kurva daya fluida Pf dan daya total PB vs. Laju aliran terlihat pada gambar 8-12b. Perbedaan antara unjuk kerja ideal dan unjuk kerja nyata menunjukkan daya yang hilang didalam pompa yang disebabkan oleh gesekan fluida dan rugi kejutan, yang keduanya merupakan konversi energi-mekanik menjadi kalor, disemaping rugi yang disebabkan oleh kebocoran, gesekan piring, dan gesekan bantalan. Kebocoran ialah aliran balik yang tak dapat dihindarkan dari buangan impeler melalui cincin ke pusat resapan; hal ini mengurangi buangan yang sebenarnya dan pompa persatuan daya yang diberikan. Gesekan piring merupakan gesekan antara permukaan-luar impeler dan fluida yang terdapat didalam ruang antara impeler dan bagian dalam rumahan. Rugi bantalan merupakan daya yang diperlukan untuk mengatasi gesekan mekanik didalam bantalan dan peti gasket atau perapat pompa itu.EfisiensiSebagaimana terlihat pada gambar (8-6). Efisiensi pompa ialah rasio antara fluida dan daya total yang diberikan. Kurva pada gambar 8-12c, yang diturunkan dari kurva pada gambar 8-12b, menunjukkan bahwa efisiensi meningkat dengan cepat bersamaan dengan pertambahan laju aliran pada laju aliran rendah, laju mencapai maksimum pada daerah kapasitas teruji dan turun kembali jika laju aliran mendekati nilai tinggi-tekan nol.Pompa sentrifugal bertahap banyakTinggi tekan maksimum yang dapat dibangkitkan secara praktis dengan satu impeler tunggal dibatasi oleh kecepatan tepi impeler yang dapat dibuat dengan wajar. Bila diperlukan tinggi-tekan sekitar 70 atau 100ft (20 atau 30 m), maka dipasang dua impeler atau lebih secara seri pada satu poros tunggal sehingga didapatkanlah pompa bertahap banyak (multistage pump). Buangan dari tahap pertama merupakan masukan isap untuk tahap kedua, dan buangan tahap kedua diisap oleh tahap ketiga dan demikianlah seterusnya. Tinggi-tekan yang dibangkitkan pada setiap tahap dijumlahkan sehingga didapatkan tinggi-tekan total yang besarnya beberapa kali tahap pertama.Memancing pompa.Persamaan (5-19) menunjukkan bahwa tinggi-tekan teoritis yang dibangkitkan oleh pompa sentrifugal bergantung pada kecepatan impeler, jari-jari impeler dan kecepatan fluida meninggalkan impeler. Jika faktor-faktor tersebut konstan tinggi-tekan yang dibangkitkan adalah sama untuk semua fluida, tidak bergantung pada densitasnya dan sama baik untuk zat cair maupun untuk gas. Akan tetapi kenaikan tekanan itu sama dengan hasil kali tinggi tekan yang dibangkitkan dan densitas fluida. Jika pompa itu membangkitkan tinggi tekan 100ft umpamanya dan jika pompa penuh dengan air peningkatan tekanan ialah 100 x 62,3/144 = 43 lbf/in2. Jika pompa penuh dengan udara pada densitas biasa, peningkatan tekanan adalah sebesar 0,1 lbf/in2. Pompa sentrifugal yang dicoba untuk dioperasikan dengan udara tidak akan dapat menarik zat cair dari pipa isap yang kosong pada keadaan semula, dan tidak akan dapat mendorong zat cair didalam pipa buang yang penuh. Pompa yang berisi udara didalam rumahnya disebut kemasukan angin (air bound) dan tidak dapat melakukan apa-apa sebelum udara itu diganti dengan zat cair. Udara itu dibuang dengan memancing (priming) pompa dari tangki-bantu pemancing yang dihubungkan dengan pipa isap atau dengan menarik zat cair masuk ke pipa isap dengan bantuan sumber vakum dari luar. Disamping itu tersedia pula berbagai jenis pompa yang memancing sendiri (self-priming).

Gambar 5.8 kurva karakteristik pompa sentrifugal (a) tinggi tekan (b) daya (c) efisiensi masing-masing terhadap kapasitas

2. Kipas, Blower, dan KompressorPermesinan untuk memindahkan gas dapat dibahas dari segi jangkau perbedaan tekanan yang dihasilkannya. Maka urutannya ialah kipas, blower(penghembus), kompressor.

Kipas. Kipas-kipas besar biasanya sentrifugal, operasinya berdasarkan prinsip yang persis sama dengan pompa sentrifugal. Akan tetapi daun-daun impelernya dilengkungkan kedepan; pada pompa hal ini akan menyebabkan ketidakstabilan, tetapi pada kipas tidak apa-apa. Contoh impeler kipas terdapat pada gambar 5-9; impeler ini dipasang didalam rumahan yang terbuat dari lembaran logam tipis. Ruang bebas dibuat besar dan tinggi tekan buangan rendah yaitu antara 5 sampai 60in.H2O. Kadang-kadang sebagaimana terdapat pada kipas ventilasi, hampir semua energi yang ditambahkan dikonversikan menjadi energi kecepatan dan hampir tidak tinggi tekan tekanan. Peningkatan kecepatan itu selalu menyerap sebagai besar energi yang ditambahkan, sehingga harus selalu diperhitungkan dalam menaksir efisiensi dan kebutuhan daya. Efisiensi total dimana dalam keluaran daya termasuk tinggi tekan tekanan maupun tinggi tekanan kecepatan, dalah kira-kira 70%.Oleh karena perubahan densitas didalam kipas itu kecil, persamaan aliran tak mampu-mampat yang digunakan pada waktu kita membahas pompa sentrifugal, cukup memadai untuk digunakan disini, Salah satu perbedaan antara pompa dan peralatan gas ialah mengenai pengaruh tekanan dan suhu pada densitas gas yang memasuki mesin itu. Peralatan gas biasanya teruji dalam kaki kubik standar ( satandar cubic feet, std. ft3). Volume pada kaki kubik standar diukur pada suhu dan tekanan tertentu, berapa pun suhu dan tekanan sebenarnya daripada gas yang masuk ke mesin. Bermacam-macam standar digunakan dalam industri, tetapi yang umum ialah berdasarkan atas tekanan 30in. Hg dan suhu 60oF (520oR). Pada kondisi ini volume molal ialah 378,7 ft3/lb-mol.Contoh 5-2Sebuah kipas sentrifugal digunakan untuk mengambil gas buang pada keadaan diam, tekanan 29,0 in. (737 mm) Hg dan suhu 200oF (93,3oC), dan membuang pada tekanan 30,1 in (765 mm) Hg dan kecepatan 150 ft/det. Hitunglah daya yang diperlukan untuk memindahkan 10.000 std ft3/mm ( 16.990 m3/jam ) gas. Efisiensi kipas ialah 65% dan bobot molekul gas 31,3.Di perlukan untuk memindahkan 10,000 std ft3 / min (16.990 m3 / jam) gas. Efisien kipas ialah 65 persen dan bobot molekul gas 31,1.

Gambar 5.9 impeller kipas sentrifugal

PENYELESAIAN Densitas isap sebenarnya ialah = = 0,0629 lb/ft3dan densitas buang = 0,0629 = 0,0653 lb/detDensitas rata-rata dari gas yang mengalir ialah = = 0,0641 lb/ft3Laju aliran massa ialah = = 13,78 lb/detTekanan yang dibangkitkan ialah = = 1,214 ft-lb/lbTinggi tekanan kecepatan ialah = = 349,7 ft-lb/lbDari Pers. (8-1), dengan a = b = 1,0, a = 0, dan Za = Zb,Wp = = = 2.406 ft-lb/lbDarib Pers. (8-4)= = 60,3 hp (45,0 kW)

Blower dan kompresor. Bila tekanan pada fluida mampu mampat dinaikan secara adiabatik, suhu fluida itu akan naik pula. Kenaikan suhu ini menimbulkan beberapa kerugian. Oleh karena volume spesifik fluida itu naik bersama suhu, kerja yang diperlukan untuk memampatkan satu pon fluida itu akan menjadi lebih pula, dibandingkan jika kompresi itu dilakukan secara isotermal. Suhu yang terlalu tinggi akan menimbulkan masalah dengan pelumasan, peti gasket, dan bahan konstruksi. Fluida itu mungkin pula merupakan bahan yang tidak dapat menampung suhu tinggi tanpa dekomposisi.Untuk perubahan tekanan isentropik (adiabatik atau tanpa gesekan) gas ideal hubungan suhunya ialah..(5-20)Di mana Ta, T b= suhu absolut pada waktu masuk dan pada waktu keluarPa, Pb= tekanan pada waktu masuk dan pada waktu keluarUntuk gas tertentu, rasio suhu meningkat bila rasio tekanan meningkat. Rasio ini merupakan parameter dasar dalam tenik blower dan kompresor. Pada blower, rasio kopresi biasanya kurang dari 3 atau 4, kenaikan suhu adiabatik tidak besar, dan tidak perlu diperkecil lagi. Pada kompresor, sebaliknya, dimana rasio kompresi bisa sampai 10 atau lebih, suhu isentropik itu bisa besar sekali. Demikian pula, karena dalam kenyataannya kompresor itu bukanlah tanpa gesekan sama sekali, kalor dari dari gesekan itu diserap pula oleh gas, dan suhunya bisa menjadi jauh lebih tinggi dari suhu isentropik. Oleh karena itu, kompresor biasanya didinginkan dengan menggunakan selubung pendingin dimana dilakukan air pendingin atau refrigeran lainnya. Pada kompresor kecil yang memakai pendingin, suhu gas keluar bisa mendekati sama dengan suhu masuk, dan kita mendapatkan kompresi isotermal. Pada kompesor yang sangat kecil, pendinginan dengan udara dengan bantuan sirip-sirip luar yang dicorkan hingga menyatu dengan silindernya biasanya cukup memadai. Pada kompresor-kompresor yang lebih besar, dimana kapasitas pendinginan terbatas, terdapat lintas perubahan yang lain dari lintas kompresi isotermal atau adiabatik, yang disebut kompresi politropik.Blower anjakan-positif. Contoh blower anjakan-positif ditunjukkan pada Gambar (5-10). Mesin bekerja seperti pompa roda-gigi, kecuali bahwa, disini, dengan sesuatu rancangan khusus terhadap gigi nya, ruang bebas kelonggarannya hanyalah beberapa per seribu inci. Posisi relatif impelernya dapat dijaga secara teliti dengan bantuan roda-roda gigi berat dari luar. Blower satu tahap dapat membuang gas pada tekanan 0,4 sampai 1 atm mengukur, blower dua tahapan sampai 2 atm. Contoh blower pada Gambar (5-10) adalah dari dua-cuping. Blower tiga-cuping juga banyak dipakai.Blower Sentrifugal. Contoh blower sentrifugal satu tahap terlihat pada Gambar (5-11). Penampakannya serupa dengan pompa sentrifugal, kecuali disini rumahannya lebih sempit sedangkan diameter rumahan dan buangannya relatif lebih besar dari pada pompa. Kecepatan operasinya tinggi, yaitu 3.600 put/min atau lebih. Daya ideal diberikan oleh Pers (5-8). Alasan penggunaan kecepatan tinggi dan diameter impeler yang besar itu adalah karena diperlukannya tinggi tekan yang sangat besar, diukur dalam kaki tinggi fluida yang densitasnya rendah, untuk membangkitkan rasio tekanan yang sedang-sedang saja. Jadi, kecepatan yang muncul dalam diagram vektor seperti Gambar 5-6 adalah untuk blower sentrifugal, kira-kira sepuluh kaki pada pompa sentrifugal.

Gambar 5.10 blower dua cuping

Gambar 5.11 blower sentrifugal satu isapanKompresor sentrifugal biasanya bertahap banyak, dan terdiri dari sederetan impeler yang dipasang pada satu poros yang sama, yang berputar dengan kecepatan tinggi dalam rumahan yang kekar. Di dalamnya terdapat saluran-saluran yang membawa buangan dari satu impeler menjadi masukan pada impeler berikutnya. Mesin ini dapat memampatkan udara atau gas proses dalam volume besar sampai 200.000 ft3/min pada pemasuk dengan tekanan keluar mencapai 20 atm. Mesin-mesin berkapasitas kecil diperlukan adanya pendinginan antar tahap.Mesin-mesin aliran aksial dapat menangani gas dalam volume yang bahkan lebih besar lagi, yaitu sampai 600.000 ft3/min, pada tekanan keluar yang lebih rendah, yaitu 2 sampai 10 atau 12 atm. Dalam unit demikian gas itu didorong secara aksial oleh sudu-sudu rotor dari satu perangkat sudu lansung ke perangkat yang berikutnya. Di sudu biasanya tidak diperlukan pendinginan antar tahap.Kompresor anjakan positif. Kompresor anjakan positif jenis putar dapat digunakan untuk tekanan buang sampai kira-kira 6 atm. Kebanyakan kompresor yang beroperasi pada tekanan buang diatas 3 atm adalah mesin anjakan positif bolak-balik. Contoh sederhana kompresor satu tingkat terlihat pada Gambar 5-12. Mesin demikian beroperasi cara mekanik, dengan cara yang sama dengan pompa bolak-balik, dengan satu perbedaan pokok, yaitu bahwa pencegahan kebocoran di sini jauh lebih sulit, dan kenaikan suhu cukup penting. Dinding-dinding silinder dan kepala silinder dilubangi untuk membuat mantel pendingin yang menggunakan air atau refrigeran. Kompresor bolak-balik biasanya digerakkan dengan motor dan hampir selalu beraksi ganda.Bila diperluakan rasio kompresi yang lebih besar dari pada yang dapat dicapai dalam satu silinder saja, maka digunakan kompresor bertahap banyak. Antara tahapannya disediakan pendingin yang berupa penukar kalor jenis tabung yang menggunakan air atau refrigeran sebagai pendingin. Pendingin antara itu harus mempunyai kapasitas perpindahan kalor yang cukup besar untuk menurunkan suhu arus gas bertahap ke suhu isap semula. Kadang-kadang disediakan pula pendinginan belakang untuk mendinginkan gas tekanan tinggi yang keluar dari tahap akhir kompresor.Gambar 5.12 kompresor bolak balikPersamaan untuk blower dan kompresor. Oleh karena adanya perubahan densitas pada aliran mampu mampat, bentuk integral dari persamaan Bernoulli tidaklah memadai. Tetapi, Pers. (5-1) dapat dituliskan dalam bentuk diferensial dan digunakan untuk menghubungkan kerja poros dengan perubahan diferensial dan digunakan untuk blower dan kompresor, energi mekanik, kinetik, dan potensial tidak berubah banyak, sehingga suku kecepatan dan tinggi tekan statik dapat dihapuskan. Demikian pula, dengan pengandaian bahwa kompresor itu tanpa gesekan, = 1,0 dan hf = 0. Dengan penyederhanaan tersebut, Pers. (5-1) menjadiIntegrasi antara tekanan isap Pa dan tekanan buang Pb memberikan kerja kompresi untuk gas ideal tanpa gesekan : .(5-21)Untuk menggunakan Pers. (8-23), integralnya harus diselesaikan dulu dan untuk diperlukan informasi tentang lintasan yang dijalani oleh fluida di dalam mesin dari anjakan positif putar atau sentrifugal, dengan syarat bahwa aliran itu tanpa gesekan dan bahwa dalam mesin bolak-balik persamaan itu diperlukan terhadap sejumlah siklus yang integral, sehingga tidak ada penumpukkan atau kehilangan fluida di dalam blunder. Jika tidak begitu, andaikan dasar aliran stedi, yang mendasari Pers.(5-1), tentu tidak berlaku.Kompresi adiabatik. Untuk unit-unit tanpa pendinginan, fluidanya menjalani lintasan antropik. Untuk gas ideal, hubungan antara p dan diberikan oleh Pers(6-14), yang dapat dituliskan sebagai.(5-22)

Substitusi dari pers. (5-21) dan integrasinya menghasilkan :

`koefisiennya dikalikan dengan ` Pa1-1/ dan suku-suku di dalam tanda kurung dengan itu dibagi dengan itu, maka persamaan itu menjadi : .(5-23)Dari pers. (5-23) terlihat betapa pentingnya rasio kompresi, Pb/PaKompresi isotermal. Bila pada waktu kompresi dilakukan pendinginan sempurna, suhu menjadi konstant dan proses itu isotermal. Hubungan antara dan p, lalu, menjadi sederhana : .. (5-24)Eliminasi dari pers. (8-23) dan (8-26) dan integrasi menghasilkan :..(5-25)Untuk suatu rasio kompresi tertentu dan kondisi isap tertentu kerja yang diperlukan untuk kompresi isotermal lebih kecil daripada untuk kompresi adiabatik. Karena itulah pendinginan sangat berguna pada kompresor.Antara kasus adiabatik dan kasus isotermal terdapat hubungan yang sangat erat. Dengan membandingkan integran-integran pada persamaan diatas, jelaslahg bahwa jika =1, persamaan untuk kompresi adiabatik identik dengan kompresi isotermal.Kompresi politropik. Pada kompresor besar, lintasan fluidanya bukanlah isotermal dan bukan pula adiabatik. Namun, proses itu bisa diandaikan tanpa gesekan. Hubungan antara tekanan dan densitas biasanya diandaikan mengikuti persamaan : ..(5-26)Dimana n ialah suatu tetapan. Penggunaan persamaan ini sebagai pengganti pers. (5-22) tentu akan menghasilkan pers. (5-23) apabila diganti dengan n. Nilai n ditentukan secara empirik dengan mengukur densitas dengan tekanan pada dua titik dalam lintasan proses itu, yaitu pada titik isap dan pada titik buang. Nilai n lalu dihitung dengan persamaan :

Persamaan ini diturunkan dengan menggan ti p dengan pb dan dengan Pb pada pers. (5-26) dan menarik logaritmanya.Efisiensi Kompresor. Rasio antara kerja teoritis (atau daya fluida) dan kerja nyata (atau daya masuk total) adalah, sebagaimana biasanya, efisiensi dan ditandai dengan lambang . Efisiensi maksimum kompresor bolak-balik adalah kira-kira 80 sampai 85 persen. Persamaan daya. Daya yang diperlukan oleh kompresor adiabatik dapat dihitung dengan mudah dari pers. (5-23). Rumus dimensional untuk itu ialah :.(5-27)

Dimana PB = daya-kuda rem (brake horsepower)Qo = volume gas yang dikompresi, std ft3/minTa = suhu masuk, 0RUntuk kompresi poliprotik, diganti dengan n. Untuk kompresi isotermal : ..(5-28)Contoh 5-3.Sebuah kompresor bolak-balik tiga tahap digunakan untuk memampatkan 180 std ft3/mm (306 m3/jam)metana dari 14 menjadi 900 lb f/in2 (0,95 menjadi 61,3 atm)abs. Suhu masuk ialah 80 0F (26,7 0C). Untuk jangkau suhu yang diharapkan, sifat rata-rata metana ialah : Cp = 9,3 Btu/lb mol-0F (38,9 J/g mol-0C) = 1,31(a) Berapakah daya-kuda rem jika efisiensi mekanik ialah 80 persen?(b) Berapakah suhu buan gan dari tahap pertama?(c) Jika suhu air pendingin boleh naik 20 0F (11,1 0C), berapakah banyaknya air yang diperlukan di dalam pendingin antara dan pendingin blakang agar suhu gas mampat pada waktu meninggalkan setiap pendingin adalah 80 0F (26,7 0C)? Andaikan bahwa mantel pendingin yang digunakan cukup memadai untuk menyerap kalor gesekan.

Penyelesaian.(a) Untuk kompresor bertahap banyak dapat ditunjukkan bahwa daya total akan minimum jika kerja yang dilakukan pada setiap tahap sama besar. Menurut pers. (5-23) hal ini ekivalen dengan menggunakan rasio kompresi yang sama untuk setiap tahap. Untuk mesin bertahap tiga, oleh karena itu, rasio kompresi di setiap tahap haruslah merupakan akar pangkat-tigadari rasio kompresi menyeluruh, 900/14. Untuk satu tahapUntuk satu tahap

Daya yang diperlukan untuk satu tahap, dari pers (5-27), ialah:

Daya total untuk ketiga tahap ialah 3 x 24,6 = 73,8 hp (55,0 kW).(b) Dari pers. (5-20), suhu pada lubang keluar setiap tahap ialah :

(c) Oleh karena 1 lbmol = 378,7 std ft3, laju aliran ialah :

Beban kalor pada setiap tahap ialah :28,5(290 80) (9,3) = 55,660 Btu/jamBeban kalor total ialah 3 x 55,660 = 166.980 Btu/jam. Kebutuhan air pendingin ialah :

Pompa vakum. Kompresor yang mengambil isapannya pada tekanan dibawah tekanan atmosfer dan membuang melawan tekana atmosfer disebut pompa vakum (vacuum pump). Setiap jenis blower atau kompresor , jenis bolak balik atau putar atau sentrifugal dapat digunakan sebagai pompa vakum dengan mengubah rancangannya, sehingga dapat menam,pung gas yang densitasnya rendahpada titik isap dan mendapatkan rasio kompresi yang besar sebagaimana diperlukan. Oleh karena tekanan absolut pada titik isap menurun terus, efisiensi volumetriknya pun menurun pula. Dan mendekati nol pada tekanan absolut terendah yang dapat dicapai dengan pompa itu. Efisiensi mekanik pun biasanya lebih rendah dan kompresor. Anjakan yang diperlukan akan meningkat dengan cepat dengan berkurangnya tekanan pada pengisap, sehingga untuk memindahkan gas yang agak banyak diperlukan mesin yang cukup besar. Rasio kompresi yang digunakan pada pompa vakum biasanya jauh lebih besar daripada kompressor, yang mencapai 100 atau lebih, dengan suhu buangan adiabatik yang besar pula. Akan tetapi, pada kenyataannya, kompresinya hampir mendekati isotermal karena laju aliran massanya sangat rendah dan perpindahan kalor dari permukaan logam yang relatif besar itu cukup efektif. Ejektor jet. Suatu jenis pompa vakum yang cukup penting, yang tidak mempunyai bagiaan-bagian yang bergerak ialah ejektor jet (jet ejector), seperti terlihat pada gambar 8-137, dimana fluida yang akan dipindahkan dibawa ikut di dalam arus fluida kedua yang mengalir kecepatan tinggi.

Gambar 5.13 ejektor jet uapSuatu contohnya yang umum ialah jet air yang digunakan di laboratorium, dimana arus air membawa ikut udaradari dalam labu isap atau bejana lain. Fluida yang bergerak dan fluida yang akan dipindahkan bisa saja sejenis, umpamanya bila hendak memindahkan udara dengan udara, tetapi biasanya keduanya itu tidak sama. Dalam industri, yang banyak dipakai ialah ejektor jet-uap, yang sangat bermanfaat untuk mendapatkan vakum yang cukup tinggi. Seperti terlihat pada gambar 5-13, uap pada tekanan kira-kira 7 atm dimasukkan melalui nossel konvergen-divergen dan keluar dari situ dengan kecepatan supersonik ke dalam suatu kerucut pendifusi ( difuser). Udara atau gas lain yang hendak dipindahkan bercampur dengan uap itu pada bagian pertama difuser, hingga kecepatannya menjadi turun sampai kecepatan akustik atau lebih rendah lagi. Dalam bagian divergenpada difuser itu, energi kinetik gas campuran itu diubah menjadi energi tekanan, sehingga campuran itu dapat dibuang langsung ke atmosfer. Kadang-kadang buangan itu dilewatkan ke dalamkondensor dengan pendingin air, lebih-lebih menggunakan lebih dari satu tahap, sebab jika tidak setiap tahap akan terpaksa menangani semua uap yang masuk ke dalam tahap sebelumnya. Dalam pengolahan di industri, kadang-kadang digunakan sampai lima tahap. Ejektor jet tidak memerlukan perhatian dan pemeliharaan terlalu banyak dan sangat bermanfaat untuk menangani gas yang korosif yang dapat menimbulkan kerusakan yang bila menggunakan pompa vakum mekanik. Untuk menangani situasi pelik, nosel dan difuser yang dibuat dari logam tahan korosi, grafit atau bahan tahan reaksi lainnya. Ejektor, lebih-lebih yang bertahap banyak, sangat banyak menggunakan uap dan air. Alat ini yang dipakai untuk mendapatkan tekanan yang kurang dari 1 mmHg. Jet uap dewasa tidak sepopuler dulu pemakaiannya, karena biaya uap meningkat sekali. Dalam banyak hal, dimana korosi tidak menjadi masalah, alat ini digantikan oleh pompa vakum mekanik yang menggunakan energi jauh lebih sedikit untuk tugas yang sama.Perbandingan antara berbagai peranti pemindah fluida. Mesin-mesin anjakan positif, pad umumnya cocok untuk menangani fluida dalam jumlah kecil pada tekanan buang yang lebih tinggi daripada mesin sentrifugal. Pompa anjakan positif tidak mempunyai masalah kemasukan angin dan biasanya bersifat memancing sendiri. Laju buangan pada blower dan pompa anjakan positif hampir tidak bergantung pada tekanan buang, hingga mesin-mesin ini banyak digunakan untuk mengendalikan dan mengukur aliran. Peranti-peranti bolak-balik memerlukan banyak pemeliharaan, tetapi dapat memberikan tekanan yang sangat tinggi. Alat ini menghasilkan aliran berdenyut. Pompa putar sangat cocok untuk fluida pelumas yang agak viskos yang membuang dengan srus stedi pada tekanan sedang sampai tinggi. Alat ini tidak dapat digunakan untuk menangani lumpur. Blower putar biasanya membuang gas pada tekanan maksimum 2atm dari satu tahap. Aliran buang dari pompa anjakan positif tidak dapat ditutup tanpa menyebabkan pompa macet atau patah, sehingga untuk itu diperlukan saluran langkau atau katup genggaman(relieve valve).Mesin-mesin sentrifugal, baik pompa maupun blower, mengeluarkan fluida pada tekanan seragam tanpa kejutan atau denyutan. Mesin ini bekerja dengan kecepatan yang lebih tinggi dari mesin-mesin anjakan positif dan dihubungkan langsung dengan motor penggerak tanpa melalui peti roda gigi. Pipa pembuang dapat ditutup bilamana perlu tanpa menimbulkan kerusakan pada alat. Pompa sentrifugal dapat digunakan untuk menangani zat cair yang korosif ataupun lumpur. Blower dan kompresor sentrifugal jauh lebih kecil dari yang anjakan positif yang kapasitasnya sama dan tidak memerlukan terlalu banyak pemeliharaan.Untuk menghasilkan vakum, mesin mesin bolak-balik cukup efektif untuk tekanan sampai serendah 10 mmHg. Pompa vakum putar dapat menurunkan tekanan absolute sampai 0,01 mmHg dan dalam daerah operasinya pada tekanan rendah lebih mudah dioperasikan dari pada ejector jet-uap bertahap banyak. Untuk vakum yang sangat rendah, diperlukan piranti khusus seperti pompa difusi.Perbandingan antara pompa, fan (kipas) dan kompressorNoPembandingPompaFanKompressor

1.

2.

3.

4.Fungsi

Media pemindahan.

Perubahan densitas.

Jenis aliranAlat pembantu pemindahan zat cair dari suatu tempat ketempat lainnya.

Melalui pipa.

Tidak terlalu besar

Tak mampu mampatAlat untuk pengkondisian udara pada suatu ruangan dan penambah energi pada gas.

Melalui udara terbuka.

Tidak terlalu besar

Tak Mampu mampatrAlat pelayanan untuk kebutuhan udara bertekanan tinggi dan penambah energi pada gas.

Melalui peralatan.

Cukup besar

Mampu mampat

Perbandingan antara macam-macam pompa PembandingPompa PistonPompa PlunyerPompa DiafragmaPompa roda gigi lurusPompa Roda gigi dalam

Tekanan buangTakanan buang maksimum untuk pompa piston komersial ialah kira-kira 50 atm.

Pompa ini dapat membuang melawan tekanan 1500 atm atau lebih.

Dapat membangkitkan tekanan sampai 100 atm.

Tekanan buangnya dapat mencapai 200 atm atau lebih.

Tekanan buangnya dapat mencapai 200 atm atau lebih.

KonstruksiMemiliki katup searah Memiliki katup searah Memiliki katup searahTidak memiliki katup searahTidak memiliki katup searah

Aksi pompaBeraksi ganda dan digerakkan oleh motor melalui roda gigi reduksi

Pompa plunyer selalu beraksi tunggal dan biasanya digerakkan dengan motor.Beraksi tunggal dan biasanya digerakkan dengan motor.Gerakan memutar antara roda gigiGerakan memutar antara 2 roda gigi yaitu pinyon dan roda gigi gelang.

Mesin TurboMesin termodinamik atau mesin turbo adalah mesin yang menambahakan energi atau mengambil energi dan fluida berkat adanya sistem bilah yang berotasi di dalam mesin tersebut. Elemen rotasi ini disebut rotor dalam sebuah kompresor, impeller dalam sebuah pompa, rotor dalam sebuah turbin gas atua uap, dan runner dalam sebuah turbin hidrolik. Contoh-contoh mesin rotasi ini antara lain adalah pompa atau kompresor sentrifugal, pompa atau kompresor aliran aksial (axial flow), dan pompa atau kompresor aliran campuran (mixed flow); kipas an blower, serta turbin air, turbin uap, atau turbin gas. Teori UmumEnergi dipindahkan dari rotor atau impeller ke fluida dalam sebuah kompresor atau pompa dan dari fluda ke rotor atau runner dalam sebuah turbin. Fluida meninggalkan rotor dengan kecepatan resultan rata-rata V2 pada jari-jari R2 dan masuk dengan kecepatan dengan kecepatan resultan rata-rata V1 pada jari-jari R1. Kecepatan-kecepatan ini dapat mempunyai komponen-komponen dalam tiga arah yang saling tegak lurus; (1) komponen aksial atau sejajar dengan sumbu rotasi rotor; (2) komponen radial atau meridional, yang normal terhadap sumbu rotasi dan melewatinya; serta (3) komponen tangensial, yang normal baik terhadap arah aksial maupun meridional. (komponen tangensial sering disebut whirl component). Komponen-komponen ini berturut-turut ditandai dengan subskrip-subskrip a, m, dan t. Hanya komponen kecepatan tangensial yang turut berperan dalam momentum sudut, atau momen momentum yang perubahan per satuan massa fluidanya adalah V2R2-V1R1. Dari hukum. Newton kedua, ini sama dengan momen gaya (torque) pada motor untuk airan steady. Perpindahan energi E per satuan berta fluida sama dengan hasil kali antara momen gaya dan kecepatan sudut yang dibagi dengan percepatan gravitasi g.Jadi E = Karena r = U, kecepatan periferal rotor. Persamaan boleh dituliskan sebagaiE =

KARAKTERISTIK UNJUK KERJA POMPASelisih antara unjuk kerja teoritis dan unjuk kerja hasil pengukuran bisa disebabakan baik karena rugi viskous maupun rugi separasi serta kebocoran dari bagian keluaran pompa yang kembali ke masukan. Umumnya, rugi separasi munimum bila laju aliran sedang-sedang saja sementara rugi viskous kurang lebih meningkat sebanding dengan kuadrat debit.Energi atau head yang ditambahkan ke dalam fluida oleh pompa diperoleh sdari persamaan energi yang diterapkan potongan masukan 1 dan potongan keluaran 2.+ (AtauH=Hv+ Hp+ HzDengan penambahan head total H yang terjadi terutama akibat peningkatan head tekanan Hp, alih-alih akibat head kecepatan Hv atau head potensial atau elevasi Hz. Nisbah antara daya masukan kedalam pompa atau adaya rem (brake power), disebut efisiensi keseluruhan pompa. = adalah lazim untuk megekspresikan head energi (atau head saja), efisiensi, dan daya rem (daya masukan) sebagai fungsi kapasitas atau laju aliran baik secara grafik maupun berupa tabel. Harga-harga head, debit, dan daya yang tercantum mengacu ke kondisi-kondisi pada titik efisiensi maksimum pada laju rotasi tertentu yang umumnya terjadi pada debit sedang akibat rugi-rugi separasi.Pompa SentrifugalPompa sentrifugal disebut demikian karena head yang ditambahkan oleh impeller kepada fluida sebagian besar merupakan efek sentrifugal. Jenis pompa ini umumnya mempunyai head sedang dan kapasitas sedang dapat dilihatdalam gambar. Fluida masuk melalui bagian tengah impeller dalam arah yang pada dasarnya aksial, dengan sebuah komponen tangensial (pusaran atau prarotasi) yang disebabkan oleh efek-efek viskous. Fluida mengalir keluar melalui celah-celah antara bilah kipas dan piringan dan meninggalkan bagian periferal impeller pada tekanan yang tinggi dan kecepatan yang agak tinggi ketika memasuki casing atau volute. Alirran di dalam impeller merupakan gabungan antara aliran sumber dan aliran vorteks paksa. Tujuan adanya volute adalah untuk mengubah head kinetik, yang dinyatakan dengan kecepatan buang tinggi, mejadi head tekanan sebelum fluida meninggalkan pipa keluaran pompa. Jika casing dilengkapi dengan sirip-sirip pemandu, pompa tadi disebut pompa difusser atau pompa turbin.Pompa sentrifugal mungkin bekerja dengan single section atau double section, tergantung pada apakah fluida memasuki impeller dari satu atau dua arah aksial. Dalam pompa double suction, dorongan belakang terhadap poros pompa praktis hilang dan kecepatan masukkan impeller berkurang untuk ukuran impeller tertentu. Lebih dari sebuah impeller dapat dipasang pada sebuah poros, dan dalam pompa bertingkat ini sama dengan jumlah head yang ditambahkan oleh setiap tingkat .

Mekanika Fluida Page 37