pompa sentrifugal

Deteksi Instalasi Pompa Sentrifugal terhadap Gejala Kavitasi (Theodorus Bayu Hanandoko)

DETEKSI INSTALASI POMPA SENTRIFUGAL TERHADAP GEJALA KAVITASITheodorus Bayu Hanandoko

ABSTRACT

Besides calculate the strength of component material, in designing centrifugal pumpengineer should have capability in detecting the system from the danger of cavitation, a major problem in pumping industry. By knowing the signs of cavitation, and correctly identifying and understanding the sum and the methods of avoiding cavitation, we can guarantee the stability of the operation pump designed.

1. PENDAHULUAN Pompa sebagai salah satu mesin aliran fluida hidrolik pada dasarnya digunakan untuk memindahkan fluida tak mampat (incompressible fluids) dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan fluida yang dipindahkan tersebut. Pompa akan memberikan energi mekanis pada fluida kerjanya, dan energi yang diterima fluida digunakan untuk menaikkan tekanan dan melawan tahanan-tahanan yang terdapat pada saluran-saluran instalasi pompa. Pompa sentrifugal sebagai salah satu jenis pompa yang banyak dijumpai dalam industri bekerja dengan prinsip putaran impeler sebagai elemen pemindah fluida yang digerakkan oleh suatu penggerak mula. Zat cair yang berada di dalam akan berputar akibat dorongan sudu-sudu dan menimbulkan gaya sentrifugal yang menyebabkan cairan mengalir dari tengah impeler dan keluar melalui saluran di antara sudu-sudu dan meninggalkan impeler dengan kecepatan tinggi. Cairan dengan kecepatan tinggi ini dilewatkan saluran yang penampangnya makin membesar (diffuser) sehingga terjadi perubahan head (tinggi tekan) kecepatan menjadi head tekanan. Setelah cairan dilemparkan oleh impeler, ruang di antara sudu-sudu menjadi vacuum, menyebabkan cairan akan terhisap masuk sehingga terjadi proses pengisapan. Mengingat luasnya aplikasi penggunaan pompa sentrifugal di mana sebagian besar memerlukan stabilitas yang tinggi dan performansi yang dapat diandalkan, maka perencanaan komponen penyusun dan pemeriksaan instalasinya harus dilakukan dengan teliti dan dapat diandalkan. Turunnya performansi pompa secara tiba-tiba dan ketidakstabilan dalam operasi sering menjadi masalah yang serius dan mengganggu kinerja sistem secara keseluruhan. Salah satu indikasi penyebab turunnya performansi pompa adalah apa yang dikenal sebagai peristiwa kavitasi (cavitation), dan menjadi ancaman serius pada pengoperasian pompa sentrifugal. 2. FENOMENA KAVITASI : PROSES DAN EFEK YANG DITIMBULKAN Kavitasi dikenal sebagai masalah terbesar dalam operasi pompa sentrifugal. Oleh karena itu penting untuk diperhatikan proses terjadinya kavitasi, gejala-gejala yang muncul, dan bagianbagian pompa yang rentan terhadap kerusakan akibat kavitasi ini.15

Jurnal Teknologi Industri Vol. IV No. 1 Januari 2000 : 15 - 22

Kavitasi terjadi bila tekanan fluida pada saat memasuki pompa turun hingga di bawah tekanan uap jenuhnya (pada temperatur lingkungan), gelembung-gelembung uap kecil akan mulai terbentuk. Gelembung-gelembung uap ini akan terbawa oleh aliran fluida dan masuk pada daerah yang bertekanan lebih tinggi, sehingga gelembung akan pecah dan menimbulkan suara berisik dan getaran. Selain itu performansi pompa akan turun secara tiba-tiba sehingga pompa tidak dapat beroperasi dengan baik. Jika pompa dijalankan dalam keadaaan kavitasi secara terusmenerus dalam jangka waktu lama, maka permukaan dinding saluran di sekitar aliran akan termakan sehingga menjadi berlubang-lubang. Peristiwa ini yang dinamakan erosi kavitasi, sebagai akibat tumbukan gelembung-gelembung uap yang pecah pada dinding secara terusmenerus.

Gambar 1. Penurunan Tekanan pada Pompa Sentrifugal

Bagianbagian yang sering terkena kavitasi adalah sudu-sudu impeler dan difuser dan juga bagian dalam dinding rumah pompa. Pada pompa diagonal dan pompa aksial (propeller16


pumps), kavitasi terjadi pada sudu impeler dekat sisi masuk, pada bagian dalam dari dinding rumah pompa, dan pada sisi masuk sudu difuser. Penurunan tekanan pada umumnya disebabkan oleh beberapa hal, antara lain : a. Kenaikan gaya angkat statis (static lift) dari pompa sentrifugal b. Penurunan tekanan atmosfer seiring dengan bertambahnya ketinggian/elevasi c. Penurunan tekanan absolut sistem, seperti dijumpai pada pemompaan fluida dari tabung vakum. d. Kenaikan temperatur fluida yang dipompa. Secara umum dapat disimpulkan bahwa terjadinya kavitasi akan mengakibatkan beberapa kerugian sebagai berikut : a. Penurunan head dan kapasitas pemompaan b. Penurunan efisiensi pompa c. Pecahnya gelembung-gelembung uap saat melalui daerah yang bertekanan lebih tinggi akan menyebabkan suara berisik, getaran dan kerusakan pada beberapa komponen terutama impeler dan difuser. 3. HEAD TOTAL POMPA DAN PARAMETER PENCEGAHAN KAVITASI Dalam perancangan pompa sentrifugal, selain kapasitas pemompaan, jenis fluida yang dipompa, dan kecepatan spesifik pompa, data lain yang diperlukan adalah besarnya tinggi tekan (head) total pompa. Untuk instalasi yang sudah direncanakan, head total pompa (H) dapat dihitung berdasarkan persamaan :

H = Head statis + Head dinamis v2 = (ha + h p ) + (hL + d ) 2g

.. (1)

Di mana : ha = perbedaan tinggi antara muka air sisi keluar dan sisi isap (m) Tanda (+) dipakai apabila muka air sisi keluar lebih tinggi daripada sisi isap. hp = perbedaan head tekanan yang bekerja pada kedua permukaan air (m) = hL

P2 P 1

= berbagai head kerugian (losses) pada pipa, katup, belokan, sambungan, dll. (m) = hL suction + hL discharge

2 vd = head kecepatan keluar (m) 2g

Besarnya head kerugian pada sisi isap dan sisi tekan ini dapat ditentukan melalui persamaan :

L.v 2 hL = f 2 g .d Di mana : f L v d = = = =

v2 + K. 2g

.. (2)

koefisien gesekan pipa saluran panjang pipa kecepatan aliran fluida di dalam pipa diameter pipa17


K v2/2g g

= koefisien tahanan fitting (katup, belokan, dsb.) = head kecepatan masuk/keluar = percepatan gravitasi

Faktor f (koefisien gesekan pipa) besarnya sangat tergantung dari jenis/pola aliran fluida pada saluran yang bersangkutan (aliran laminar atau turbulen). Kedua macam aliran ini dapat diketahui dengan menggunakan parameter Reynold Number (Re). Reynold Number :

Re = f =

v.D di mana = viskositas kinematik aliran .. (3)

Jika Re4000, maka aliran adalah turbulen, dan :

f = 0.020 +

(Formula Darcy)

.. (4)

Besarnya koefisien tahanan fitting (K) berbeda untuk setiap jenis fitting dan katup yang berlainan dalam satu instalasi. Standar fitting yang banyak digunakan adalah sebagai berikut :

Tabel 1. Harga koefisien tahanan pipa pada berbagai macam fitting Fitting and Valves Globe valve, fully open Angle valve, fully open Swing check valve, fully open Gate valve, fully open Gate valve, three-fourths open Gate valve, one-half open Gate valve, one-fourth open Close return bend Standard Tee Standard 90o elbow Medium sweep 90o elbow Long sweep 90o elbow 45o elbow Koefisien tahanan (K) 10.0 5.00 2.50 0.19 1.15 5.60 24.0 2.20 1.80 0.90 0.75 0.60 0.42

Antisipasi terhadap kavitasi memperhatikan beberapa parameter sebagai berikut.

3.1. NET POSITIVE SUCTION HEAD AVAILABLE (NPSHa) Head isap positif netto yang tersedia atau NPSH available (NPSHa) merupakan head yang dimiliki fluida pada sisi isap pompa (ekivalen dengan tekanan mutlak pada sisi isap pompa) dikurangi dengan tekanan uap jenuh fluida di tempat tersebut. Perhitungan NPSH available dilakukan berdasarkan instalasi dan posisi/letak pompa, beberapa di antaranya seperti berikut ini:18


1. Pompa menghisap cairan dari tempat terbuka, posisi pompa di atas permukaan cairan yang dihisap :

Gambar 2. Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas permukaan cairan isap

2. Pompa menghisap cairan dari tangki terbuka, posisi pompa di bawah permukaan cairan yang dihisap :

Gambar 3. Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah permukaan cairan isap 3. Pompa menghisap cairan dari tangki tertutup, letak pompa di bawah cairan yang dihisap:

19


Gambar 4. Instalasi pompa dengan posisi pompa di bawah tangki isap tertutup

4. Pompa menghisap cairan dari tangki tertutup, pompa terletak di atas permukaan yangdihisap:

Gambar 5. Instalasi pompa dengan posisi pompa di atas tangki isap tertutup Besarnya NPSH yang tersedia untuk empat sistem di atas dapat dirumuskan sebagai berikut:

P Pv NPSHa = a

hs h Ls

.. (5)

di mana: P a = tekanan atmosfer P v = tekanan uap jenuh hs = head isap statis (+) untuk kondisi pompa di bawah permukaan cairan yang dihisap (-) untuk kondisi pompa di atas permukaan cairan yang dihisap hLs = head kerugian isap = berat jenis fluida

3.2. NET POSITIVE SUCTION HEAD REQUIRED (NPSHr) Head isap positif netto yang diperlukan atau NPSH Required (NPSHr) adalah head minimal yang diperlukan untuk mencegah kavitasi pada laju aliran fluida yang diberikan. Besarnya harga NPSHr biasanya ditentukan dari pabrik pembuat pompa melalui beberapa pengujian. Untuk keperluan perancangan, besarnya NPSHr dihitung dengan persamaan :

NPSHr = H

.. (6)

20


di mana : H = head aktual per tingkat pompa = bilangan kavitasi Thoma

8.8 104 4 N sq/ 3 = 2 hh Nsq = efisiensi hidrolis pompa = kecepatan spesifik kinematis

=Q H n

n Q H 3/ 4

= kapasitas pompa (m3/s) = head per tingkat (m) = putaran pompa (rpm)

Agar pompa dapat beroperasi dengan aman dan terhindar dari peristiwa kavitasi, maka sebagai syarat utama adalah harga NPSH yang tersedia (NPSHa) harus lebih besar daripada NPSH yang diperlukan (NPSHr). 4. BEBERAPA METODE PENCEGAHAN KAVITASI Fluida yang dipompa akan menguap ketika tekanan menjadi sangat rendah atau temperaturnya terlalu tinggi, sehingga akan memacu terjadinya kavitasi. Untuk mencegah penguapan fluida ini, beberapa hal yang dapat dilakukan antara lain: a. Menaikkan besarnya head statis pompa 1) Menambah ketinggian level fluida dalam tangki 2) Menaikkan posisi tangki 3) Meletakkan pompa dalam sebuah sumuran penampung 4) Mengurangi kerugian head pada pipa 5) Memasang pompa penguat (booster pump) 6) Memberi tekanan pada tangki penyalur Kerugian head pada pipa dapat terjadi karena beberapa alasan sebagai berikut : 1) Kesalahan dalam perencanaan sistem, terlalu banyak fitting dan/atau diameter pipa terlalu kecil 2) Kebocoran dalam saluran pipa 3) Timbul kerak dan/atau terjadi korosi pada bagian dalam pipa b. Menurunkan temperatur fluida yang dipompa 1) Menginjeksi fluida pendingin pada sisi isap (telah banyak dilakukan) 2) Mengisolasi pipa-pipa dari sinar matahari c. Menurunkan besarnya NPSH yang Diperlukan (NPSHr) 1) Menggunakan pompa isap ganda (double suction pump). Hal ini dapat menurunkan NPSHr hingga 27%. 2) Menggunakan pompa dengan kecepatan yang lebih rendah 3) Jika dimungkinkan dapat digunakan inducer, hal ini dapat mengurangi NPSHr hingga 50%. 4) Menggunakan beberapa pompa yang lebih kecil21


5. KESIMPULAN Berdasarkan uraian di atas, kavitasi sebagai ancaman terbesar dalam operasional pompa sentrifugal, sangat dianjurkan untuk dicegah dan dikenali secara dini. Turunnya performansi pompa secara tiba-tiba, suara berisik dan getaran, serta kerusakan pada impeler merupakan beberapa indikasi pompa telah mengalami kavitasi. Secara teoritis, pemeriksaan pompa dari kavitasi dapat dilakukan dengan perhitungan besarnya NPSH, di mana berlaku NPSH yang tersedia > NPSH yang diperlukan bila tidak dikehendaki terjadi kavitasi. Secara praktis, beberapa cara dapat dilakukan terhadap faktor penunjang operasional pompa, seperti koreksi pada posisi pompa, saluran pipa, hingga injeksi fluida pendingin pada sisi isap. DAFTAR PUSTAKA Lazarkiewics, S., 1965, Impeller Pumps, Pergamon Press, London. Lobanoff, Val.S., 1986, Centrifugal Pump Design and Application, Gulf Publishing Co. Ludwig, Ernest E., Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants. Nelson, W.E., 1997, Understanding Pump Cavitation, Chemical Processing. Stepanoff, A.J., 1957, Centrifugal and Axial Flow Pumps, John Wiley and Sons, New York Sularso, Pompa dan Kompresor, 1987, PT. Pradnya Paramita, Jakarta.

22

pompa sentrifugal

Documents