pompa dan kompressor
TRANSCRIPT
Pompa dan Kompresor
Ir. Uung Ungkawa, MT
2010
i
Pengantar
Dalam zaman modern sekarang ini, Pompa dan Kompresor banyak menyentuh kehidupan
manusia dari rumah tangga hingga industri. Oleh karena itu mata kuliah Pompa dan Kompresor
merupakan mata kuliah wajib di beberapa jurusan teknik seperti Teknik Mesin dan Teknik
Perminyakan.
Buku ini adalah buku pegangan mata kuliah tersebut dan merupakan hasil ramuan yang
mengambil materi tidak saja dari buku-buku Pompa dan Kompresor yang klasik tetapi juga dari
berbagai sumber lain yang mutakhir termasuk dari beberapa website yang kompeten. Akan
tetapi, tentu tidak sekedar mutakhir, buku ini juga berorientasi pada pengalaman dan
permasalahan praktis. Jadi, buku ini berusaha memaparkan bahasan yang selama ini masih
tersembunyi atau yang belum diungkap buku lain.
Kami menyadari mungkin masih ada kekurangan yang tidak kami sadari. Oleh karena itu, kami
membuka diri untuk mendapat masukan demi perbaikan buku ini di kemudian hari. Semoga
banyak memberi manfaat bagi kita semua baik dari kalangan akademik, industri maupun
praktisi.
Bandung, Agustus 2010
Penulis
ii
Daftar Isi
PENGANTAR ............................................................................................................................................. I
DAFTAR ISI .............................................................................................................................................. II
BAGIAN 1 POMPA ................................................................................................................................... 1
1. PENDAHULUAN ............................................................................................................................... 2
1.1. LATAR BELAKANG ........................................................................................................................ 2 1.2. TEKANAN DAN SATUANNYA ......................................................................................................... 3 1.3. TEKANAN ATMOSFIR .................................................................................................................... 4
1.3.1. Mengukur Tekanan Atmosfir. ............................................................................................... 5 1.3.2. Tekanan Mutlak dan Alat Ukur ............................................................................................ 7
1.4. HEAD ............................................................................................................................................ 8 1.4.1. Konsep Head ........................................................................................................................ 8 1.4.2. Beberapa Jenis Head ........................................................................................................... 9 1.4.3. Head Total dan Persamaan Bernoulli .................................................................................. 9
1.5. HAKIKAT DAN PERANAN POMPA ................................................................................................ 11 1.6. HEAD DAN PERFORMANSI POMPA ............................................................................................... 12
1.6.1. Daya Air ............................................................................................................................. 12 1.6.2. Efisiensi Pompa .................................................................................................................. 13 1.6.3. Efisiensi Sistem ................................................................................................................... 13 1.6.4. Performansi Pompa ........................................................................................................... 13
2. AZAS POMPA ................................................................................................................................. 15
2.1. JENIS DAN CARA KERJA POMPA .................................................................................................. 15 2.1.1. Pompa Perpindahan Positif ............................................................................................... 15 2.1.2. Pompa Bukan Perpindahan Positif .................................................................................... 17 2.1.3. Perbandingan Pompa PD dan Non-PD ............................................................................. 18
2.2. HUKUM KESEBANGUNAN ........................................................................................................... 19 2.3. KECEPATAN JENIS (SPESIFIK) ..................................................................................................... 20 2.4. BENTUK IMPELER DAN KECEPATAN JENIS. ................................................................................. 22
3. HEAD SISTEM ................................................................................................................................ 26
3.1. SIFAT FISIK ZAT CAIR ................................................................................................................. 26 3.1.1. Viskositas ........................................................................................................................... 26 3.1.2. Tekanan Uap ...................................................................................................................... 29
3.2. HEAD STATIK DAN DINAMIK ...................................................................................................... 31 3.2.1. Head Ketinggian dan Kecepatan ....................................................................................... 32 3.2.2. Head Tekanan .................................................................................................................... 32
3.3. HEAD KERUGIAN ........................................................................................................................ 33 3.3.1. Konsep Dasar ..................................................................................................................... 33 3.3.2. Kerugian Mayor dan Minor ............................................................................................... 34
3.4. METODE PERHITUNGAN HEAD KERUGIAN .................................................................................. 35 3.4.1. Metode Darcy-Weisbach .................................................................................................... 35 3.4.2. Metode Hazen-Williams ..................................................................................................... 38 3.4.3. Menghitung Head Kerugian Minor .................................................................................... 39
3.5. HEAD TOTAL DAN KARAKTERISTIK SISTEM ............................................................................... 46
iii
3.6. PERFORMANSI UNTUK ZAT CAIR KENTAL .................................................................................. 49 3.7. NPSH DAN KAVITASI ................................................................................................................. 50
3.7.1. Head Isap ........................................................................................................................... 51 3.7.2. NPSH yang Tersedia .......................................................................................................... 52 3.7.3. NPSH yang Diperlukan ...................................................................................................... 53 3.7.4. Pengendalian Kavitasi ....................................................................................................... 57
4. OPERASI POMPA .......................................................................................................................... 59
4.1. PENGGABUNGAN POMPA ............................................................................................................ 59 4.1.1. Penggabungan Pompa yang Sama..................................................................................... 60 4.1.2. Penggabungan Paralel Pompa yang Berbeda. .................................................................. 61 4.1.3. Penggabungan Seri Pompa yang Berbeda. ........................................................................ 62
4.2. PENGATURAN KAPASITAS .......................................................................................................... 62 4.3. TEMPERATUR PEMOMPAAN ........................................................................................................ 66
4.3.1. Panas Jenis ........................................................................................................................ 66 4.3.2. Kenaikan Temperatur ........................................................................................................ 67
4.4. BENTURAN AIR ........................................................................................................................... 68 4.5. SURJING ...................................................................................................................................... 70 4.6. PULSASI TEKANAN ..................................................................................................................... 70 4.7. PEMBEBANAN IMPELER .............................................................................................................. 71
4.7.1. Gaya Radial ....................................................................................................................... 72 4.7.2. Gaya Aksial ........................................................................................................................ 73
4.8. OTOMATISASI ............................................................................................................................. 77
5. PERENCANAAN DAN INSTALASI ............................................................................................. 78
5.1. KLASIFIKASI POMPA ................................................................................................................... 78 5.2. SPESIFIKASI DAN PEMILIHAN POMPA .......................................................................................... 82 5.3. OPTIMALISASI SISTEM ................................................................................................................ 83
5.3.1. Pengaruh Udara ................................................................................................................ 83 5.3.2. Efisiensi Pemipaan dan Tadah Isap ................................................................................... 83 5.3.3. Prinsip Efisiensi Pada Pompa ........................................................................................... 84
5.4. INSTALASI SISTEM ...................................................................................................................... 84 5.4.1. Kondisi kerja:..................................................................................................................... 84 5.4.2. Pemeriksaan Sumur ........................................................................................................... 84 5.4.3. Tadah Isap ......................................................................................................................... 85 5.4.4. Instalasi Pipa ..................................................................................................................... 88 5.4.5. Pemasangan Pompa ........................................................................................................... 91 5.4.6. Tadah Keluar ..................................................................................................................... 91 5.4.7. Pengujian ........................................................................................................................... 91 5.4.8. Pengendalian Getaran dan Bunyi ...................................................................................... 92
6. PEMELIHARAAN DAN PERBAIKAN ........................................................................................ 94
6.1. PEMELIHARAAN .......................................................................................................................... 94 6.2. PERBAIKAN ................................................................................................................................. 95
BAGIAN 2 KOMPRESOR ..................................................................................................................... 97
7. KOMPRESI ZAT DAN PENERAPANNYA ................................................................................. 98
7.1. KOMPRESI ZAT ........................................................................................................................... 98 7.1.1. Pemanfaatan Kompresi. ..................................................................................................... 98 7.1.2. Azas Kompresi Zat ............................................................................................................. 98
7.2. PERSAMAAN GAS...................................................................................................................... 102 7.2.1. Hubungan Tekanan dengan Volume ................................................................................ 102 7.2.2. Hubungan Temperatur dengan Volume ........................................................................... 102 7.2.3. Persamaan Keadaan Gas Ideal ....................................................................................... 103
7.3. PROSES-PROSES KOMPRESI ...................................................................................................... 105 7.4. PERUBAHAN TEMPERATUR KOMPRESI ...................................................................................... 107 7.5. SIFAT FISIK UDARA .................................................................................................................. 108
7.5.1. Komposisi Udara ............................................................................................................. 108 7.5.2. Berat Jenis Udara ............................................................................................................ 109
iv
7.5.3. Panas Jenis Udara dan Gas Lainnya ............................................................................... 110 7.5.4. Kelembaban Udara .......................................................................................................... 111 7.5.5. Tekanan Udara ................................................................................................................. 113
7.6. PEMAKAIAN KOMPRESOR DAN UDARA TEKAN ......................................................................... 113
8. KOMPRESOR DAN PERFORMANSINYA ............................................................................... 115
8.1. KLASIFIKASI DAN KONSTRUKSI KOMPRESOR ........................................................................... 115 8.2. KERJA DAN HEAD KOMPRESOR ................................................................................................ 117
8.2.1. Isobarik ............................................................................................................................ 117 8.2.2. Isokhorik ........................................................................................................................... 117 8.2.3. Isotermal, Adiabatik dan Politropik ................................................................................. 118 8.2.4. Kerja Keseluruhan ........................................................................................................... 118 8.2.5. Head Kompresi ................................................................................................................. 122
8.3. EFISIENSI .................................................................................................................................. 122 8.4. PENINGKATAN EFISIENSI .......................................................................................................... 125
8.4.1. Kompresor Bertingkat ...................................................................................................... 126 8.4.2. Pendinginan ..................................................................................................................... 127 8.4.3. Perlengkapan Penting ...................................................................................................... 128 8.4.4. Peluang Efisiensi Lainnya ................................................................................................ 129
8.5. PENGATURAN KAPASITAS ......................................................................................................... 130 8.6. PENGENDALIAN SURJING .......................................................................................................... 131
8.6.1. Gejala Surjing .................................................................................................................. 131 8.6.2. Mekanisme Surjing ........................................................................................................... 132 8.6.3. Pencegahan Surjing ......................................................................................................... 133
8.7. PEMILIHAN ................................................................................................................................ 134
9. KESELAMATAN DAN PEMELIHARAAN ............................................................................... 137
9.1. KESELAMATAN ......................................................................................................................... 137 9.2. PEMELIHARAAN RUTIN ............................................................................................................. 139
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................................. 141
1
Bagian 1 Pompa
2
1. Pendahuluan
Dalam bab pertama ini akan dipaparkan sedikit tentang pentingnya pompa dan kompresor dalam
kehidupan kita, sehingga memahami keduanya menjadi penting pula. Pembahasan selanjutnya
akan berkisar pada teori-teori yang mendasari pompa dan kompresor seperti tekanan dan head.
Hal-hal yang menyangkut zat cair secara lebih dalam akan dibahas kemudian.
1.1. Latar Belakang
Dalam kehidupan modern seperti sekarang ini pompa dan kompresor mempunyai peranan atau
penggunaan yang sangat luas di hampir segala bidang kegiatan/kehidupan seperti industri,
pertanian, perkantoran dan rumah tangga. Dalam rumah tangga modern, hampir tidak ada rumah
yang tidak memiliki pompa. Bahkan pompa ini akan kita jumpai dalam berbagai peralatan
rumah tangga. Terlebih lagi industri. Industri memerlukan pompa untuk mengalirkan zat cair
yang akan diolah atau zat yang akan diperlukan dalam suatu proses. Industri minyak dan gas
khususnya, memerlukan pompa dan kompresor dari hulu (sumur minyak) hingga hilir
(pengolah). Karena luasnya penggunaan pompa dan kompresor, keduanya memiliki aneka jenis
dan ukuran sesuai dengan penggunaannya.
Penerapan pompa skala kecil seperti rumah tangga, memang tidak rumit dan ukuran serta jenis
pompa sudah standar. Oleh karena itu, kita jarang sekali atau mungkin tidak pernah menghitung
beban yang akan diderita pompa yang akan dipasang. Memang ada juga kasus kegagalan yakni
pompa yang dipasang tidak sesuai dengan keadaan sumur yang dibuat, namun ini sangat jarang
dan sekalipun ada, mudah diatasi dengan kerugian yang kecil. Berbeda dengan penerapan skala
menengah dan skala besar, sistem yang hendak kita buat harus diketahui, diperkirakan serta
diperhitungkan dengan benar karena mengandung resiko yang besar pula. Kesalahan dalam hal
ini akan menimbulkan kerugian baik waktu, tenaga dan dana yang besar pula. Oleh karena itu,
pompa serta sistem tempat pompa itu bekerja harus dipahami secara mendalam dalam
perencanaan dan pembangunan sistem pompa. Untuk itulah maka buku ini disusun.
Namun demikian kita tidak boleh merasa cukup hanya dari sisi perencanaan dan pembangunan
suatu sistem karena pemeliharaan pun memegang peranan yang penting bahkan inilah masa
yang lebih panjang dibanding keduanya. Beberapa sistem akan beresiko tinggi (kematian) jika
pemeliharaan tidak dilakukan dengan baik dan benar. Dengan pemeliharaan yang baik dan
benar, resiko kritis akan sangat berkurang. Hal ini pun tidak lepas dari perhatian buku ini.
Buku ini disusun agar pengguna dapat lebih mudah dan cepat memahami konsep dasar pompa,
pemipaan, kompresor dan kompresi gas (udara) serta penggunaannya. Secara rinci sasaran buku
ini adalah:
1. Memahami konsep-konsep yang berkaitan dengan pemompaan seperti tekanan, head dan
performansi pompa.
3
2. Menghitung beban (dan daya) pompa dan kompresor, termasuk beban dalam pemipaan.
3. Pemilihan atau penentuan pompa dan kompresor yang hendak diaplikasikan dalam industri
sehingga tidak akan salah pilih. Pemilihan yang di bawah spesifikasi akan menyebabkan
peralatan mengalami beban lebih yang akan lebih mempercepat kerusakan mesin dan
menghentikan proses industri. Di pihak lain pemilihan yang di atas spesifikasi (over spec)
juga akan membuang biaya secara berlebihan (tidak perlu).
4. Penentuan tata letak pompa dan kompresor merupakan bagian dari penentuan tata letak
mesin lain dan tentu tata letak ini menentukan efisiensi dalam industri.
5. Faktor keamanan dan keselamatan juga berperan penting dalam penentuan efisiensi
perusahaan. Di sinilah maka faktor lain seperti itu perlu diulas sehingga pembaca akan sadar
dan peka terhadap kondisi yang dapat mengurangi hal itu.
1.2. Tekanan dan Satuannya
Ketika objek pembicaraan kita seputar benda padat, akan lebih akrab jika digunakan konsep
gaya dan usaha namun ketika kita berhadapan dengan fluida (zat cair dan gas) dan pompa, akan
lebih nyaman dengan konsep tekanan dan head. Dalam bab pertama ini akan sedikit diulas
besaran fisik yang sangat erat hubungannya dengan pompa dan kompresor yaitu tekanan dan
head. Tekanan garis merahnya adalah gaya yakni mewakili suatu dorongan atau tarikan
sedangkan head benang merahnya adalah usaha yang sebenarnya mewakili konsep energi.
Dalam membicarakan sistem pada umumnya, termasuk pompa dan kompresor, kita akan selalu
berkepentingan dengan energi untuk mengetahui kebutuhan tentang hal itu. Ini merupakan
konsekuensi dari cara kita memahami sistem yang sedang kita kaji, karena kita tidak dapat
dikatakan memahami sistem dengan sesungguhnya (utuh) tanpa dapat menggambarkan sistem
itu secara kuantitatif. Demikianlah, maka di sini pun kita akan menghitung-hitung besaran yang
terlibat, terutama tekanan dan head.
Konsep Tekanan
Tekanan dapat didefinisikan sebagai besarnya gaya (F) tiap satuan luas bidang yang dikenainya
(A):
A
FP (1.1)
Tampak bahwa satuan untuk tekanan adalah satuan gaya dibagi satuan luas. Satuan SI (Satuan
Internasional) untuk tekanan adalah Pa (Pascal) turunan dari Newton/m2. Dalam teknik memang
lebih banyak digunakan satuan tekanan lain seperti psi (pound per square inch), bar, atm, ksc
(kgf/cm2), ksm (kgf/m
2) atau dalam ketinggian kolom zat cair seperti cm Hg.
Satuan-Satuan Tekanan
Dalam SI satuan tekanan adalah Pascal (Pa) yang merupakan satuan gaya dibagi satuan luas
atau Newton/meter2. Jadi massa 1 kg yang bekerja pada satuan luas 1 m
2 bertekanan:
PaA
gm
A
FP 8,9
1
8,9.1.
4
Satuan tekanan yang lain yang populer dalam teknik adalah bar. Bar ini bisa dikatakan sebagai
satuan tekanan untuk mendekati tekanan atmosfir berkaitan dengan Pascal. Satu atmosfir ini
sekitar 1,01325.105 atau sekitar 10
5 Pascal, sehingga 1 bar = 10
5 Pa. Satuan lain yang juga
banyak digunakan adalah kgf/cm2 atau ksc (kg per square cm). Massa 1 kg yang menghasilkan
tekanan 9,8 Pa pada permukaan 1 m2 tadi adalah sama dengan 1 kgf/m
2 (ksm).
Perlu diingat bahwa satuan ksm, ksc dan psi menggunakan massa bukan berat. Jadi 1 psi adalah
tekanan yang ditimbulkan oleh (gaya berat dengan) massa 1 lb (pound) dalam bidang kerja
seluas (tegak lurus) 1 inci persegi. Dalam notasi biasanya digunakan f (force) untuk
membedakan dari m (mass) untuk konversi massa ke berat dengan faktor 1. Jadi 1 psi
maksudnya adalah 1 lbf/inc2 (pound force per square inch). Demikian pula 1 ksc atau 1 kgf/cm
2
adalah tekanan yang ditimbulkan oleh massa 1 kg dalam luas 1 cm2. Demikian pula dengan ksc;
1 ksm = 1 kgf/m2 = 1 kgf/10
4 cm
2 = 10
-4 ksc. Oleh karena itu 1 ksc = 9,8 10
4 Pa. Satuan
berikutnya adalah mmHg atau Torr yang mengacu pada tekanan atmosfir juga, yaitu 1 atm =
760 mmHg. Karena perbandingan massa jenis air dengan air raksa adalah 1:13,595 maka 1 atm
juga = 1,03323.104 mmH2O. Karena massa jenis air = 1 kg/1000 cm
3, berarti untuk
mendapatkan tekanan 1 ksc harus dibentuk melalui 1 kg air yang berada dalam tabung (luas 1
cm2) setinggi 1000 cm (10
4 mm). Jadi 1 ksc = 10
4 mmH2O.
Satuan-satuan tekanan yang lazim digunakan tadi dapat dilihat hubungannya seperti dalam tabel
berikut:
Tabel 1.1. Hubungan antar satuan tekanan
Pascal bar ksc atm mmH2O mmHg psi
1 10-5
1,0197.10-5
9,8692.10-6
1,0197.10-1
7,5006.10-3
1,4504.10-4
105 1 1,0197 9,8692.10
-1 1,0197.10
4 7,5006.10
2 1,4504.10
9,8066.104 9,8066.10
-1 1 9,6783.10
-1 10
4 7,3555.10
2 1,4224.10
1,0133.105 1,0133 1,0332 1 1,0332.10
4 7,6. 10
2 1,4697.10
9,8074 9,8074.10-5
10-4
9,6787.10-5
1 7,3558.10-2
1,4225.10-3
1,3333.102 1,3333.10
-3 1,3595.10
-3 1,3158.10
-3 1,3595.10 1 1,9339.10
-2
0,6894.104 0,6894.10
-1 0,7030.10
-1 0,6804.10
-1 7,0298.10
2 5,1709.10 1
1.3. Tekanan Atmosfir
Kita yang hidup di darat ini sebenarnya seperti ikan di lautan. Mengapa? Kita sebenarnya
sedang tenggelam dalam lautan udara yang sangat dalam. Sebagaimana ikan yang mendapat
tekanan hidrostatik, kita juga mendapat tekanan serupa. Tekanan inilah yang kita sebut sebagai
tekanan atmosfir. Udara yang menumpuk di atas kita itulah yang memberi tekanan atmosfir.
Munculnya tekanan ini dapat dibayangkan seperti adanya tekanan yang diderita suatu benda
akibat berat benda di atasnya (gambar di bawah). Jika zat cair berupa air, maka besarnya
tekanan hidrostatik adalah gaya berat zat cair di atasnya dibagi luas bidang tempat gaya itu
bekerja.
5
A A
h
Gambar 1.1. Benda A menderita tekanan dari berat benda di atasnya.
Dalam bentuk persamaan, dapat ditulis sebagai:
ghA
ghA
A
gmPh
.... (1.2)
Fluida memiliki sifat mengalir karenanya tekanan di suatu titik di dalam fluida memancar ke
segala arah sama rata. Tekanan hidrostatik juga demikian, di titik A dengan kedalaman h
misalnya, tekanan sebesar ρgh ini berlaku ke segala arah.
1.3.1. Mengukur Tekanan Atmosfir.
Tekanan atmosfir (udara) tidak dapat diukur dengan persamaan hidrostatik seperti di atas karena
kerapatannya berkurang pada kenaikan ketinggian. Tekanan udara diukur pada suatu titik
(ketinggian) relatif terhadap tekanan nol. Untuk itu, pandanglah tabung (Toricelli) yang berisi
air raksa (Hg) seperti gambar di bawah.
76 cm
air raksa
tekanan atm
Gambar 1.2. Tabung Toricelli.
Tabung itu seperti pipa hanya saja satu ujungnya tertutup rapat. Misalkan panjang tabung itu 1
meter. Tabung itu semula diisi penuh dengan air raksa, kemudian dibalik dengan ujung yang
terbuka ditutup sementara dan kemudian dicelupkan ke dalam wadah (bak) berisi air raksa pula.
Air raksa tadi semula memenuhi tabung, tetapi kemudian permukaan air raksa itu turun hingga
ketinggian 76 cm dari permukaan air raksa pada wadah. Mengapa permukaan air raksa yang
semula setinggi sekitar 1 m itu turun? Mengapa kemudian ia berhenti (tertahan) pada ketinggian
76 cm?
Air raksa tertahan pada ketinggian tersebut karena mencapai keseimbangan dengan tekanan
udara yang ada di luar. Tekanan akibat berat air raksa di dalam tabung itu (sama dengan tekanan
6
hidrostatik) diteruskan sampai ke permukaan air raksa di dalam bak. Di permukaan inilah
tekanan hidrostatik itu mendapat perlawanan. Jika tekanan hidrostatik ini masih lebih besar dari
tekanan udara, maka air raksa di dalam tabung akan turun dan permukaan air raksa di dalam bak
akan naik dan sebaliknya jika ketinggian air raksa masih terlalu rendah, maka tekanan udara
mampu menekan permukaan air raksa di dalam bak ke bawah dan diteruskan ke dalam tabung
ke atas.
Jadi, ketika ketinggian air raksa melebihi 76 cm, masih belum terjadi keseimbangan, sehingga
air raksa di dalam tabung masih mampu keluar dan meninggalkan ruang di atasnya dalam
keadaan hampa. Perbedaan (selisih) tekanan antara permukaan air raksa yang ada di permukaan
wadah (tekanan udara di titik tersebut) dengan permukaan air raksa yang berada di dalam
tabung (hampa 0) sama dengan tekanan atmosfir dan sama dengan berat air raksa di bagi luas
tabung. Jadi selama kolom air raksa itu lebih tinggi dari 76 cm, permukaan air raksa di dalam
tabung itu akan turun dan sebaliknya jika lebih rendah dari 76 cm, tekanan udara masih mampu
mendorong air raksa itu ke atas.
Jelas bahwa tekanan atmosfirlah yang menyebabkan air raksa bertahan pada ketinggian tersebut.
Karena terjadi keseimbangan, tekanan akibat gaya berat air raksa sama dengan tekanan
atmosfir:
raksaairraksaair
raksaairraksaairraksaair
atm hgA
ghA
A
WP ..
... (1.3)
Persamaan ini mirip dengan persamaan tekanan hidrostatik, kecuali massa jenis dan ketinggian
yang digunakan adalah massa jenis serta ketinggian zat cair di dalam tabung. Artinya, jika di
dalam tabung itu diganti dengan air, maka berlaku pula massa jenis dan ketinggian air di dalam
tabung itu. Karena massa jenis air lebih rendah dari air raksa, ketinggian air dalam tabung lebih
besar dari air raksa.
Tampak pula bahwa persamaan ini juga menunjukkan besarnya tekanan atmosfir. Jika kita
masukkan massa jenis air raksa ( air raksa) = 13600 kg/m3, percepatan gravitasi g = 9,8 m/s
2
(m/detik2)
dan h = 0,76 m, maka diperoleh Patm= 101292,8 Pa.
Demikianlah jika tekanan udara 1 atm itu sama dengan 76 cm (29,9 inc) tinggi kolom air raksa
dengan massa jenis 13600 kg/m3 (0,4913 lb/in
3), maka dalam psi, 1 atm adalah massa air raksa
dalam kolom tersebut dibagi luasnya (A):
hA
Ah
A
VP (1.4)
Dengan demikian 1 atm = h = 0,4913 x 29,9 = 14,7 psi. Di sini h adalah tinggi kolom air raksa.
Dengan cara yang sama, dapat diperoleh bahwa 1 atm = 1,03323 ksc.
Contoh Soal 1.1:
Jika 1 atm terukur sebesar 76 cm Hg, berapa meter tinggi kolom jika isi tabung Toricelli diganti
dengan air?
Jawab:
Dengan persamaan tekanan hidrostatik untuk air dan air raksa, diperoleh:
7
airairHgHgatm hghgatmP ....1
Atau
air
HgHg
airairairHgHg
hhhh
...
Perbandingan massa jenis air raksa terhadap air adalah 13,6 sehingga hair = 13,6 x 0,76 m =
10,33 meter. Jadi 1 atm = 10,33 m H2O.
1.3.2. Tekanan Mutlak dan Alat Ukur
Karena tekanan udara di sekitar kita satu atmosfir, posisi nol pada alat ukur tekanan (barometer,
manometer) juga diset pada tekanan atmosfir (76 cm Hg). Jika suatu wadah kosong kita tutup
dan kita ukur tekanannya, maka pasti sama dengan nol. Kemudian jika ke dalam wadah tadi
diberi udara (dipompa), maka tekanannya akan naik. Sebaliknya jika dari posisi nol tadi kita
isap udara yang ada di dalamnya, maka tekanannya akan turun atau negatif dalam alat ukur.
Tekanan yang ditunjukkan alat ukur itu disebut tekanan alat ukur (gage/gauge). Jadi, jika kita
membaca alat ukur bertekanan 1 atm (76 cm Hg), maka berarti tekanan sesungguhnya adalah 1
atm + 1 atm = 2 atm. Tekanan sesungguhnya ini disebut tekanan mutlak (absolut) yang diukur
dari nol mutlak (hampa sempurna).
Tekanan hampa (vakum) dapat dikatakan sebagai tekanan alat ukur negatif. Tekanan ini diukur
dari 0 gage (1 atm) ke arah hampa mutlak. Jika dikatakan bertekanan 20 cm Hg hampa, berarti
sama dengan 76 – 20 = 56 cm Hg mutlak. Hubungan antara tekanan mutlak, tekanan alat ukur
dan vakum, tampak seperti pada gambar di bawah:
tekanan gauge
tekanan mutlak
tekanan hampa
0 cm Hg
tek atm
(=0 cm Hg gauge
=76 cm Hg mutlak)
Hampa sempurna
Gambar 1.3. Hubungan antara tekanan mutlak dan alat ukur.
Jadi hubungan antara tekanan atmosfir, tekanan gage, tekanan mutlak dan tekanan vakum
(hampa) adalah:
Tekanan Mutlak = Tekanan Atmosfir + Tekanan Gage
Tekanan Mutlak = Tekanan Atmosfir - Tekanan Hampa
8
1.4. Head
Di muka telah disinggung bahwa dalam mengkaji (analisis) suatu sistem kita harus sampai pada
deskripsi kuantitatif seperti berapa daya yang diperlukan, berapa efisiensinya dan sebagainya.
Untuk dapat mengetahui kebutuhan daya ini kita harus mengetahui beban yang harus
ditanggung sistem seperti pompa. Beban ini kemudian berkaitan dengan kebutuhan (konsumsi)
energi. Dalam kajian pompa hal-hal yang berkaitan dengan energi ini kita sebut head yaitu
energi per satuan berat. Dengan demikian satuan untuk head sama dengan satuan untuk panjang.
1.4.1. Konsep Head
Apakah hakikat head itu? Kita perhatikan dua contoh sistem pada gambar berikut:
Gambar 1.4. Perbandingan head.
Misalkan bak pertama berisi air sebanyak misalnya 10 kali isi air (yang sama) dalam bak kedua.
Ketinggian h2 jelas lebih besar dari h1. Misalkan h2 adalah 2 kali h1.
Kemudian kita lakukan percobaan pertama. Kita ukur tekanan hidrostatik dalam kedua bak tadi
pada bidang acuan r. Dapatkah tekanan di bak pertama tadi menyamai tekanan hidrostatik di
bak kedua? Meskipun bak pertama memiliki jumlah air yang jauh lebih banyak, tekanan tadi
tidak akan dapat menyamai tekanan di bak kedua.
Kedua, kita lubangi dengan ukuran yang sama di bidang acuan tadi pada kedua bak di atas. Laju
air yang memancar di bak pertama juga tidak akan dapat melampaui laju air di bak kedua.
Ketinggian yang menimbulkan tekanan hidrostatik atau laju aliran pada suatu titik, itulah
hakikat head. Head demikian disebut head statik karena bukan dari sesuatu yang bergerak.
Lalu apa yang lebih besar di bak pertama dibanding bak kedua? Jika kita hitung energi potensial
air dalam kedua bak tadi, maka besarnya energi ini sebanding dengan ketinggian (head) air rata-
rata dikali berat air (Ep = mgh). Karena massa air di bak pertama 10 kali dan ketinggiannya 0,5
kali bak kedua, maka:
2222 555,0 z2z1 Ehgmhg10mE
Energi potensial air di bak pertama 5 kali lebih besar dari energi potensial air di bak kedua. Jika
kita analogikan dengan rangkaian listrik searah, maka head ini analog dengan tegangan. Kita
9
bisa bandingkan kedua bak tadi dengan dua batere besar yang 6 volt dengan batere kecil yang 9
volt. Kandungan energi batere besar tentu lebih besar dibanding batere yang kecil.
1.4.2. Beberapa Jenis Head
Beberapa nama head berikut lazim dijumpai dalam pompa dan kompresor.
Head Potensial (Ketinggian)
Head potensial (ketinggian) berkaitan dengan energi potensial Ez = mgz = wz. Dengan demikian
head potensial adalah:
zmg
mgz
w
Eh z
z (1.5)
Head Kecepatan
Head kecepatan ini berkaitan dengan energi kecepatan atau kinetik Ek= ½ mv2. Jadi head
kecepatan adalah
g
v
mg
mv
w
Eh k
v22
22
(1.6)
Kecepatan dalam kasus aliran zat cair ini adalah kecepatan rata-rata.
Head Tekanan
Head tekanan ini berkaitan dengan energi tekanan Ep = P.V, sehingga head tekanan:
1.
m
VP
g
P
mg
VP
w
Eh
p
p (1.7)
Head Gesekan
Jika suatu zat cair melewati saluran, pipa misalnya, maka akan terjadi gesekan yang
menghambat laju aliran. Gesekan ini kemudian menimbulkan panas sehingga menambah jumlah
head total. Oleh karena itu head gesekan atau hambatan ini disebut juga head kerugian. Makin
tinggi laju aliran dan kekasaran permukaan alir, makin besar pula head gesekan, sehingga head
ini berbanding lurus dengan head kecepatan dan faktor kerugian f, yang timbul akibat kekasaran
permukaan alir. Jadi head kerugian hl adalah
g
vfhfh vl
2..
2
(1.8)
Makin halus permukaan, makin kecil f.
1.4.3. Head Total dan Persamaan Bernoulli
Sekarang, jika kita memiliki suatu sistem aliran zat cair seperti air, minyak atau lainnya dalam
suatu pipa misalnya, maka head total di suatu titik tertentu adalah jumlah dari ketiga jenis head
tersebut di atas (lihat gambar di bawah):
10
Z
v
P
Gambar 1.5. Aliran Zat Cair
zg
vPH
2
2
(1.9)
Jika kita bandingkan dengan tinggi kolom zat cair, maka head merupakan energi fluida yang
dinyatakan dalam tinggi kolom zat cair yang bersangkutan. Dalam satuan SI, head seringkali
dinyatakan sebagai energi jenis (spesifik) Y yaitu energi per satuan massa. Jadi Y = H.g, atau:
zgvP
HgY2
2
(1.10)
Jika kita kembalikan ke bentuk persamaan energi E = Y.m, akan diperoleh:
mzgv
mP
mYmE2
2
(1.11)
Atau lebih akrab ditulis sebagai
konsmgzmvPVYmE 22
1 (1.12)
Persamaan-persamaan tersebut dikenal sebagai persamaan Bernoulli.
Contoh Soal 1.2
Samakah tekanan yang ditunjukkan alat ukur pada kedua sistem dalam gambar di bawah ini jika
permukaan air selalu tetap 3 m pada kedua sistem tersebut?
3 m 3 m
sistem 1 sistem 2
Gambar 1.6. Konversi head.
11
Jawaban:
Dalam sistem 1, seluruh head ketinggian (potensial) di permukaan diubah menjadi head tekanan
di titik dekat alat ukur, sedangkan dalam sistem 2 head potensial tadi diubah ke head tekanan,
gesekan dan kecepatan, sehingga head tekanan yang terukur di sistem 2 pasti lebih rendah
dibanding yang terukur di sistem 1.
Contoh Soal 1.3:
Dengan persamaan head, buktikan bahwa kecepatan v pada gambar di bawah adalah
gh v 2 .
h
pipav
ba
Gambar 1.7. Pengukur kecepatan aliran
Kolom b yang memiliki permukaan masuk tegak lurus kecepatan, merasakan adanya kecepatan
v, sedangkan kolom a tidak demikian. Kenaikan permukaan zat cair di kolom a hanya
disebabkan oleh head tekanan (tekanan dirasakan pada segala arah) sedangkan pada b, ada head
tekanan dan head kecepatan. Jadi perbedaan ketinggian itu adalah karena head kecepatan. Di
sini head kecepatan diubah menjadi head potensial di b, sehingga:
gh vhg
v2
2
2
1.5. Hakikat dan Peranan Pompa
Seperti telah dipaparkan di atas, pompa dapat dianalogikan dengan batere atau generator
(dinamo) listrik. Jika generator menghasilkan tegangan listrik, pompa menghasilkan head. Jika
head adalah energi per satuan berat, maka tegangan listrik adalah energi per satuan muatan
listrik. Jika generator mengalirkan arus listrik, pompa mengalirkan arus zat cair. Oleh karena itu
daya pompa berbanding lurus dengan head dan kapasitas aliran Q (volume per satuan waktu).
Sama seperti arus listrik yang cenderung mengalir dari tegangan tinggi ke tegangan rendah, air
cenderung mengalir dari head yang tinggi menuju head yang rendah. Namun dalam kehidupan
sehari-hari kita banyak memerlukan kasus sebaliknya yaitu mengalirkan air dari tempat dengan
head yang rendah ke tempat dengan head yang lebih tinggi, seperti dari sumur ke bak mandi.
Nah di sinilah peranan pompa pada umumnya, mengalirkan zat cair dari head yang rendah ke
head yang lebih tinggi.
12
1.6. Head dan Performansi Pompa
Untuk memahami head (yang dihasilkan) pompa, kita pandang lagi pompa sebagai generator
atau batere yang menghasilkan head sebagai tegangan listrik dan kapasitas aliran sebagai
arusnya. Jadi pompa akan menambah head dan/atau arus aliran zat cair (volume per satuan
waktu).
1.6.1. Daya Air
Berapa besarnya head yang diberikan pompa kepada air? Kita dapat bandingkan head keluaran
(discharge) terhadap head masukan (suction). Besarnya head yang diberikan pompa terhadap zat
cair adalah selisih head keluaran dikurangi head masukan. Tentu saja yang dimaksud di sini
adalah head total yaitu head tekanan, kecepatan dan ketinggian.
Dalam perhitungan atau pengukuran head, dibuat acuan yaitu garis tengah pompa seperti
gambar di bawah:
Gambar 1.8. Menentukan Head Pompa
Di sini kedua head yang harus diperbandingkan adalah head di sisi masukan dan keluaran
setinggi garis tengah. Perlu dicatat di sini bahwa dalam pengukuran, head tekanan hasil
pengukuran di Ps harus ditambah Zs karena tekanan di S merupakan tekanan Ps ditambah
tekanan hidrostatik (ke bawah makin besar) setinggi Zs. Demikian pula di sisi keluaran, harus
ditambah Zd. Jadi head yang dibangkitkan pompa adalah:
sdsdsd
P
sss
ddd
sd
ZZPP
g
VVHH
ZP
g
VZ
P
g
VHH
2
22
22
22
(1.13)
Kapasitas aliran pompa (Q) diukur dengan alat ukur aliran (flow meter) sekaligus mengukur
kecepatan aliran (V) dengan menghitung luas penampangnya. Dengan demikian daya pompa
yang diberikan adalah head dikali berat per satuan waktu atau:
pppp QHHt
VgH
t
wP ... (1.14)
13
1.6.2. Efisiensi Pompa
Daya Pp ini yang sesungguhnya diberikan pompa kepada zat cair, yang tentu saja lebih kecil
dari daya yang diberikan penggerak di poros pompa (Pm), karena ada gesekan mekanik dan
gesekan antara zat cair dengan rumah pompa. Jadi efisiensi pompa adalah:
m
pp
P
P (1.15)
1.6.3. Efisiensi Sistem
Jika ditinjau dari sisi zat cair yang dipompa, besarnya daya yang dibutuhkan untuk memompa
zat cair m kg setinggi h meter lebih besar dari daya yang diberikan pompa karena harus
mengatasi kerugian sistem. Daya air total atau daya sistem adalah:
Qght
Vgh
t
mghPw (1.16)
Dalam kasus ini penurunan daya zat cair disebabkan karena kerugian sepanjang perjalanan
dalam sistem dari tadah isap ke tadah keluar. Dengan demikian efisiensi daya sistem:
p
ww
P
P (1.17)
1.6.4. Performansi Pompa
Performansi pompa biasa digambarkan secara grafis antara head total terhadap kapasitas,
efisiensi, daya dan NPSH (Bab 3). Jadi kurva performansi ini menggambarkan karakteristik
pompa. Salah satu contohnya adalah:
Gambar 1.9. Contoh karakteristik pompa.
14
Head pada kapasitas nol disebut shut-off head, ini terjadi misalnya ketika semua aliran ditutup,
selagi pompa masih bekerja. Garis putus-putus menunjukkan harga pada efisiensi terbaik. Harga
ini biasanya menjadi patokan dalam perhitungan sebagai titik operasi normal pompa tersebut.
15
Gambar 2.1. Pompa Torak
2. Azas Pompa
Dalam bab kedua ini baru akan diperkenalkan dasar-dasar pompa. Uraian diawali dari jenis dan
prinsip kerja pompa agar terbayang bagaimana pompa dapat memindahkan zat cair dari suatu
tempat ke tempat lain. Pasal berikutnya memperkenalkan hukum yang berhubungan dengan
pompa untuk dapat memahami hubungan antara pompa sejenis. Terakhir akan disajikan
hubungan kecepatan spesifik dengan bentuk atau karakter berbagai jenis impeler.
2.1. Jenis dan Cara Kerja Pompa
Dalam kehidupan sehari-hari kita sudah biasa menjumpai pompa, setidaknya pompa ban sepeda
(yang sebenarnya lebih tepat disebut kompresor), pompa tangan untuk memompa air sumur dan
lainnya. Secara garis besar, pompa terbagi dalam dua jenis: perpindahan positif (positive
displacement, PD) dan pompa yang bukan perpindahan positif (non-positive displacement,
Non-PD).
2.1.1. Pompa Perpindahan Positif
Pompa perpindahan positif ini bekerja mendorong zat cair dengan volume tertentu (tetap) dari
sisi isap ke sisi keluar. Setiap langkah, pompa demikian menghasilkan volume (perpindahan)
yang tetap, tidak bergantung pada tekanan di sisi keluaran pompa.
Contoh yang paling lazim digunakan adalah pompa torak, seperti gambar berikut:
katup isap
katup dorong
Jika torak turun, terjadi tekanan positif (lebih besar dari tekanan atmosfir) sehingga katup isap
tertutup dan katup dorong terbuka. Zat cair dari bawah torak terdorong keluar lewat katup
dorong. Namun ketika torak naik, terjadi tekanan negatif (lebih kecil dari tekanan atmosfir)
sehingga katup isap terbuka dan katup dorong tertutup. Zat cair dari bawah masuk ke dalam
ruang bawah torak lewat katup isap.
Pompa torak memiliki keunggulan untuk menangani zat yang mudah menguap atau bahkan gas
dan head yang tinggi. Karakteristik aliran pompa torak ini tidak rata. Ketika menghisap aliran
terhenti dan ketika mendorong ada aliran, terus berulang seperti itu. NPSH yang diperlukan
16
Gambar 2.2. Pompa membran
pompa ini sangat tinggi, katup yang mudah rusak terutama jika digunakan untuk zat kimia dan
performansi rendah terhadap zat cair yang abrasif, mengandung serbuk atau kotoran.
Dalam mengatasi persoalan terakhir tadi bisa digunakan pompa membran untuk mengganti
peranan torak sehingga torak tidak berhubungan langsung dengan zat cair yang dipompa.
katup isap katup dorong
membran
Di sini gerak naik turun membran mengikuti torak. Antara membran dan torak ada cairan
pengisi, biasanya minyak pelumas yang juga menjalani sirkulasi (aliran kecil).
Pompa perpindahan juga ada yang berjenis putar (rotari) seperti pompa regeneratif (periferal),
pompa sekrup, pompa roda gigi, sudu luncur yang juga banyak dipakai untuk kompresi udara.
Pompa yang lazim dijumpai terutama untuk kebutuhan rumah tangga, untuk memompa air
sumur dangkal adalah pompa regeneratif, seperti diperlihatkan dalam gambar berikut:
Gambar 2.3. Pompa Periferal.
Ketika impeler berputar, zat cair yang terperangkap di sela-sela impeler, terkena gaya
sentrifugal sehingga terpelanting ke sisi impeler, terus terdorong ke ruang antara impeler dengan
rumah pompa dan kembali terpelanting. Jadi zat cair terus berputar seperti diperlihatkan gambar
di atas. Karena impeler terus berputar, maka zat cair juga berputar ke arah samping sambil ikut
berputar dengan impeler. Jadi secara keseluruhan, perputaran ini membentuk spiral.
Karena pompa ini mendorong zat cair (jenis perpindahan positif) yang terperangkap dan
berhubungan langsung dengan tekanan keluaran, maka tekanan di A besarnya seperempat
tekanan di titik D (tekanan keluaran). Demikian pula di B, setengah tekanan di D dan di C tiga
perempat tekanan di D.
Berikut ini gambar beberapa jenis pompa perpindahan positif jenis putar (rotari) yang lain:
17
Gambar 2.4. Pompa perpindahan positif jenis putar.
Pada pompa cuping dan pompa roda gigi, rotor bagian atas berputar searah jarum jam dan yang
di bawah berlawanan arah dengan jarum jam. Zat cair yang terperangkap akan terus didorong ke
sisi keluaran. Dalam pompa sudu luncur, karena sumbu rotor tidak segaris dengan sumbu rumah
pompa, sudu luncur akan meluncur sambil membentuk ruang hampa yang kemudian
menangkap zat cair untuk didorong. Dalam pompa sekrup, zat cair yang dipompa terperangkap
dalam ruang yang terbentuk antar sekrup cembung, sekrup cekung dan rumah pompa. Karena
sekrup berputar, ruang ini bergeser ke kanan, sambil mendorong zat cair keluar pompa.
2.1.2. Pompa Bukan Perpindahan Positif
Yang termasuk pompa bukan perpindahan positif misalnya adalah pompa jet (jet pump) yang
dibicarakan dalam kelompok pompa khusus dan pompa sentrifugal. Pada pompa sentrifugal,
volume yang dihasilkan bisa tidak tetap pada setiap perputaran. Jika sisi keluaran ditutup
misalnya, maka volume yang dihasilkan berbanding terbalik dengan besarnya penutupan tadi.
Di sini berlaku perputaran yang (hampir) tetap dan volume zat cair yang dihasilkan tidak tetap.
Pompa sentrifugal ini lebih banyak dijumpai karena konstruksinya sederhana dan mudah dalam
pemeliharaan, reparasi dan kehandalan. Salah satu bentuk pompa sentrifugal diperlihatkan
dalam gambar di bawah:
18
Gambar 2.5. Pompa sentrifugal dan impeler.
Sebelah kiri merupakan suatu contoh pompa sentrifugal dengan rumah berbentuk rumah keong
(volut). Di tengah terdapat impeler dengan 6 sudu. Bentuk impeler setengah terbuka yang
sebenarnya tampak di sebelah kanan (dengan lima sudu). Di sini impeler berputar ke kiri,
berlawanan arah jarum jam. Zat cair yang dipompa masuk dari depan, tegak lurus gambar,
masuk titik B. Dari titik ini zat cair didorong ke titik C, terus ke D dan akhirnya ke E.
Kecepatan di C masih tinggi, mendekati kecepatan putar impeler. Namun setelah di D, ruang
makin besar dan kecepatan makin rendah. Diameter E (flange) dibuat besar agar head kecepatan
diubah menjadi head tekanan.
Pompa sentrifugal ini yang menjadi objek kajian utama tentang pompa dalam buku ini, kecuali
untuk menerangkan kasus-kasus tertentu. Pembicaraan selanjutnya lebih banyak diarahkan pada
pompa sentrifugal ini.
2.1.3. Perbandingan Pompa PD dan Non-PD
Ada beberapa hal penting untuk diperbandingkan ketika kita hendak menentukan atau memilih
antara pompa PD dan yang bukan PD. Di bawah ini diperlihatkan perbandingan antara pompa
PD dan Non-PD yaitu kurva head terhadap kapasitas, kurva kapasitas terhadap viskositas
kinematik (persen) dan kurva efisiensi terhadap head (persen) diambil dari Jacoby [18].
Gambar 2.6. Perbandingan pompa PD dengan non-PD
19
Dari gambar sebelah kiri (performansi), kapasitas pompa PD hampir tetap tidak peduli berapa
head (tekanan) keluaran, sedangkan pada pompa sentrifugal, head menurun untuk kenaikan
kapasitas. Pada gambar tengah, kapasitas pompa PD hampir konstan tidak bergantung viskositas
(kekentalan), sedangkan pompa sentrifugal menurun. Pada gambar kanan, efisiensi pompa PD
konstan tidak bergantung head, sedangkan pada pompa sentrifugal ada efisiensi terbaik.
2.2. Hukum Kesebangunan
Hukum kesebangunan (affinity laws) ini membicarakan hubungan antara beberapa pompa
sentrifugal yang sebangun, sama bentuknya tetapi berbeda ukuran atau titik kerjanya.
Bagaimana hubungan kapasitas dua (beberapa) pompa yang sama, tetapi berbeda kecepatan
putarannya. Atau bagaimana jika ukurannya saja diperbesar. Untuk itu perlu dicari
perbandingan satu sama lain.
Kapasitas terhadap Kecepatan Putar
Hubungan antara kapasitas Q dengan kecepatan putar n adalah sebagai berikut:
nQ
Ini berarti kapasitas Q berbanding lurus dengan kecepatan putar n. Jika beberapa pompa yang
persis sama diputar pada kecepatan yang berbeda misalnya n1, n2, n3 dan seterusnya, maka:
321321 ::::: nnnQQQ
Atau
1
2
1
2
n
n
Q
Q (2.1)
Kapasitas terhadap Diameter Impeler
Hubungan antara kapasitas Q dengan diameter impeler D adalah sebagai berikut:
3DQ
Ini berarti kapasitas Q berbanding lurus dengan pangkat tiga diameter impelernya. Atau
3
1
2
1
2
D
D
Q
Q (2.2)
Head terhadap Diameter Impeler
Hubungan antara head H dengan diameter impeler D adalah sebagai berikut:
2DH
Ini berarti head H berbanding lurus dengan pangkat dua (kuadrat) diameter impelernya. Atau
2
1
2
1
2
D
D
H
H (2.3)
20
Head terhadap Kecepatan Putar
Hubungan antara head H dengan kecepatan putar n adalah sebagai berikut:
2nH
Ini berarti head H berbanding lurus dengan pangkat dua (kuadrat) kecepatan putarnya. Atau
2
1
2
1
2
n
n
H
H (2.4)
Jika kita perhatikan dua pasang persamaan di atas, sepasang untuk Q dan sepasang untuk head,
maka dapat kita simpulkan bahwa:
6. Kapasitas berbanding lurus dengan kecepatan putar dan pangkat tiga diameter impelernya.
7. Head berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan putar dan kuadrat diameter impelernya.
Atau
3
1
2
1
2
1
2
D
D
n
n
Q
Q (2.5)
2
1
2
2
1
2
1
2
D
D
n
n
H
H (2.6)
Daya pompa berbanding lurus dengan Q dan H, sehingga daya ini berbanding lurus dengan
pangkat tiga kecepatan putarnya dan pangkat lima diameter impelernya:
5
1
2
3
1
2
1
2
D
D
n
n
P
P (2.7)
Tiga persamaan terakhir ini disebut hukum kesebangunan pompa. Hukum ini berguna untuk
menentukan performansi pompa bila kecepatan putarnya (sebangun secara operasional) atau
diameternya (sebangun secara geometris) diubah.
2.3. Kecepatan Jenis (Spesifik)
Sebagaimana massa jenis suatu zat tidak bergantung pada jumlahnya, kecepatan jenis pompa
(impeler) pun tidak akan bergantung pada kecepatan putar dan ukurannya. Jadi untuk pompa
yang sebangun, kecepatan jenis pompa itu sama. Kecepatan jenis ini dapat ditentukan dari
persamaan hukum kesebangunan di atas.
Dari persamaan (2.5) diperoleh:
2
1
1
2
3
1
2
n
n
Q
Q
D
D
Dari persamaan (2.6) diperoleh:
21
5,12
2
1
5,1
1
2
5,12
1
2
n
n
H
H
D
D
3
2
1
5,1
1
2
3
1
2
n
n
H
H
D
D
Dengan mengeliminasi D, diperoleh:
2
1
1
2
3
2
1
5,1
1
2
3
1
2
n
n
Q
Q
n
n
H
H
D
D
Dari sini diperoleh:
1
2
2
2
1
5,1
1
2
Q
Q
n
n
H
H
21
43
1
2
2
1
1
2
Q
Q
n
n
H
H
Jadi
NsKonstH
Qn
H
Qn
H
Qn
k
kk
43
21
43
21
43
21
2
22
1
11 (2.8)
Konstanta pada persamaan (2.8) ini sekaligus merupakan kecepatan jenis pompa. Jadi kecepatan
jenis pompa tidak bergantung pada kecepatan putar dan diameter impeler pompa (yang
sebangun).
Contoh Soal 2.1.
Suatu pompa sentrifugal akan dioperasikan untuk memompa air pada efisiensi maksimum pada
kecepatan putar 2000 rpm. Kapasitas pompa 0,7 m3/menit untuk head 10 meter. Berapa
kecepatan jenisnya? Sekarang hitung juga kecepatan jenisnya jika dioperasikan pada 2500 rpm?
Jawab:
Kita dapat memasukkan harga untuk kecepatan putar, head dan kapasitas ke dalam persamaan
(2.8) karena kecepatan jenis tidak tergantung pada satuan yang digunakan, asalkan konsisten
untuk menggunakan satuan yang sama sepanjang pembahasan kita. Jadi:
7,2976,5
837,02000
10
7,02000
43
21
43
21
1
11
H
Qn
Jika dioperasikan pada n2 = 2500 rpm, maka dengan persamaan (2.1) dan (2.4) diperoleh:
menitm
n
nQQ
3
1
212 875,0
2000
25007,0
22
mn
nHH 625,15
2000
250010
22
1
212
maka kecepatan jenisnya:
4,29786,7
935,02500
625,15
875,02500
43
21
43
21
2
22
H
Qn
Jadi kecepatan jenis (Ns) keduanya sama yaitu 297,7 dan 297,4. Perbedaan yang ada hanya
karena ketelitian perhitungan saja.
Contoh Soal 2.2.
Soal sama seperti di atas, sekarang hitung juga kecepatan jenisnya jika diameter impelernya
dikurangi 10%?
Jawab:
Diameter tinggal 90%, maka dengan persamaan (2.2) dan (2.3) diperoleh:
menitm
D
DQQ
333
1
212 5103,0
100
907,0
mD
DHH 1,8
100
9010
22
1
212
maka kecepatan jenisnya:
6,29748,0
7144,02000
1,8
5103,02000
43
21
43
21
2
22
H
Qn
Jadi kecepatan jenis (Ns) keduanya sama yaitu 297,7 dan 297,6. Perbedaan yang ada hanya
karena ketelitian perhitungan saja.
2.4. Bentuk Impeler dan Kecepatan Jenis.
Hukum kesebangunan dan kecepatan jenis seperti telah diutarakan di atas, sebenarnya
dimaksudkan pada bentuk impeler pompa, karena memang inilah pemeran utamanya. Dari
bentuk ini kemudian dicirikan dengan arah aliran zat cair, apakah tegak lurus sumbu (radial),
miring terhadap sumbu atau searah sumbu putar impeler (aksial). Untuk lebih jelasnya, kita lihat
beberapa bentuk impeler berikut.
Impeler Radial
Impeler radial tampak seperti pada gambar 2.5 atau tampak seperti gambar sebelah kanan:
23
Gambar 2.7. Impeler radial.
karakteristik aliran impeler ini tampak seperti yang ditunjukkan anak panah yaitu dari depan,
tegak lurus bidang impeler dan searah sumbu putar, berbelok menjadi sebidang dengan impeler
dan tegak lurus sumbu. Ini terjadi demikian karena zat cair dilempar dengan gaya sentrifugal.
Impeler Aksial
Berbeda dengan sebelumnya, impeler aksial ini meneruskan aliran zat cair yang searah dengan
sumbu putar (axis) Di sini zat cair didorong ke arah belakang. Contoh impeler ini adalah
Gambar 2.8. Impeler aksial
Impeler Campuran
Yang dimaksud dengan impeler campuran adalah impeler yang menghasilkan aliran yang
miring terhadap sumbu putar. Aliran seperti ini merupakan hasil campuran aliran radial dan
aksial. Contoh impeler seperti ini adalah:
Gambar 2.9. Impeler campuran.
24
Hubungan Aliran dengan Performansi
Karakteristik aliran suatu impeler mencerminkan besarnya kapasitas dan head suatu impeler.
Pada impeler radial yang memberi gaya sentrifugal, kecepatan aliran menjadi tinggi, sehingga
headnya tinggi dan sebaliknya, kapasitasnya rendah karena dibatasi daya. Sedangkan untuk
impeler aksial yang mendorong zat cair ke belakang, kecepatan alirannya (head) rendah dan
kapasitasnya tinggi.
Bagaimana hubungannya dengan kecepatan jenis? Karena impeler radial memiliki head tinggi
dan kapasitas rendah, kecepatan jenisnya menjadi rendah. Sebaliknya untuk impeler aksial,
kecepatan jenisnya menjadi tinggi. Kita bisa melihat hal ini dari persamaan untuk kecepatan
jenis yang berbanding lurus dengan akar kuadrat kapasitas dan berbanding terbalik dengan head
(pangkat ¾). Untuk impeler campuran tentunya memiliki kecepatan jenis di antara keduanya.
Kita dapat membuat suatu diagram yang menghubungkan kecepatan jenis (aliran) dengan
bentuk impeler. Dalam diagram, impeler radial dan campuran dibagi lagi dalam tiga jenis.
Impeler radial dengan diameter besar, sedang dan menengah, impeler campuran dengan aliran
sedikit miring dan miring sekali. Namun karena tidak ada pembakuan dalam satuan, diagram ini
akan berbeda-beda harga kecepatan jenisnya, tergantung pada satuan yang digunakan untuk
kapasitas, frekuensi putaran dan head. Meskipun demikian, perlu dicatat bahwa kecepatan jenis
ini disepakati tidak bersatuan.
Jika kapasitas dalam m3/menit (m
3/mnt), head dalam meter (m) dan putaran dalam revolution
per minute (rpm), maka kecepatan jenis impeler radial berkisar antara 75 – 400. Untuk aliran
campuran 500 – 1150 dan untuk aliran aksial antara 1200 – 2300. Jika seluruhnya menggunakan
satuan SI, kapasitas dalam m3/s, tinggal dikonversi ke akar kuadrat dari 1/60 (akar kuadrat dari
per menit ke per 60 detik), atau dikalikan (1/60) = 0,129. Sehingga untuk radial berkisar antar
10 – 70, campuran antara 71 – 150 dan aksial 151 – 300. Di bawah ini gambar diagram bentuk
impeler dengan nilai kecepatan jenisnya.
Gambar 2.10. Bentuk Impeler dan Kecepatan Jenis.
Contoh Soal 2.3.
Kita diminta untuk memilih impeler untuk dipasang dalam pompa irigasi. Impeler jenis apa
yang seharusnya digunakan di sini?
Jawab:
Dalam irigasi diperlukan pompa dengan kapasitas besar meskipun head rendah. Jadi seharusnya
digunakan impeler aksial (kecepatan jenis besar).
25
Soal:
8. Dapatkah pompa dengan head total maksimum 9 meter digunakan untuk air mancur dengan
ketinggian 10 meter dari ketinggian air kolam? Pompa tersebut mensirkulasikan air kolam.
9. Pilihkan jenis impeler untuk pompa tersebut jika kapasitasnya 1,5 liter/s dan kecepatan
putarnya 2500 rpm.
26
3. Head Sistem
Dalam bab ini disajikan hubungan sistem dengan pompa. Yang dimaksud sistem di sini adalah
sistem instalasi yang tidak termasuk pompa. Di sini perlu dipisahkan karena antara pompa
dengan sistem seperti batere (dinamo) dengan rangkaian listriknya. Memang analogi ini tidak
sepenuhnya sama, akan tetapi dalam banyak hal bisa diterima.
Dalam pemasangan pompa, kita harus mengetahui kebutuhannya. Berapa daya minimal yang
diperlukan, berapa head sistem yang ada dan performansi lainnya. Jika tidak sesuai antara
pompa dan sistem, maka akan didapat instalasi yang sia-sia karena tidak dapat memenuhi
kebutuhan atau sebaliknya, sangat berlebihan.
Untuk dapat menentukan head, kita memerlukan sifat fisik zat cair seperti kekentalan dan
tekanan uap. Oleh karena itu, di sini diuraikan terlebih dahulu sifat fisik zat cair.
3.1. Sifat Fisik Zat Cair
Sifat fisik yang penting di sini meliputi viskositas (kekentalan) dan tekanan uap jenuh.
3.1.1. Viskositas
Jika benda padat dikenai gaya geser, maka akan mengalami deformasi (perubahan bentuk)
sampai gaya perlawanannya menyamai gaya yang diberikan (seimbang). Namun tidak demikian
dengan fluida yang dikenai gaya geser, seperti pada permukaan air yang di atasnya bertiup
angin. Air mengalir dan terus demikian selagi angin masih bertiup. Begitu angin berhenti, aliran
terus berkurang karena ada gesekan internal di dalam air.
Jika suatu zat cair kita ganggu misalnya dengan memberi gaya geser seperti kasus angin di atas,
maka zat cair tersebut akan memberi perlawanan. Besarnya perlawanan ini menunjukkan
viskositas atau kekentalan. Jadi viskositas adalah resistansi fluida terhadap deformasi akibat
gaya geser (shear stress). Viskositas juga dapat dipandang sebagai resistansi internal untuk
mengalir juga merupakan ukuran besarnya gesekan. Sebagai contoh, air memiliki viskositas
rendah karena encer dibanding minyak goreng misalnya yang lebih kental.
Zat cair yang memiliki massa jenis besar belum tentu memiliki viskositas besar. Air raksa
misalnya memiliki perbandingan massa jenis dengan air (gravitasi jenis) sekitar 13,6 tetapi
memiliki viskositas hanya 0,118 cStokes (sentistokes) dibanding air pada temperatur 20o C
memiliki viskositas 1,00 cStokes. Tetapi ada juga yang sebaliknya, minyak lumas untuk sistem
transmisi yang memiliki massa jenis lebih rendah dari air, viskositasnya 500 cStokes.
Viskositas zat cair berubah cukup besar terhadap temperatur, tetapi sedikit sekali berubah
terhadap tekanan. Sirup biasanya sangat kental kalau didinginkan dan sedikit saja dipanasi,
27
menjadi sangat encer. Oleh karena itu, dalam pemilihan pompa harus dipertimbangkan rentang
temperatur kerja zat cair yang dipompa.
Viskositas dapat dinyatakan dalam bentuk viskositas mutlak (absolute) dan kinematik. Satuan
viskositas mutlak umumnya menggunakan Poise (g/(cm.s)) atau cPoise (sentipoise) dan
viskositas kinematik dengan Stokes (cm2/s) atau cStokes. Viskositas mutlak berhubungan
dengan kinematik melalui persamaan berikut:
(3.1)
di sini : viskositas kinematik dalam m2/s (=10
4 Stokes).
: viskositas mutlak dalam kg/(m.s) (= Pa s = 10 Poise).
: massa jenis (kg/m3).
Berikut ini tabel viskositas mutlak beberapa zat cair pada temperatur tertentu:
Tabel 3.2. Viskositas Mutlak Beberapa Zat
Gas (0o C) viskositas (Pa·s)
Hydrogen 8.4 × 10-6
Udara 17.4 × 10-6
Xenon 21.2 × 10-6
Cairan (25o C)
Etanol 1.074 × 10-3
Acetone 0.306 × 10-3
Metanol 0.544 × 10-3
Propanol 1.945 × 10-3
Benzene 0.604 × 10-3
Air 0.890 × 10-3
nitrobenzene 1.863 × 10-3
air raksa 1.526 × 10-3
asam sulfat 24.2 × 10-3
Gliserin 934 × 10-3
minyak zaitun 81 × 10-3
minyak jarak 0.985
Berikut ini grafik viskositas kinematik beberapa zat cair terhadap temperatur.
28
Gambar 3.1. Viskositas Kinematik
Viskositas juga berpengaruh pada tingkat turbulensi suatu aliran zat cair. Makin encer zat cair
makin kecil gesekan internal sehingga pada aliran yang sama akan lebih turbulen dibanding
29
yang lebih kental. Oleh karena itu bilangan Reynolds sebagai ukuran turbulensi berbanding
terbalik dengan viskositas. Makin besar viskositas (makin kental), makin kecil bilangan
Reynolds dan aliran makin laminar. Hubungan bilangan Reynolds dengan viskositas adalah:
vDRe (3.2)
di sini Re: bilangan Reynolds, tidak bersatuan (berdimensi).
v: kecepatan aliran rata-rata di dalam pipa (m/s).
: viskositas kinematik (m2/s).
Jika Re < 2300, maka aliran laminar.
Jika Re > 4000, maka aliran turbulen.
Jika 2300<Re<4000, ada dalam transisi, bisa laminar atau turbulen, tergantung kondisi aliran
dan pipa.
Viskositas zat cair sangat berpengaruh pada performansi pompa seperti head, kapasitas aliran
dan akhirnya juga daya. Makin besar viskositas (mutlak) berarti makin kental dan juga
menyebabkan gesekan internal dalam zat cair ataupun antara zat cair dengan pipa menjadi
makin besar dan ini tentu membutuhkan energi lebih besar.
3.1.2. Tekanan Uap
Tekanan uap (jenuh) perlu diketahui pula mengingat daerah isap pompa pada umumnya
bertekanan negatif (di bawah atmosfir). Yang perlu kita jaga adalah jangan sampai terjadi
penguapan akibat tekanan terlalu rendah karena hal ini dapat menyebabkan benturan antara zat
cair (dari uap) dengan komponen dalam pompa (disebut sebagai gejala kavitasi). Jika terjadi
kavitasi, performansi pompa akan turun drastis dan dapat menyebabkan kerusakan komponen.
Ini akan lebih jauh dibahas dalam pasal tentang NPSH (Net Positive Suction Head, head isap
positif netto) dan kavitasi.
Untuk dapat memahami tekanan uap, kita perhatikan suatu wadah tertutup torak (massa
diabaikan) yang kedap udara, yang setengahnya berisi air, seperti gambar berikut:
Gambar 3.2. Wadah tertutup berisi air
Misalkan wadah ini kita dinginkan sampai jauh di bawah 0 oC agar tidak ada uap air. Maka air
dalam wadah semua membeku menjadi es. Dalam titik beku ini tidak ada fase cair dan tidak
juga uap. Ruang di atas es dalam wadah itu tidak mengandung uap karena semuanya membeku.
Karena itu, tekanan uap yang diberikan uap air dalam ruang itu sama dengan 0. Sekarang kita
panaskan sampai titik tertentu (misal 0 C) sehingga ada tiga fase: padat, cair dan gas (uap). Kini
30
ruang tadi mengandung uap air maka tekanan yang diberikan uap air terhadap ruang ini tidak
lagi nol. Dalam tabel 3.3 tekanan uap ini sekitar 60,948 kgf/m2. Dalam temperatur tetap seperti
ini, kadar uap dalam ruang itu akan mencapai titik jenuh. Jumlah air yang menguap sama
dengan jumlah air yang mengkondensasi. Jumlah uap air tetap, tidak berubah lagi meskipun uap
air kita tambahkan atau kurangi. Jika kita tambahkan sejumlah uap air, maka uap tadi akan
mencair hingga dicapai tekanan yang sama dan sebaliknya jika kita isap sejumlah uap dari ruang
itu, maka sebagian akan menguap sampai mencapai tekanan tersebut. Tekanan uap pada
keadaan keseimbangan ini disebut tekanan uap jenuh. Tekanan uap air jenuh untuk berbagai
temperatur tampak seperti dalam tabel di bawah:
Tabel 3.3. Tekanan Uap Air Jenuh.
C Massa Jenis (kg/m3) Tek Uap (kgf/m
2) Tek Uap (mmHg)
0 999,9 62,537 4,6
5 1000,0 88,368 6,5
10 999,7 125,074 9,2
15 999,1 174,016 12,8
20 998,2 237,913 17,5
25 997,1 323,561 23,8
30 995,7 432,321 31,8
35 994,0 573,709 42,2
40 992,2 751,804 55,3
45 990,2 977,481 71,9
50 988,1 1.257,538 92,5
55 985,7 1.604,210 118,0
60 983,3 2.031,093 149,4
65 980,5 2.549,063 187,5
70 977,7 3.177,152 233,7
75 974,9 3.930,315 289,1
80 971,8 4.827,585 355,1
85 968,6 5.894,792 433,6
90 965,3 7.148,251 525,8
95 961,9 8.617,871 633,9
100 958,4 10.332,200 760,0
105 956,00 11.896,985 875,1
110 954,50 14.614,625 1075,0
115 953,00 16.681,065 1227,0
Jika digambarkan secara grafis, tekanan ini akan tampak seperti berikut:
31
Tekanan Uap Air Jenuh
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Temperatur (C)
tek
an
an
(k
gf/
m2)
Gambar 3.3. Tekanan Uap Air Jenuh
Sekarang pemanasan kita lanjutkan. Semakin tinggi temperatur wadah, jumlah uap air akan
semakin banyak dan karenanya tekanan uap pun terus bertambah sampai titik jenuhnya. Pada
temperatur 100o C, tekanannya akan mencapai 10332 kgf/m
2 (1 atm). Jadi kadar atau tekanan
uap akan bertambah seiring peningkatan temperatur.
Sekarang kasusnya kita balik. Dari keadaan seimbang, pada suhu tertentu 10 C misalnya, kita
tarik torak sehingga tekanan di bawah torak itu rendah, maka air akan menguap. Jika kita tarik
dengan cepat, maka air pun menguap dengan cepat dan terbentuk gelembung di dalam cairan,
sehingga tampak mendidih. Jadi titik uap jenuh ini bisa juga dipandang sebagai titik didih pada
suhu tersebut, meskipun hanya 10 C.
Menurut Hukum Dalton yang berkaitan dengan tekanan bagian menyatakan bahwa tekanan total
suatu campuran gas adalah jumlah tekanan tiap-tiap gas jika gas itu sendirian. Jadi:
321 PPPPt (3.3)
Jadi tekanan udara (atmosfir) merupakan tekanan total dari tekanan uap air, tekanan oksigen,
tekanan nitrogen dan lainnya. Demikian pula tekanan uap pada wadah di atas yang merupakan
tekanan bagian dari tekanan total.
3.2. Head Statik dan Dinamik
Head dapat digolongkan dalam dua jenis head statik dan dinamik. Head statik tetap ada
meskipun masih belum ada kecepatan aliran. Sebaliknya, head dinamik baru muncul dan
bergantung pada kecepatan aliran. Yang termasuk head statik misalnya head ketinggian dan
head tekanan sedangkan yang termasuk head dinamik misalnya head kecepatan dan head
kerugian karena head ini bergantung pada head kecepatan.
Kemudian dalam perhitungan beban, head total dalam buku ini bernilai positif jika head itu
membebani pompa dan sebaliknya bernilai negatif jika membantu meringankan atau mendorong
kerja pompa.
32
3.2.1. Head Ketinggian dan Kecepatan
Head ketinggian adalah perbedaan ketinggian antara tadah keluar dan tadah isap. Dalam
menentukan head ketinggian harus diperhatikan ketinggian permukaan zat cair di tadah keluar
dikurangi ketinggian permukaan zat cair di tadah isap dalam batas-batas volum kontrol. Batas
volum kontrol ini bisa berupa permukaan zat cair atau titik sentuh dengan ruang bertekanan,
baik atmosfir maupun ruang tertutup, karena di titik ini ada keterputusan (discontinue) seperti
tampak pada gambar berikut:
Gambar 3.4. Contoh Penentuan Head.
Pada contoh A, titik b terletak di permukaan tadah keluar sedangkan pada contoh B, ada di
ujung pipa dengan catatan tetap kontinu di sepanjang pipa tersebut (tidak ada pemutusan aliran).
Dengan demikian perbedaan head ketinggian harus dihitung dari perbedaan ketinggian titik b
terhadap titik a.
Demikian pula penentuan head kecepatan. Head kecepatan keluar membebani pompa sehingga
bernilai positif (meninggalkan pompa) dan sebaliknya head kecepatan masuk, bernilai negatif
(menuju pompa). Dalam contoh A, head kecepatan masuk yang dihitung adalah head kecepatan
penurunan permukaan di tadah isap yaitu titik a, yang jauh lebih kecil dibanding kecepatan
aliran dalam pipa. Sedangkan head kecepatan keluar dalam contoh A juga merupakan kecepatan
kenaikan permukaan zat cair di tadah keluar (batas volum kontrol) yakni titik b dan ini pun
relatif kecil dibanding kecepatan aliran pipa. Kedua head kecepatan (masuk dan keluar) dalam
contoh A ini bisa diabaikan karena nilainya relatif sangat kecil dibanding head kecepatan di
dalam pipa.
Berbeda dengan contoh A, head kecepatan keluar dalam contoh B harus dihitung di titik b yakni
ujung pipa dan ini tentu saja sama dengan kecepatan alir di dalam pipa, sehingga terlalu besar
untuk diabaikan.
3.2.2. Head Tekanan
Dalam beberapa penerapan, tadah isap dan atau tadah keluar tidak terbuka begitu saja (diekspos
ke atmosfir) tetapi kadang bertekanan (berbeda dengan tekanan atmosfir). Untuk memudahkan
perhitungan di sini digunakan konvensi jika tekanan itu membebani pompa, maka bernilai
positif dan jika meringankan pompa, bernilai negatif.
33
Di sini perlu juga diingat kembali adanya tekanan mutlak dan gage. Jika tekanan mutlak lebih
besar dari tekanan atmosfir, berarti tekanan gagenya positif dan sebaliknya jika lebih kecil dari
tekanan atmosfir, tekanan gagenya negatif (vakum). Jika sama dengan atmosfir, berarti tekanan
gagenya nol (sama seperti terbuka ke atmosfir).
Untuk dapat lebih memahami hal ini perhatikan gambar berikut:
Gambar 3.5. Head Tekanan
Cara menghitung head tekanan yang harus diatasi pompa adalah sebagai berikut: Jika titik a
bertekanan negatif, misalnya -10 cm Hg (vakum), dan di b positif misalnya 20 cm Hg gage,
maka keduanya memberatkan pompa sehingga head tekanan keseluruhan ( Hp total)
merupakan selisih b-a = 20-(-10) = 30 cm Hg. Jadi:
papbp HHH (3.4)
3.3. Head Kerugian
Pipa dapat dipandang seperti kabel listrik karena sama-sama memiliki tahanan (resistansi). Jika
kabel memiliki tahanan yang relatif besar, maka akan timbul panas yang terbuang ke sekitarnya.
Demikian pula jika pipa memiliki tahanan yang besar akibat kekasaran permukaan dalam pipa
atau diameter yang relatif kecil, maka akan timbul gesekan yang lebih besar dan sebagian
energinya (head) berubah menjadi panas yang juga terbuang ke tempat sekitarnya.
3.3.1. Konsep Dasar
Dari uraian di atas mungkin sudah terbayang mengapa terjadi perubahan energi (head) menjadi
energi panas. Jika kita menggosok-gosokkan suatu benda terhadap yang lain, maka keduanya
akan terasa panas. Demikian pula gesekan antara fluida dengan bagian dalam pipa. Oleh karena
itu, makin kasar pipa akan makin besar gaya gesek dan makin besar pula energi yang terbuang.
Demikian pula, makin besar diameter makin kecil kecepatan dan makin leluasa fluida bergerak,
maka makin kecil gaya gesekannya. Gaya gesekan yang timbul tentulah akibat adanya
kecepatan aliran karena jika kecepatannya nol, tentu tidak ada gesekan. Di sinilah maka gaya
gesekan ini berbanding lurus dengan kuadrat kecepatan aliran. Faktor lain yang berpengaruh
adalah viskositas yang berpengaruh pada bilangan Reynolds dan sifat aliran laminer atau
turbulen serta besarnya gesekan.
34
Karena ada perubahan dan pelepasan energi tadi, energi yang tersisa akan makin berkurang
apakah tekanan dan/atau kecepatannya, yang dalam hal ini disebut head. Jika dalam listrik ada
tegangan drop, tegangan yang timbul akibat impedansi atau resistansi dalam tahanan (resistor),
maka dalam pipa ada head atau pressure drop. Untuk itu kita bisa bayangkan rangkaian pipa
sebagai rangkaian resistor berikut:
Gambar 3.6. Analogi Rangkaian Listrik dan Pompa.
Resistansi kabel Rk dianggap sebagai resistansi kerugian total dan dalam pompa ditunjukkan
dengan Hab (gesekan di dalam pipa masukan diabaikan). Jelas bahwa Hab ini head dinamik
karena jika aliran berhenti, nilainya nol. Namun demikian perlu dicatat bahwa istilah head drop
tidak dikenal, lebih suka dipakai istilah pressure drop, karena dalam banyak kasus, head tekanan
turun dan head kecepatan tidak berubah.
Sekarang kita pandang aliran dalam suatu pipa atau saluran berikut:
Gambar 3.7. Aliran dalam Pipa.
Head kerugian yang terbuang antara titik A dan B adalah:
TBTAlAB hhh (3.5).
Jika kita substitusi dengan persamaan head total, diperoleh:
BBB
AAA
lAB zg
vpz
g
vph
22
22
(3.6).
Dengan asumsi aliran inkompresibel sehingga tidak ada perubahan massa jenis.
3.3.2. Kerugian Mayor dan Minor
Perhitungan kerugian aliran dalam pipa (saluran) dibagi dua: mayor dan minor. Kerugian mayor
adalah kerugian dalam pipa lurus dan ukuran tetap sedangkan kerugian minor mencakup
kerugian yang ditimbulkan oleh sambungan, kran, katup, perubahan bentuk dan lainnya. Metode
perhitungan keduanya dapat dilihat dalam pasal-pasal berikut.
35
3.4. Metode Perhitungan Head Kerugian
Di bawah ini disajikan dua metode penting dalam perhitungan head kerugian dalam aliran pipa
tersebut yaitu metode Darcy-Weisbach (DW) dan Hazen-Williams (HW). Kedua metode ini
diturunkan secara empirik.
3.4.1. Metode Darcy-Weisbach
Metode ini dinisbatkan pada kedua tokoh sarjana hidrolik yakni Henry Darcy dan Julies
Wiesbach. Dibanding metode HW, metode DW ini lebih akurat. Metode DW bisa berlaku baik
untuk semua fluida (cair atau gas) sedangkan metode HW hanya berlaku baik untuk air pada
temperatur normal sekitar 40 – 75 oF atau sekitar 5 – 24
oC. Namun demikian metode HW lebih
populer khususnya bagi insinyur sipil karena koefisien geseknya tidak bergantung pada
kecepatan dan diameter pipa [8]. Dari konsep gesekan seperti diuraikan sedikit di atas, memang
seharusnya perhitungan ini selalu mempertimbangkan kecepatan dan diameter.
Menurut DW, head kerugian dalam pipa sebanding dengan panjang pipa dan head kecepatan
dan berbanding terbalik dengan diameter pipa, yang dapat dituliskan sebagai:
g
v
D
Lfh f
2
2
(3.7).
atau dapat diubah ke dalam bentuk:
qp SCRv (3.8).
di sini: v: kecepatan rata-rata aliran di dalam pipa (m/s)
C,p,q: koefisien-koefisien
R: Jari-jari hidraulik (m)
= D/4 untuk pipa berpenampang lingkaran
S: Gradien hidraulik = hf/L.
hf: head kerugian dalam pipa (m).
f: faktor gesekan (faktor kerugian).
g: percepatan gravitasi (9,8 m2/s).
L: panjang pipa (m).
D: diameter pipa (m).
Persoalan sekarang adalah tinggal bagaimana kita menentukan faktor f. Dalam hal ini ada
perbedaan untuk aliran laminar dan turbulen. Oleh karena itu, kita harus menghitung bilangan
Reynolds terlebih dahulu sebelum menentukan faktor f.
10. Aliran Laminar
Setelah kita mengetahui bilangan Reynolds, kita dapat menentukan sifat alirannya. Jika laminar,
harga f dapat ditentukan dari persamaan berikut:
Luas penampang pipa tegak lurus aliran (m2)
Keliling pipa atau saluran yang dibasahi (m) =
36
Re
64f (3.9).
Jika kita substitusi Re dengan persamaan (3.2), diperoleh:
Dvf
.
64
(3.10).
Jadi faktor kerugian berbanding lurus dengan viskositas kinematik (υ) dan berbanding terbalik
dengan diameter (D) dan kecepatan aliran (v). Makin besar viskositas (kental), makin besar
faktor f. Namun demikian, ketiganya dibatasi sifat aliran; jika turbulen, rumus ini tidak berlaku.
11. Aliran Turbulen
Dalam buku Sularso dan Tahara [2: 29] harga f (di buku itu dilambangkan dengan ) untuk
turbulen ditentukan dengan persamaan berikut:
Df
0005,0020,0 (3.11)
Cara lain yang sangat popular sekarang ini adalah dengan metode Colebrook [7]:
f
k
f Re
51,2
7,3log0,2
110 (3.12)
D
dk (3.13)
Namun persamaan ini iteratif dan sebagai gantinya dapat digunakan persamaan Haaland dan
bervariasi (melenceng) sekitar 2%:
11,1
107,3Re
9,6log8,1
1 k
f (3.14)
di sini k: kekasaran relatif permukaan dalam pipa.
d: kekasaran mutlak permukaan dalam pipa (m).
D: diameter dalam pipa (m).
Harga f dalam persamaan di atas bisa digambarkan dalam diagram Moody terhadap Re sebagai
variabel bebas dan k sebagai parameternya seperti pada gambar di bawah:
37
Gambar 3.8. Karta Moody
Diagram ini dapat digunakan baik untuk pipa bulat maupun persegi. Harga d untuk berbagai
jenis pipa dapat dilihat dalam tabel berikut [8, 14 dan 15]:
Tabel 3.4. Kekasaran Berbagai Bahan
Bahan/Jenis Pipa Kekasaran Permukaan (m)
Tembaga, timah, kuningan,
aluminium, gelas (baru)
1,0e-7 – 2,0e-7
PVC, plastik 1,5e-6 – 7e-6
Besi Sepuh (galvanized) 1,5e-4
Besi cor baru 2,5e-4 – 8e-4
Besi cor beraspal 1,2e-4
Besi cor berkarat 1,5e-3 – 2,5e-3
Besi tempa 4,5e-5 – 9e-5
Baja
berrivet 9e-4 – 9.0e-3
komersial 4,5e-5 – 9e-5
Stainless 1,5e-5
Baja Las 4,5e-5
Berkarat ringan 1e-4 – 4e-4
Berkarat parah 4e-4 – 3e-3
Bersisik ringan 1e-3 – 1,5e-3
Bersisik parah 1,5e-3 – 4e-3
Baja tua (bekas) 1,5e-4 – 2e-4
38
Dengan persamaan Haaland kita dapat mengeplot diagram untuk head kerugian. Gambar berikut
ini adalah diagram untuk pipa besi cor (d = 2,6e-4 m) per 100 m panjang lurus, dengan
kecepatan alir 0,8 – 3,8 m/s dan viskositas kinematik 10-6
m2/s.:
Kerugian Gesek per 100 m pada Pipa Lurus
0
1
10
100
0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6
Kecepatan Alir (m/s)
Keru
gia
n (
m)
25mm
50mm
75mm
100mm
200mm
300mm
400mm
500mm
Gambar 3.9. Head Kerugian Gesek dalam Pipa.
3.4.2. Metode Hazen-Williams
Seperti persamaan Darcy-Weisbach, kecepatan aliran menurut metode HW adalah:
54,063,0 SkCRv (3.15)
di sini k=1.318 untuk satuan Inggris dan 0,849 untuk SI, v kecepatan dalam m/s, sedangkan
koefisien C sesuai dengan tabel berikut [8 dan 2]:
Tabel 3.5. Koefisien Hazen-Willams.
Material C Material C
Berlapis asbes semen 140 Besi sepuh 120
Kuningan 130-140 Gelas 140
Bata 100 Timah 130-
140
Besi Cor: Plastik 140-
150
Baru, tak berlapis 130 Baja:
Umur 10 tahun 107-113 Berlapis ter arang 145-
150
39
20 tahun 89-100 Baru tak berlapis 140-
150
30 tahun 75-90 Berrivet 110
40 tahun 64-83 Baja baru 120-
130
Tembaga 130-140 Baja tua 80-
100
Jika diubah bentuknya dengan defnisi R dan S, diperoleh:
85,485,1
85,1666,10
DC
Qh f (3.16)
di sini Q adalah kapasitas (m3/s).
Persamaan ini digunakan untuk aliran turbulen.
3.4.3. Menghitung Head Kerugian Minor
Aliran dalam pipa bagaimana pun harus melewati sambungan, katup, belokan, perubahan
ukuran atau bentuk pipa. Head kerugian ini akan muncul akibat adanya gangguan aliran dan
kerugian ini disebut kerugian minor. Karena head kerugian ini muncul akibat adanya aliran,
maka bergantung pada kuadrat kecepatannya:
g
vKhlm
2.
2
(3.17)
di sini K adalah faktor kerugian. Harga K dalam persamaan di atas ditentukan secara empirik.
Sekarang kita lihat komponen pipa satu demi satu.
a. Inlet dan Jalan Masuk.
Berbagai bentuk ujung pipa tempat masuk aliran dapat dilihat dalam [2: 34] dan [4: 368] beserta
harga koefisien kerugiannya (K). Harga K sesuai bentuk inlet. Di sini disajikan tiga bentuk:
Gambar 3.10. Berbagai Bentuk Inlet.
Harga K untuk bentuk bulat (a) berkisar antara 0,005 sampai 0,06 tergantung perbandingan jari-
jari lengkung (r) terhadap jari-jari pipa (R). Untuk r/R sekitar 0,25 harga K = 0,04 [4: 368].
40
Dalam Sularso dan Tahara [2: 34] diperlihatkan ujung pipa masukan yang berbentuk mulut
lonceng dan corong. Untuk yang berbentuk lonceng memiliki harga K = 0,2 sedangkan yang
berbentuk corong K = 0,4. Contohnya diperlihatkan seperti gambar di bawah:
Gambar 3.11. Bentuk Corong dan Bel.
b. Pembesaran dan Pengecilan
Pembesaran dan pengecilan pipa/saluran ada dua macam yaitu secara mendadak dan secara
gradual.
Perubahan Mendadak
Penampang saluran yang membesar dan mengecil secara mendadak tampak seperti berikut:
D1D1D2
D2v1
v2 v1
v2
Gambar 3.12. Pembesaran dan Pengecilan Mendadak.
Dalam percobaan ada yang menggunakan perbandingan luas dan ada juga yang menggunakan
perbandingan diameter sebagai variabel bebas. Fox dan Mc Donald [4: 371] menggunakan
perbandingan luas yang kecil terhadap yang besar. Grafik koefisien kerugian tersebut secara
tabulasi dapat didekati seperti berikut:
Tabel 3.6. Tabulasi Harga K dari [4: 371].
Perbandingan Luas Pembesaran Pengecilan
0 1,00 0,50
0,1 0,75 0,48
0,2 0,62 0,42
0,3 0,50 0,38
0,4 0,38 0,30
0,5 0,26 0,24
0,6 0,20 0,20
0,7 0,10 0,10
0,8 0,04 0,06
0,9 0,01 0,02
1,0 0,00 0,00
41
Jika perbandingan luas sangat kecil, nol misalnya dalam kasus pembesaran berarti aliran dari
saluran yang kecil menuju ruang yang relatif sangat besar. Namun dalam kasus pengecilan,
perbandingan luas = 0 menunjukkan aliran dari saluran yang besar masuk ke saluran yang relatif
sangat kecil.
Perubahan Gradual
Pengecilan gradual lazim dijumpai dalam nozel dan pembesaran gradual dijumpai dalam
difuser.
Gambar 3.13. Pembesaran dan Pengecilan.
Dalam Sularso dan Tahara [2: 36] harga koefisien kerugian nozel tidak dicantumkan dan dalam
Fox dan Mc Donald ditabelkan untuk sudut = 30, 45 dan 60 derajat, dengan harga K masing-
masing 0,02, 0,04 dan 0,07.
Dalam Sularso dan Tahara [2: 36] harga koefisien kerugian difuser ditentukan berdasarkan
sudut divergensi ( = 2 ) dengan parameter perbandingan diameter yang besar terhadap yang
kecil. Untuk sudut divergensi di bawah 25 derajat dan di atas 145 derajat, harga K sama baik
untuk perbandingan besar (D2/D1 = 3) ataupun kecil (D2/D1 = 1,5). Di bawah ini tabel koefisien
kerugian pada difuser yang diturunkan secara kasar dari Gambar 2.12 halaman 36 buku tersebut:
Tabel 3.7. Koefisien Kerugian Difuser.
Sudut (o) D2/D1=1,5 D2/D1=3
0 - 10 0,20 - 0,15 0,20 - 0,15
10 - 20 0,15 - 0,40 0,15 - 0,40
20 - 60 0,40 - 1,03 0,40 - 1,20
60 - 70 1,03 - 1,05 1,20 - 1,20
70 - 180 1,05 - 1,00 1,20 - 1,00
Sedangkan Fox dan Mc Donald menyebutkan kalau data untuk difuser itu paling lazim
dinyatakan dalam koefisien pemulihan tekanan (pressure recovery coefficient) Cp, yakni
kenaikan tekanan statis (antara dua luas difuser) terhadap tekanan dinamik pada sisi masukan
atau:
42
2
121
12
v
ppCp (3.18)
Jika perbedaan ketinggian dalam difuser diabaikan, maka:
1222
21
222
211
2222.
ppvvvpvpghl
pl Cv
vv
v
pp
v
vvgh
21
22
21
212
1
12
21
22
21 1
21
2.
Dari prinsip kontinuitas, A1.v1 = A2.v2 = konstan, sehingga:
ppl CAR
vC
A
Avgh
2
21
2
2
121 1
12
12
. (3.19)
Di sini AR = area ratio yaitu perbandingan luas = A2/A1. Jika kita bandingkan dengan
persamaan (3.17) diperoleh:
pp CAR
CA
AK
2
2
2
1 111 (3.20)
Dalam Fox dan Mc Donald [4: 373], digambarkan hubungan antara AR, N/R1 (lihat gambar
diffuser di atas), dan Cp.
c. Belokan
Ada dua macam belokan: lengkung (bend) dan patah (miter), seperti gambar di bawah:
Gambar 3.14. Belokan Lengkung dan Patah
Dalam Sularso dan Tahara [2: 33-34] diberikan rumus Fuller untuk belokan lengkung dan
rumus Weisbach untuk belokan patah.
Rumus Fuller untuk belokan lengkung tersebut adalah:
5,05,3
902847,1131,0
R
Df (3.21)
di sini D/R seperti pada gambar di atas dan adalah sudut belokan. Jika ditabelkan diperoleh:
43
Tabel 3.8. Faktor Kerugian Belokan Lengkung.
R/D 0,75 1,0 1,25 1,5 2
Faktor Kerugian
5 0,1362 0,0694 0,0485 0,0402 0,0343
10 0,1926 0,0981 0,0686 0,0568 0,0485
15 0,2359 0,1201 0,0840 0,0696 0,0594
22,5 0,2889 0,1471 0,1029 0,0852 0,0727
30 0,3336 0,1699 0,1188 0,0984 0,0840
45 0,4086 0,2081 0,1455 0,1206 0,1028
60 0,4718 0,2403 0,1680 0,1392 0,1187
72 0,5168 0,2632 0,1840 0,1525 0,1301
90 0,5778 0,2943 0,2058 0,1705 0,1454
Adapun rumus Weisbach untuk belokan patah adalah:
2sin047,2
2sin946,0 42f (3.22)
sudut seperti gambar di atas. Jika ditabelkan diperoleh:
Tabel 3.9. Faktor Kerugian Belokan Patah.
θ Faktor Kerugian f
5 0,0018
10 0,0073
15 0,0167
22,5 0,0390
30 0,0726
45 0,1824
60 0,3644
72 0,5712
90 0,9848
d. Jalan Keluar (Exit)
Head kecepatan (kinetik) akan sepenuhnya terbuang ke lingkungan ketika keluar dari saluran
dan bercampur ke tempat yang relatif sangat besar. Kasus ini sama seperti mengalami ekspansi
mendadak dengan rasio luas AR = A1/A2 = 0. Karena itu koefisien kerugian K untuk kasus ini
sama dengan 1 dan tidak bergantung pada bentuk ujung keluaran pipa. Jadi, kecuali dengan
difuser, tidak ada cara lain untuk mengurangi kerugian dalam kasus ini.
e. Katup dan Sambungan: Panjang Ekivalen
Pendekatan lain dalam menentukan besarnya gesekan atau kerugian dalam komponen atau
peralatan pipa adalah dengan panjang ekivalen komponen tersebut dengan panjang pipa lurus.
44
Di sini suatu komponen ditentukan panjangnya yang setara (ekivalen) dengan panjang pipa
lurus. Panjang ekivalen ini diperlakukan sama seperti pipa. Jika permukaan dalam pipanya
halus, maka kita menggunakan f untuk pipa halus demikian pula jika pipanya sudah kasar.
Pendekatan ini juga menggunakan rumus umum DW yaitu:
g
v
D
Lfh e
lm2
..2
(3.23)
Harga f dapat ditentukan dengan diagram Moody atau persamaan Colebrook (atau Haaland)
untuk pipa yang digunakan, sedangkan Le/D (tidak berdimensi) ditentukan secara empirik.
Dalam [13] diberikan nomograf untuk menentukan Le/D beberapa komponen. Berikut ini tabel
Le/D yang diturunkan dari nomograf tersebut:
Tabel 3.10. Panjang Ekivalen Komponen Pipa.
No. Komponen Keterangan Le/D
1. Katup bola (globe) Terbuka 340
2. Katup gerbang (gate) terbuka penuh 7
terbuka ¾ 40
terbuka ½ 200
terbuka ¼ 850
3. Katup sudut (angle) terbuka 150
4. Katup cegah, ayun terbuka 80
5. Belokan lengkung 180o 76
90o (r besar – kecil) 21 – 33
45o 15
6. Sambungan T 72
Dengan data Le/D ini kita dapat langsung menentukan head kerugiannya dengan persamaan di
atas. Akurasi cara ini (meleset) sekitar 10%.
f. Menentukan Koefisien Gesekan
Koefisien kerugian (K) atau faktor gesekan (f) pada dasarnya merupakan faktor pengali terhadap
head kecepatan, karena besar kerugian sebanding dengannya. Karena hukum kekekalan energi
(Bernoulli), head ini mengurangi head tekanan atau ketinggian. Jadi besarnya kerugian atau
harga faktor kerugian dapat ditentukan dengan mengukur penurunan tekanan (pressure drop).
Head kerugian adalah head total sebelum komponen dikurangi head total setelah komponen:
2
222
1
211
2122
zg
vpz
g
vphhh ttlt (3.24)
Karena pengukuran dilakukan pada ketinggian dan kecepatan yang sama, head kerugian tersebut
adalah:
2121 pppphlt (3.25)
45
dengan persamaan DW, kita peroleh:
g
vK
g
v
D
Lf
pph e
lt22
2221 (3.26)
2212
v
ppK (3.27)
Dengan mengetahui kecepatan aliran v, dan perbedaan tekanan, kita dapat menentukan harga K
atau rasio panjang ekivalen Le/D, dengan bantuan diagram Moody untuk menentukan f dari pipa
yang bersangkutan:
f
K
D
L
KD
Lf
e
e
(3.28)
Dengan cara ini, rasio panjang ekivalen beberapa katup dalam Tabel 2.20 [Sularso dan Tahara,
2] dapat ditentukan.
Contoh Soal 3.4.
Berapa ketinggian h (meter) pada bak penampung air minum (t = 25 C) seperti pada gambar
berikut, jika diinginkan kapasitas 0,01 m3/s. Diameter dalam pipa (halus) 7,5 cm dan panjang
pipa 100 m. Kedua belokan lengkung dengan R/D = 1,5. Di ujung pipa ada katup gerbang yang
terbuka penuh.
Jawab:
Berdasarkan persamaan energi, head ketinggian (dari 1 ke 2) diubah menjadi head kerugian dan
head kecepatan di titik 2. Head kerugian terdiri dari mayor dan minor. Kerugian mayor hanya
untuk panjang pipa lurus, di sini panjang totalnya 100m. Kerugian minor ada 3 macam yaitu di
sisi masuk pipa (inlet), dua belokan lengkung dan katup gerbang. Adapun ketinggian total
adalah hz = h + 5m. Jadi:
46
v
pbpinz
hkatupbelokanpipainlet
g
v
g
v
D
Lef
g
vf
g
v
D
Lf
g
vKh
2222
22
22222
Kecepatan v = Q/A = 0,01/( D2/4) = 2,26 m/s. Viskositas kinematik air dapat dilihat pada grafik
viskositas (3.1) yaitu 9.10-7
m2/s, sehingga bilangan Reynolds Re = 2,26.0,075/(9.10
-7) =
1,9.105. Dari diagram Moody diperoleh fp = 0,0155. Dari Tabel 3.9 diperoleh fb = 0,1705. Dari
Tabel 3.11, Le/D = 7. Dari gambar inlet persegi didapat: Kin = 0,5. Jadi:
meterh
h
D
Leff
D
LfK
g
vh pbpinz
91,0591,5
17.0155,01705,0.2075,0
1000155,05,0
8,9.2
26,25
122
2
2
Jadi untuk mencapai kapasitas tersebut, ketinggian air dalam bak h = 0,91 m.
3.5. Head Total dan Karakteristik Sistem
Secara garis besar, head total sistem terdiri dari empat komponen yaitu head ketinggian antara
tadah keluar dan tadah isap, head tekanan antara kedua tadah tadi, head kerugian dalam sistem
dan head kecepatan. Jadi:
hvhlhphzht (3.29)
Dalam perhitungan head total keempat macam head ini harus ditentukan satu demi satu. Dari
sini jelas bahwa kedua head yang pertama tidak bergantung pada kecepatan aliran, atau sebut
saja head statis total (hst), sedangkan dua yang terakhir bergantung pada kuadrat kecepatan
aliran (atau Q), kita sebut head dinamis total (hdt). Karena head dinamis ini baru muncul jika
ada aliran, maka di Q = 0 akan selalu berharga nol. Jadi, jika head total diplot terhadap Q, kurva
yang dihasilkan menggambarkan karakteristik sistem instalasi (selain pompa):
Gambar 3.15. Karakteristik Sistem.
Kurva ht di dalam gambar di atas menunjukkan karakteristik sistem. Makin besar faktor atau
koefisien gesekan total sistem, makin curam kurva ht seperti pada ht1.
47
Perpotongan dua kurva, karakteristik sistem dengan kurva head pompa merupakan titik kerja
pompa (operating point), seperti gambar di bawah:
Gambar 3.16. Titik Kerja Pompa
Contoh Soal 3.5.
Tentukan head total sistem instalasi pompa untuk menaikkan minyak tanah ( = 0,8 kg/l)
dengan viskositas 2,5 cSt, seperti pada gambar di bawah. Tekanan yang bekerja pada
permukaan dorong adalah 20 cm Hg gage. Permukaan isap terbuka ke atmosfir. Tinggi rata-
rata permukaan isap dan dorong seperti pada gambar. Kapasitas 0,5 m3/mnt melalui pipa
baja tua dengan diameter dalam 150 mm. Ketiga belokan patah 90o. Panjang pipa isap
seluruhnya 8 m. Di ujung pipa isap dipasang katup isap dengan saringan dan panjang pipa
dorong 62 m.
Soal ini dapat disalin sebagai berikut:
Dikt:
Kapasitas Q = 0,5 m3/mnt = 8,33e-3 m
3/s.
Viskositas kinematik vis = 2,5 cSt = 2,5e-6 m2/s.
Massa jenis minyak = 0,8 kg/l = 800 kg/m3.
Kekasaran pipa baja tua d = 2e-4 m.
Diameter dalam pipa D = 0,15 m.
Tekanan tadah keluar Pd = 0,2 m Hg.
Head perbedaan ketinggian hz = 8 m (gambar).
Perbedaan tekanan p = 0,2 mHg.
Faktor kerugian belokan patah 90o f = 0,985 (Tabel 3.10)
Katup isap dengan saringan Le/D = 71.
Panjang pipa keseluruhan L = 70 m.
Dit: Head total sistem
48
3 m
4 m
2 m
5 m
1 m
20 cm Hg
gauge
Jawab:
Kecepatan aliran v = 4Q/ D2 = 0,47 m/s.
Bilangan Reynolds Re = vD/vis = 28294,2 (turbulen).
Kekasaran relatif k = d/D = 1,3e-3 maka dari diagram Moody diperoleh fp = 0,027. Dengan
demikian, rincian head totalnya adalah seperti berikut:
12. Head ketinggian = 8 m (dari gambar).
13. Head tekanan dihitung terhadap massa jenis minyak:
mh
hgghgp
minyak
minyakminyakraksaairraksaair
4,38,0
2,0.6,13
..2,0..6,13..
14. Head kecepatan diabaikan karena kedua ujung pipa tenggelam, yang berarti kecepatan
penurunan/kenaikan minyak dalam tadah keluar/isap sangat kecil.
15. Head Kerugian:
Sebelum menghitung head kerugian kita hitung head kecepatan dalam pipa: hv = v2/2g.
Head ini tidak disertakan dalam perhitungan head total karena hanya berpengaruh pada head
kerugian. Dari persamaan tadi hv = 0,0113 m
a. Katup isap mg
v
D
Lfh e
pki 02,00113,0.71.027,02
2
b. Head ketiga belokan patah mg
vhbp 033,0
.2985,0.3
2
c. Head kerugian pipa mg
v
D
Lfh
p
pp 14,00113,0.15,0
70.027,0
2
2
Head total sistem: 8+3,4+0,02+0,033+0,14 = 11,59 m.
49
3.6. Performansi untuk Zat Cair Kental
Pompa yang sudah ditentukan performansinya untuk zat cair tertentu, biasanya air, dapat
digunakan untuk zat cair lain yang memiliki kekentalan yang berbeda. Di sini akan disajikan
penentuan performansi untuk zat cair yang lebih kental pada pompa yang sudah ditentukan
performansinya untuk air. Kita maklum bahwa zat cair yang lebih kental (viskositas lebih besar)
akan menurunkan performansi pompa karena besarnya gaya gesek internal zat cair tersebut serta
antara zat cair dengan pompa.
Dari kenyataan ini Hydraulic Institute Amerika Serikat membuat suatu nomograf untuk
menentukan koefisien koreksi performansi pompa untuk zat cair kental jika performansi untuk
air dan kekentalan zat cair yang akan dipompa diketahui. Jadi, jika performansi untuk air Hw, Qw
dan w, maka performansi untuk zat cair kental adalah
wc
wQc
wHc
C
QCQ
HCH
.
.
.
(3.30)
Berikut ini nomograf untuk pompa skala menengah dan contoh penentuan koefisien untuk zat
cair dengan viskositas 10 cSt, dengan performansi untuk air: Hw= 20 m, Qw = 0,13 m3/mnt dan
untuk w = 70%. Cara untuk menentukan koefisien-koefisien tadi adalah:
Pada garis skala kapasitas 0,13 m3/mnt, kita tarik garis tegak sampai garis head 20 m (garis
miring ke kanan). Tandai dengan titik A.
Dari titik ini kita tarik garis mendatar ke kiri sampai pada garis viskositas 10 cStokes (titik
B).
Tarik garis tegak sampai menyentuh kurva untuk C , CQ, dan CH.
Di sini diperoleh C = 0,85, CQ = 0,95 dan CH = 1,03.
50
Gambar 3.17. Koreksi Performansi Untuk Zat Cair Kental.
3.7. NPSH dan Kavitasi
NPSH (net positive suction head) merupakan konsep yang dibuat untuk menghubungkan head
total di sisi isap (suction head) dengan titik tekanan uap jenuh zat cair yang positif terhadap
tekanan isap pompa yang negatif. Selisihnya harus positif (net positive) karena jika negatif
berarti zat cair yang ada di sisi isap bertekanan di bawah tekanan uap jenuh. Jika hal ini terjadi,
maka zat cair mengalami penguapan dalam sisi isap. Adanya uap (gelembung) di dalam zat cair
ini seperti gua (cave). Oleh karena itu gejala ini disebut kavitasi.
Jika terjadi kavitasi, maka zat cair yang bercampur uap itu akan masuk ke titik isap impeler
dalam pompa. Tentulah hal ini akan mengakibatkan tumbukan-tumbukan antara cairan dan uap
dengan impeler dan rumah pompa. Makin ke ujung impeler, tekanan kembali membesar,
51
sehingga uap tadi pecah (kembali menjadi cair, mengembun). Akibat lanjutnya adalah suara
pompa makin berisik, performansi rendah dan kerusakan pada bagian dalam pompa. Karena itu
semua, gejala kavitasi harus dihindari.
Nah di sinilah para ahli mendefinisikan NPSH. Ada dua NPSH: NPSH yang tersedia (available,
NPSHA) dan yang diperlukan (required, NPSHR). NPSHA ini merupakan head di sisi isap pada
sistem sedangkan NPSHR merupakan NPSH pompa. Syarat agar tidak terjadi kavitasi adalah
bahwa NPSHA harus lebih besar dari NPSHR:
NPSHA > NPSHR
Jika tidak demikian, maka akan beresiko terjadi kavitasi. Untuk dapat lebih memahami konsep
ini kita lihat head di sisi isap.
3.7.1. Head Isap
Untuk memahami NPSH, kita pandang lagi pompa torak sebagai tabung Toricelli berisi air.
Pompa ini juga merupakan representasi pompa sentrifugal atau lainnya (lihat gambar di bawah).
Gambar 3.18. NPSH: Tekanan Sisa.
Kita maklum bahwa tekanan satu atmosfir ini mampu menahan air dalam tabung Toricelli
setinggi sekitar 10,33 m. Anggap pompa dalam keadaan diam sesaat, maka tekanan di titik B,
setinggi h (< 10,33m), merupakan tekanan sisa (neto) 1 atm (mutlak) dikurangi tekanan
hidrostatik sebesar air.g.h. Jika torak ditarik lagi ke atas dan h mendekati 10,33m, maka
besarnya tekanan hidrostatik ini hampir sama dengan 1 atm. Namun sebelum mencapai titik 1
atm, jika tekanan sisa di titik B sudah melampaui tekanan uap jenuh(lebih rendah), mulai terjadi
penguapan. Jika h terus bertambah, uap juga terus bertambah untuk mencapai tekanan uap
jenuhnya. Dengan kata lain, pada ketinggian ini, di titik B bertekanan sebesar tekanan uap
jenuhnya.
Sekarang kasus ini kita kembangkan ke dalam head isap pompa. Jika pompa diam, tekanan di
titik B merupakan sisa 1 atm dikurangi head ketinggian saja. Tetapi jika pompa sedang bekerja,
tekanan di titik B tentu berkurang lagi karena ada kerugian gesek yang berbanding dengan
kuadrat kecepatannya dan ada juga head isap dari pompa (NPSHR). Jika salah satu head
52
pengurang ini terus bertambah, maka suatu saat tekanan bersih (net) di titik B bisa mencapai
tekanan uap jenuh zat cair tersebut. Ketika berada di atas tekanan uap jenuh, zat cair berhenti
menguap, namun jika penurunan tekanan ini melampaui tekanan uap jenuhnya, maka akan
terjadi penguapan. Jadi di sinilah mulai terjadi kavitasi. Jika demikian, pada temperatur tertentu,
ada titik maksimum yang tidak boleh terlampaui. Sebagai contoh: pada 25 C, berat jenis air
sekitar 997 kgf/m3 dan bertekanan uap jenuh 323,6 kgf/m
2 (Tabel 3.3). Jika tekanan ini
dikonversi ke head, sekitar 323,6/997 = 0,33 m. Jika NPSHR pompa 0,8 m, kerugian total 0,4
m, maka ketinggian maksimum kolom dalam pompa adalah 9 meter
Sekarang kita hitung head sisa (lihat gambar di atas, sebelah kanan) yaitu:
NPSHRhhhh lzass (3.31)
di sini: ha head tekanan atmosfir
hz head ketinggian dan
hl head kerugian (loss)
Jika head sisa (hss) ini harus lebih besar dari head tekanan uap jenuh hv agar tidak terjadi
kavitasi, maka hss > hv dan
vlzass hNPSHRhhhh (3.32)
NPSHRhhhh vlaz
Untuk kasus kita berlaku 10,6 – 0,33 - 0,4 - 0,8 = 9,1 m. Jadi head ketinggian pompa (diukur
pada garis tengah sisi isap) terhadap permukaan air yang diisap tidak boleh lebih dari sekitar 9
m. Jika ini dilampaui, air tidak akan dapat diisap, hanya menguap saja.
3.7.2. NPSH yang Tersedia
Jika persamaan (3.32) di atas kita susun ulang, maka
0NPSHRhhhh vlza (3.33)
atau
NPSHRhhhh vlza (3.34)
agar tidak terjadi kavitasi. Jika keempat suku pertama kita sebut NPSHA (NPSH yang tersedia),
maka:
vlza hhhhNPSHA (3.35)
Jadi NPSHA ini merupakan head sisa antara head tekanan atmosfir dikurangi head ketinggian,
kerugian dan tekanan uap jenuh. Persamaan ini sesuai dengan persamaan head sisa (neto) pada
tabung Toricelli di atas. Karena harganya tidak boleh negatif dan ada di sisi isap, head neto
disebut Net Positive Suction Head (NPSH).
Dari dua persamaan di atas diperoleh:
NPSHRNPSHA (3.36)
53
Perlu dicatat di sini bahwa hs bernilai negatif jika pompa terletak di bawah tadah isap, karena
pada kasus ini, head tersebut meringankan beban pompa.
Contoh Soal 3.6
Suatu pompa akan digunakan untuk memompa air bersih pada temperatur 25 C pada tekanan 1
atmosfir (1,0332 ksc). Garis tengah lubang isap pompa terletak 5 m di atas permukaan air di sisi
isap. Jika head kerugian sistem seluruhnya 0,5 m, berapa NPSH yang tersedia.
Jawab:
Dari tabel 3.3 massa jenis air pada 25 C = 997,1 kg/m3. Jadi berat jenisnya = 997,1 kgf/m
3.
Tekanan uap jenuhnya = 323,6 kgf/m2.
mhhpp
h lzva
sv 7,45,051,997
6,323
1,997
10332
Jadi NPSHA = 4,7 m.
3.7.3. NPSH yang Diperlukan
NPSHR yang disebutkan di atas merupakan NPSH yang diperlukan pompa. Apa hakikat
NPSHR tersebut? Kita kembali pada analogi rangkaian listrik. Idealnya, sumber tegangan listrik
tidak memiliki tahanan (impedansi) dalam karena tahanan ini akan mengurangi tegangan yang
diberikan ke tahanan beban (gambar di bawah):
Gambar 3.19. NPSH Pompa.
Jika resistansi dalam batere tidak ada, maka tegangan di resistansi beban sama dengan tegangan
batere. Tegangan di tahanan ini sebanding dengan besarnya arus. Jika tahanan beban makin
kecil, tahanan total kecil dan arus makin besar. Akan tetapi, makin besar arus, makin besar
tegangan pada tahanan dalam dan makin kecil tegangan pada beban karena tegangan totalnya
tetap. Jadi daya yang dikirim ke beban berkurang. Demikian pula jika tahanan beban lebih besar
dari tahanan dalam, daya yang diterima beban makin kecil.
Dalam kasus pompa, NPSHR ini seperti tahanan dalam yang ikut mengurangi head di sisi isap
pompa. Makin besar laju aliran, makin besar NPSHR, karena head ini merupakan akibat head
kecepatan di dalam sisi masuk pompa. Jadi NPSHR ini seperti tegangan pada tahanan dalam.
Sekarang bagaimana kita dapat menentukan NPSH yang diperlukan tersebut? Ada dua cara
pertama dengan koefisien kavitasi Thoma dan kedua dengan pengukuran performansi langsung.
54
a. Koefisien Kavitasi Thoma
Koefisien kavitasi Thoma didefinisikan sebagai rasio antara NPSHR terhadap head total pompa
pada efisiensi terbaik (tertinggi):
Hn
NPSHR (3.37)
di sini : koefisien kavitasi Thoma dan Hn merupakan head total pompa pada efisiensi terbaik.
Karena NPSHR dan Hn keduanya berbanding dengan kuadrat kecepatan, maka koefisien
kavitasi Thoma ini konstan terhadap kecepatan. Jika koefisien ini diketahui, maka dengan
mengetahui head total pompa Hn, NPSHR dapat ditentukan.
Untuk menentukan koefisien ini kita definisikan kecepatan jenis di sisi isap (suction specific
speed) Ss:
43
21
NPSHR
QnnSs (3.38)
Karena kecepatan jenis:
43
21
.
Hn
QnnNs (3.39)
kita peroleh:
43
43
43
43
21
.
.. Ns
Hn
HnNs
NPSHR
QnnSs (3.40)
Seperti halnya kecepatan jenis, kecepatan jenis isap Ss ini juga sama untuk suatu jenis pompa.
Berdasarkan hasil pengujian, diperoleh bahwa:
NsSs
Ns.10.3,6
43
43 6
(3.41)
Jadi Ss = 1/(6,3.10-6
)3/4
= 7952 8000, untuk Qn dalam US gallon per menit, head dalam feet
dan n dalam rpm. Jika dalam m3/mnt, m dan rpm, tinggal dibagi 6,67, diperoleh Ss = 7952/6,67
= 1192 1200. Jadi besarnya koefisien kavitasi Thoma:
34
1200
Ns (3.42)
Atau
HnNs
HnNPSHR3
4
1200 (3.43)
Contoh Soal 3.7.
Tentukan NPSHR sebuah pompa yang mempunyai kapasitas 0,1 m3/mnt dan head 10 m pada
efisiensi terbaik dengan putaran 3000 rpm.
55
Jawab:
Tahap pertama adalah menentukan Ns:
7,16810
1,03000
43
43
21 5,0
Hn
QnnNs
Kita tentukan koefisien kavitasi Thoma:
0731,01200
7,168 34
Tentukan NPSHR:
NPSHR = .Hn = 0,0731.10 = 0,731 m.
Persamaan-persamaan di atas digunakan untuk titik kerja pada efisiensi tertinggi (terbaik). Jika
pompa dioperasikan pada titik di luar efisiensi terbaik, maka seperti batere yang mendapat
beban dengan impedansi yang berbeda dengan impedansi dalam. Jika kapasitas diperbesar,
sama seperti arus listrik diperbesar akibat tahanan beban diperkecil yaitu tegangan yang timbul
pada tahanan dalam membesar dan pada gilirannya tegangan di beban mengecil. Seperti
diuraikan di atas, NPSHR ini seperti tegangan pada tahanan dalam. Jika kapasitas diperbesar,
NPSHR pun membesar. Sularso dan Tahara [2] menyajikan kurva perkiraan perubahan NPSHR
terhadap perubahan kapasitas terutama dalam hal pembesaran kapasitas seperti tampak dalam
gambar berikut:
Gambar 3.20. NPSHR terhadap perubahan kapasitas.
Dari grafik di atas jelas bahwa NPSHR naik 50% atau 1,5 kali NPSHR pada titik operasi normal
(kapasitas pada efisiensi terbaik) jika kapasitas naik 20% atau 1,2 kali kapasitas normal.
b. Penentuan NPSHR dengan Performansi
Kita telah maklum bahwa jika terjadi kavitasi, performansi pompa menurun. Penurunan ini
ditandai dengan penurunan head pompa dan suara berisik. Artinya, jika performansi mulai
menurun, maka NPSHR mulai mendekati NPSHA. Jadi dalam cara ini, NPSHA diturunkan
56
secara gradual, sedikit demi sedikit sampai sama dengan NPSHR, misalnya dengan cara
menaikkan head statis atau yang lain, sehingga NPSHA berkurang. Di sini kita perlu terus
mengetahui harga NPSHA agar pada saat terjadi penurunan performansi, kita dapat mengetahui
bahwa NPSHR = NPSHA.
Dalam banyak literatur disepakati bahwa penurunan head sebesar 3% (tiga per seratus)
dinyatakan sebagai awal terjadi penguapan atau kavitasi. Berikut ini prosedur menentukan
NPSHR:
Buatlah perangkat uji (test rig) yang terdiri dari tangki berisi air, pompa yang akan diukur
NPSHR-nya, pipa kapiler untuk pemisah tekanan tinggi dan rendah, alat ukur aliran, tekanan
dan temperatur. Hubungkan juga tangki dengan pompa vakum untuk menurunkan tekanan di
dalam tabung yang pada gilirannya menurunkan NPSHA. Lengkapi juga dengan pipa kecil
pengalir air panas/dingin untuk mengatur suhu air di dalam tabung, agar tekanan uap bisa diatur.
(lihat gambar di bawah)
Gambar 3.21. Perangkat Untuk Menentukan NPSHR
Sebelum dilakukan pengukuran NPSHR, hitung dahulu NPSHA, head sistem, tekanan Pa, Ps
dan Pd, suhu di dalam tabung dan karakteristik pompa. Siapkan lembar tabel data yang
mencatat data tersebut.
Dari grafik performansi pompa, biasanya kita dapatkan beberapa kurva head untuk beberapa
diameter impeler atau untuk beberapa kecepatan putar. Kita pilih kurva yang sesuai dengan
pengujian. Tentukan titik operasi kerja pompa, pada kapasitas dan head berapa. Berilah ciri
untuk titik operasi tersebut pada kurva. Catat head di sini sebagai Hn.
Turunkan NPSHA dengan menjalankan pompa vakum agar tekanan di dalam tangki menurun
atau dengan menaikkan temperatur air agar tekanan uap naik. Akan tetapi, penurunan tekanan
atau temperatur itu harus bertahap, sedikit demi sedikit dan pada setiap tahapan kita harus
mencatat data pengukuran dengan lengkap.
Setelah beberapa tahap kita turunkan NPSHA, perhatikan apakah sudah terjadi kavitasi. Head
akan turun dan grafik penurunannya tidak sesuai dengan kurva head karakteristik pompa tetapi
loncat ke bawah (Perhatikan gambar di bawah). Pada penurunan 3% terhadap Hn inilah maka
NPSHR = NPSHA.
57
Gambar 3.22. Kurva Kavitasi.
3.7.4. Pengendalian Kavitasi
Dari kondisi terjadinya kavitasi, kita dapat mencari beberapa cara mengendalikan dan mencegah
kavitasi, yang pada prinsipnya adalah memperbesar NPSHA dan atau memperkecil NPSHR.
Yang pertama dapat kita rekayasa tetapi yang kedua berkaitan dengan pemilihan pompa. Cara
pertama memerlukan langkah antara lain sebagai berikut:
16. Head isap statis harus dibuat serendah mungkin dengan cara merendahkan posisi pompa
terhadap permukaan sisi isap.
17. Untuk mengurangi kerugian di pipa, pipa harus dibuat sependek mungkin dan atau
memperbesar ukuran pipa, atau memilih pipa yang lebih halus permukaan dalamnya, tidak
memasang perangkat yang dapat memperbesar gesekan di sisi isap seperti memasang katup
yang tidak perlu. Kurangi jumlah belokan dan tidak memasang kran untuk mengatur aliran
di sisi isap.
18. Kerugian juga bisa makin besar dengan membesarnya aliran karena berbanding dengan
kuadrat kecepatannya. Untuk itu, jaga agar aliran tidak berlebihan dengan tidak
menggunakan pompa yang memiliki head jauh lebih besar dari keperluan.
19. Dalam beberapa kasus, head isap berkurang selama pemompaan dan ini perlu diperhatikan
terutama pada titik terendah karena pada titik ini NPSHA menjadi minimum.
20. Temperatur zat cair juga harus diperhatikan karena makin tinggi temperatur, makin besar
head tekanan uap jenuhnya dan ini makin memperkecil NPSHA.
21. Tekanan di sisi isap merupakan penyumbang NPSHA, sehingga di sisi isap sebaiknya
jangan dikondisikan pada tekanan rendah apalagi vakum. Sehubungan dengan ini pula,
maka di daerah yang tinggi yang memiliki tekanan atmosfir lebih rendah, harus juga
diperhatikan.
Dalam Sularso dan Tahara [2: 49] diberikan persamaan tekanan atmosfir sebagai fungsi
ketinggian h:
58
256,5
288
.0065,0133,10
hPa (3.44)
di sini h = ketinggian dari permukaan laut (meter) dan satuan Pa dalam meter air. Jika h = 0, di
permukaan laut, Pa = 10,33 m.
59
4. Operasi Pompa
Dalam bab ini akan dibicarakan hal-hal yang berhubungan dengan penggunaan pompa, masalah
yang dihadapi serta cara-cara untuk menanganinya.
4.1. Penggabungan Pompa
Dalam kasus tertentu mungkin pompa yang digunakan sudah tidak dapat memenuhi kebutuhan
akan tuntutan performansi, misalnya kita membutuhkan head dan/atau kapasitas yang lebih
tinggi. Untuk itu di sini dibicarakan penggabungan beberapa pompa baik seri (keluaran pompa
pertama diberikan kepada pompa kedua) maupun paralel (kedua pompa disatukan dalam
masukan dan keluaran), baik yang sama karakteristiknya maupun yang berbeda. Berikut ini
contoh dua pompa yang identik yang disusun secara seri dan paralel:
Gambar 4.1. Pompa Seri dan Paralel.
Dalam susunan seri, kita lihat bahwa kapasitas pada pompa-pompa tersebut sama. Untuk
susunan seri dua pompa, kapasitas pada pompa pertama sama dengan kapasitas pada pompa
kedua. Demikian seterusnya untuk susunan seri beberapa pompa yang lebih dari dua. Kemudian
apa yang bertambah pada susunan seri dibanding pompa tunggal? Karena pompa menghasilkan
(perbedaan) head antara sisi keluaran dengan sisi isap, maka susunan seri menyebabkan
penggabungan head. Head total susunan seri adalah jumlah head tiap-tiap pompa. Jika pompa
yang digunakan sama, maka head totalnya adalah kelipatan dari jumlah pompa:
stagetotal HiH . (4.1)
di sini i adalah jumlah pompa dan Hstage adalah head masing-masing pompa.
Pada susunan paralel (gambar sebelah kanan) kita lihat bahwa head keluaran kedua pompa itu
sama (karena disatukan) begitu juga head masukan. Di sini tampak kapasitas total menjadi dua
kali kapasitas masing-masing pompa. Jadi
itotal QiQ . (4.2)
60
di sini i adalah jumlah pompa yang disusun paralel dan Qi adalah kapasitas masing-masing
pompa. Sedangkan head total sama dengan head pompa tunggal.
Jadi susunan seri adalah penjumlahan head dan susunan paralel adalah penjumlahan kapasitas
aliran. Jika digambarkan akan diperoleh kurva penggabungan seperti pada gambar berikut:
Gambar 4.2. Karakteristik Seri dan Paralel
Grafik sebelah kiri pada gambar di atas adalah penggabungan dua pompa yang persis sama
(identik) secara serial. Di sini head total merupakan penjumlahan (dua kali) head pompa secara
sendiri-sendiri. Jadi di sini dilakukan penjumlahan secara vertikal. Sedangkan pada gambar di
sebelah kanan adalah susunan paralel dua pompa identik. Di sini kapasitas total dua kali
kapasitas masing-masing pompa. Penjumlahan dilakukan secara horisontal
4.1.1. Penggabungan Pompa yang Sama
Di sini akan diperlihatkan bagaimana penggabungan pompa tersebut (seri dan paralel) untuk
berbagai sistem yang berbeda. Untuk itu kita lihat gambar berikut:
Gambar 4.3. Karakteristik Gabungan
Gambar di atas menunjukkan penggabungan dua buah pompa yang sama persis karakteristiknya
dengan kurva k (hitam). Jika digabung secara seri, akan menghasilkan kurva s (merah) yang
merupakan penjumlahan head (nilai vertikal) dari dua pompa tersebut. Sedangkan kurva p (biru)
merupakan hasil penjumlahan kapasitas (nilai horisontal) hasil susunan paralel.
61
Jika kita memiliki sistem dengan kurva R1 dengan pompa tunggal, diperoleh titik kerja a,
sedangkan dengan kurva seri s, terletak di titik b. Di sini jelas bahwa penggabungan seri tidak
menghasilkan head yang dua kali lipat pompa tunggal, karena head di b hanya lebih tinggi
sedikit dari a. Ini wajar karena ada kenaikan kapasitas. Adapun jika sistem tadi menggunakan
susunan paralel, akan diperoleh titik c dan di sini pun tidak diperoleh kapasitas yang dua kali
lipat pompa tunggal, tetapi memang cukup signifikan juga. Di sini juga ada kenaikan head. Jadi
untuk sistem dengan head kerugian (dinamik) yang rendah seperti R1, penggunaan paralel lebih
baik dari pada seri. Namun demikian, perlu dicatat bahwa kenaikan kapasitas dalam hubungan
paralel masih belum sebanding dengan daya yang dua kali lipat. Jika kita hendak menghemat
energi, maka penggunaan dua pompa yang terpisah (dengan dua sistem) lebih menguntungkan,
hanya saja pemasangan dua sistem juga kadang terlalu mahal.
Berbeda dengan R1, kita lihat R2. Di sini penggabungan seri dan paralel sama saja dan hanya
menambah head dan kapasitas sedikit saja (titik e dibanding d).
Terakhir kita lihat kurva sistem R3. Kurva ini dengan kurva paralel p hanya menambah head
dan kapasitas sedikit sedangkan dengan kurva seri s, meskipun tidak menambah head dua kali
lipat, kenaikannya cukup besar, juga ada kenaikan head. Jadi jika kita memiliki kurva sistem
seperti R3, yang besar head dinamiknya, penggabungan seri lebih baik dari pada paralel.
Jadi untuk sistem dengan head tinggi dan kapasitas rendah seperti R3, susunan seri lebih baik
dari pada paralel dan untuk sistem dengan kapasitas besar dan head rendah seperti R1, susunan
paralel lebih baik dari pada seri.
4.1.2. Penggabungan Paralel Pompa yang Berbeda.
Kedua pompa yang berbeda, seperti k dan j (gambar di bawah) dapat dipasang paralel. Kurva
yang dihasilkan seperti kurva p (biru) yang berawal dari titik e, karena penjumlahan kapasitas.
Sistem seperti R1 akan berpotongan di a dengan kurva k (jika sendirian), di b dengan kurva j
(jika sendirian) dan di c dengan kurva p (paralel). Di titik c ini, kapasitas totalnya merupakan
penjumlahan kapasitas pompa k dengan pompa j (perhatikan panjang z), yakni kapasitas dari k
sebesar d (z) dan dari j sebesar b’. Ini berarti, dengan hubungan paralel, pompa j bekerja di titik
b’ dan pompa k di titik d (agar menghasilkan titik c):
Gambar 4.4. Susunan Paralel Pompa yang Berbeda.
62
Tampak bahwa sistem R2 berpotongan dengan j maupun p di e. Bagi R2, sama saja pompa j
sendirian atau paralel k dengan j. Terakhir, sistem R3 tidak berpotongan dengan kurva p, berarti
sistem paralel tidak akan menghasilkan titik kerja yakni tidak ada aliran di dalam sistem. Yang
terjadi sebenarnya adalah ada aliran terbalik di dalam pompa k dari pompa j karena pompa j
memiliki head yang lebih tinggi. Jadi susunan paralel kedua pompa yang berbeda ini hanya bisa
digunakan untuk sistem dengan head dinamik yang rendah seperti R1.
4.1.3. Penggabungan Seri Pompa yang Berbeda.
Selanjutnya kita tinjau penggabungan seri s (biru) dua pompa yang berbeda: k dan j seperti
gambar di bawah:
Gambar 4.5. Susunan Seri Pompa yang Berbeda
Tampak bahwa dalam kasus seperti sistem R1, susunan seri bahkan menghasilkan head dan
kapasitas yang lebih kecil dari pada pompa j secara sendirian. Kita bisa bandingkan titik c yang
lebih tinggi dan lebih ke kanan dibanding titik b. Ini karena titik kerja yang dibentuk sudah
melampaui kapasitas di mana head kurva k negatif. Jadi pompa k ini justru membebani pompa j.
Susunan demikian hanya cocok untuk sistem dengan karakteristik yang sangat tinggi head
dinamiknya seperti R4. Untuk sistem dengan kurva R3 pun, masih belum memuaskan.
4.2. Pengaturan Kapasitas
Seringkali kita membutuhkan kapasitas yang berbeda dari kapasitas pompa atau yang berubah-
ubah. Untuk itu di sini perlu dibicarakan cara pengaturan kapasitas aliran.
a. Katup (kran)
Katup pengatur aliran (kran) yang dipasang di pipa keluaran sudah akrab dengan kehidupan kita
sehari-hari. Dengan cara ini kita bisa mendapat aliran nol sampai maksimum. Hakikatnya katup
ini memberi head tahanan (resistansi) yang besar. Jadi termasuk juga dalam head dinamik
(kerugian). Secara grafis, pengaturan tersebut dapat digambarkan seperti di bawah:
63
Gambar 4.6. Pengaturan Katup
Tampak bahwa titik kerja normal atau katup terbuka penuh, terletak di T0 dengan kapasitas Q0.
Jika tertutup sebagian seperti T1, diperoleh Q1 yang lebih kecil dari Q0, demikian seterusnya
hingga tertutup penuh terjadi pada Q = 0.
Cara ini sangat sederhana tetapi ada beberapa kerugian. Pertama, pada kapasitas rendah, head
kerugian bertambah besar. Di T2 misalnya kerugian bertambah sebesar T2-U2 karena untuk
sistem tersebut seharusnya cukup dengan head sebesar U2 saja. Jadi untuk sistem tersebut, Q2
dapat dipenuhi dengan pompa yang lebih kecil dayanya seperti pompa a. Kedua, pada pompa
otomatis (dengan motor listrik) yang menggunakan saklar tekanan (pressure switch), cara
pengaturan katup di sisi keluaran ini dapat menyebabkan pompa mengalami siklus on-off yang
pada gilirannya dapat menimbulkan benturan air di dalam sistem dan pemborosan energi listrik
serta kerusakan.
b. Putaran Pompa
Kapasitas aliran pompa dapat juga diatur dengan mengatur kecepatan putar karena kapasitas
berbanding lurus dengan kecepatan putar pompa. Secara grafis, hal ini dapat digambarkan
sebagai berikut:
Gambar 4.7. Pengaturan Putaran
64
Di atas diperlihatkan pompa dengan putaran normal n0. Harga n1 lebih kecil dari n0 dan
menghasilkan kapasitas yang lebih kecil juga. Demikian seterusnya berlaku untuk n2.
Karena penurunan putaran juga berarti penurunan daya yang diperlukan, berarti tidak ada
kerugian yang berarti. Di sinilah kelebihan pengaturan putaran dibanding pengaturan katup.
c. Sudut Sudu Impeler
Pompa aksial atau campur terkadang dibuat dengan sudut sudu impeler yang dapat diubah-ubah
(variabel), seperti tampak dalam gambar di bawah. Dengan demikian, kapasitas alirannya pun
berubah-ubah pula. Namun cara ini hanya ada pada pompa tertentu saja terutama yang besar
karena memang sistemnya cukup rumit.
Gambar 4.8. Penampang Profil Sudu Impeler Aksial
Kurva head untuk sistem seperti ini tampak seperti pada gambar berikut:
Gambar 4.9. Pengaturan Sudut
Sudut 0 lebih besar dari 1 dan lebih besar dari 2, sehingga Q2 lebih kecil dari Q1 dan lebih
kecil dari Q0.
d. Jumlah Pompa
Pengaturan ini bermula dari penggunaan beberapa pompa yang sama yang disusun secara
paralel. Kapasitas maksimum dicapai jika semua pompa dijalankan. Jika ingin dikurangi,
dimatikan satu per satu. Kapasitas yang dihasilkan bersifat diskrit, tidak bisa diperoleh kapasitas
di antara titik potong dengan kurva sistem (perhatikan gambar berikut):
65
Gambar 4.10. Pengaturan dengan Jumlah Pompa Paralel.
Kita tidak bisa mengatur kapasitas yang besarnya antara Q0 dan Q1 dan seterusnya.
e. Tangki Reservoir
Pengaturan dengan tangki reservoir berarti pengalihan sistem dari sistem pompa ke sistem
reservoir, karena bisa bebas satu sama lain (independen). Dari tangki ini zat cair disalurkan
melalui sistem pipa dan pada setiap titik biasanya dipasang katup (kran). Sekarang cara ini
dipermudah dengan adanya saklar pengatur ketinggian. Jika ketinggian permukaan air di dalam
tangki sama dengan atau lebih rendah dari batas minimum, saklar menyalakan pompa (mesin),
sampai ketinggian permukaan air mencapai titik tertinggi. Setelah mencapai maksimum, saklar
mematikan pompa dan ini bertahan sampai permukaan air kembali mencapai titik minimum.
Skemanya seperti berikut:
Gambar 4.11. Tangki Reservoir.
Dengan adanya pemisahan ini, katup (kran) yang kita pakai sudah tidak bergantung pada pompa
lagi, sehingga kita dapat mengatur kapasitas aliran tanpa berpengaruh pada pompa.
66
f. Pemotongan Impeler
Jika impeler dipotong (dibubut) dengan mengurangi diameternya, maka kapasitas berkurang.
Jika kita menghendaki kapasitas yang lebih kecil secara tetap, cara ini bisa ditempuh. Akan
tetapi, jika kita menghendaki kapasitas yang berubah-ubah, cara ini harus dihindari. Jadi cara ini
sebenarnya bukan cara pengaturan kapasitas tetapi modifikasi.
g. Resirkulasi
Cara pengaturan sederhana dengan katup di pipa keluaran memiliki kelemahan karena besarnya
head kerugian yang dalam jangka waktu yang lebih lama menyita energi lebih banyak (boros).
Dalam resirkulasi ini zat cair yang tidak diperlukan dikembalikan ke tadah isap. Hal ini bisa
ditempuh dengan katup by-pass atau katup bercabang. Pada katup by-pass, jika tekanan
bertambah karena pencekikan, katup membuka dan membuang zat cair ke sisi isap. Sedangkan
pada katup bercabang, jika jalur menuju keluaran diperbesar, jalur yang ke sisi isap diperkecil
dan sebaliknya. Dengan cara seperti ini head sistem bisa hampir konstan.
4.3. Temperatur Pemompaan
Jika kapasitas makin rendah, maka energi yang digunakan untuk memindahkan zat cair makin
kecil. Karena daya pompa tetap, sisa energi akan makin besar. Energi (daya) sisa inilah
(mekanik) diubah menjadi panas. Bahkan pada kapasitas nol, semua daya mekanik diubah ke
dalam bentuk daya panas karena energi tidak ada yang musnah begitu saja. Pada kapasitas
rendah, selain banyak menghasilkan panas juga karena aliran yang membawa panas keluar juga
berkurang, peningkatan temperatur pompa menjadi makin besar. Kenaikan temperatur ini harus
dibatasi dan karenanya kapasitas minimal juga harus dibatasi.
Kenaikan temperatur sangat bergantung pada kapasitas panas, terutama kapasitas panas zat cair
yang membawa panas keluar sistem. Sedangkan kapasitas panas sangat erat hubungannya
dengan panas jenis suatu zat. Untuk itu kita tinjau panas jenis suatu zat.
4.3.1. Panas Jenis
Panas jenis suatu zat adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 kg zat
tersebut sebesar 1 oC. Atau dapat juga berarti panas yang diperlukan 1 gram suatu zat untuk
menaikkan temperatur sebesar 1 oC. Karena satuan panas (energi) adalah kalori, maka satuan
panas jenis adalah kalori/gram/oC atau kilo kalori/kg/
oC. Ambil contoh 1 gram air dengan
temperatur 20 oC. Untuk dapat naik sebesar 1
oC menjadi 21
oC diperlukan 1 kalori panas. Di
sini berarti panas jenis air adalah 1 kalori/gram/oC. Demikian juga untuk 1 kg air, maka
diperlukan 1 kkalori untuk naik 1 oC. Dari pengertian ini dapat kita simpulkan bahwa panas
yang terserap (Qp) ke dalam m gram suatu zat untuk naik sebesar t oC adalah:
tmCQp .. (4.3)
di sini C adalah panas jenis (kal/g/oC). Karena panas adalah energi, maka kalori setara dengan
Joule yakni 1kkal = 4186 Joule. Dari sini akan dikupas kenaikan temperatur pada pemompaan
air.
67
4.3.2. Kenaikan Temperatur
Dengan asumsi tidak ada panas yang terbuang ke lingkungan, maka semua kerja (usaha) sisa
(kerja input dikurangi kerja air) diubah menjadi panas yang tersimpan dalam air:
dWAdQp . (4.4)
di sini dQp adalah energi panas yang dihasilkan dan dW adalah usaha sisa sedangkan A
merupakan faktor pengubah energi mekanik ke panas. Perlu dicatat di sini bahwa usaha (kerja)
yang diubah menjadi panas adalah sisa daya pompa dikurangi daya air yaitu untuk menaikkan
air atau untuk melawan head sistem. Jadi
wp PPdt
dW (4.5)
di sini Pp adalah daya yang diberikan ke pompa dan Pw daya yang diterima air. Kemudian dalam
kasus pompa, panas yang dihasilkan terbawa aliran keluar. Jika kenaikan temperatur dibatasi,
pada temperatur tersebut harus terjadi keseimbangan yaitu panas yang dihasilkan energi
mekanik sama dengan panas yang terbawa aliran. Jadi dalam keadaan seimbang berlaku:
wp
pPPA
dt
dWA
dt
dQ. (4.6)
Dengan menggabungkan persamaan untuk kapasitas panas air dengan persamaan terakhir di atas
dan efisiensi =Pw/Pp serta m/dt diganti dengan .Q, diperoleh:
wpa PAPAtCQ1
.1.... (4.7)
di sini = 1000 kg/m3, Q dalam m
3/s, Ca = 1 kkal/kg/
oC dan t dalam
oC dan A merupakan
faktor konversi Joule ke kkal yaitu 1/4186 kkal/Joule. Jadi kapasitas aliran minimum (Qmin)
yang harus dijaga untuk kenaikan temperatur maksimum tmax yang diijinkan agar terjadi
keseimbangan adalah:
4186.
10.1
..
.1
max
3.
maxmin
t
P
Ct
PAQ w
a
w (4.8)
Jika kita ingin mengetahui kenaikan temperatur tanpa peduli dengan batas maksimum, maka
dengan memasukkan persamaan untuk daya air pada persamaan (4.7) diperoleh:
QgHAtCQ a
1.... (4.9)
atau
HC
Agt
a
.1 (4.10)
Dari definisi panas jenis air Ca = 1 kkal/kg/oC dan A = 1/4186 maka dengan g = 9,81 m/s
2
diperoleh:
68
7,426
1
4186
81,91 HHt (4.11)
Jika dibulatkan menjadi:
427
1 Ht (4.12)
4.4. Benturan Air
Benturan air (water hammer) terjadi jika aliran zat cair dalam sistem tiba-tiba terhenti seperti
terjadi ketika listrik tiba-tiba padam atau katup ditutup secara mendadak. Jika katup ditutup
cepat, aliran akan menumbuk katup dan tumbukan ini menimbulkan gelombang tekanan yang
berbalik arah. Gelombang ini akan dipantulkan lagi oleh bagian pipa yang tidak kontinu seperti
sambungan, belokan, katup dan lainnya.
Gelombang pantulan ini terus berlangsung beberapa saat secara bolak-balik sehingga dapat
menimbulkan perpaduan gelombang (fluktuasi tekanan). Jika pada suatu titik bertemu tekanan
positif dengan positif, maka akan menimbulkan tekanan yang lebih besar begitu pula jika
bertemu tekanan negatif dengan negatif, akan terjadi tekanan yang sangat negatif. Terlebih lagi
jika panjang pipa memungkinkan terjadinya resonansi, akan menimbulkan getaran yang sangat
kuat. Kedua macam perpaduan ini dapat menyebabkan kerusakan, kebocoran dan ketika terjadi
tekanan negatif dapat menimbulkan kavitasi atau mengisap udara dari luar jika ada kebocoran.
Karena itulah benturan air harus dicegah atau diatasi akibatnya. Berikut ini beberapa cara untuk
menghindari dan mengatasi dampak benturan air.
1. Tanpa Katup
Dengan dilepasnya katup di saluran dorong (keluar), tidak ada kemungkinan benturan air,
karena tidak ada sesuatu yang dapat menghentikan jalannya air di dalam saluran pipa secara
mendadak. Akan tetapi perlu dicatat di sini bahwa sistem masih memerlukan katup cegah di sisi
isap agar tidak ada arus aliran balik yang dapat mengembalikan zat cair yang dipompa dari
tadah keluar ke tadah isap, terutama pada kasus pipa keluar yang berbentuk sifon seperti pada
gambar berikut:
Gambar 4.12. Pipa Sifon
Pada pipa sifon ini, air dalam reservoir akan kembali ke sisi isap sampai permukaan air
mencapai ujung pipa di dalam reservoir.
Pada kasus setelah listrik padam, pertama terjadi sedikit fluktuasi dan impeler masih berputar
karena inersia. Sementara itu zat cair sudah terlebih dulu kembali ke arah sisi isap, ini kemudian
menyebabkan impeler berputar pada arah yang berlawanan, seperti sebuah turbin.
69
2. Tangki Peredam
Tangki peredam dimaksudkan untuk menjadi penyedia ruang (reservoir) seperti kapasitor dalam
rangkaian listrik. Jika tekanan tiba-tiba naik, zat cair masuk ke dalam tangki, sehingga kenaikan
tekanan di dalam pipa tidak akan mendadak. Jika kemudian tekanan pipa kembali normal,
tekanan tabung masih tinggi sehingga zat cair dari tabung keluar mengalir ke dalam pipa.
Demikian pula jika terjadi tekanan negatif di dalam pipa, zat cair di dalam tabung juga akan
keluar mengisi kehampaan di dalam pipa.
Pada pompa jet yang bertekanan tinggi sekarang ini umumnya menggunakan tabung peredam
bertekanan dengan menggunakan balon seperti gambar di bawah:
Gambar 4.13. Tangki Peredam.
Tekanan di dalam tabung lebih kecil dari tekanan kerja pompa sebab jika lebih tinggi zat cair
tidak dapat masuk tabung. Ketika pompa baru bekerja, tekanan masih rendah dan zat cair
langsung keluar lewat pipa keluar. Makin lama tekanan makin tinggi dan ketika melebihi
tekanan tabung zat cair mulai masuk tabung sampai pada tekanan kerja pompa. Dalam keadaan
normal ini tabung menyimpan zat cair. Jika terjadi fluktuasi tekanan, zat cair keluar masuk dari
dan ke dalam tabung. Demikian jika listrik atau pompa dimatikan mendadak, tekanan tidak akan
turun drastis karena ada tekanan yang meredam dari dalam tabung.
3. Katup Udara dan Pelepas Tekanan
Kedua katup ini dipasang pada pipa keluar dan fungsinya berlawanan. Jika tekanan tinggi, katup
pelepas tekanan terbuka sehingga cairan keluar dan tekanan kembali normal. Sebaliknya jika
tekanan rendah di bawah tekanan atmosfir, udara masuk ke dalam sistem sehingga tekanan
rendah tadi kembali normal juga. Akan tetapi sistem harus memberi kemudahan dalam
mengeluarkan udara yang terhisap, jangan sampai udara terus terperangkap di dalam sistem.
4. Memperbesar Pipa
Besarnya lonjakan tekanan ketika katup keluar ditutup akan sangat bergantung pada besarnya
kecepatan alir di dalam pipa. Kecepatan yang tinggi memiliki momentum yang tinggi sehingga
ketika aliran dihentikan secara mendadak, momentum ini menghasilkan lonjakan tekanan yang
70
besar. Oleh karena itu, memperkecil kecepatan aliran juga penting dalam mencegah benturan
air. Hal ini bisa ditempuh misalnya dengan memperbesar pipa jika dikehendaki kapasitas yang
tetap.
4.5. Surjing
Pada umumnya karakteristik pompa monoton, makin besar kapasitas aliran, makin kecil head
yang dibangkitkan. Ini berlaku dari kapasitas nol sampai maksimum. Akan tetapi pada pompa
yang tidak stabil, kurva head kapasitasnya tidak monoton. Di daerah kapasitas rendah, head naik
dan kemudian turun seperti pada gambar di bawah.
Gambar 4.14. Pompa yang Labil.
Kemudian jika pompa seperti itu diterapkan pada sistem seperti sistem 2 di dalam gambar,
memang tidak ada masalah dan sistem stabil, tetapi jika sistem memiliki karakteristik seperti
kurva sistem 1, maka akan terbentuk dua titik kerja yaitu titik a dan b. Dalam kasus seperti ini,
sistem tidak stabil terhadap gangguan. Misalnya sistem bekerja pada titik b, maka jika ada
gangguan yang menyebabkan aliran menurun, titik kerja bisa beralih ke a dan mungkin saja
mengalami osilasi, perpindahan dari a ke b secara berulang. Jika terjadi hal seperti ini, aliran
akan berubah-ubah besar-kecil layaknya orang bernafas. Bahkan ketika di a, mendapat
gangguan lagi sehingga titik kerja bergeser ke kiri, maka aliran berhenti karena di sebelah kiri
titik a, head sistem lebih tinggi, padahal seharusnya jika head makin kecil kapasitas makin
besar. Inilah yang disebut gejala surjing yang terjadi pada pompa yang tidak stabil.
Persoalan lain pada sistem demikian adalah ketika pompa mulai bekerja (start) pada sistem 1
setelah katup baru terbuka. Di sini kapasitas masih nol tetapi head sistem masih lebih tinggi dari
pompa. Pompa kesulitan menghasilkan aliran.
4.6. Pulsasi Tekanan
Pulsasi (denyut yang muncul secara teratur dan berulang membentuk gelombang tekanan) di
dalam pompa muncul akibat ada pemotongan air (cutwater) antara lidah volut dengan ujung
sudu-sudu impeler seperti tampak pada gambar di bawah:
71
Gambar 4.15. Lidah Volut (cutwater)
Frekuensi pulsasi ini tergantung pada jumlah sudu (z) pada impeler dan kecepatan putar. Sekali
putaran akan muncul sebanyak z pulsa. Jika kecepatan putar n dalam rpm, maka frekuensi pulsa
menjadi:
60
.nzf (4.13)
di sini f dalam Hertz (Hz) dan n dalam rpm.
Karena pulsa-pulsa ini tidak sekedar berupa fluktuasi tekanan yang tidak teratur, tetapi
membentuk suatu gelombang, di sinilah perlunya cara untuk meredamnya. Jika tidak diredam,
dikhawatirkan akan terjadi resonansi di dalam pipa jika panjangnya memungkinkan terjadi hal
itu. Apabila terjadi resonansi, maka akan dihasilkan gelombang pulsa yang kuat dan tentunya
dapat merusak sistem.
Untuk mencegah hal ini bisa digunakan tabung ekspansi pada pipa keluaran seperti yang
digunakan peredam suara pada knalpot. Panjang tabung ini sekitar ¼ panjang gelombang.
¼
Gambar 4.16. Tabung Peredam
4.7. Pembebanan Impeler
Ada tiga gaya yang penting yang bekerja pada impeler. Pertama gaya puntir (torsi) yang
merupakan reaksi zat cair karena ada impeler yang berputar. Jadi gaya ini berlawanan arah
dengan arah putaran. Kedua gaya radial yang muncul terutama akibat pengecilan kapasitas.
Ketiga gaya aksial karena daya tarik zat cair ke arah sisi isap.
Selain gaya puntir untuk memompa zat cair, gaya radial dan aksial harus dinetralisir
(ditawarkan), karena gaya-gaya ini dapat merusak jika hal ini berlangsung lama atau sering.
Gaya radial yang tidak seimbang misalnya dapat menyebabkan bearing (lager) cepat rusak,
gesekan mekanik makin besar, impeler cepat aus dan sumbu (poros) pompa bisa terbebani dan
patah. Demikian pula dengan gaya aksial yang tidak seimbang, akan menyebabkan bearing
72
cepat rusak serta gesekan mekanik makin besar. Berikut ini diuraikan penyebab dan cara
mengatasi kedua gaya tersebut.
4.7.1. Gaya Radial
Pada titik efisiensi terbaik, pada pompa volut yang dirancang dengan baik, gaya ini minimal
karena gaya-gaya di sekitar (sisi) impeler hampir rata. Pada titik lain yaitu dengan kapasitas
yang berbeda dengan kapasitas titik efisiensi terbaik, gaya-gaya ini tidak merata sehingga
resultan (hasil penjumlahan vektor) gaya-gaya itu sangat besar. Jika hal ini terjadi tentu dapat
membuat kerusakan. Untuk memahami bagaimana gaya ini timbul, perhatikan gambar berikut,
untuk kasus pengecilan kapasitas:
Gambar 4.17. Gaya Radial pada Impeler.
Pada kapasitas rendah karena katup diperkecil misalnya, zat cair di dalam pompa menekan
impeler. Pada bagian atas dekat lidah volut, kecepatan tinggi dan tekanan rendah sehingga gaya
radial yang mendorong impeler pun rendah tetapi di bagian bawah dekat lidah volut, kecepatan
rendah dan tekanan tinggi sehingga gayanya pun tinggi. Resultan gaya radial total ditunjukkan
dengan Fr, yakni sekitar –120o dari lidah volut. Jika kapasitas lebih besar dari kapasitas pada
titik efisiensi tertinggi, resultan gaya berlawanan arah dengan Fr [Syska dan Birk 3: 115]. Jika
gaya Fr ini terus bekerja dalam jangka panjang, akan mempercepat kerusakan bearing dan
gesekan juga lebih tinggi. Besarnya gaya Fr ini dapat ditentukan secara empirik seperti dalam
Syska dan Birk [3: 116].
Gaya radial yang timbul pada impeler ini menyebabkan bearing terbebani gaya yang lebih besar
akibat efek momen:
ba
Fr
B1
B2
Gambar 4.18. Beban pada Bearing
73
Dengan persamaan momen yang bertumpu di B2, maka:
Fra
baBbaFrBb 1.1. (4.14)
Jelas bahwa makin besar b relatif terhadap a, makin besar gaya di B1. Kemudian untuk
menentukan B2, dihitung pada titik tumpu B1:
Frb
aBaFrBb 2.2. (4.15)
Dalam kasus ini, B1 > B2 dan makin besar a terhadap b, makin kecil B1. Jadi apabila a
diperbesar, maka b makin kecil dan distribusi gaya bergeser dari B1 ke B1.
Untuk mengatasi gaya radial ini, dibuat volut ganda seperti berikut:
Gambar 4.19. Pompa dengan volut ganda.
Dengan volut ganda, tampak gaya-gaya saling meniadakan.
4.7.2. Gaya Aksial
Gaya aksial (searah sumbu) ini timbul akibat perpaduan beberapa tekanan: pertama tekanan di
belakang impeler yang cenderung mendorong impeler ke arah sisi isap. Kedua tekanan di depan
impeler bagian luar yang cenderung mendorong impeler ke belakang. Ketiga tekanan di depan
mata impeler yang rendah. Secara keseluruhan, gaya total (resultan) ini arahnya ke depan, ke
arah sisi isap seperti tampak pada gambar berikut:
Gambar 4.20. Gaya-gaya pada penampang impeler.
74
Dalam pompa kecil, gaya aksial ini hanya dilawan dengan bantalan aksial. Akan tetapi dalam
pompa yang besar cara ini kurang baik karena gesekan yang besar sehingga bearing untuk
bantalan cepat rusak. Berikut ini beberapa cara lain mengatasi gaya aksial dari Dietzel [1: 277]
dan Sularso dan Tahara [2: 87]:
a. Isapan Ganda
Dengan isapan ganda, kedua gaya aksial akan datang dari arah yang berlawanan. Karena ukuran
kedua impeler sama, gaya yang timbul dari dua arah juga sama besar, seperti tampak pada
gambar berikut:
Gambar 4.21. Isapan Ganda
b. Cincin/Lubang Pengimbang
Di sini bagian belakang impeler dipasang cincin dengan diameter sama dengan diameter muka
impeler. Cincin ini membentuk suatu ruangan dengan tekanan sama dengan sisi isap karena ada
lubang penghubung antara ruang tersebut dengan sisi isap (gambar di bawah). Celah ini jelas
merugikan karena membocorkan tekanan serta menambah turbulensi sehingga efisiensi makin
menurun.
Gambar 4.22. Cincin dan lubang pengimbang
75
c. Cakram Pengimbang
Cara ini menggunakan cakram yang dipasang pada bagian belakang impeler tingkat terakhir dan
menghadap dudukan pengimbang. Antara cakram dan dudukan ada celah. Cakram ini juga
membentuk ruang dengan penyekat. Ruang ini dihubungkan dengan bagian keluaran impeler
tingkat terakhir (gambar di bawah). Ketika jarak celah menyempit karena tarikan gaya aksial,
tekanan di dalam ruang antara cakram meningkat dan mendorong cakram ke belakang. Zat cair
membocor dan dikembalikan ke sisi isap impeler pertama. Sebaliknya jika celah sudah terlalu
besar, banyak kebocoran dan tekanan menurun sehingga celah menyempit. Jadi cakram ini
bekerja dengan mengatur tekanan menjadi konstan.
Gambar 4.23. Cakram Pengimbang
d. Torak Pengimbang
Mirip dengan sistem cakram seperti di atas, torak pengimbang dipasang di bagian belakang
impeler tingkat terakhir. Sisi kiri dihubungkan dengan keluaran impeler, dan sisi kanan
dihubungkan dengan sisi isap impeler pertama. Di sini hampir tidak ada kebocoran zat cair, jika
celah antara torak dengan silindernya rapat sempurna. Akan tetapi cara ini menyebabkan
gesekan yang terus menerus dan akan mempercepat keausan (gambar di bawah).
Gambar 4.24. Torak Pengimbang
76
e. Sudu Belakang
Sudu-sudu seperti ini dipasang di bagian belakang impeler yang membentuk kecepatan sudut
(putar) yang membangkitkan tekanan rendah yang tidak ada di bagian depan. Dengan demikian
gaya aksial ke arah sisi isap dapat dikurangi. Ukuran sudu-sudu ini dibuat sesuai kebutuhan
(gambar di bawah):
Gambar 4.25. Sudu belakang.
f. Susunan Berimbang
Jika dua impeler dipasang saling berlawanan (seperti gambar di bawah), maka gaya aksial yang
terbentuk dipastikan hampir tidak ada. Pada pompa yang berdaya besar dan atau head tinggi,
cara ini cukup ampuh karena gaya aksial akan sangat besar jika dipasang tidak berimbang. Di
sini jelas memerlukan jumlah impeler yang genap. Meskipun demikian dalam banyak kasus dan
cara, sisa gaya aksial masih saja ada karena tentu ada saja perbedaan. Di sinilah diperlukan
bantalan aksial.
Gambar 4.26. Susunan berimbang.
77
4.8. Otomatisasi
Dalam penggunaannya, pompa akan mengalami siklus: dihidupkan dan dimatikan. Kapan kedua
hal itu dilakukan tentunya sesuai kebutuhan. Dalam pengaturan manual, yang dilakukan
manusia, akan dijumpai banyak kekurangan seperti lupa menghidupkan atau mematikan yang
dalam industri, hal ini tentu tidak ditoleransi. Untuk itu bisa dilakukan secara otomatis sehingga
hal-hal yang tidak diinginkan tadi tidak terjadi. Ada dua cara yang lazim digunakan yaitu
dengan tekanan dan tinggi permukaan (level) zat cair.
a. Otomatisasi Tekanan
Data masukan dalam pengaturan ini adalah tekanan pegas dalam suatu alat yang disebut saklar
tekanan (pressure switch). Jika tekanan saluran keluar naik akibat debit aliran diperkecil atau
dihentikan, sehingga melebihi tekanan yang ditimbulkan pegas, maka saklar akan memutus
aliran listrik yang mencatu motor dan motor terhenti. Sebaliknya jika ada aliran, tekanan
menurun dan saklar kembali menghubungkan listrik pencatu sehingga motor juga hidup
kembali.
Kelemahan cara ini adalah ketika ada kebocoran atau pada aliran kecil. Dalam kedua kasus ini,
ketika motor mati, tekanan akan secara lambat menurun dan menghidupkan motor, tetapi juga
sebaliknya ketika motor hidup akan terjadi kenaikan tekanan secara lambat dan akan mematikan
motor. Jadi di sini akan terjadi frekuensi siklus on-off yang lebih tinggi. Ini berarti konsumsi
listrik lebih boros dan sistem bisa lebih cepat rusak padahal kebocoran sekecil apa pun harus
dihindari di sini. Kedua, karena tekanan yang digunakan untuk pengaturan, sistem akan selalu
bertekanan tinggi terutama ketika dalam kondisi mati (off), sehingga rentan terjadi kebocoran
dan katup-katup harus dipilih yang lebih tahan pada tekanan tinggi.
b. Otomatisasi Level
Dalam pengaturan aliran dengan tangki reservoir telah disinggung penggunaan level untuk
mengatur pompa hidup atau mati. Perlu ditambahkan di sini bahwa saklar untuk itu bisa
digunakan dua arah yaitu dengan logika pengaturan yang berkebalikan: jika permukaan tinggi,
pompa jalan dan jika permukaan rendah, pompa berhenti. Ini digunakan pada pompa untuk
drainase, menguras air. Dalam hal ini saklar dan pelampungnya dipasang pada tadah isap.
Cara ini dapat menghilangkan beberapa kerugian dalam cara pertama di atas.
78
5. Perencanaan dan Instalasi
Dalam bab ini akan disajikan hal-hal yang penting diketahui sebelum kita memasang pompa dan
sistemnya pada suatu instalasi pompa. Untuk itu bab ini diawali klasifikasi pompa agar kita
dapat memilih pompa yang tepat, kemudian dari segi performansi juga disajikan spesifikasi
pompa. Berikutnya diulas perencanaan sistem (pemipaan) agar diperoleh sistem yang lebih
efisien dan hemat biaya serta faktor keamanan, keselamatan dan lingkungan.
5.1. Klasifikasi Pompa
Ada berbagai jenis pompa yang dirancang untuk berbagai kebutuhan. Di sini akan disajikan
beberapa jenis pompa berdasarkan kelasnya untuk menjadi pertimbangan instalasi.
a. Jenis Impeler (Aliran)
Seperti telah dikupas dalam bab kedua, impeler pompa sentrifugal terbagi dalam impeler radial
yang menghasilkan aliran tegak lurus sumbu (poros), impeler campuran (diagonal) yang
menghasilkan aliran campuran dan impeler aksial yang menghasilkan aliran sejajar sumbu
(poros). Pompa radial digunakan untuk kebutuhan head yang tinggi dan pompa aksial digunakan
untuk kebutuhan kapasitas yang tinggi.
b. Bentuk Rumah Pompa
Berdasarkan bentuk rumah, pompa terbagi dalam pompa volut yang berbentuk seperti rumah
keong dan pompa difuser. Dalam pompa volut, kecepatan fluida menurun tetapi tekanan
meningkat ke arah keluar pompa. Pada pompa difuser, sudu-sudu difuser dipasang di depan
impeler sehingga aliran di titik tersebut laminar. Dengan demikian difuser ini dapat
meningkatkan efisiensi pompa dan menambah kokoh.
c. Jumlah Tingkat
Dari segi jumlah tingkat, pompa terbagi dalam pompa bertingkat satu dan bertingkat banyak
(multistage). Jumlah tingkat adalah jumlah impeler (pasangan impeler) yang bersusun seri. Jadi
jumlah impeler tidak menunjukkan jumlah tingkat, karena jumlah tingkat ditentukan dengan
jumlah aliran keluar yang masuk pada impeler berikutnya (hubungan seri). Sebagai contoh,
empat impeler dapat membentuk pompa empat tingkat atau dua tingkat secara paralel bahkan
bisa juga menjadi satu tingkat meskipun empat impeler (paralel empat).
d. Letak Poros
Menurut letak poros ada pompa dengan poros tegak dan ada pula yang berporos mendatar.
Pertimbangan untuk memilih di antara jenis ini adalah pertama ukuran (dimensi) pompa
79
umumnya memanjang sesuai poros. Jadi pompa berporos tegak lebih tinggi dari pompa
berporos mendatar dan sebaliknya pompa berporos mendatar lebih luas (lebar) dari pada pompa
berporos tegak.
Konstruksi pompa berporos tegak ini relatif lebih rumit sehingga tidak mudah untuk dibongkar
pasang. Jadi kalau sekiranya pompa akan lebih sering dibongkar, pompa berporos mendatar
tentunya lebih baik. Kelebihan pompa tegak adalah bahwa sumbu poros akan searah aliran di
sisi isap. Pompa bisa langsung dipasang di atas tadah isap, tanpa memerlukan belokan.
e. Belahan Rumah Pompa
Pada umumnya, belahan rumah pompa memotong sumbu atau disebut belahan tegak (vertikal).
Akan tetapi dalam beberapa penerapan, sering diperlukan pompa yang mudah untuk dibongkar
pasang, sehingga pompa harus dibuat sedemikian agar memenuhi hal itu, seperti pompa dengan
belahan mendatar. Bagian atas hanya merupakan tutup, mulut isap dan keluar serta impeler ada
di belahan bagian bawah. Akan tetapi konstruksi pompa demikian lebih rumit karena belahan
meliputi bagian yang lebih luas. Karenanya, penanganan untuk mencegah kebocoran menjadi
makin repot. Oleh karena itu, di pasaran lebih banyak dijumpai pompa belahan tegak. Dengan
demikian belahan hanya mencakup bagian kecil dan pencegahan kebocoran relatif lebih mudah.
f. Jenis Isapan
Seperti pernah diulas di muka bahwa pompa isapan tunggal akan membangkitkan gaya aksial ke
arah sisi isap, maka dibuat pompa dengan isapan ganda, yaitu impeler dibuat dua muka, depan
dan belakang. Karena memiliki dua sisi isap, maka pompa jenis ini memiliki kapasitas dua kali
lebih besar.
Karena untuk mendapatkan kapasitas yang sama dengan pompa isapan tunggal bisa dicapai
dengan kecepatan yang lebih rendah dalam pompa, pompa isapan ganda memerlukan NPSH
yang lebih kecil dari pada pompa isapan tunggal. Oleh karena itu dalam kasus kavitasi, pompa
ini lebih menguntungkan.
g. Lain-Lain (Pompa Khusus)
Beberapa pompa berikut ini merupakan pompa yang dirancang khusus untuk berbagai keperluan
yang berbeda seperti pompa benam (submersible), pompa jet (jet pump) dan pompa bebas
sumbatan untuk memompa zat cair yang bercampur padat seperti lumpur, adukan atau pasir.
Pompa Benam (Submersible)
Pompa benam dibuat untuk mengatasi masalah NPSH dan performansi terutama untuk sumur
dalam. Pompa air misalnya tidak bisa digunakan pada head isap yang lebih besar dari 9 meter,
karena akan terjadi kavitasi bahkan tidak akan ada aliran sama sekali meskipun daya pompa
diperbesar. Akan tetapi, dengan dibenamkan di (dekat) dasar sumur, head isap bahkan
mendorong pompa karena permukaan zat cair lebih tinggi dari pompa (flooded suction) dan
tidak perlu ada pemancingan. Di sinilah keuntungan pompa benam yang dapat menghilangkan
masalah NPSH dan pompa hanya mendorong zat cair.
Pompa benam memerlukan rancangan khusus karena di sini diperlukan kehandalan yang lebih
tinggi. Jika kurang handal, pompa akan sering bermasalah dan harus banyak perbaikan padahal
80
pompa ini ditanam di dalam sumur yang dalam sehingga pengangkatan pompa akan sangat
merepotkan. Selain itu, pompa demikian harus terbuat dari bahan yang tahan karat, tahan bocor
dan kekuatan yang memadai. Akibatnya adalah harga pompa menjadi sangat mahal. Jadi pompa
benam harus bebas pemeliharaan yang berarti dapat bekerja normal tanpa masalah seumur hidup
pompa.
Pompa Jet (Jet pump)
Pompa jet (pancaran fluida) dapat memberikan solusi untuk menghindari pembenaman pompa.
Pompa ini menggunakan prinsip Bernoulli seperti halnya semprotan obat nyamuk cair. Pompa
ini memerlukan nosel yang dapat memancarkan zat cair dengan kecepatan tinggi. Jika head
kecepatan tinggi, maka head tekanan menjadi rendah. Tekanan rendah ini dapat mengisap zat
cair yang ada di luarnya yang dihubungkan dengan saluran masukan. Di sini diperlukan
resirkulasi zat cair dari pompa seperti pompa sentrifugal untuk membangkitkan jet yang
menimbulkan tekanan yang rendah di sekitar throat (tenggorokan). Throat terletak di atas nosel
yang dibenamkan di bawah permukaan zat cair. Pompa untuk pompa jet tidak berbeda dengan
pompa biasa, kecuali diberi saluran keluar tambahan untuk resirkulasi serta dilengkapi dengan
pompa jet yang terdiri dari throat, nosel dan difuser. Di bawah ini digambarkan skema pompa
jet:
Gambar 5.1. Pompa Jet.
Katup pengatur di sini digunakan untuk mengatur tekanan keluar di dalam pompa. Jika katup
terbuka penuh, tekanan keluar di dalam pompa menjadi rendah. Tekanan keluar ini harus cukup
tinggi agar bisa terjadi resirkulasi yang cukup dan pada gilirannya menimbulkan tekanan yang
cukup rendah untuk dapat mengisap zat cair. Namun apabila terlalu tinggi, debit zat cair lebih
tinggi dan tekanan menjadi terlalu tinggi sehingga dapat membebani impeler dan sering
mematikan saklar tekanan (pressure switch) dan pompa lebih sering mengalami siklus on-off.
Untuk mengurangi frekuensi siklus ini dapat ditambahkan akumulator (tabung bertekanan) yang
dipasang di pipa keluaran di dekat pompa, sebelum katup pengatur tekanan.
81
Tekanan udara di dalam akumulator tidak perlu terlalu tinggi, yang penting cukup untuk
mengeluarkan air di dalam balon di dalam akumulator. Jika tekanan ini terlalu tinggi, zat cair
akan telat masuk ke dalam akumulator karena sebelum tekanan pompa melebihi tekanan udara
dalam akumulator, zat cair belum dapat masuk. Lagi pula semakin tinggi tekanan, semakin kecil
kapasitas akumulator dan tingkat redaman pun akan makin rendah.
Perlengkapan lain yang juga penting adalah katup cegah yang dipasang di bawah perangkat
pompa jet agar zat cair tidak turun ke sumur (tadah isap). Jika tidak dipasang, pompa akan sulit
dipancing dan dijalankan. Jika katup ini bocor, setiap kali hendak dijalankan, harus dipancing
terlebih dahulu.
Pompa bebas Sumbatan (Anti Clog)
Dalam beberapa kasus, kita jumpai zat yang hendak dipompa mengandung kotoran atau butiran
yang cukup besar. Dalam hal ini diperlukan pompa dengan rancangan khusus. Impeler harus
dibuat lebih sederhana, hanya terdiri dari satu sampai tiga sudu saja serta dibuat sedemikian
rupa sehingga tidak ada celah sempit yang dapat membuat kotoran atau butiran macet. Contoh
konstruksi impeler sedemikian tampak seperti gambar di bawah:
Gambar 5.2. Impeler Bebas Sumbatan.
Sekarang ini pompa bebas sumbatan diwujudkan dengan motor yang secara otomatis berhenti
dan kemudian berputar ke arah berlawanan jika terjadi kemacetan akibat sumbatan. Cara kerja
pompa seperti ini tampak seperti pada gambar berikut:
Gambar 5.3. Pompa Bebas Sumbatan.
Dari gambar di atas jelas bahwa jika terjadi kemacetan, pompa berhenti dan kemudian berputar
ke arah yang berlawanan. Setelah bebas dari kemacetan, pompa berputar ke arah yang normal.
Pompa Bertingkat Banyak
Karena adanya gaya sentrifugal pada impeler, head maksimum untuk satu impeler dibatasi 100
meter . Peningkatan dengan menambah kecepatan putar akan berdampak pada kerusakan
material impeler. Jika dikehendaki head yang lebih dari 100 m, maka harus dilakukan secara
bertingkat yaitu hubungan seri beberapa impeler. Head total dari pompa bertingkat adalah
jumlah (kelipatan) dari head masing-masing tingkat (stage):
staget HiH . (5.1)
82
Untuk sekaligus menghilangkan gaya aksial, maka impeler yang digunakan harus yang sama
dan sebangun dengan jumlah genap dan arah saling berlawanan suatu kelompok impeler
terhadap impeler yang lain. Dengan demikian, gaya aksial yang ditimbulkan akan saling
meniadakan.
Penentuan head total pada pompa bertingkat banyak tentunya harus mempertimbangkan jenis
impeler. Dari persamaan kecepatan jenis kita dapat menentukan head tiap stage kemudian dari
sini dapat ditentukan head total. Dalam kasus lain, jika impeler ditentukan terlebih dahulu, maka
pertama kita menentukan head dari tiap tingkat dengan impeler yang digunakan, kemudian dari
head total yang dibutuhkan kita tentukan jumlah tingkatnya.
Contoh Soal 5.8.
Kita diminta untuk menentukan jumlah tingkat suatu pompa. Head yang dibutuhkan setinggi 28
meter, kapasitas 36 meter kubik per jam. Pompa ini harus menggunakan impeler dengan putaran
jenis sekitar 20 dengan satuan SI (m, rpm, m3/s) dengan kecepatan putar 1500 rpm.
Jawab:
Kapasitas yang diperlukan adalah Q = 36 m3/jam = 36/3600 m
3/s = 0,01 m
3/s. Dari sini
diperoleh head:
metern
QnH
s
5,720
1,01500
20
01,01500
5,0
43 2
1
Head tiap tingkat diperoleh sebesar H = (7,5) 4/3
= 14,6 meter.
Dengan demikian jumlah tingkat yang diperlukan adalah 28/14,6 = 2.
5.2. Spesifikasi dan Pemilihan Pompa
Pemilihan dan penentuan spesifikasi pompa biasanya berorientasi pada beberapa hal seperti:
kebutuhan kapasitas, head, efisiensi, kondisi lingkungan, kondisi cairan yang akan dipompa,
mobilitas, tekanan keluaran yang dibutuhkan, dan lainnya. Kecuali dalam penerapan khusus,
pengguna biasanya tidak dipusingkan dengan hal-hal rinci dan rumit seperti ini. Cukup datang
ke toko atau meminta saran pabrik/agen untuk memberikan pompa yang tepat untuk keperluan
yang diberikan pengguna.
Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam pemilihan dan penentuan spesifikasi pompa
adalah:
Tabel 5.1. Faktor Pemilihan Pompa.
Faktor Kebutuhan Spesifikasi/Fitur yang dilihat
Kapasitas, besar atau kecil Jenis Impeler, Ukuran/Daya
Head, tinggi atau rendah Jenis Impeler, Ukuran/Daya
Tekanan keluaran, tinggi atau rendah Jenis Impeler, Jumlah tingkat, Ukuran/Daya
Efisiensi, tinggi Titik kerja sistem, serta faktor di atas
Kekentalan, kental atau encer Modifikasi titik kerja, kemudian lihat spesifikasi
83
Faktor Kebutuhan Spesifikasi/Fitur yang dilihat
di atas
Sifat kimia zat cair, korosif atau lainnya Bahan impeler dan rumah pompa
Temperatur zat cair, tinggi atau rendah Bahan impeler dan rumah pompa
Kandungan padat/larutan/koagulasi/abrasif Jenis impeler, jenis pompa
Faktor lingkungan: getaran, kebisingan,
temperatur, kelembaban
Jenis motor, dudukan
Pemeliharaan yang mudah dan murah Lihat klasifikasi pompa
Biasanya sulit untuk dapat memenuhi semua kriteria tersebut sehingga harus ada yang
dikorbankan. Di sinilah kita perlu melakukan trade-off, kalau yang satu diutamakan, maka yang
lain harus dikorbankan. Tentu saja semua hal di atas sudah kita bicarakan dalam beberapa bab di
muka.
5.3. Optimalisasi Sistem
Sebaiknya sistem yang kita buat memiliki kerugian yang minimal. Namun apabila hal itu sulit
dicapai kita mencari cara atau kondisi sistem yang optimal. Sebagai contoh, penggunaan pipa
dengan diameter besar akan mengurangi head kerugian karena kecepatan aliran menjadi kecil.
Akan tetapi tidak mungkin kita pasang pipa dengan diameter yang sangat besar karena ada
keterbatasan tempat dan biaya. Berikut ini ada beberapa hal yang dapat memperkecil penurunan
efisiensi sistem (memperkecil kerugian).
5.3.1. Pengaruh Udara
Udara yang masuk sistem (masuk angin) dapat mengurangi unjuk kerja sistem secara drastis.
Hal ini terjadi jika pemipaan pada sisi isap kurang baik. Sisi isap merupakan sisi yang
bertekanan sangat rendah sehingga jika ada sambungan yang tidak sempurna atau sedikit saja
kebocoran, udara akan masuk dan akan sangat mengurangi kerendahan tekanan di sisi isap. Dari
sinilah maka pompa tidak lagi dapat memompa cairan sesuai dengan kapasitas yang seharusnya.
Dengan kata lain, unjuk kerja (performansi) pompa akan turun drastis. Oleh karena itu, harus
diambil tindakan pencegahan terhadap udara yang bisa masuk ke dalam sistem:
1. Pemipaan dalam sisi isap harus benar-benar sempurna. Lebih baik menggunakan pipa yang
berkualitas tinggi untuk sisi isap ini agar tidak mudah bermasalah, meskipun tentu harganya
lebih tinggi pula.
2. Sambungan pipa harus diperhatikan karena lebih banyak terjadi kebocoran di sini. Ini akan
dibicarakan lebih lanjut dalam pasal berikut.
5.3.2. Efisiensi Pemipaan dan Tadah Isap
Pemipaan memegang peranan penting dalam memperoleh sistem yang optimal, dan ini akan
dibicarakan lebih mendalam pada pasal tentang instalasi pompa di belakang nanti.
84
Efisiensi tadah isap dan tadah keluar juga harus diperhatikan agar diperoleh sistem yang lebih
baik. Ini juga akan dibicarakan pada pasal tentang instalasi pompa berikut.
5.3.3. Prinsip Efisiensi Pada Pompa
Memilih pompa yang benar, yang sesuai dengan kebutuhan. Jika pompa yang digunakan
terlalu besar, efisiensi makin rendah.
Mengendalikan debit aliran dengan variasi kecepatan.
Jika kebutuhan sangat beragam dan perbedaannya cukup besar, gunakan pompa dalam
susunan paralel untuk memenuhi kebutuhan tadi.
Membuang kran untuk pengendali aliran karena cara ini tidak efisien.
Membuang pengendalian by-pass (resirkulasi) yakni sebagian aliran dikembalikan ke
sumbernya, karena cara ini membuang energi.
Pengendalian dengan saklar on/off bisa digunakan.
Memperbaiki keseimbangan impeler karena dapat lebih cepat merusak bearing.
5.4. Instalasi Sistem
Sebelum memasang atau melakukan instalasi pompa, ada beberapa hal yang harus diperhatikan
agar instalasi yang ada tidak mudah rusak, mencapai efisiensi tinggi dan mudah dalam
pemeliharaan.
5.4.1. Kondisi kerja:
Pompa harus beroperasi pada kondisi lingkungan kerja yang baik, sedemikian rupa sehingga
panas yang dihasilkan bisa dibuang keluar. Temperatur yang dihasilkan pompa akan bertambah
jika panas ini sulit dibebaskan ke udara sekitarnya. Jika hal ini terjadi maka pompa akan mudah
terbakar pada beban kerja yang lebih berat atau dioperasikan dalam jangka waktu yang lebih
lama. Oleh karena itu harus dipikirkan agar panas yang dihasilkan dapat mudah dibebaskan,
selain juga kita harus mencegah panas masuk atau bertambah dari sumber lain seperti kena sinar
matahari langsung atau berdekatan dengan sumber panas lain seperti kompor dan lainnya.
Selain temperatur (panas), kelembaban juga harus diperhatikan karena udara yang sangat
lembab akan menyebabkan komponen pompa mudah berkarat, terutama bearing (lager) yang
merupakan komponen yang paling menderita beban dan berotasi. Pelumasan dalam bearing bisa
berkurang karena umur penggunaan dan karena panas. Akibatnya gesekan bertambah dan
akhirnya keausan juga bertambah. Jika hal ini diperkuat dengan kelembaban yang tinggi, maka
bearing akan lebih cepat berkarat dan rusak. Jika bearing sudah jelek, maka rotor tidak berputar
secara statis pada sumbunya, tetapi bergetar dan menimbulkan suara yang bising. Kalau kondisi
ini terus dibiarkan, bearing bisa macet dan motor bisa terbakar. Oleh karena itulah maka di sini
diperlukan ventilasi yang cukup agar kelembaban berkurang.
5.4.2. Pemeriksaan Sumur
Kedalaman permukaan air sumur harus dapat kita tentukan berkaitan dengan NPSH. Sumur
yang terus dipompa dengan kapasitas yang lebih besar dari debit air sumur, akan mengalami
penurunan permukaan dan bahkan akan habis. Dalam hal inilah permukaan air mencapai titik
terendah. Di titik ini, NPSH yang tersedia mencapai titik terendah juga. Pada titik inilah
85
seharusnya perhitungan NPSH dilakukan, agar tidak terjadi resiko kavitasi. Jika pada titik ini
aman, tidak terjadi kavitasi, maka apalagi pada titik yang lain. Dari sinilah maka kita perlu
menentukan muka air terendah.
Penentuan titik ini dapat dilakukan dengan cara pemompaan terus-menerus. Jika kapasitas
pompa tidak terlalu besar, maka pada titik tertentu akan terjadi keseimbangan, yaitu kapasitas
pompa sama dengan debit air masuk. Hal ini terjadi karena makin dalam permukaan air, makin
kecil kapasitas pompa sedangkan debit air sumur bahkan cenderung meningkat.
5.4.3. Tadah Isap
Yang harus diperhatikan dalam perencanaan tadah isap adalah bahwa tadah isap beserta ujung
pipa isap harus dibuat sedemikian agar tidak mudah udara masuk ke dalam sistem (masuk
angin) karena apabila hal ini terjadi, performansi sistem akan turun drastis, efisiensi rendah,
kapasitas turun, berisik, getaran lebih besar yang pada gilirannya bisa lebih mempercepat
kerusakan bearing dan sumbu (shaft). Selain itu, udara yang terus menerus masuk sistem dapat
mempercepat korosi di dalam sistem. Yang kedua, selain harus mencegah masuk angin adalah
mencegah terjadinya turbulensi sebelum masuk pipa isap apalagi di titik sebelum impeler.
Turbulensi dapat menurunkan efisiensi karena gesekan dalam sistem makin besar dan dapat
mempercepat keausan sistem. Jika ini masih terjadi pada impeler, akibat seperti tersebut tadi
akan makin parah.
Ada beberapa hal yang harus dipertimbangkan untuk mencegah terjadinya masuk angin dan
turbulensi. Pertama, kedalaman ujung pipa isap harus cukup sedemikian agar tidak terjadi
pusaran (vortex) yang tentu saja juga turbulensi lebih besar dan pusaran ini dapat menyebabkan
udara terperangkap dan terisap ke dalam sistem. Selain kedalaman yang cukup, luas permukaan
tadah isap juga harus cukup besar. Jika pompa digunakan untuk memompa cairan dalam bak
penampung, maka pipa isap pompa tidak boleh berdekatan dengan pipa keluaran yang masuk
tadah isap. Untuk itu perhatikan gambar berikut:
Gambar 5.4. Tadah Isap, pipa isap dan pipa pencatu.
Jarak A sebaiknya tidak terlalu dekat sebab gelembung udara akibat jatuhnya air dapat terisap
masuk ke dalam sistem. Dalam kasus di mana kedekatan ini tidak bisa dihindari, maka gunakan
baffle yakni suatu bidang yang berlubang-lubang sehingga gelembung udara akan pecah di sini
jika terisap oleh pipa isap. Dengan demikian udara tidak akan terbawa masuk sistem.
Demikian pula dengan kedalaman penenggelaman ujung pipa isap B. Jika B tidak cukup dalam,
maka akan terjadi pusaran (vortex) yang apabila hal ini terlalu kuat, bisa mengisap udara di
atasnya, seperti tampak pada gambar di bawah:
86
Gambar 5.5. Pusaran.
Gambar di atas merupakan penampang pusaran air jika ujung pipa isap pompa terlalu dangkal.
Jika ujung pipa isap terlalu dekat dengan permukaan, maka terjadi pusaran yang bergantung
pada kekuatannya. Pada gambar A misalnya, pusaran paling lemah dan dangkal sedangkan pada
F, pusaran paling kuat dan dalam. Pada kasus A, diameter pusaran cukup besar dan dangkal
sedangkan di C sampai F, diameter kecil dan dalam. Namun demikian, jika suatu saat
permukaan terus menurun, pusaran akan makin kuat seperti pada B, kemudian C. Di sini masih
aman karena tidak ada udara yang masuk. Pada kasus D, jika ada kotoran atau sampah di
permukaan, akan terisap namun udara masih belum masuk. Pada kasus E udara masuk sedikit
tetapi ini sudah cukup menurunkan performansi pompa secara tajam. Pada kasus terakhir, F,
udara masuk secara penuh. Meskipun kasus A sampai C masih aman, tetapi beresiko terjadi
kasus yang lebih parah jika ada gangguan yang menyebabkan permukaan turun seperti ada
gelombang akibat angin atau hal lain (misalnya pada penggunaan pompa di sungai atau laut).
Kemudian berapakah kedalaman minimal ujung pipa isap tersebut? Hydraulic Institute [17,13]
menguji dan mencari hubungan antara kedalaman dengan diameter ujung pipa isap dan
kapasitas aliran sebagai berikut:
5,1
574,0
D
QDS (5.2)
di sini S = kedalaman (submergence) dalam inci.
D = diameter ujung pipa isap dalam inci.
Q = kapasitas aliran dalam US GPM.
Sedangkan jarak bebas atau kelonggaran (clearance) antara ujung pipa isap dengan dasar tadah
isap (sumur) C adalah:
DDC 5,0~3,0 (5.3)
Dalam Sularso dan Tahara [2] disajikan hubungan antara kedalaman S dan diameter pipa isap d
serta kelonggaran antara ujung pipa isap dengan dasar sumur (tadah isap) C yaitu:
dC
dS
5,1~8,0
9,1 (5.4)
87
Perancangan Tadah Isap
Perancangan tadah isap pada dasarnya dilakukan untuk memperoleh sistem yang efisien dengan
menghindari pusaran, turbulensi serta keluasan pada ujung pipa isap. Hal ini harus lebih
diperhatikan terutama terhadap sistem dengan lebih dari satu pompa. Dalam sistem demikian,
aliran harus terdistribusi dengan merata. Jika tidak, akan terjadi pusaran yang pada gilirannya
dapat berpotensi terjadinya masuk angin. Di bawah ini disajikan beberapa contoh pemasangan
beberapa pipa isap yang dianjurkan dan yang jelek (Goulds Pumps [12] dan Sularso dan Tahara
[2]):
Gambar 5.6. Konfigurasi Tadah Isap.
Lingkaran-lingkaran dalam gambar di atas merupakan penampang pipa isap. Bentuk-bentuk
persegi yang melingkupi lingkaran-lingkaran tadi merupakan bentuk tadah isap, dan aliran V
merupakan aliran masuk ke tadah isap. Konfigurasi di kolom kiri merupakan konfigurasi yang
dianjurkan sedangkan yang di sebelah kanan merupakan konfigurasi yang tidak baik yang harus
dihindari. Harga-harga yang tercantum di atas merupakan harga empiris hasil suatu percobaan.
Oleh karena itu harga dari suatu sumber berbeda satu sama lain. Goulds Pump memberi jarak
(titik tengah) pipa ke dinding, B, minimal 0,75D sedangkan Sularso dan Tahara 1,5D. Demikian
juga jarak antara titik tengah pipa, W, Goulds Pump menentukan minimal 2D, sedangkan
Sularso dan Tahara minimal 3D. Jika dikehendaki bentuk corong (kedua di kolom kiri), Goulds
Pumps mendefinisikan sudut maksimum sebesar 15o.
88
5.4.4. Instalasi Pipa
Yang paling penting diperhatikan dalam perencanaan pipa adalah pemilihan diameter dan
kekuatan pipa yang optimal. Pipa yang terlalu besar dan kuat memang dikehendaki tetapi dalam
kasus tertentu tidak ekonomis, terlalu mahal. Demikian sebaliknya, pipa yang terlalu kecil akan
sangat besar gesekannya, akibatnya menyumbang head yang lebih besar. Begitu pula pipa yang
kurang kuat, bisa sering dijumpai masalah dalam penggunaannya. Di sini akan disajikan faktor-
faktor pemipaan yang berkaitan dengan beberapa pencegahan permasalahan yang lazim muncul
di lapangan.
Pemilihan Bahan
Pemasangan (instalasi) jalur pipa (pipeline) yang panjang dan besar perlu penanganan yang
serius terutama dalam pemilihan bahan. Biasanya bahan dikualifikasi berdasarkan kekuatan,
daktilitas, kekerasan (toughness) dan ketahanan terhadap karat (corrosion resistance).
Kekuatan ditentukan oleh modulus elastisitas, titik serah (kalah, yield strength) dan daya
rentang (ultimate tensile strength). Modulus elastisitas adalah rasio stress terhadap strain pada
keadaan normal (elastis). Jika beban melampaui titik elastis, pipa mulai deformasi, tidak elastis
atau dikenal sebagai kondisi plastis. Titik mulai plastis ini disebut titik serah (yield strength).
Titik di mana pipa tidak mampu menangani beban disebut titik/daya rentang akhir. Ketahanan
terhadap deformasi disebut kekerasan bahan. Sedangkan daktilitas biasanya ditentukan dengan
perpanjangan (elongation) dibanding panjang asal, atau berkurangnya penampang pipa dalam
keadaan terbebani. Secara rinci, hal ini bisa dilihat dalam literatur-literatur khusus.
Pencegahan Kebocoran/Kerusakan
Langkah awal untuk mencegah kebocoran adalah memilih pipa yang berkualitas minimal
kualitas standar. Pipa berkualitas standar setidaknya tidak ada kebocoran dan perbedaan ukuran
yang signifikan yang mengurangi kualitas sambungan. Pipa dengan kualitas di bawah standar
akan beresiko mendatangkan banyak masalah di kemudian hari. Langkah kedua adalah dengan
peningkatan kualitas sambungan. Jika pipa sudah terlanjur terpasang dan ternyata ada
kebocoran, maka perbaikan akan memakan lebih banyak biaya. Oleh karena itu, di sini
diperlukan kecermatan.
Penyambungan pada pipa baja skala kecil biasanya dengan menggunakan soket drat yang
sebelumnya dilapisi pita perapat (seal tape). Sedangkan pada sambungan skala besar biasanya
menggunakan flens.
Sekarang sudah lazim digunakan pipa PVC untuk kebutuhan rumah tangga dan memberi
keunggulan karena cukup kuat dan tidak berkarat sehingga air minum tidak berbau. Pipa ini
biasa disambung dengan lem PVC. Sebaiknya sebelum diberi lem, bagian yang akan dilem
harus sedikit kena goresan misalnya dengan kertas hampelas agar lebih kuat. Kadang pipa PVC
ini dipasang soket drat agar bisa disambung seperti pipa baja. Pada instalasi pompa rumah
tangga yang menggunakan pipa PVC, pita perapat yang telah terpasang, juga diberi lem PVC
agar terhindar dari kebocoran. Gabungan pita perapat yang terbuat dari bahan PVC dan lem
PVC akan menghasilkan sambungan yang cukup rapat tetapi juga masih bisa dibongkar jika
diperlukan dalam perbaikan.
89
Untuk meningkatkan kualitas sambungan dan mudah dalam pembongkaran (untuk perbaikan),
gunakan sambungan flens atau flens dengan mur. Sekarang ini dalam instalasi kecil, banyak
digunakan fitting jenis flat face atau flens dengan mur seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 5.7. Fitting pipa jenis flat face (flens dengan mur)
Di sini diperlukan karet seal (o ring) untuk merapatkan pertemuan dua pipa yang kemudian
disatukan dan dikuatkan oleh mur tadi. Oleh karena itu sambungan mur atau nut dengan ulir ini
tidak boleh diberi pita perapat.
Langkah awal untuk mencegah kerusakan adalah memperhitungkan besarnya tekanan dan aliran
dalam pipa. Akan tetapi, untuk skala kecil seperti rumah tangga, pipa PVC sudah cukup baik.
Artinya kita tidak harus menghitung berapa besar aliran dan tekanan karena ukuran pipa sudah
disesuaikan dengan pompa.
Kedua kita harus menetralisir gaya-gaya dalam pipa dengan sambungan muai atau penumpu
pada belokan pipa. Sambungan muai diperlukan karena tekanan hidrostatik dalam pipa dapat
menyebabkan pipa memanjang (muai ke arah panjang). Sambungan muai atau fleksibel ini
dibuat sedemikian agar dapat mengakomodasi perubahan panjang pipa. Sambungan ini juga
dapat meredam getaran. Pada pemipaan sederhana yang pendek-pendek karena banyak belokan,
biasanya faktor ini bisa diabaikan.
Gaya-gaya dalam pipa muncul karena adanya tekanan hidrostatik dan adanya belokan. Tekanan
hidrostatik dikali luas penampang pipa merupakan gaya yang bekerja pada panjang pipa.
Sedangkan pada belokan, gaya muncul akibat perubahan kecepatan seperti tampak di bawah:
Gambar 5.8. Gaya pada belokan
Gaya Fr harus diberikan pipa sebagai reaksi gaya air berkecepatan V. Gaya ini dapat ditentukan
dengan melihat gambar vektor kecepatan di sebelah kanan sebagai berikut. Karena V1 dan V2
sama besar dengan arah berbeda θ derajat, maka:
90
rVVV 12 (5.5)
Garis pembagi segitiga vektor kecepatan di atas membagi sudut θ sama besar. Panjang Vr
merupakan dua kali V (=V1=V2) sinus setengah θ. Jadi:
2sin.2VVr (5.6)
Gaya sebanding dengan massa M dan percepatan. Dalam kasus ini percepatannya adalah
perubahan V1 ke V2 (Vr) per satuan waktu atau:
2sin..2.. VQVrQVr
t
M
t
VrMFr (5.7)
di sini ρ adalah massa jenis, massa per satuan volume dan kapasitas Q volume per satuan waktu.
Penumpu digunakan untuk menetralkan gaya tersebut untuk mencegah kerusakan pipa.
Pengaturan Aliran
Dalam pengaturan besarnya aliran, yang penting adalah agar tidak terjadi turbulensi di dalam
pipa terutama di daerah dekat pompa. Turbulensi di dalam pipa dapat memperbesar kerugian
gesek serta mempercepat keausan pipa. Pipa akan menjadi cepat tipis demikian pula turbulensi
di dekat pompa, akan menyebabkan keausan dan peningkatan head di dalam pompa. Beberapa
literatur memberi patokan yang hampir sama. Dalam Sularso danTahara kecepatan aliran di
dalam pipa diambil antara 1 sampai 2 m/s untuk pipa berdiameter kecil dan 1,5 sampai 3,0 m/s
untuk pipa berdiameter besar dan batas maksimum kecepatan tidak boleh melebihi 6 m/s.
Fluidedesign menyarankan kecepatan dalam pipa sebesar 5,5 ft/s = 1,7 m/s.
Jika aliran masih terlalu besar, gunakan pipa yang lebih besar agar kecepatan berkurang.
Pencegahan Kantong Udara
Di seluruh sistem, kita harus memperhatikan agar tidak akan terbentuk kantong udara. Kantong
udara terbentuk dalam pemipaan yang melengkung (cembung) dilihat dari atas, seperti gambar
di bawah:
Gambar 5.9. Kantong Udara
Hindari pemipaan seperti di atas. Usahakan pipa isap untuk miring ke atas menuju pompa agar
menutup kemungkinan terbentuknya kantong udara.
Umumnya pemasangan instalasi pompa diawali dengan pemasangan pipa isap terlebih dahulu.
Perlu diingat bahwa katup cegah yang akan mencegah air kembali ke sumur harus dicoba
dengan ditiup sambil ujung bawahnya ditenggelamkan ke dalam air. Jika udara keluar maka
katup harus diperbaiki atau diganti. Pemasangan katup sebelum diuji beresiko terjadi kebocoran
setelah instalasi selesai dan ini akan merepotkan dan membosankan. Pasanglah katup ini di
(hampir) ujung bawah pipa isap.
91
Sambunglah pipa satu demi satu. Kita harus berhati-hati jangan sampai pipa ini lepas dan
tercebur ke dalam sumur. Perhatikan pula baik-baik setiap langkah penyambungan jangan
sampai ada kebocoran pada sambungan. Setelah terpasang seluruhnya, ada baiknya dicoba
dengan diisi air. Jika permukaan air tetap, berarti tidak ada kebocoran.
5.4.5. Pemasangan Pompa
Setelah pipa isap terpasang seluruhnya, kini kita persiapkan untuk memasang pompa. Ada dua
cara peletakan pompa. Pertama suction lift yakni pompa terletak di atas permukaan air atau
pemasukan dengan pengangkatan (isapan) dan kedua flooded suction, pompa ada di bawah
permukaan air, sehingga terjadi dorongan pada bagian isap.
Gambar 5.10. Penempatan Pompa
Pada flooded suction, pompa tidak perlu dipancing dan head negatif sehingga tidak akan terjadi
kavitasi.
5.4.6. Tadah Keluar
Dalam perancangan tadah keluar, yang penting diperhatikan adalah bagaimana agar head
kecepatan keluar bisa dikurangi serendah mungkin. Dalam hal ini kita perlu memasang reduser
yakni ujung pipa keluar berbentuk corong yang ditenggelamkan di dalam tadah keluar. Dalam
Sularso dan Tahara ditetapkan kedalaman pipa keluar di dalam tadah keluar minimal sekitar 20
cm demikian pula jarak antara dasar tadah keluar dengan ujung pipa.
Kedua, usahakan juga agar ujung pipa keluar tidak tergantung di atas karena ini membuang
head secara percuma. Kerugian ini dalam jangka panjang akan cukup berarti.
Ketiga, usahakan agar penampang ujung pipa keluar tidak berdekatan dengan dinding dan arah
kecepatan tegak lurus dinding karena ini akan menimbulkan tumbukan yang membuang energi.
5.4.7. Pengujian
Pengujian efisiensi pada pompa yang baru dipasang diperlukan untuk dapat membuktikan
bahwa pompa telah bekerja sesuai rancangan dan untuk dapat memiliki data unjuk kerja
(performansi) sistem. Dengan pengujian ini juga kita harus mendapat keyakinan bahwa pompa
akan bekerja tanpa (kemungkinan kecil) terjadi kavitasi.
Yang perlu diperhatikan dalam pengujian awal pompa adalah tekanan di sisi keluar, tekanan di
sisi isap dan kapasitas aliran. Ini dimaksudkan agar kita dapat mengetahui head total yang
diberikan pompa kepada sistem yaitu head total di sisi keluaran dikurangi head total di sisi isap.
92
Efisiensi pompa dapat ditentukan dengan membandingkan daya (dari head) total yang diberikan
pompa dengan daya listrik yang dikonsumsi motor.
5.4.8. Pengendalian Getaran dan Bunyi
Pada hakikatnya getaran dan bunyi itu merupakan bentuk pelepasan energi yang tidak perlu.
Jadi jika hal ini dibiarkan kita mendapat dua kerugian yaitu pemborosan energi dan kebisingan
atau polusi bising. Oleh karena itu, getaran dan bunyi ini harus kita cegah atau kita kendalikan
sekecil mungkin. Sularso dan Tahara [2] menentukan penyebab getaran yaitu:
1. Fluktuasi tekanan akibat adanya lidah volut.
2. Aliran yang tidak mantap akibat pusaran di dalam pompa.
3. Kavitasi.
4. Surjing.
5. Benturan air.
6. Keadaan tak seimbang pada bagian yang berputar. Ini bisa disebabkan oleh bearing yang
sudah aus, as (sumbu, poros) yang sudah bengkok, bagian impeler yang patah, kopling yang
tidak benar dan lainnya.
Dari pengalaman di lapangan yang banyak terjadi dan paling menonjol sebagai penyebab
getaran dan bunyi adalah kerusakan bearing akibat beban ataupun korosi. Inilah yang pertama
kita periksa jika muncul bunyi yang tidak wajar. Dari penyebab di atas, ada beberapa langkah
yang harus kita lakukan untuk mencegah dan mengendalikan getaran dan bunyi yaitu:
1. Perkuat pondasi pompa dan jika perlu lantai untuk pondasi pompa itu dicor seluas dudukan
pompa.
2. Agar tidak terjadi kavitasi, sediakan NPSH yang cukup.
3. Mencegah surjing.
4. Mencegah benturan air.
5. Operasikan pompa pada titik kerja yang dianjurkan (sesuai spesifikasi).
6. Segera perbaiki jika terjadi keausan.
Selain pencegahan, kita harus mengisolasi getaran dan bunyi ini agar menutup kemungkinan
terjadinya resonansi yang dapat menimbulkan getaran serta bunyi yang lebih besar. Jika ini
terjadi tidak mustahil akan merusak bangunan di sekitarnya. Isolasi getaran dan bunyi dapat
dilakukan antara lain:
1. Pondasi yang dicor untuk pompa sebaiknya dipisahkan dengan karet dari lantai lainnya agar
getaran ini teredam.
2. Jika pompa ada di dalam ruangan, sebaiknya dinding ruangan dilapisi dengan bahan
peredam bunyi, biasanya bahan ini empuk dan/atau berlubang-lubang, agar bunyi tidak
merambat melalui udara.
3. Getaran dapat merambat melalui pipa. Pipa luwes (fleksibel) diperlukan agar getaran tidak
diteruskan.
93
4. Gunakan tabung bertekanan agar getaran tidak merambat melalui zat cair.
94
6. Pemeliharaan dan Perbaikan
Dalam bab ini disajikan pentingnya pemeliharaan dan cara-cara perbaikan. Pemeliharaan ini
seringkali kita abaikan sampai pompa baru benar-benar tidak bisa bekerja, padahal dalam kasus
tertentu hal ini bisa lebih merugikan.
6.1. Pemeliharaan
Pemeliharaan yang benar, efektif, memungkinkan pompa terus bekerja dengan baik, dapat
mendeteksi bagian yang sudah harus diganti atau diperbaiki, dan dapat menghindari kerusakan
yang parah. Pemeliharaan yang teratur dapat mengungkap penurunan efisiensi dan kapasitas,
yang biasa terjadi jauh sebelum pompa benar-benar berhenti bekerja. Keausan bantalan
(bearing) atau seal misalnya, dapat menurunkan efisiensi total hingga 10 persen atau lebih.
Dalam kasus penerapan pompa pada suatu instalasi pabrik, perhatian terhadap pompa ini
bergantung pada seberapa penting peranan pompa itu. Waktu perbaikan (down time) menjadi
sangat berharga jika pompa tersebut mempengaruhi proses industri. Artinya, pemeliharaan harus
mencegah terjadinya penghentian proses industri hanya karena seal atau komponen kecil
lainnya sudah tidak dapat digunakan. Di sinilah maka pemeliharaan sangat penting. Lucu
kiranya jika terjadi penghentian proses industri yang merugikan sampai jutaan atau bahkan
milyaran rupiah hanya karena seal atau bearing yang tidak seberapa harganya. Ada dua kategori
pemeliharaan yaitu: pencegahan (preventif) dan prakiraan (prediktif).
Pencegahan
Pemeliharaan pencegahan mencakup kebutuhan rutin sistem seperti pelumasan, pengaturan
(penyetelan) periodik seperti pelurusan kopling, pemeriksaan seal dan pembersihan dari
kotoran. Seal harus secara rutin diperiksa untuk memastikan tidak ada kebocoran atau
kebocoran masih dalam batas ketentuan (spesifikasi). Seal yang sudah bocor secara berlebihan,
harus segera diganti sedangkan kebocoran yang wajar bisa diterima sebagai pelumasan.
Pembersihan pada motor dan bagian-bagian lain yang berputar juga penting. Dalam kasus yang
lebih kritis, biasanya suatu komponen diganti hanya karena sudah memenuhi umur kerjanya,
meskipun masih baik.
Prakiraan
Pemeliharaan prakiraan merupakan pemeliharaan akibat adanya gejala yang mengarah pada
suatu kerusakan; seperti getaran atau suara yang berlebihan diperkirakan menjadi gejala dari
buruknya kondisi bearing. Dapat juga berarti ketidakseimbangan pada bagian yang berputar
seperti impeler, atau mungkin masalah pada kopling.
95
6.2. Perbaikan
Di sini diuraikan berbagai permasalahan yang biasa dijumpai dalam sistem pompa. Selain dari
pengalaman, juga diambil dari berbagai sumber. Kesulitan utama dalam membuat tabel gejala
dan langkah-langkah perbaikannya adalah karena sistem yang dimiliki berbeda satu dari yang
lain. Pompa A berbeda dengan pompa B yang tentu meskipun banyak persamaan, banyak juga
perbedaannya. Pada tabel di bawah ini disajikan gejala dan masalah yang umum.
Tabel 6.1. Gejala Pompa dan Tindakannya.
No. Gejala Tindakan Perbaikan
1. Air tidak mengalir atau
kapasitas rendah
Air pancingan tidak cukup
Ujung pipa isap kurang masuk
Pipa isap belum sepenuhnya terisi air
NPSH yang tersedia tidak cukup (kavitasi)
Kecepatan putar terlalu rendah
Pompa terpasang paralel. Tidak cocok untuk paralel
Head total terlalu tinggi
Arah putar tidak benar
Perapat bocor
Kemasukan benda asing di impeler
Kran keluaran masih tertutup
Ada kantong udara
Tersumbat
2. Aliran terputus-putus Kavitasi
Ujung pipa isap kurang dalam
Kurang pancingan
Head total terlalu tinggi
Ada kantong udara
3. Tekanan keluar rendah Kecepatan putar rendah
Salah arah putar
Ada benda asing di jalur isap
Ada bagian yang patah
Ada kantong udara
Head total sistem terlalu rendah
Paralel tidak cocok
Viskositas terlalu tinggi
4. Sulit dipancing Katup isap terganjal atau dudukannya sudah aus
Ada kebocoran di sisi isap
96
5. Pompa tidak berputar Sikring atau alat pemutus (CB) masih terbuka
Motor bermasalah
Ada benda asing yang mengganjal
6. Getaran dan bunyi berlebihan Kavitasi
Kedalaman ujung pipa isap tidak cukup
Ada benda asing di dalam pompa
Head total sistem terlalu tinggi
Kopling tidak lurus
Sumbu tidak lurus
Kerusakan komponen, bearing
Bagian yang berputar tidak seimbang
7. Kebutuhan daya berlebihan Impeler tersumbat
Viskositas terlalu tinggi
Massa jenis zat cair sangat tinggi
Head total sistem terlalu rendah
Ada kerusakan mekanikal
Kerusakan motor
Kecepatan putar terlalu tinggi
Salah arah putar
Sumbu bengkok, tidak lurus
Ada yang patah di dalam
8. Umur bearing pendek Tidak seimbang pada bagian yang berputar
Sumbu bengkok
Kopling tidak lurus
9. Umur seal pendek Ada kerusakan mekanikal, karat, patahan
Tidak seimbang pada bagian yang berputar
Sumbu bengkok
Kopling tidak lurus
Head sistem total terlalu tinggi atau terlalu rendah
Seal yang dipakai tidak cocok
Kavitasi
97
Bagian 2 Kompresor
98
7. Kompresi Zat dan Penerapannya
Pada umumnya, jika pompa menangani zat cair maka kompresor menangani gas. Namun
demikian kadang kompresor (yang menangani gas) juga disebut pompa. Memang dari segi fisik
pompa dan kompresor itu bisa dikatakan sama saja. Oleh karena itu maka mulai bab ini yang
khusus membicarakan kompresor, hanya akan mengulas persoalan khusus pada kompresor saja
serta tentang persoalan kompresi zat. Persoalan lain yang juga ada pada pompa, yang telah
dibicarakan pada bab-bab sebelum ini, tidak akan dibahas.
7.1. Kompresi Zat
Meskipun semua zat, padat, cair atau gas dapat dikompresi, namun tingkat kompresibilitasnya
berbeda-beda. Gas memiliki tingkat kompresibilitas tertinggi, disusul zat cair dan baru zat
padat. Memang secara kasat mata, hanya gas yang dapat dikompresi. Oleh karena itu gas
disebut zat yang kompresibel (dapat dikompresi).
7.1.1. Pemanfaatan Kompresi.
Ada banyak pemanfaatan kompresi gas seperti untuk menyimpan energi, mencapai kondisi gas
tertentu dan meringkas (memperkecil) volume supaya mudah dalam pengemasan dan
transportasi atau juga untuk mengisikan suatu gas pada suatu ruang (volume), distribusi dan
lainnya.
Dalam hal penyimpanan energi, energi yang tersimpan ini kelak dapat digunakan kembali,
misalnya untuk menggerakkan mesin-mesin (peralatan) pneumatik seperti mesin bor, mesin
rivet dan lainnya.. Ketika melakukan kompresi, udara dimampatkan dalam suatu wadah
(tabung) dan di sini terjadi perubahan energi mekanik menjadi energi tekanan. Dalam kasus ini,
perubahan akan lebih efisien jika sebagian besar energi mekanik diubah menjadi tekanan, tidak
menjadi energi panas misalnya. Oleh karena itu, efisiensi yang lebih tinggi dicapai melalui
proses yang makin mendekati isotermal (temperatur tetap). Jika proses tidak berlangsug
(mendekati) isotermal, berarti ada peningkatan panas yang pasti kelak akan terbuang begitu saja
ke lingkungan sekitarnya.
7.1.2. Azas Kompresi Zat
Di sini akan kita lihat kelebihan kompresi gas dibanding padat dan cair. Pertama kita bahas
kompresi zat padat. Pandanglah sebuah benda dengan panjang l dan berpenampang A ditekan
melalui dua pelat atas dan bawah dengan gaya tekan F:
99
F
l-lA
l
Gambar 7.1. Kompresi pada benda padat
Dengan gaya tekan tadi, benda mengalami tegangan (stress, ) dan regangan (strain, ) sebesar:
l
l
A
F
(7.1)
Hubungan antara stress dan strain ini sama seperti hubungan antara gaya dan regangan pada
pegas. Pada daerah elastis, hubungan itu bersifat linear:
kxF (7.2)
Demikian pula untuk stress dan strain berlaku:
E (7.3)
di sini E adalah konstanta yang disebut sebagai modulus elastisitas memanjang.
Energi yang tersimpan pada pegas yang ditekan adalah usaha yang diberikan pada pegas, yaitu
gaya dikali regangan (perubahan panjang). Dalam kasus pegas, gaya merupakan fungsi
regangan dan bersifat linear seperti tampak pada gambar berikut:
Gambar 7.2. Kompresi pada daerah elastis
Karena gaya tidak konstan dan merupakan fungsi linear dari x, maka usaha U:
xFkxdxxkdxxFU ...).(212
21 (7.4)
100
Demikian berlaku pula hal serupa pada kompresi benda padat. Dengan memasukkan F = A.σ
dan Δl = εl, maka di sini berlaku:
EV
E
AlAllAlFU
222..
22
21
21 (7.5)
di sini U adalah usaha atau energi yang tersimpan dalam benda padat yang dikompresi dan V
volume benda tersebut. Jika kita hendak mengetahui energi per satuan volume, maka untuk zat
padat berlaku:
EV
U
2
2
(7.6)
Sekarang kita tinjau pemampatan pada zat cair dan gas, untuk sistem seperti pada gambar di
bawah dengan tabung silinder berpenampang konstan:
Gambar 7.3. Kompresi pada zat cair dan gas
Dari gambar di atas, adanya gaya F menyebabkan fluida terdesak ke bawah, sehingga ada
pengurangan panjang kolom sebesar Δl menjadi l-Δl, atau ada pengurangan volume fluida
sebesar ΔV. Kita maklum bahwa pada benda padat gaya per satuan luas disebut stress sedangkan
pada fluida disebut tekanan. Pada zat padat ada modulus elastisitas E, sedangkan pada fluida ada
modulus curah K. Analogi dengan persamaan (7.3) maka tekanan pada fluida dapat dinyatakan
sebagai:
V
VK
l
lKp (7.7)
Dalam zat cair, K tetap tidak bergantung tekanan sehingga energi yang tersimpan adalah:
K
pV
K
pAl
K
plAplFU
22
21
21
22
... (7.8)
Energi per satuan volumenya adalah
K
p
V
U
2
2
(7.9)
Sekarang kita tinjau gas. Dalam gas, modulus curah K bergantung tekanan yaitu:
101
pk
v
dv
dpK . (7.10)
di sini k adalah perbandingan panas jenis pada tekanan tetap terhadap panas jenis pada volume
tetap (Cp/Cv) dari gas yang bersangkutan dan p tekanan mutlak. Untuk sistem dengan luas yang
tetap seperti di atas, berlaku pula:
pk
l
dl
dpK . (7.11)
Atau
k
ldpdlp
l
dlpkdp
... (7.12)
Dengan demikian, energi yang tersimpan dalam gas yang dikompresi adalah:
pk
Aldp
k
Al
k
ldpAdlpAdxFU
p
p
2
1
... (7.13)
Energi per satuan volumenya adalah
k
p
V
U (7.14)
Untuk dapat membandingkan berapa energi yang tersimpan per satuan volume pada zat padat,
cair dan gas, kita ambil tiga macam benda: baja untuk mewakili zat padat, air untuk zat cair dan
udara untuk gas. Pada kondisi awal kita simpan ketiganya pada udara terbuka (tekanan mutlak 1
atm = 1,033.104 kgf/m
2), kemudian ditekan dengan tekanan mutlak 7 atm (= 7,231.10
4 kgf/m
2).
Jika E untuk baja 2,1.1010
kgf/m2, K untuk air 2,1 10
8 kgf/m
2 dan k untuk udara 1,4 maka energi
yang tersimpan per satuan volume untuk ketiganya adalah seperti tampak pada tabel berikut:
Tabel 7.1. Energi yang tersimpan per satuan volume
Baja Σ E σ2/2E
7,231.104 kgf/m
2 2,1.10
10 kgf/m
2 0,1245 kgf/m
2
Air p K p2/2K
7,231.104 kgf/m
2 2,1 10
8 kgf/m
2 12,45 kgf/m
2
Udara p2 p1 Δp/k
7,231.104 kgf/m
2 1,033.10
4 kgf/m
2 4,43. 10
4 kgf/m
2
Jika dibandingkan, kita lihat bahwa energi yang tersimpan dalam udara terhadap air adalah
sekitar 3.500 kali. Apalagi dengan baja, sekitar 350.000 kali pada pemberian tekanan yang
sama. Di sinilah letak salah satu keuntungan kompresi gas dibanding zat lainnya.
102
7.2. Persamaan Gas
Dalam pasal ini akan disajikan proses yang berlangsung pada gas dalam suatu wadah. Ada tiga
variabel yang secara fisik dapat kita amati yaitu tekanan, volume dan temperatur. Kita
perhatikan terlebih dahulu hubungan antara tekanan dan volume kemudian hubungan antara
temperatur dan volume.
7.2.1. Hubungan Tekanan dengan Volume
Hubungan antara tekanan dan volume secara naluriah saja dapat kita perkirakan karena kita
telah berpengalaman bermain balon. Kalau volume balon itu kita kecilkan dengan menekannya,
maka tangan kita akan merasakan perlawanan (tekanan) dari balon itu. Jadi secara logika, jika
volume diperkecil maka tekanan membesar dan sebaliknya jika volume diperbesar, maka
tekanan mengecil (gambar di bawah):
Gambar 7.4. Perlakuan pada gas
Jika demikian, berarti hubungan antara tekanan dan volume berbanding terbalik, atau:
V
Kp (7.15)
di sini p = tekanan, V = volume dan K suatu konstanta. Persamaan ini dapat pula dituliskan:
KpV (7.16)
Jika demikian halnya, maka
tetapVpVpVp nn2211 (7.17)
Persamaan ini berlaku dengan asumsi tidak ada perubahan temperatur atau isotermal. Tekanan
yang dimaksud adalah tekanan mutlak. Persamaan ini dikenal sebagai Hukum Boyle.
7.2.2. Hubungan Temperatur dengan Volume
Gas memiliki koefisien muai yang jauh lebih besar dibanding zat cair dan padat. Berbeda
dengan padat, berbagai gas memiliki koefisien muai yang sama yaitu: semua macam gas apabila
temperaturnya dinaikkan sebesar 1 oC dengan tekanan dijaga tetap, maka akan mengalami
pertambahan volume sebesar 1/273 dari volumenya pada 0 oC. Sebaliknya jika temperaturnya
diturunkan 1 oC, akan mengalami penurunan yang sebanding dengan kenaikannya. Hukum ini
disebut Hukum Charles. Jadi, jika gas memiliki volume pada 0 oC sebesar V0 maka pada
103
temperatur t1 pada tekanan yang sama gas tersebut akan memiliki volume sebesar V1 dan
berlaku:
2731..
273
1 100101
tVVtVV (7.18)
Demikian pula temperaturnya dinaikkan menjadi t2 pada tekanan konstan, didapat:
2731 2
02
tVV (7.19)
Jika kedua persamaan tadi diperbandingkan diperoleh:
2
1
2
1
2
1
2
1
273
273
2731
2731
T
T
t
t
t
t
V
V (7.20)
Persamaan terakhir ini menyatakan bahwa pada tekanan tetap, volume gas berbanding lurus
dengan temperatur mutlaknya dan dapat pula dituliskan sebagai:
tetapT
V
T
V
T
V
n
n2
2
1
1 (7.21)
Temperatur dalam T ini disebut temperatur mutlak dan dinyatakan dengan satuan Kelvin (K)
atau ada juga yang menggunakan oK. Proses pada tekanan tetap ini disebut proses isobarik.
7.2.3. Persamaan Keadaan Gas Ideal
Dari dua hukum di atas, Hukum Boyle (isotermal) dan Hukum Charles (Isobarik) dapat
digabung untuk membentuk persamaan umum:
tetapCT
pV (7.22)
Dari persamaan ini, jika T tetap (isotermal) maka menjadi persamaan Boyle dan jika tekanan
tetap (isobarik) akan menjadi persamaan Charles.
Konstanta pada persamaan terakhir ini sebanding (berbanding lurus) dengan jumlah gas (massa
atau berat). Jadi:
TGRPVGRT
pVgg (7.23)
di sini p adalah tekanan mutlak dalam Paskal, V dalam m3, G berat gas dalam Newton dan Rg
konstanta gas dalam meter/Kelvin. Harga Rg ini berbeda-beda untuk setiap gas, akan tetapi
untuk suatu gas harga ini konstan, tidak bergantung pada suatu keadaan sehingga disebut
konstanta gas. Untuk udara kering pada tekanan 1 atm dan temperatur 0 oC, Rg udara sebesar
29,27 m/K. Untuk udara lembab tentunya harga Rg berbeda dengan udara kering karena sudah
104
berbeda jenis gas. Udara lembab lebih banyak mengandung uap air sehingga berat jenisnya pun
berbeda dengan udara kering. Pada kelembaban 65%, Rg udara lembab ini sebesar 29,46 m/K.
Persamaan di atas dapat dituliskan dalam berbagai bentuk, namun yang lazim dalam teknik
adalah dalam konteks berat, massa, volume jenis (m3/N) dan berat jenis. Dalam bentuk berat
ditunjukkan seperti persamaan di atas dan dalam bentuk massa dapat diturunkan dari persamaan
tersebut yakni:
TmRTmgRTGRpV mgg (7.24)
di sini g = percepatan gaya tarik bumi. Ini berarti Rm = g.Rg = 9,8 m/s2.29,27 m/K = 286,846 ≈
287 m2/(s
2.K) atau J/(Kg.K). Ada pula yang menggunakan volume jenis:
TRPvTRG
VPTGRpV ggg (7.25)
Volume jenis di sini berlawanan dengan berat jenis, v = 1/γ, sehingga:
pTRpv g (7.26)
Persamaan terakhir ini mengingatkan kita pada head tekanan. Jadi head tekanan adalah:
TRp
h gp (7.27)
Jika diketahui tekanan dan temperatur gas, kita dapat menentukan kerapatan (massa jenis) gas
tersebut:
TR
p
TRg
p
TRg
p
mg
g
...
. (7.28)
Gas sedemikian, yang memenuhi persamaan-persamaan di atas disebut gas ideal. Dalam
perhitungan, umumnya gas dipandang sebagai gas ideal.
Contoh Soal 7.1:
a. Berapakah kerapatan (massa jenis) udara (dalam kg/m3) jika bertekanan 5 bar pada
temperatur 27 oC?
b. Berapa m3 ruangan dibutuhkan untuk menampung udara seberat 5 kg pada temperatur
25 oC dan tekanan 4 bar?
Jawab:
a. Kerapatan TR
p
m . =
35
/8,5300.287
10.5mkg
b. 3
507,1
10.4
298.287.5..m
P
TRmmV m
105
7.3. Proses-Proses Kompresi
Kompresi gas idealnya dapat diwujudkan dalam tiga cara yaitu isotermal, adiabatik dan
politropik. Ketiga proses itu dapat diterangkan sebagai berikut:
Kompresi Isotermal
Kompresi pada hakikatnya memberikan energi mekanik, yang kemudian tersimpan di dalam
gas. Karena energi itu kekal, energi ini disimpan juga dalam bentuk panas selain energi tekanan.
Semakin besar energi yang diberikan, semakin besar pula kenaikan temperaturnya. Untuk
menjaga agar temperatur tetap, proses ini harus didinginkan. Di sinilah berlaku proses isotermal,
yakni T = konstan atau:
tetappV (7.29)
Atau dapat juga ditulis sebagai:
tetappv (7.30)
Sehingga:
1
2
2
1
2211
v
v
p
p
vpvp
(7.31)
Prose isotermal ini cukup ideal, jadi dalam kenyataannya sulit dicapai. Panas yang dihasilkan
cukup cepat dan besar. Di sinilah sulitnya menjaga temperatur tetap.
Kompresi Adiabatik
Seperti diulas di muka, kompresi isotermal memerlukan pembuangan panas agar temperatur
konstan. Dalam kompresi adiabatik justru sebaliknya; agar tidak ada panas yang terbuang.
Proses akan berlangsung secara adiabatik sempurna jika tidak ada panas yang terbuang sedikit
pun. Untuk itu agar proses berjalan adiabatik, sistem harus diisolasi. Karena tidak mungkin kita
dapat mengisolasi sistem secara sempurna, kita tidak akan dapat memperoleh proses adiabatik
yang sempurna pula. Jadi proses ini pun ideal, hanya dalam kajian teoritis belaka.
Panas yang tertahan pada proses adiabatik menyebabkan tekanan gas naik lebih tinggi (pada
volume yang sama) dibanding proses isotermal. Tekanan itu lebih tinggi karena ada kenaikan
temperatur. Temperatur tersebut naik karena energi kompresi akan tersimpan dalam sistem
sebagai energi dalam (internal energi). Kenaikan temperatur ini sebanding dengan kenaikan
energi dalam yang juga sebanding dengan kerja yang diberikan pada sistem. Hal ini dibicarakan
lebih rinci dalam termodinamika. Ringkasnya, secara termodinamika, proses adiabatik
memenuhi persamaan berikut:
tetappv k (7.32)
di sini k adalah perbandingan antara kapasitas panas pada tekanan tetap dengan kapasitas panas
pada volume tetap, k = cp/cv. Jika k = 1 persamaan di atas menjadi persamaan untuk proses
isotermal. Persamaan di atas tadi dapat dituliskan sebagai:
106
1
2
12
2211
pv
vp
vpvp
k
kk
(7.33)
Kita bisa bandingkan dengan proses isotermal. Karena di sini k > 1 dan pada proses kompresi
volume mengecil, yakni v1/v2 > 1, kita akan memperoleh p2 lebih besar dari pada proses
isotermal (k = 1).
Kompresi Politropik
Kita maklum bahwa kedua proses di atas tadi merupakan proses ideal yang kenyataannya sulit
dicapai. Kita sulit mencapai isotermal karena ada kenaikan temperatur dan juga kita sulit
mencapai adiabatik karena ada panas yang berpindah (keluar). Jadi proses yang terjadi
sesungguhnya adalah proses di antara keduanya, terjadi kenaikan temperatur dan juga ada panas
yang keluar yang disebut sebagai proses politropik. Jadi proses ini menggunakan persamaan
seperti untuk proses adiabatik hanya harga k diganti dengan n yang nilainya berada di antara 1
dan k atau 1 < n < k:
1
2
12
2211
pv
vp
vpvp
n
nn
(7.34)
Jika diperbandingkan, ketiga proses kompresi itu tampak seperti pada tabel di bawah. Di sini
digunakan udara dengan k=1,4, dan untuk proses politropik digunakan n=1,2.
Tabel 7.2. Perbandingan Proses Kompresi
No V P(Isotermal) P(Politropik) P(Adiabatik)
1 1,000 1,000 1,000 1,000
2 0,500 2,000 2,297 2,639
3 0,333 3,000 3,737 4,656
4 0,250 4,000 5,278 6,964
5 0,200 5,000 6,899 9,518
6 0,167 6,000 8,586 12,286
7 0,143 7,000 10,330 15,245
8 0,125 8,000 12,126 18,379
9 0,111 9,000 13,967 21,674
10 0,100 10,000 15,849 25,119
11 0,091 11,000 17,769 28,704
Jika perbandingan itu digambarkan secara grafik, ketiga proses kompresi itu tampak seperti
gambar di bawah.
107
0
5
10
15
20
25
30
1,0
00
0,5
00
0,3
33
0,2
50
0,2
00
0,1
67
0,1
43
0,1
25
0,1
11
0,1
00
0,0
91
Volume
Tekan
an
Isotrml
Politrpk
Adiabtk
Gambar 7.5. Perbandingan Kompresi
Yang harus diingat dari gambar di atas adalah bahwa kurva proses kompresi isotermal paling
landai dan disusul proses politropik dan terakhir proses adiabatik. Jadi adiabatik menunjukkan
kurva yang paling curam (terjal). Hal ini penting dan berguna dalam menggambarkan beberapa
proses yang terjadi secara berulang (siklus).
7.4. Perubahan Temperatur Kompresi
Persamaan untuk proses politropik dapat dikatakan sebagai persamaan umum bagi isotermal dan
adiabatik. Jika n = 1, persamaan untuk politropik menjadi isotermal dan jika n = k menjadi
adiabatik. Oleh karena itu dalam menentukan kenaikan temperatur kompresi, di sini hanya
diambil persamaan umum atau untuk politropik.
Dari persamaan politropik diperoleh:
2
1
1
2
p
p
v
vn
(7.35)
Dari persamaan gas ideal diperoleh:
nn
p
p
T
T
v
v
2
1
1
2
1
2 (7.36)
Jika kedua persamaan tadi digabungkan diperoleh:
108
n
n
nn
n
p
p
T
T
p
p
T
T
p
p
p
p
T
T
1
2
1
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
1
2
Atau
n
n
p
pTT
1
1
212 (7.37)
Jika diplot, persamaan di atas akan tampak seperti berikut (untuk n = 1,4):
273
323
373
423
473
523
573
623
673
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Perbandingan Tekanan P2/P1
Te
mp
era
tur
Ko
mp
res
i T
2
0
20
40
60
T1 (oC)
Gambar 7.6. Temperatur Kompresi
7.5. Sifat Fisik Udara
Sifat fisik udara yang penting kita bahas di sini adalah komposisi udara, massa jenis, panas jenis
kelembaban dan tekanan udara.
7.5.1. Komposisi Udara
Udara merupakan gas campuran yang terdiri dari nitrogen, oksigen, argon, karbon dioksida, uap
air dan uap-uap lainnya. Adapun komposisinya dapat dilihat dalam tabel berikut:
109
Tabel 7.3. Kadar berbagai gas dalam udara.
Gas Rasio terhadap udara kering (%)
Volume Berat
Oksigen 20,948 23,20
Nitrogen 78,084 75,47
Karbon Dioksida 0,03 0,046
Hidrogen 0,00005 ~ 0
Argon 0,933 1,28
Neon 0,0018 0,0012
Helium 0,0005 0,00007
Kripton 0,0001 0,0003
Xenon 0,0000087 0,00004
Metan 0,0002
7.5.2. Berat Jenis Udara
Karena gas sangat kompresibel, berat jenis gas sangat bervariasi bergantung pada tekanan dan
temperatur. Oleh karena itu berat jenis suatu gas harus diukur pada keadaan tertentu yang
biasanya distandarkan. Dalam Sularso dan Tahara [2], ada dua standar temperatur dan tekanan
(standard temperature and pressure, STP) untuk udara yaitu standar industri dan normal
teoritis sebagai berikut:
Tabel 7.4. Dua keadaan standar udara.
Variabel Standar Industri Normal Teoritis
Temperatur (oC) 20 0
Tekanan Mutlak (mmHg) 760 760
Kelembaban relatif (%) 65
Berat Jenis (N/m3) 11,807 12,68
Udara pada kondisi standar industri ini lazim digunakan pada kondisi udara di sisi isap
kompresor [2].
Akan tetapi dalam Wikipedia, ada banyak standar temperatur dan tekanan seperti tampak dalam
tabel berikut:
Tabel 7.5. Beberapa keadaan standar udara.
Temperatur Tekanan
mutlak
Kelembaban
Relatif Yang menentukan
°C kPa % RH
0 100.000 IUPAC (definisi yang sekarang)
0 101.325 IUPAC (definisi yang awal), NIST, ISO
110
10780
15 101.325 0 [4]
, [5]
ISA, ISO 13443, EEA, EGIA
20 101.325 EPA, NIST
25 101.325 EPA
25 100.000 SATP
20 100.000 0 CAGI
15 100.000 SPE
°F psia % RH
60 14.696 SPE, OSHA, SCAQMD
60 14.73 EGIA, OPEC, EIA
59 14.503 78 Army Standard Metro
59 14.696 60 ISO 2314, ISO 3977-2
Catatan:
101.325 kPa = 1 atmosphere = 1.01325 bar ≈ 14.696 psi
100.000 kPa = 1 bar ≈ 14.504 psi
14.503 psi ≈ 750 mmHg ≈ 100.0 kPa ≈ 1 bar
14.696 psi ≈ 1 atm = 101.325 kPa
14.73 psi ≈ 30 inHg ≈ 1.0156 bar ≈ 101.560 kPa
59 °F = 15 °C
60 °F ≈ 15.6 °C
dry = 0 percent relative humidity = 0 % RH
Kepanjangan singkatan pada tabel di atas:
IUPAC: International Union of Pure and Applied Chemistry
NIST: National Institute of Standards and Technology
ISA: ICAO's International Standard Atmosphere
ISO: International Organization for Standardization
EEA: European Environment Agency
EGIA: Electricity and Gas Inspection Act (Canada)
EPA: U.S. Environmental Protection Agency
SATP: Standard Ambient Pressure and Temperature
CAGI: Compressed Air and Gas Institute
SPE: Society of Petroleum Engineers
OSHA: U.S. Occupational Safety and Health Administration
SCAQMD: California's South Coast Air Quality Management District
OPEC: Organization of Petroleum Exporting Countries
EIA: U.S. Energy Information Administration
7.5.3. Panas Jenis Udara dan Gas Lainnya
Panas jenis adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 (satu) kg suatu
zat sebesar 1 oC. Sedangkan jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur
sejumlah zat (benda) sebesar 1 oC disebut sebagai kapasitas termal zat tersebut.
Panas adalah juga energi karenanya satuan untuk jumlah panas setara dengan satuan untuk
energi yang dalam hal ini lazim digunakan kalori (kal) atau kilokalori (kkal). Adapun 1 kkal
adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1 oC. Jadi
panas jenis air adalah 1 kkal/kg/oC atau 1 kkal/(kg.
oC). Karena panas juga energi, dalam satuan
internasional digunakan kiloJoule (kJ) yaitu 1 kJ = 0,2389 kkal atau 1 kkal = 4,186 kJ.
111
Definisi panas jenis gas juga sama seperti zat lain hanya dalam gas dibedakan antara panas jenis
pada tekanan tetap (cp) dengan panas jenis pada volume tetap (cv).
Jika suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap, maka volumenya bertambah lebih banyak dari
pada zat cair dan padat. Demikian pula sebaliknya jika didinginkan pada tekanan tetap, maka
volumenya mengecil lebih banyak dari zat cair dan padat. Penambahan volume (ekspansi) ini
dapat menyerap panas lebih banyak ketimbang jika gas itu dipanaskan pada volume tetap
(tekanan yang bertambah). Oleh karena itulah maka kapasitas panas pada tekanan tetap lebih
besar dari pada kapasitas panas pada volume tetap. Dengan demikian, k =cp/cv akan lebih besar
dari satu. Panas jenis udara dan beberapa gas lainnya dapat dilihat dalam tabel berikut (dalam
kJ/(kg.oC):
Tabel 7.6. Panas jenis berbagai gas.
Nama Gas Rumus kimia Jumlah atom cp cv k =cp/cv
Udara - - 1,01 0,712 1,42
Argon Ar 1 0,52 0,31 1,67
Helium He 1 5,23 3,16 1,66
Hidrogen H2 2 14,32 10,16 1,41
Nitrogen N2 2 1,03 0,74 1,39
Oksigen O2 2 0,91 0,65 1,4
Uap air (1 atm, 100-315 C) H2O 3 1,97 1,5 1,31
Karbon dioksida CO2 3 0,86 0,66 1,30
Asetilin C2H2 4 1,47 1,35 1,24
Alkohol C2H5OH 9 1,88 1,67 1,13
Amoniak NH3 4 2,19 1,66 1,32
Gas Alam 2,34 1,85 1,27
7.5.4. Kelembaban Udara
Jika molekul air mendapat energi yang cukup maka molekul air tersebut akan lepas atau
menguap. Jika air dipanaskan misalnya, kita akan melihat gelembung uap keluar dari dalam air.
Penguapan ini akan berjalan terus sampai pada titik jenuhnya. Pada titik jenuh ini, di samping
terjadi penguapan juga terjadi kondensasi atau pengembunan. Pada keadaan jenuh, jumlah uap
air tidak bertambah lagi karena jumlah air yang menguap sama dengan jumlah yang
mengembun. Tekanan uap air pada saat jenuh disebut tekanan uap jenuh.
Karena penguapan ini bergantung pada jumlah energi (panas), kandungan uap air di dalam
udara atau tekanan uap di dalam udara juga bergantung pada temperatur. Makin tinggi
temperatur, makin besar energi yang dimiliki dan makin banyak air menguap. Dengan kata lain,
makin tinggi temperatur, makin besar tekanan uapnya atau makin tinggi titik jenuhnya. Pada
temperatur tertentu, jumlah uap air di dalam udara dapat dinyatakan dengan kelembaban.
112
Kelembaban udara mencerminkan kandungan uap air di dalam udara. Makin banyak uap air
yang terkandung dalam suatu volume udara pada temperatur tertentu, makin besar pula
kelembabannya. Sebaliknya, makin sedikit jumlah uap air yang terkandung dalam satu satuan
volume udara, makin kecil pula kelembabannya. Kelembaban dapat dinyatakan dalam dua
pengertian: kelembaban mutlak (absolut humidity) atau kelembaban spesifik (specific humidity)
dan kelembaban nisbi (relative humidity). Kelembaban mutlak menyatakan kandungan berat
(massa) uap air (gram) di dalam tiap volume udara (m3), sedangkan kelembaban spesifik
menyatakan jumlah uap air (gram) dalam tiap satuan massa udara (kg). Perlu juga kembali
diingat bahwa jumlah uap ini secara langsung menentukan tekanan uap, maka kelembaban
mutlak (spesifik) juga dapat dinyatakan dengan tekanan uap. Jadi kelembaban mutlak dapat
dinyatakan dengan:
Jumlah (kadar) uap air (dalam gram) yang terkandung di dalam 1 m3 udara lembab.
Jumlah uap air (dalam gram) yang terkandung di dalam 1 kg udara kering.
Tekanan Uap.
Kadar uap air dalam udara pada tekanan 1 atmosfir adalah seperti tampak pada tabel berikut [2]:
Tabel 7.7. Kandungan uap air di dalam udara pada 1 atmosfir.
Temperatur
(oC)
Jumlah Uap Air Jenuh Tekanan (mmHg)
gram/m3 gram/kg
0 4,85 3,772 4,581
10 9,40 7,625 9,205
20 17,30 14,69 17,53
30 30,40 27,18 31,83
40 51,50 48,84 55,34
50 83,00 86,25 92,56
60 130,00 152,3 149,5
70 198,00 276,3 233,8
80 293,00 546 355,3
90 423,00 1.397 525,9
99 574,00 1706 733,3
100 597,00 - 760
Karena kelembaban mutlak ditentukan terhadap volume udara, maka apabila tekanan atau
temperatur udara tersebut berubah, kelembaban mutlak pun berubah. Di situlah letak kelebihan
kelembaban spesifik yang dihitung terhadap massa udara. Massa udara tidak berubah meskipun
temperatur atau tekanan berubah.
Kalau kelembaban mutlak/spesifik menyatakan kadar uap air di dalam udara, kelembaban nisbi
menyatakan perbandingan antara kelembaban mutlak udara pada temperatur tertentu terhadap
kelembaban mutlak udara jenuh pada temperatur tersebut. Karena itu kelembaban nisbi
dinyatakan dalam persen. Jadi kelembaban nisbi adalah:
113
Perbandingan antara kelembaban mutlak udara lembab terhadap kelembaban mutlak udara
jenuh pada temperatur yang sama.
Atau
Perbandingan antara tekanan uap air di dalam udara lembab terhadap tekanan uap jenuh
pada temperatur yang sama.
Kelembaban nisbi ini yang biasa sehari-hari digunakan seperti pada prakiraan cuaca atau dalam
konteks yang lain.
7.5.5. Tekanan Udara
Tekanan udara telah dibicarakan dalam bab pertama berkaitan dengan tekanan atmosfir. Di sini
akan ditegaskan lagi bahwa tekanan udara di ketinggian nol (permukaan laut) adalah satu
atmosfir yaitu sekitar 1,0332 kg pada setiap luas 1 cm2. Tekanan ini menjadi tekanan nol pada
alat ukur. Jika kita mengukur tekanan suatu ruang tertutup misalnya, maka yang terbaca adalah
nilai lebih dari tekanan atmosfir tadi. Jadi tekanan yang sebenarnya (tekanan mutlak) adalah
tekanan alat ukur (gage) atau tekanan lebih ditambah tekanan satu atmosfir tersebut.
7.6. Pemakaian Kompresor dan Udara Tekan
Kompresor menempati banyak penerapan dari skala kecil hingga besar. Berikut ini beberapa
contoh penerapan kompresor dari beberapa sumber:
Pada pipa penyalur gas alam, kompresor digunakan untuk menekan gas yang dikirim ke
konsumen.
Untuk penyemprotan cat, cairan anti kuman, minyak, cairan pembersih dan lainnya.
Dalam beberapa industri seperti kilang minyak, pengolah gas alam, industri kimia dan
petrokimia dan yang serupa, kompresor digunakan untuk kompresi gas produk setengah jadi
dan produk akhir.
Pada finishing, pembersihan permukaan, blasting, digunakan untuk penyemprotan partikel-
partikel gelas atau logam.
Untuk pembersihan melalui peniupan.
Pada industri minyak dan gas, digunakan untuk mengangkat minyak (gas lift) serta untuk
menghilangkan gas dari zat cair.
Pada sistem pendingin dan pengkondisi udara, kompresor digunakan untuk memompa
panas melalui siklus gas pendingin (refrigeran).
Pada sistem turbin gas, digunakan untuk kompresi udara masukan ke ruang bakar.
Untuk menyimpan gas yang dimurnikan pada volume kecil atau tabung bertekanan untuk
keperluan medis, pengelasan atau penggunaan lain.
Untuk menghidupkan dan menggerakkan alat-alat pneumatik pada berbagai industri, pabrik
dan perakitan.
Sebagai alat untuk mengirim energi untuk mentenagai sistem-sistem pneumatik seperti
mesin press dan penggetar.
114
Untuk mengkondisikan udara di dalam kabin pesawat terbang (pressurized cabin) agar
bertekanan tetap 1 atm (di luar lebih rendah) dengan udara yang layak untuk bernafas.
Pada mesin jet seperti turbojet dan turbofan, digunakan untuk memberikan udara bertekanan
yang diperlukan untuk pembakaran. Kompresor sedemikian mengambil daya dari mesin itu
sendiri.
Untuk menyimpan gas untuk bernafas pada penyelaman (scuba diving), terapi zat asam
yang bertekanan dan alat-alat penyangga hidup yang lain seperti untuk kolam ikan dan
untuk pekerja tambang.
Menyimpan udara pada kapal selam untuk mengapung.
Mengirimudara panas (untuk pemanasan) dan udara dingin (untuk pendinginan).
Meningkatkan konsentrasi oksigen pada sistem turbocharger dan supercharger untuk
meningkatkan performansi mesin.
Untuk pengendalian otomatis.
Memberi udara bertekanan untuk pengereman kendaraan berat dan kereta api, untuk
menggerakkan pintu-pintu, jendela-jendela, wiper dan gearbox.
Pengkondisian udara (kelembaban). Dengan kompresi, uap air akan mengkondensasi
(mengembun).
Dalam industri gelas/kaca, udara tekan digunakan untuk meniup gelas (botol) yang masih
panas (lunak) dalam cetakan.
Dalam industri keramik, ada pelapisan gelas dan didinginkan dengan udara tekan.
Pada pekerjaan sipil, digunakan untuk penggetar untuk meratakan coran, atau sebaliknya
untuk memecahkan beton. Udara tekan digunakan juga untuk stamper (pemadat), penggali
jalan, penumbuk tiang pancang.
Demikianlah beberapa contoh penerapan kompresor dan udara tekan. Kita bisa melihat contoh
penggunaan lain dari berbagai sumber.
115
8. Kompresor dan Performansinya
Dalam bab ini disajikan azas kompresor yang tidak lain merupakan pompa untuk gas karena
memang bersifat kompresibel (bisa dikompresi, dimampatkan). Kompresor menempati bidang
penggunaan dan penerapan yang luas sehingga juga memiliki daerah tekanan yang luas. Ini akan
diulas dalam klasifikasi dan konstruksi kompresor. Pasal-pasal berikutnya dalam bab ini
membahas performansi kompresor berkaitan dengan kebutuhan daya, efisiensi dan langkah-
langkah penghematan energi pada kompresor.
8.1. Klasifikasi dan Konstruksi Kompresor
Kita sebenarnya sudah sangat akrab dengan kompresor, karena sudah biasa menggunakan
pompa ban sepeda atau menggunakan kompresor ketika kendaraan kita menghadapi masalah
dengan ban. Pompa sepeda lebih akrab di telinga kita ketimbang kompresor (sepeda) meskipun
seharusnya istilah kedua tersebut yang lebih tepat. Mengapa? Dalam pompa sepeda, sejumlah
udara diisap, kemudian dimampatkan (compressed) dengan terus menekan atau mengurangi
volume yang ditempatinya. Dengan memperkecil volume, tekanan meningkat sehingga
melampaui tekanan di dalam ban. Jika sudah mampu mengatasi tekanan ban dan tekanan pentil
sepeda, udara di dalam pompa tadi akan masuk ke dalam ban. Semakin lama kita akan
merasakan semakin berat memompa karena memang tekanan di dalam ban makin tinggi dan
makin sedikit udara yang mampu masuk ke dalam ban.
Jadi kompresor secara fisik tidak jauh berbeda dengan pompa. Jika pompa menangani fluida
cair, maka kompresor menangani fluida gas. Demikian pula jika kita sudah mengerti prinsip
kerja pompa, maka begitu pula prinsip kerja kompresor.
Jenis Kompresor
Pompa sepeda termasuk dalam kompresor perpindahan (positive displacement). Dalam
kompresor perpindahan, sejumlah gas diperangkap dan dipindahkan ke bagian keluaran. Selama
dalam perpindahan, volume udara relatif tetap. Pada frekuensi yang sama, kapasitas aliran
(massa) gas yang dipindahkan relatif konstan, tidak bergantung pada tekanan keluaran. Di sini
sejumlah gas dipaksa masuk. Kapasitas kompresor jenis ini bergantung erat atau berbanding
lurus dengan frekuensi atau kecepatan putar. Makin tinggi frekuensi atau kecepatan putar,
makin tinggi pula kapasitasnya secara linear. Untuk dapat lebih jelas memahami kompresor
perpindahan ini perhatikan gambar berikut:
116
Gambar 8.1. Kompresor Lobe
Gambar di atas adalah kompresor lobe (cuping) atau disebut juga jenis roots yang merupakan
salah satu jenis kompresor perpindahan. Misalkan pada mulanya udara terperangkap dalam
ruang A. Karena lobe berputar, ruang A ini pun berpindah sampai akhirnya menempati B.
Selama dalam perjalanan menuju B, volume dan tekanan udara dalam ruang tersebut tetap yakni
sama dengan tekanan Ps. Andaikan tekanan Pd lebih besar dari Ps atau B, maka begitu ruang B
terbuka dan berhubungan dengan Pd, udara dalam B ini langsung bertekanan (hampir) sama
dengan Pd.
Kompresor perpindahan ini bisa terdiri dari jenis resiprokal (gerak bolak-balik) dan rotari
(berputar). Contoh di atas merupakan salah satu bentuk kompresor perpindahan rotari. Pada
kompresor resiprokal, ada piston atau membran yang bergerak bolak-balik mengisap dan
mendorong gas. Ciri khas jenis resiprokal ini adalah keluarannya pulsatif seperti detak jantung,
seperti tampak pada gambar berikut:
Gambar 8.2. Pulsasi Pompa
Kompresor Sentrifugal
Dari segi impeler, kompresor sentrifugal juga seperti pompa sentrifugal yaitu terbagi dalam
kompresor radial, aksial dan campur. Bentuk impeler dan besarnya kecepatan spesifik juga sama
seperti pompa. Oleh karena itu, dalam perhitungan kita dapat menggunakan besarnya kecepatan
spesifik impeler untuk pompa.
Kipas, Blower, Ventilator dan Kompresor
Pada hakikatnya kipas (fan) dan peniup (blower) itu juga kompresor yang bekerja pada tekanan
keluaran yang rendah, kurang dari 1 mH2O. Pada tingkat menengah, pada tekanan antara 1
117
sampai 10 mH2O (hampir 1 atm) disebut blower atau ventilator. Sedangkan kompresor lazim
dihubungkan pada daerah tekanan yang lebih besar dari 10 mH2O.
8.2. Kerja dan Head Kompresor
Sebelum menghitung kerja (usaha) kompresor keseluruhan yang diberikan kepada gas, kita
tinjau terlebih dahulu kerja setiap jenis proses kompresi: isobarik, isokhorik, isotermal,
adiabatik dan politropik.
8.2.1. Isobarik
Proses isobarik berjalan pada tekanan tetap, sehingga usaha yang diberikan kompresor terhadap
gas adalah gaya dikali jarak perpindahan atau tekanan dikali luas dikali jarak atau tekanan dikali
perubahan volumenya. Jika digambarkan dalam diagram PV, akan tampak seperti luas yang
diarsir:
Gambar 8.3. Kerja pada proses isobarik.
Luas yang diarsir yang menunjukkan besarnya usaha yang diberikan adalah:
ab VVpVpW .. 1 (8.1)
karena p1 konstan. Luasan ini merupakan besarnya energi yang diterima gas ketika dikompresi.
Tanda minus harus diberikan karena dalam kasus ini energi gas bertambah, yang berarti
perubahan energi bersifat positif sedangkan perubahan volume bersifat negatif.
8.2.2. Isokhorik
Karena proses kompresi isokhorik berlangsung pada volume tetap, berarti tidak ada kompresi,
energi yang diterima gas juga nol, seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 8.4. Kerja pada proses isokhorik.
118
8.2.3. Isotermal, Adiabatik dan Politropik
Ketiga proses ini memiliki kurva PV yang mirip (seperti tampak pada gambar di bawah). Yang
paling terjal adalah adiabatik (kurva a). Proses ini bertekanan lebih tinggi pada volume yang
sama karena pada proses adiabatik, volumenya berpangkat k yang lebih besar dari satu. Yang
paling landai tentu isotermal (kurva i) karena volumenya berpangkat satu. Kurva di antara
keduanya adalah politropik (kurva p).
Gambar 8.5. Kerja pada proses isotermal, politropik dan adiabatik.
Cara menentukan besarnya usaha (energi) yang diterima gas dalam ketiga proses itu mirip. Kita
ambil politropik dalam perhitungan ini. Kerja yang diterima gas:
dVpdWW . (8.2)
Pada proses politropik,
nn
nCVpVCV
V
Cp 1
Jadi
1122
2
1
1
2
11
1
1
1. VpVp
nCV
ndV
V
CdVpW n
n (8.3)
Untuk proses adiabatik, berlaku persamaan seperti di atas hanya saja n diganti dengan k. Akan
tetapi, untuk proses isotermal tidak langsung n diganti dengan 1, tetapi:
1
211
2
111
2
12
1
2
1
lnlnlnln.p
pVp
V
VVp
V
VCVCdV
V
CdVpW (8.4)
8.2.4. Kerja Keseluruhan
Untuk menghitung kerja kompresor, kita lihat kompresor torak bolak-balik (resiprokal) yang
mengkompresi udara satu siklus (putaran). Di sini kita lihat kompresor ideal yaitu kompresor
yang dapat mencapai volume nol di titik mati atas. Grafik PV untuk kompresor ideal adalah
seperti tampak pada gambar di bawah:
119
Gambar 8.6. Kerja satu siklus pada kompresor torak.
Misalkan proses kompresi berjalan dari titik 1 (titik mati bawah). Dari sini torak bergerak ke
kiri sampai pada titik 2 yaitu titik di mana tekanan di dalam kompresor melebihi tekanan
keluaran (reservoir). Di titik 2 ini gas yang dikompresi keluar melalui katup keluaran pada
tekanan tetap sampai pada titik mati atas ideal (V=0) yaitu titik 3. Karena di titik 3 ini semua gas
keluar (gambar sebelah kiri), maka begitu torak bergerak ke kanan, di dalam kompresor
langsung mencapai tekanan atmosfir. Di titik ini katup masukan terbuka dan gas dari katup ini
masuk terisap. Proses ini berjalan secara isobarik (tekanan tetap) sampai pada titik mati bawah
(titik 1).
Daya yang diterima gas yang dikompresi dalam satu putaran adalah luas bidang yang diarsir
yaitu luas bidang 1-2-3-4-1. Jika proses dari 1 ke 2 berjalan politropik, maka luas bidang yang
diarsir tersebut adalah luas proses politropik dari 1 ke 2 yaitu luas 1-2-a-b-1 ditambah luas
proses isobarik dari 2 ke 3 yaitu luas bidang 2-3-0-a-2 dan dikurangi luas proses isobarik dari 4
ke 1 yaitu luas bidang 4-0-b-1-4. Jadi kerja totalnya adalah:
11
1
11
1
1
1
1
2
1
211
1122
1122
11221122
V
V
p
pVp
n
n
VpVpn
n
VpVpn
VpVpVpVpn
W
Karena pada proses politropik berlaku:
nn
p
p
p
p
V
V1
1
2
1
2
1
1
2
Kita peroleh:
120
11
11
1
1
211
1
1
2
1
211
n
n
n
p
pVp
n
n
p
p
p
pVp
n
nW
atau
CVpW .11 (8.5)
di sini C:
11
1
1
2n
n
p
p
n
nC (8.6)
Perbandingan tekanan p2/p1 adalah perbandingan tekanan kompresi yaitu rasio antara tekanan
keluaran terhadap tekanan masukan pada satu tingkat (stage). Karena rasio tekanan total
kompresor bertingkat adalah pangkat jumlah tingkat dari rasio masing-masing, C total dapat
ditentukan dengan:
11
1
1
2n
ni
p
p
n
nC (8.7)
di sini i = jumlah tingkat.
Jika kita petakan C (tunggal) terhadap rasio tekanan ini kita peroleh grafik berikut:
Tabel 8.1. Harga C terhadap rasio tekanan.
N 1,01 1,1 1,2 1,3 1,4
n/(n-1) 101 11 6 4,333333 3,5
(n-1)/n 0,009901 0,090909 0,166667 0,230769 0,285714
P2/p1 C
1 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
2 0,696 0,715 0,735 0,752 0,767
3 1,105 1,155 1,206 1,250 1,291
4 1,396 1,477 1,560 1,634 1,701
5 1,622 1,733 1,846 1,949 2,043
6 1,808 1,946 2,088 2,219 2,340
7 1,965 2,129 2,299 2,456 2,603
8 2,101 2,289 2,485 2,669 2,840
9 2,221 2,432 2,653 2,862 3,057
10 2,329 2,561 2,807 3,039 3,257
11 2,427 2,679 2,948 3,203 3,444
12 2,516 2,788 3,079 3,356 3,619
13 2,598 2,889 3,200 3,499 3,783
121
N 1,01 1,1 1,2 1,3 1,4
n/(n-1) 101 11 6 4,333333 3,5
(n-1)/n 0,009901 0,090909 0,166667 0,230769 0,285714
P2/p1 C
14 2,674 2,983 3,315 3,634 3,939
15 2,745 3,071 3,423 3,762 4,087
16 2,811 3,153 3,524 3,883 4,229
17 2,873 3,232 3,621 3,999 4,364
18 2,932 3,306 3,713 4,110 4,493
19 2,988 3,376 3,801 4,216 4,618
20 3,041 3,443 3,885 4,318 4,737
Jika diplot, diperoleh kurva-kurva berikut:
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
1 3 5 7 9
11
13
15
17
19
Rasio Tekanan
C
n=1,01
1,1
1,2
1,3
1,4
Gambar 8.7. Harga C terhadap rasio tekanan.
Daya kompresor dapat secara langsung ditentukan dengan melibatkan waktu pada volume
sehingga menjadi kapasitas. Jadi daya kompresor politropik tersebut adalah:
CQpP .11 (8.8)
di sini P adalah daya. Jika kita kembalikan ke dalam persamaan gas ideal untuk menggantikan
p1V1, diperoleh:
CTRQP
CTmRW
m
m
11
1. (8.9)
122
8.2.5. Head Kompresi
Kita maklum bahwa head adalah energi/usaha per satuan berat. Jika demikian, maka head
kompresi adalah:
g
CTR
mg
WH m .1 (8.10)
Dengan demikian maka daya kompresor dapat dinyatakan dengan persamaan head:
HgQP ... (8.11)
Contoh Soal 8.1:
Hitung head yang dihasilkan kompresor yang memampatkan udara dengan tekanan awal 1 bar,
temperatur 27 oC menjadi 5 bar dengan n = 1,2. Abaikan head kecepatan.
Jawab:
Dari persamaan atau kurva di atas diperoleh C = 1,85.
T1 = 300 K, Rm udara = 287 J/kgK.
H = RmT1C/g = 287.300.1,85/9,8
= 16253,6 m.
8.3. Efisiensi
Dalam literatur dijumpai tiga jenis efisiensi pada kompresor: efisiensi adiabatik (isentropik),
isotermal dan volumetrik. Untuk kompresor sentrifugal dikenal juga efisiensi politropik. Di sini
disajikan dua saja: efisiensi volumetrik dan adiabatic/politropik.
Volume Perpindahan Torak
Volume perpindahan torak merupakan volume yang dihasilkan torak saat kompresi. Untuk itu
perhatikan gambar berikut:
Gambar 8.8. Langkah torak dan volume perpindahan.
Volume perpindahan ini dapat ditentukan secara mudah melalui luas penampang torak dikali
jarak perpindahan:
2
4.. DSASVp (8.12)
Jika frekuensi torak itu N putaran per menit (rpm), maka volume perpindahan per menit adalah:
123
2
4.. DSNVpn (8.13)
Persamaan ini berlaku untuk kompresor kerja tunggal yang hanya menggunakan satu ruang
(sebelah kiri) seperti tampak pada gambar sebelah kiri di atas, sedangkan untuk kompresor kerja
ganda (sebelah kanan), kompresi terjadi baik di sebelah kanan maupun sebelah kiri torak. Di
sini berlaku:
22
4..
4..2 dNSDNSVp (8.14)
Ini merupakan volume torak teoritis karena yang sesungguhnya tidak demikian. Untuk dapat
melihat hal ini lebih jauh, kita tinjau efisiensi volumetrik.
Efisiensi Volumetrik
Proses kompresi yang terjadi sebenarnya tidaklah seperti yang terjadi pada kompresor ideal
seperti di atas, melainkan seperti tampak pada gambar di bawah. Misalkan torak berawal dari
titik 1 melakukan kompresi secara adiabatik. Ketika tekanan belum melampaui tekanan luar dan
katup, gas masih terus termampatkan. Andaikan di titik 2 ini gas mulai keluar, maka torak terus
melakukan kompresi pada tekanan tetap p2. Ketika torak mencapai titik mati atas, masih ada
volume sisa, karena memang harus ada kelonggaran (clearance) supaya torak tidak menyentuh
bagian atas silinder dan memberi ruang untuk gerak katup. Volume sisa ini, akan mengalami
proses ekspansi seperti tampak dari titik 3 ke 4. Jadi udara luar tidak langsung terisap ketika
torak mulai mundur (turun) karena tekanannya masih lebih tinggi. Gas dalam volume sisa ini
kemudian mengalami ekspansi. Setelah tekanan mencapai p1, barulah gas dari luar terisap. Jadi
massa gas yang sebenarnya dikeluarkan kompresor pada tekanan p2 dari V2 ke V3 sama dengan
gas yang terisap dari posisi 4 ke 1. Efisiensi volumetrik didefinisikan sebagai rasio volume gas
yang diisap pada kondisi masuk, terhadap volume torak yang berpindah.
Gambar 8.9. Kerja kompresor yang sebenarnya.
124
Dari gambar di atas, volume gas yang terisap pada kondisi isap adalah volume di titik 1 (V1)
dikurangi volume di titik 4 (V4). Sedangkan volume yang dihasilkan langkah torak adalah Vs =
V1-Vc. Jadi
cs VVV1
Jika efisiensi volumetrik didefinisikan sebagai rasio volume gas yang diisap pada kondisi
masuk, terhadap volume torak yang berpindah, maka
s
cs
c
vV
VVV
VV
VV 4
1
41 (8.15)
Apabila di sini ekspansi berjalan secara politropik, maka
n
cp
pVV
1
1
24
sehingga
11
1
1
2
1
1
2
n
s
c
n
cs
vp
p
V
Vp
pVV
(8.16)
di sini:
s
c
V
V
Jika efisiensi ini ditabelkan terhadap perbandingan kompresi untuk n = 1,2 diperoleh:
Tabel 8.2. Efisiensi Volumetrik terhadap rasio tekanan.
0,05 0,07 0,09 0,11 0,13
p2/p1 Eff Volumetrik
1 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0
2 96,1 94,5 93,0 91,4 89,8
3 92,5 89,5 86,5 83,5 80,5
4 89,1 84,8 80,4 76,1 71,7
5 85,9 80,2 74,6 68,9 63,3
6 82,7 75,8 68,9 62,0 55,1
7 79,7 71,6 63,4 55,3 47,2
8 76,7 67,4 58,1 48,8 39,5
9 73,8 63,3 52,8 42,4 31,9
10 70,9 59,3 47,7 36,1 24,4
11 68,1 55,4 42,6 29,9 17,1
12 65,3 51,5 37,6 23,8 9,9
Jika diplot akan didapat:
125
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 3 5 7 9
11
Rasio Tekanan
Efis
iensi V
olu
metr
ik
0,05
0,07
0,09
0,11
0,13
Gambar 8.10. Efisiensi Volumetrik
Pada perbandingan kompresi yang rendah, perbedaan efisiensi sebagai fungsi volume clearance
relatif tidak begitu besar, akan tetapi pada perbandingan kompresi yang besar, perbedaannya
mencolok. Jelas bahwa efisiensi menurun drastis pada perbandingan kompresi yang tinggi. Jadi,
supaya pengaruh volume sisa terhadap efisiensi tidak signifikan, sebaiknya perbandingan
kompresi tidak terlalu besar.
Efisiensi Adiabatik
Efisiensi adiabatik dapat ditentukan dari rasio daya adiabatik terhadap daya yang diberikan
penggerak pada poros kompresor:
s
aa
P
P (8.17)
di sini Pa adalah daya adiabatik teoritis dan Ps adalah daya poros (sumbu) yang diberikan mesin
penggerak. Daya adiabatik diperoleh dari kerja kompresor secara adiabatik seperti diuraikan di
muka tiap satuan waktu:
CQpPa 11 (8.18)
di sini digunakan C untuk adiabatik:
11
1
1
2k
k
p
p
k
kC (8.19)
8.4. Peningkatan Efisiensi
Sistem kompresi udara yang digunakan untuk menggerakkan peralatan di industri memegang
peranan yang sangat penting di samping tenaga listrik. Keuntungan alat yang menggunakan
udara tekan ini adalah di samping handal, tidak mudah rusak, juga memiliki kemampuan
126
bertenaga lebih besar (high power) dalam ukuran yang relatif lebih kecil. Akan tetapi sistem
udara tekan ini juga memiliki kelemahan, relatif lebih rendah efisiensinya. Dalam penerapan
industri yang setiap hari menggunakan sistem tersebut, pemborosan ini akan terakumulasi. Oleh
karena itu, efisiensi sistem dalam setiap tahapan harus diperhatikan dan harus diprioritaskan.
8.4.1. Kompresor Bertingkat
Dari pasal tentang efisiensi kita maklum bahwa volume sisa akan menurunkan efisiensi
volumetrik secara signifikan terutama pada rasio pemampatan yang tinggi. Oleh karena itu, agar
kompresor lebih efisien, harus bekerja pada rasio pemampatan yang rendah dan jika dibutuhkan
rasio yang lebih tinggi, harus dibuat bertingkat. Misalnya kita membutuhkan kompresor yang
menghasilkan 8 bar dari tekanan masukan 1 bar. Ini berarti rasio pemampatan 8 kali. Jika kita
memiliki volume sisa 5% saja dari volume langkah torak (Vs) maka efisiensi volumetrik untuk
n=1,2 hanya sekitar 76%. Jika rasio 8 kali ini kita buat bertingkat 3, dengan masing-masing
rasio 2 kali (8=2x2x2), maka tiap tingkat efisiensinya 96,1%, atau secara keseluruhan (0,961)3 =
88,5%. Jadi makin banyak tingkat makin baik.
Menentukan Jumlah Tingkat
Kompresor bertingkat tidak dibuat terpisah tetapi dibuat berdekatan dalam satu rumah. Karena
itulah maka umumnya tiap tingkat terdiri dari impeler yang sama, sehingga memiliki rasio
kompresi dan kapasitas yang sama pula. Dengan demikian, rasio kompresi total merupakan
rasio satu tingkat dipangkat dengan jumlah tingkat:
i
totals
d
setingkats
d
n
setingkats
d
totals
d
P
P
p
p
p
p
P
P (8.20)
Karena kompresor bertingkat merupakan susunan seri, jumlah tingkat dapat ditentukan dari
head tiap tingkat:
setingkat
total
H
Hi (8.21)
Contoh Soal 8.2:
Anda diminta untuk merancang kompresor rotari bertingkat banyak yang akan digunakan untuk
mengkompresi udara (Ri = 287 J/KgK) bertekanan 1 bar (105 Pa) temperatur 20
oC menjadi 2,5
bar dan proses berjalan politropik dengan n=1,3. Jika Qs = 120 m3/mnt, dan kecepatan putar
penggerak 3000 rpm,
a. Tentukan jenis impeler (ns) jika jumlah tingkat dibatasi hanya 3 tingkat saja.
b. Berapa perbandingan tekanan pada tiap tingkat?
Jawaban
a.
Untuk dapat menentukan kecepatan spesifik ns kita harus menghitung head per tingkat dan ini
memerlukan head total yang dihitung dari nilai C total. Pertama kita harus menentukan C total
127
dan dari sini kita dapat menentukan head total. Nilai C untuk head total harus diambil dari rasio
pemampatan total. Untuk n = 1,3 dan rasio pemampatan 2,5 diperoleh:
C=1,02
mg
RTCH total 328,8752
8,9
02,1.293.287
Hsetingkat = 8752,328/3 = 2917,4 m
Dari head untuk satu tingkat ini kita dapat menentukan kecepatan spesifik:
8,82397
954,103000
4,2917
1203000
43
21
43
21
H
Qnns
Dengan demikian impeler yang harus digunakan adalah jenis radial.
b.
Perbandingan tekanan (rasio pemampatan): 2,51/3
= 1,4
Dari rasio pemampatan ini sebenarnya kita dapat menentukan head tiap tingkat dari harga C
(tunggal) untuk rasio tersebut. Dari sini diperoleh C = 0,35.
mg
RTCH setingkat 3003,25
8,9
35,0.293.287
Ada sedikit perbedaan hasil perhitungan sebesar sekitar 85 meter.
8.4.2. Pendinginan
Jika beberapa gas bercampur, maka tekanan totalnya adalah jumlah dari tekanan masing-masing
gas dalam campuran itu. Dalam kasus udara misalnya, maka tekanan total udara merupakan
tekanan udara kering ditambah tekanan uap air dan lainnya. Udara jenuh berarti udara yang
mengandung uap air jenuh (maksimum), yang berarti kandungan udara keringnya minimum.
Ketika kita mengkompresi udara, maka uap air ini mengkondensasi menjadi air dan tentu saja
air ini akan dibuang. Jadi makin banyak kandungan uap air, makin banyak energi terbuang
untuk mengkompresi air tersebut.
Kemudian di depan kita juga maklum bahwa makin tinggi temperatur udara, makin besar
tekanan uapnya dan sebaliknya makin dingin udara, makin banyak uap yang mengembun dan
makin kering. Jadi makin panas udara, makin banyak kandungan uap air dan makin banyak
energi terbuang. Di sinilah pentingnya pendinginan udara sebelum masuk kompresor karena
udara dingin lebih hemat (menguntungkan) dibanding udara panas.
Kedua, dari persamaan kerja kompresor jelas bahwa kerja yang diberikan pada gas sebanding
dengan besarnya temperatur masukan. Makin besar T1 makin besar pula kerja yang dibutuhkan.
Dengan kata lain, dapat kita simpulkan bahwa makin tinggi temperatur, makin besar head,
karena daya berbanding lurus dengan head.
Ketiga, dari sisi proses, kompresi isotermal lebih hemat dari pada proses lainnya. Dengan
demikian, pendinginan yang dapat sedikit mendekati proses isotermal akan lebih menghemat
energi dibanding tanpa pendinginan. Untuk itu kita lihat gambar di bawah:
128
Gambar 8.11. Pendinginan antar stage dan penghematannya.
Dari gambar di atas, tampak proses 1 ke 2 berjalan secara politropik. Dari keadaan dua ini
didinginkan ke keadaan 3 yang merupakan kurva isotermal dari 1 ke 7. Dari titik 3 ke 4
kompresi berjalan politropik juga dan didinginkan ke titik 5 demikian seterusnya sampai tingkat
tiga hingga ke titik 7. Dari gambar sebelah kiri tampak energi yang dihemat yang merupakan
luasan yang diarsis. Luasan ini adalah selisih usaha politropik dikurangi pendekatan isotermal.
Keuntungan lain dari rendahnya temperatur masukan adalah bahwa kompresor itu mengisap gas
sejumlah volume tertentu dan bukannya massa. Jika temperatur rendah, maka massa jenis tinggi
dan pada volume yang sama, massa gas yang terisap lebih besar dari pada gas dengan
temperatur yang lebih tinggi.
Demikianlah maka pendinginan memegang peranan yang penting pada peningkatan efisiensi
atau konservasi energi.
8.4.3. Perlengkapan Penting
Dalam peningkatan efisiensi dan keselamatan, biasanya kompresor dilengkapi dengan beberapa
perlengkapan dan alat-alat pengendalian (kontrol) untuk mengkondisikan udara (gas) dan
mengatur kerja kompresor. Beberapa perlengkapan itu misalnya saringan masuk (intake filter),
pengering, tabung penampung dan katup pengaman.
Saringan
Saringan diperlukan agar udara (gas) yang masuk tidak mengandung debu atau partikel lain
karena hal ini akan mempercepat keausan cincin torak dan silinder. Saringan ini dipasang pada
sisi isap. Karena itu, sebaiknya saringan dibuat cukup besar agar kerugian gesek (pressure drop)
pada saringan tersebut cukup kecil. Saringan harus sering dibersihkan.
Pengering
Telah maklum bahwa kelembaban yang tinggi dapat menambah kebutuhan daya pada
kompresor. Hal lain yang menuntut untuk mengurangi kelembaban adalah karena air yang
terbentuk setelah kompresor dapat mengakibatkan kerusakan pada alat pengguna udara tekan.
Air yang terbentuk akan menyebabkan karat (korosi) atau benturan air. Pengeringan dapat
ditempuh dengan menempatkan kompresor di tempat yang cukup ventilasi karena hal ini akan
mengurangi kelembaban. Kedua, bisa juga dipasang pendingin dan ketiga dengan penyerap uap
air.
129
Dengan pendinginan, uap air akan mengalami kondensasi (mengembun), kemudian air tersebut
dibuang. Di sini perlu diperhatikan bahwa biasanya refrigeran (zat pendingin) yang digunakan
adalah air atau udara. Artinya, titik terendah pendingin ini biasanya berkisar pada 2 oC, sehingga
titik embun udara yang hendak dikeringkan harus di atas temperatur tersebut. Kalau tidak
demikian, tidak akan dicapai kondensasi.
Pendinginan dapat dilakukan dengan menggunakan pengalih panas (heat exchanger) seperti
radiator mobil. Dengan terus mensirkulasikan air yang bersentuhan dengan udara melalui
pengalih panas, maka panas dari udara dialihkan ke air dan air ini selanjutnya disemprotkan di
dalam menara pendingin. Jika digunakan pendingin udara, udara hasil kompresi yang diputar di
dalam pengalih panas, terus dikipasi sehingga menjadi lebih dingin. Jika pendinginan ini
mencapai titik embun (dew point) maka uap air akan mengembun.
Penyerapan uap air (adsorpsi) biasanya menggunakan zat penyerap (desikan, desiccant).
Pengeringan cara ini utamanya digunakan pada udara dengan titik embun yang sangat rendah
(sampai di bawah – 40 oC). Karena menyerap uap, maka desikan akan jenuh dan pada keadaan
ini sudah tidak dapat menyerap uap air lagi. Oleh karena itu desikan harus dikeringkan dengan
cara dipanaskan agar uap air yang dikandungnya lepas menguap. Jadi harus ada desikan dengan
jumlah ganda agar jika sebagian dipakai, sebagian lagi dikeringkan untuk digunakan secara
bergiliran.
Katup Pengaman
Katup pengaman dimaksudkan untuk mencegah pecahnya komponen yang bertekanan tinggi
(meledak) akibat adanya sumbatan. Dengan katup pengaman, gas akan terbuang jika tekanan
melampaui titik maksimum. Pembuangan akan menyebabkan tekanan turun dan ledakan dapat
dihindari.
Tekanan buka katup biasanya sekitar 20% di atas tekanan normal maksimum (tekanan kerja).
Sebaliknya, katup pun harus secara tepat menutup kembali pada saat tekanan mendekati tekanan
maksimum ini. Jika tidak, gas akan terus terbuang sampai tekanan jauh di bawah maksimum,
sehingga ada pemborosan.
Tangki Udara
Tangki udara atau biasa juga disebut receiver, dimaksudkan untuk menampung udara agar bisa
lebih leluasa dalam pemakaian. Jika kapasitas tabung besar, maka kompresor tidak sering
hidup-mati untuk mencatu udara. Tabung juga dapat mengurangi fluktuasi tekanan keluaran
karena berfungsi juga sebagai peredam. Fungsi lain dari tabung ini adalah untuk pemisah air dan
udara jika udara yang diisap masih basah. Dalam kasus ini, uap air di dalam udara akan
mengalami kondensasi dan tertampung di dasar tabung. Oleh karena itu, di sini diperlukan katup
drainase untuk membuang air yang makin banyak tertampung.
8.4.4. Peluang Efisiensi Lainnya
Kompresor merupakan alat yang rendah efisiensinya. Oleh karena itu beberapa hal berikut juga
harus diperhatikan untuk menghemat energi:
130
Penggunaan Alat Alternatif
Jika ada cara lain untuk melakukan suatu pekerjaan, jangan gunakan udara tekan untuk hal itu
misalnya, penggunaan kipas untuk pengeringan, pendinginan udara sekitar dan lainnya.
Penggunaan kuas atau sikat untuk membersihkan kotoran.
Mencegah Kebocoran dan Berlebihan
Kebocoran dan pengaturan tekanan yang tidak tepat dapat mengurangi kapasitas daya
separuhnya atau bahkan lebih. Selain itu, gunakan peralatan yang efisien. Biasanya alat yang
sudah tua kurang efisien. Perhatikan jalur udara tekan karena jalur pemipaan yang rumit kurang
efisien karena menimbulkan kerugian tekanan. Kurangi sedapat mungkin jalur udara, pemipaan
dan slang, agar memperkecil peluang kebocoran sistem.
Demikian pula penggunaan udara tekan yang berlebihan dapat menghabiskan energi secara
percuma dan harus dihindari. Tekanan kerja juga harus diatur agar tidak terlalu berlebihan, jauh
di atas tekanan yang diperlukan.
Pemanfaatan Panas
Panas yang timbul akibat kompresi dapat dimanfaatkan untuk keperluan lain seperti
memanaskan air, atau memanaskan ruangan di musim dingin atau lainnya.
8.5. Pengaturan Kapasitas
Kebutuhan akan udara tekan tidaklah tetap. Suatu saat tinggi dan pada waktu yang lain rendah.
Di pihak lain, kompresor terus bekerja mencatu udara tekan. Pada waktu kebutuhan rendah,
tekanan udara di dalam penampung akan terus naik sehingga harus ada cara untuk membatasi
kapasitas kompresor agar tidak melampaui tekanan maksimum. Ada beberapa cara untuk
mengatur kapasitas yang dapat digolongkan dalam:
Pengaturan on/off atau start/stop.
Pembebanan/Pelepasan Beban.
Modulasi/Throttle Isap.
Multi step: Pelepasan beban dilakukan secara bertahap, sedikit demi sedikit, tidak
langsung ke beban nol atau sebaliknya, pembebanan pun dilakukan secara bertahap.
Jika kasusnya melibatkan banyak kompresor, pengaturan biasanya dilakukan secara
menyeluruh dan terpadu.
Pengaturan on/off.
Kompresor dinyalakan jika tekanan rendah dan dimatikan kalau sudah tinggi. Untuk itu
biasanya digunakan saklar tekanan (pressure switch) pada pengaturan otomatis. Cara ini
biasanya diterapkan pada kompresor daya kecil dengan penggerak motor listrik. Pada
kompresor dengan penggerak motor bakar/diesel lazim juga dengan cara manual. Mesin
penggerak dinyalakan dengan diengkol (diputar) dan dimatikan dengan menutup saluran bahan
bakar.
131
Pembebanan dan Pelepasan Beban.
Dalam cara ini, kompresor terus bekerja, tetapi jika tekanan sudah tinggi, udara dilepas
(dibuang) melalui pembukaan katup isap, tidak didorong ke tangki penerima. Jadi pada saat
pelepasan beban (unloading), katup isap terus terbuka. Cara ini biasanya diterapkan pada
kompresor torak daya besar dan/atau penggerak motor bakar/diesel. Berikut ini contoh sistem
pelepasan beban pada kompresor torak:
Gambar 8.12. Pelepasan Beban.
Modulasi/Throttle
Pengaturan kapasitas di sini dilaksanakan dengan mengatur volume (luas) lubang masukan
(inlet). Jika kebutuhan menurun, masukan dipersempit dan sebaliknya. Pengaturan dapat
berjalan otomatis dengan penggunaan katup yang mendeteksi tekanan keluaran. Jika tekanan
mendekati maksimum, katup membuka dan menyebabkan katup di sisi isap menyempit. Cara
ini digunakan pada kompresor sekrup (ulir) dan sentrifugal.
Cara modulasi juga bisa diwujudkan dengan mengatur kecepatan putar.
8.6. Pengendalian Surjing
Permasalahan besar dalam kompresor sentrifugal adalah surging. Surging merupakan gejala
ketidakstabilan (instability). Jika ini terjadi, tekanan di dalam kompresor berfluktuasi sangat
besar demikian juga aliran. Bahkan bisa terjadi aliran balik. Surging dapat mengakibatkan
penurunan efisiensi secara drastis dan dapat menimbulkan kerusakan mesin akibat fluktuasi
tadi. Oleh karena itu surging harus dihindari. Dalam pasal ini akan disinggung sedikit
pengenalan dan pengendalian surging.
8.6.1. Gejala Surjing
Pada keadaan normal, jika kapasitas diperbesar, maka head menurun. Demikian pula jika
terkena gangguan, baik berupa penurunan atau kenaikan kapasitas, kompresor akan kembali
bekerja pada titik normal. Untuk kembali ke titik normal, diperlukan penurunan kapasitas dan
kenaikan head atau sebaliknya kenaikan kapasitas tetapi penurunan head. Dalam kasus ini
kompresor stabil. Akan tetapi jika berada pada daerah tidak stabil, penurunan kapasitas juga
132
diiringi penurunan head. Di sini kompresor sulit kembali ke titik normal karena dari daerah
tersebut diperlukan kenaikan head dan kapasitas secara bersamaan. Batas daerah stabil dan tidak
stabil dikenal sebagai titik surjing. Jika titik-titik surjing ini kita hubungkan untuk tiap kurva
karakteristik kompresor (untuk tiap kecepatan), diperoleh garis surjing seperti tampak pada
gambar di bawah:
Gambar 8.13. Batas Surjing.
8.6.2. Mekanisme Surjing
Untuk dapat memahami bagaimana surjing terjadi perhatikan gambar berikut [18]:
Gambar 8.14. Mekanisme Surjing.
Pertama kita berasumsi bahwa kompresor bekerja pada kecepatan yang tetap karena dengan
kelembaman (inersia) kompresor akan membutuhkan waktu untuk berubah kecepatan. Jadi
dalam mekanisme terjadinya surjing, kecepatan bisa dianggap tetap.
Sekarang anggap kompresor sedang bekerja pada titik A sebagai keadaan tunak (steady state).
Dari sini tiba-tiba ada penurunan kebutuhan gas secara mendadak yang dirasakan sebagai
kenaikan head bagi kompresor akibat kecepatan yang tetap tadi. Karena kecepatan tetap,
kompresor tidak dapat menjaga kapasitas yang tetap sehingga titik kerja kompresor bergerak ke
kiri ke arah B (belum mencapai B). Kapasitas menurun, diiringi kenaikan head.
Andaikan kebutuhan gas tadi terus berkurang lagi, maka head tertinggi yang bisa dicapai
kompresor adalah titik B (titik surjing) karena kecepatan tetap. Kapasitas aliran di sini
merupakan kapasitas terendah yang sanggup bagi kompresor untuk tetap bisa mencengkeram
gas yang dikompresi, karena di bawah titik tersebut, penurunan kebutuhan gas tidak akan
menyebabkan kenaikan head. Akibatnya, impeler seakan lepas hubungan dengan gas yang
didorongnya. Dalam waktu singkat, gas dan impeler hanya berputar seperti perputaran roda
133
mobil ketika skid (roda berputar tetapi mobil tidak bergerak) atau seperti sayap pesawat terbang
yang mengalami stall. Jadi impeler sudah tidak berfungsi sebagai impeler lagi.
Begitu beban di jalur pipa terus menurun, maka kapasitas aliran menuju nol, di titik C. Akan
tetapi tidak terus berada di sini. Karena gas antara kompresor dan katup cegah bertekanan
tinggi, gas ini mengalir mundur sehingga menghasilkan aliran negatif. Titik kerja kompresor
loncat dari C ke D. Aliran negatif ini terus berkurang dan demikian pula head, menurun menuju
titik E. Dari sini impeler kembali terbebani sehingga aliran kembali timbul dan titik kerja
kompresor bergeser ke titik F. Jika aliran tetap rendah di bawah titik surjing, proses ini akan
terus berulang dalam periode yang singkat (sekitar satu detik). Karena tekanan berfluktuasi,
kompresor pun berfluktuasi secara hebat.
8.6.3. Pencegahan Surjing
Banyak metode digunakan untuk mencegah surjing akan tetapi pada prinsipnya sama yaitu
mengontrol titik kerja kompresor sedemikian sehingga tidak sampai pada titik surjing. Jika
mendekati titik surjing, maka tekanan keluaran diturunkan dengan membuang gas (blow off)
atau dengan resirkulasi (mencatu gas keluaran kembali ke masukan). Keduanya melalui katup
yang dikendalikan secara otomatis.
Penentuan kedekatan terhadap titik surjing berpengaruh pada performansi total. Jika terlalu
dekat, bisa beresiko masuk surjing sebelum sempat ditangani pengendali atau memang karena
respon sistem pengendali masih terlalu lamban. Tetapi sebaliknya jika terlalu jauh, sistem akan
lebih sering mengalami blow off atau resirkulasi sehingga lebih banyak energi terbuang atau
efisiensi jadi lebih rendah. Nilai kedekatan didefinisikan sebagai titik kendali yang biasanya
dipilih antara 7 sampai 8 persen dari kapasitas aliran surjing pada kecepatan yang bersangkutan.
Jika kapasitas pada titik surjing q m3/mnt, maka jika kapasitas 107% q, sistem melakukan blow
off atau resirkulasi. Lokus titik-titik kendali untuk berbagai kecepatan ini membentuk garis
kendali surjing (surge control line, SCL) dan daerah antara garis surjing dengan garis kendali
surjing disebut daerah blow off (blow off zone) atau daerah resirkulasi (recirculation zone),
seperti tampak pada gambar di bawah:
Gambar 8.15. Garis Kendali Surjing.
Dengan prinsip pengendalian surjing seperti di atas, maka pengendali surjing membutuhkan
data tekanan (head tekanan) antara keluaran terhadap masukan. Jika masukan kompresor
terbuka ke atmosfir, maka cukup dengan mendeteksi tekanan keluaran. Data kedua tentunya
adalah kapasitas masukan yang diukur melalui pengukuran tekanan pada orifice atau cara lain.
Sedangkan yang ketiga adalah kecepatan putar kompresor. Keluaran dari pengendali surjing
134
adalah data pengendalian untuk mengendalikan katup blow off atau katup resirkulasi (disebut
juga sebagai katup anti surjing). Berikut ini contoh diagram pengendali anti surjing dengan
resirkulasi:
Gambar 8.16. Pengendali (anti) Surjing.
Pada gambar di atas, sinyal Q merupakan data kapasitas aliran, N adalah data kecepatan putar, H
merupakan data head keluaran terhadap masukan. Sedangkan sinyal act adalah sinyal untuk
mengatur posisi katup anti surjing sedangkan sinyal pos digunakan untuk membaca data posisi
katup. Lingkaran bertanda p adalah transduser (sensor pengukur dan pengubah) tekanan dan
mengubah besaran tekanan ke sinyal listrik yang dikirim ke pengendali. Katup anti surjing harus
dilengkapi dengan penggerak (aktuator) untuk mengatur pembukaan dan penutupan katup serta
ada transduser posisi katup.
8.7. Pemilihan
Dalam suatu aplikasi, kita akan berhadapan pada pemilihan apakah akan menggunakan
kompresor torak (resiprokal) atau sentrifugal (aksial). Di sini akan disajikan perbandingan
keduanya yang diambil dari [20] untuk dapat memberikan gambaran agar dapat menjadi bahan
pertimbangan dalam memilih kompresor. Untuk lebih mudah pembacaan disajikan dalam tabel
seperti berikut:
Tabel 8.3. Perbandingan Kompresor Resiprokal dan Sentrifugal.
Faktor Resiprokal Sentrifugal
Tekanan Keluar Kompresor tertentu digunakan
untuk tekanan sampai 828 bar.
Kompresor tekanan sangat tinggi
(hiper kompresor) untuk gas ringan
bertekanan sampai 3500 bar
Digunakan pada tekanan 100
sampai 1000 bar.
Tekanan masukan
minimum
Dapat digunakan untuk tekanan
sedikit vakum (sub atmosfir)
Dapat digunakan untuk tekanan
vakum (sub atmosfir)
Temperatur
keluaran
Temperatur keluaran tergantung
pada penerapan. Untuk gas yang
Temperatur bisa mencapai 204
sampai 232 C. Pada temperatur
135
Faktor Resiprokal Sentrifugal
maksimum kaya hidrogen bisa sampai 135 C
dan untuk gas bisa sampai 175 C.
Meskipun dalam banyak kasus
sampai 149 C tetapi kompresor
udara bisa mencapai 204 C
yang tinggi perlu disain khusus
serta pemilihan bahan yang tepat.
Temperatur
masukan minimum
Untuk bahan silinder yang lazim
digunakan, bisa diterapkan untuk
temperatur -40 C yang biasa
dijumpai pada sistem pendingin.
Untuk pendinginan gas alam, bisa
mencapai -162 C.
Kompresor standar bisa digunakan
sampai pada -46 C. Untuk aplikasi
gas alam, dengan bahan khusus,
bisa mencapai -171 C.
Kapasitas
maksimum
Kapasitas maksimum resiprokal
dibatasi ukuran silinder,
perpindahan dan kecepatan
penggerak.
Kapasitas masukan maksimum
kompresor sentrifugal bisa
mencapai 680.000 m3/jam.
Kapasitas
minimum
Kompresor mini banyak dijumpai
dengan kapasitas yang rendah
Kapasitas minimum kompresor
sentrifugal dibatasi masalah surjing
Rentang kapasitas Bisa dioperasikan pada kapasitas 20
sampai 100 persen dengan
pengaturan kecepatan, atau lainnya.
Pengaturan kapasitas harus
memperhatikan surjing.
Berat Berbagai berat dengan berbagai
jenis. Akan tetapi perbandingan
berat terhadap daya, kompresor
sentrifugal lebih ringan
Lebih ringan untuk daya yang
sama.
Ukuran Ukuran dan berat kompresor
resiprokal bergantung pada ukuran
silinder dan perpindahan. Jika
kecepatan tinggi, perpindahan kecil
dan sebaliknya. Makin rendah
kecepatan, makin besar stroke dan
makin besar ukurannya
Ukuran bergantung pada kapasitas.
Kehandalan Karena kompresor resiprokal lebih
banyak komponen (spare part),
kehandalannya lebih rendah. Lebih
banyak komponen yang bergesekan
dan lebih sering memerlukan
penggantian. Katup isap dan katup
buang, meskipun sederhana, perlu
sering pemeliharaan. Gas harus
lebih bersih.
Kehandalan kompresor ini bisa
mencapai 98-99 persen.
Interval Berkaitan dengan kehandalan, perlu Menurut API 617 (2002),
136
Faktor Resiprokal Sentrifugal
pemeliharaan lebih sering dalam pemeliharaan kompresor ini bisa digunakan
setidaknya 5 tahun. Untuk gas
bersih bisa 10 tahun.
Berat Molekul Gas Hampir tidak ada batasan dalam
berat molekul gas yang dikompresi.
Perbandingan kompresi tergantung
berat molekul
Perbandingan
Kompresi
Berkisar antara 1,2 sampai 4,0. Perbandingan kompresi tergantung
berat molekul dan lainnya.
Bahan Lazim dijumpai dengan bahan besi,
baja karbon, alloy, stainless.
Pemilihan bahan bergantung pada
temperatur kerja, tekanan dan sifat
gas (korosif, erosif).
Lazim dijumpai dengan bahan baja
karbon, alloy, stainless. Pemilihan
bahan bergantung pada temperatur
kerja, tekanan dan sifat gas
(korosif, erosif).
Efisiensi Efisiensi sangat bervariasi 60-90%.
Karakteristik efisiensi (adiabatik)
bergantung perbandingan kompresi.
Jika perbandingan kompresi
rendah, efisiensi rendah.
Efisiensi politropik biasa
digunakan pada kompresor
sentrifugal. Efisiensi berkisar
antara 70-85 persen.
Biaya Biaya investasi (capital) rendah
tetapi biaya operasi tinggi. Biaya
investasi rendah karena komponen
sederhana, biaya pembuatan murah.
Biaya operasional tinggi karena
membutuhkan lebih banyak
pemeliharaan.
Berkebalikan dengan kompresor
resiprokal karena pembuatan
impeler berbiaya tinggi.
Daya Berkisar antara 7,5 KW sampai 9,0
MW.
Berkisar antara 75 KW sampai 97
MW.
Waktu Instalasi
dan kerumitan
Beberapa hari sampai 2 pekan Bisa 2 sampai 3 pekan. Untuk yang
besar bisa sampai 6 pekan.
Faktor-faktor di atas dapat juga dijadikan sebagai bahan pertimbangan disain. Misalnya
temperatur keluaran yang tinggi membutuhkan bahan yang khusus yang tahan pada temperatur
kerja tersebut.
137
9. Keselamatan dan Pemeliharaan
Berikut ini disajikan beberapa hal yang perlu diperhatikan berkaitan dengan keselamatan dan
pemeliharaan. Pemeliharaan ini sangat penting karena berhubungan dengan keselamatan,
efisiensi dan kehandalan.
9.1. Keselamatan
Berbeda dengan pompa, kompresor umumnya bekerja pada tekanan tinggi. Oleh karena itu,
kompresor lebih kritis dalam hal keselamatan dibanding pompa. Dalam pasal ini disinggung
sedikit tentang langkah-langkah pencegahan bahaya terutama pada sistem udara tekan.
Semua pipa, slang dan sambungan-sambungan harus yang mampu bekerja pada tekanan
kerja maksimum. Biasanya pada alat-alat untuk udara bertekanan tercantum tekanan
maksimumnya.
Pasanglah katup penutup catu udara dan letakkan sedekat mungkin dengan titik kerja agar
mudah dijangkau pekerja.
Slang atau pipa-pipa jangan dibiarkan mengganggu lintasan orang karena bisa
menyebabkan orang tersangkut dan jatuh. Kalau bisa, pemipaan dipasang di atas dan lebih
baik terlindungi agar terhindar dari kerusakan.
Ujung slang harus aman dan terhindar dari berlarian ke mana-mana kalau terjadi putus
slang.
Alat-alat pneumatik, jangan pernah diarahkan ke manusia.
Sebelum alat-alat pneumatik dilepas, tutup dulu katup penutupnya, kecuali kalau dapat
menutup secara otomatis.
Gunakan alat pelindung seperti kaca mata pelindung jika menggunakan udara tekan untuk
membersihkan sesuatu.
Terkadang bisa muncul listrik statik pada alat-alat pneumatik. Jika bekerja pada/dekat zat
yang mudah terbakar, gunakan kabel grounding dengan baik.
Hanya orang yang berkualifikasi yang diperbolehkan untuk memperbaiki semua peralatan
dalam sistem.
Jika menggunakan penggerak berbahan bakar bensin atau solar, sebaiknya jangan
ditempatkan pada tempat tertutup (indoor).
Selain itu, kita juga harus memberi perhatian khusus pada beberapa alat yang merupakan bagian
dari sistem. Semua prosedur kerja harus dilakukan sesuai standar.
138
Tangki Penampung Udara
Jangan memberi tekanan kerja melebihi tekanan maksimum yang diperbolehkan kecuali
pada saat diuji coba. Gunakan tangki yang sudah teruji dan diakui kekuatannya. Tangki
yang sudah dipakai jangan diganti atau diubah begitu saja terutama oleh orang yang tidak
berwenang.
Tangki juga harus dilengkapi dengan kran buang yang dipasang di bawah untuk membuang
air yang timbul akibat kompresi. Dalam hal ini, tangki harus sering dikeringkan (drainase)
bahkan lebih baik lagi jika menggunakan pembuka otomatis. Perlengkapan lain yang
penting adalah adanya minimal satu pengukur tekanan dan katup pengaman untuk
mencegah tangki dari bertekanan lebih besar dari tekanan maksimum.
Tangki harus dipasang sedemikian agar mudah diinspeksi secara menyeluruh. Jangan
sampai dipasang di tempat yang sulit dijangkau atau dikubur. Inspeksi terhadap kerusakan
atau kebocoran harus sering dilakukan.
Pipa Distribusi Udara
Pemipaan harus terdiri dari alat yang bermutu tinggi dan harus dipasang dengan fitting yang
kokoh. Hanya fitting standar yang boleh digunakan karena kalau tidak bisa berbahaya.
Hindari pelipatan atau pengusutan slang karena dapat menimbulkan kebocoran dan putus.
Pemasangan pipa pada titik keluaran (outlet) harus diperiksa kekuatannya sebelum dipakai.
Pemipaan juga harus sering diperiksa sehingga dapat menjamin tidak adanya kebocoran
atau kerusakan.
Alat Perlengkapan
Regulator, katup dan alat ukur harus dipasang sedemikian sehingga tidak dapat
sembarangan atau dengan mudah atau tidak sengaja dimatikan fungsinya.
Katup pengaman pada tangki harus diset tidak kurang dari 15 psi atau 10 persen (mana yang
lebih besar) di atas tekanan kerja kompresor tetapi tidak pernah lebih besar dari tekanan
kerja tangki.
Jalur antara kompresor dan tangki jangan pernah dipasang katup pengatur (penutup). Jika
memang harus ada, gunakan katup pengaman berstandar di antara kompresor dan katup
penutup tadi. Katup pengaman ini harus diset agar membuka (blow off) pada tekanan
sedikit di atas tekanan yang diperlukan untuk membuka katup pengaman pada tangki.
Temperatur kerja di sekitar peralatan harus diperhatikan terutama pada titik beku air sekitar
katup pengaman. Hal ini dapat menyumbat dan mencegah udara keluar.
Pasang pengukur tekanan untuk memantau bagian-bagian yang sekiranya dapat tersumbat
terutama saringan. Jika tekanan jatuhnya (pressure drop) tinggi, berarti sudah harus
dibersihkan.
Pengoperasian Alat
Peralatan hanya boleh dioperasikan oleh orang yang terlatih dan berwenang.
Udara masukan harus berasal dari tempat yang bersih, segar dan teduh. Gunakan kasa atau
saringan yang baik.
139
Seharusnya kompresor tidak dioperasikan pada kecepatan putar yang melebihi anjuran
pabrik.
Perhatikan temperatur kompresor, jangan sampai timbul panas berlebihan.
Bagian yang bergerak atau berputar harus dilindungi dari jangkauan manusia.
Jangan gunakan udara tekan untuk hal-hal yang bisa dilakukan alat lain karena efisiensi
kompresor relatif rendah.
9.2. Pemeliharaan Rutin
Kompresor jangan dilumasi secara berlebihan.
Gunakan air sabun untuk membersihkan bagian kompresor dari jelaga (arang). Jangan
gunakan minyak tanah atau bahan yang mudah terbakar.
Selama pemeliharaan, matikan saklar atau bahkan putuskan hubungan listrik agar tidak
terjadi sengatan dan kompresor tidak mengalami start secara tidak sengaja.
Bersihkan secara teratur sistem-sistem yang dilalui udara. Kotoran yang sedikit menyumbat
akan mengurangi efisiensi.
Jaga agar katup-katup selalu dalam kondisi baik dengan sering memeriksanya setiap 6 bulan
sekali. Kebocoran katup akan sangat merugikan.
Bersihkan sistem pendingin secara teratur karena jika tidak efektif, akan sangat merugikan.
Catatlah setiap kali pembacaan data dari alat ukur, jika suatu saat ada perbedaan mencolok,
periksa kemungkinan yang terjadi. Cegahlah sesegera mungkin jika bisa menimbulkan
bahaya.
Periksa secara teratur jalur pemipaan atau lainnya terhadap kebocoran. Segera ambil
tindakan jika ada.
Buatlah daftar dan jadwal pemeliharaan agar dapat diketahui kapan suatu bagian harus
diperiksa, atau suatu komponen harus diganti. Jika sudah harus diganti karena sudah
mencapai umur layak pakai komponen, sebaiknya diganti meskipun masih bisa bekerja. Ini
terutama untuk komponen yang kritis seperti katup pengaman pada sisi keluaran.
Berikut ini beberapa check list yang penting dalam pemeliharaan baik dari segi efisiensi
maupun keselamatan.
Tabel 9.4. Check list Pemeliharaan dan Keselamatan.
Pemeriksaan Ya Tidak Komentar/Tindakan
Apakah kompresor dilengkapi dengan katup pelepas
tekanan dan alat ukur tekanan?
Apakah masukan kompresor dilengkapi saringan yang
menjamin kebersihan udara masuk?
Apakah kompresor dilumasi sesuai dengan rekomendasi
pabrik?
Apakah alat-alat keselamatan sering diperiksa?
140
Pemeriksaan Ya Tidak Komentar/Tindakan
Sebelum dilakukan reparasi pada sistem bertekanan,
apakah terlebih dahulu tekanannya dilepas dan sistem
terkunci sehingga tidak mungkin dijalankan tanpa
sengaja?
Adakah tanda yang menempel yang dapat memperingati
seseorang kalau kompresor jalan secara otomatis?
Pada sistem penggerak dengan sabuk, adakah pelindung
dari depan, belakang dan samping?
Apakah ada larangan keras untuk mengarahkan udara
yang terkompresi kepada seseorang?
Apakah pegawai dilarang untuk menggunakan udara
bertekanan tinggi untuk bebersih?
Jika digunakan untuk membersihkan pakaian/kain,
apakah tekanan keluarnya diturunkan hingga 10 psig?
Jika digunakan untuk bebersih, apakah pegawai
diharuskan untuk mengenakan pelindung?
141
Daftar Pustaka
1. Dietzel, F.; Sriyono, D.; Turbin Pompa dan Kompresor; Penerbit Erlangga; Jakarta; 1996.
2. Sularso; Tahara, H.; Pompa dan Kompresor, Pemilihan, Pemakaian dan Pemeliharaan; PT
Pradnya Paramita; Jakarta; 1983.
3. Syska, R.E.; Pump Engineering Manual; The Durion Company, Inc. Dayton; 1980.
4. Fox, R.W; McDonald A.T.; Introduction to Fluid Mechanic; John Wiley and Sons.
5. Sushkov, V.V.; Technical Thermodynamics; Peace Publishers, Moscow.
6. Chaurette, J.; “More on What is Cavitation?”; Fluide Design Inc.; 2003; dari
http://www.fluidedesign.com.
7. http://www.owlnet.rice.edu
8. http://www.LMNOeng.com
9. http://www.pipeflow.co.uk
10. http://www.thermexcel.com
11. http://www.pdhengineer.com
12. http://www.goulds.com
13. http://www.fluidedesign.com
14. http://www.the-engineering-page.com
15. http://www.theengineeringtoolbox.com
16. Chaurette, J.; “The Influence of Specific Gravity on Total Head”; Fluide Design Inc.; 2005;
dari http://www.fluidedesign.com.
17. http://www.pumps.org.
18. Jacoby, R.; “When to use a positive displacement pump”; Viking Pump.
19. Livingston, D.; “Design innovations offered in Compressor Surge-Relieve Valve”; Pipe
Line and Gas Industry, 2000.
20. White, R.C.; Kurz, R.; “Surge Avoidance for Compressor Systems”; Proceedings of the
thirty-fifth Turbomachinery Symposium; 2006.
21. Gallick, P., Phillippi, G.; Williams, B.F.; “What’s correct for my apllication – a centrifugal
or reciprocating compressor?”; Proceedings of the thirty-fifth Turbomachinery
Symposium; 2006.