KIMIA INDUSTRI: Definisi Pompa

Pompa merupakan suatu alat yang digunakan untuk memindahkan zat cair dengan meningkatkan tingkat energi zat cair tersebut. Secara umum ada dua cara untuk meningkatkan energi tersebut, yaitu dengan mengkompres fluida dengan volume tetap pada ruang terbatas, cara ini digunakan pada pompa positive displacement, sedangkan cara satu lagi adalah menaikkan tekanan dengan memanfaatkan sudu putar untuk meningkatkan kecepatan fluida.

Sistem pemompaan bertanggung jawab terhadap hampir 20% kebutuhan energi listrik dunia dan penggunaan energi dalam operasi industri tertentu berkisar antara 25-50%. Pompa memiliki dua kegunaan utama, yaitu:

Memindahkan cairan dari satu tempat ke tempat lainnya (misalnya air dari aquifer bawah tanah ke tangki penyimpan air).
Mensirkulasikan cairan (misalnya air pendingin atau pelumas yang melewati mesin-mesin dan peralatan).

Komponen utama sistem pemompaan secara umum adalah sebagai berikut:

Pompa.
Mesin penggerak: motor listrik, mesin diesel atau sistem udara tekan.
Piping (pemipaan), digunakan sebagai tempat mengalirnya fluida.
Valve (kerangan), digunakan untuk mengendalikan laju alir dalam sistem.
Fitting (sambungan), pengendalian dan instrumentasi lainnya.

Karakteristik Sistem Pompa

A. Tahanan sistem: head

Tekanan diperlukan untuk memompa cairan melewati sistem pada laju tertentu. Tekanan ini harus cukup tinggi untuk mengatasi tahanan sistem, yang juga disebut “head”. Head total merupakan jumlah dari head statik dan head gesekan/ friksi:

a) Head statik

Head statik merupakan perbedaan antara tinggi sumber dan tujuan dari cairan yang dipompakan (lihat Gambar 1). Head statik merupakan aliran yang independen (lihat Gambar 2). Head statik pada tekanan tertentu tergantung pada berat cairan dan dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Head statik terdiri dari:

Head hisapan statis (hS): dihasilkan dari pengangkatan cairan relatif terhadap garis pusat pompa. hS nilainya positif jika ketinggian cairan diatas garis pusat pompa, dan negatif jika ketinggian cairan berada dibawah garis pusat pompa (juga disebut “pengangkat hisapan”).
Head pembuangan statis (hd): jarak vertikal antara garis pusat pompa dan permukaan cairan dalam tangki tujuan.

Gambar 1. Head Statik Gambar 2. Head Statik vs. Aliran

b) Head gesekan/ friksi (hf)

Ini merupakan kehilangan yang diperlukan untuk mengatasi tahanan untuk mengalir dalam pipa dan sambungan-sambungan. Head ini tergantung pada ukuran, kondisi dan jenis pipa, jumlah dan jenis sambungan, debit aliran, dan sifat dari cairan. Head gesekan/ friksi sebanding dengan kwadrat debit aliran seperti diperlihatkan dalam gambar 3. Loop tertutup sistem sirkulasi hanya menampilkan head gesekan/ friksi (bukan head statik).

Gambar 3. Friction Head vs Aliran

Dalam hampir kebanyakan kasus, head total sistem merupakan gabungan antara head statik dan head gesekan seperti diperlihatkan dalam gambar 4.

Gambar 4. Head Statik Tinggi (kiri) dan Head Statik Rendah (kanan)

Kurva Kinerja Pompa

Head dan debit aliran menentukan kinerja sebuah pompa yang secara grafis ditunjukkan dalam Gambar 5 sebagai kurva kinerja atau kurva karakteristik pompa. Gambar memperlihatkan kurva pompa sentrifugal dimana head secara perlahan turun dengan meningkatnya aliran. Dengan meningkatnya tahanan sistem, head juga akan naik. Hal ini pada gilirannya akan menyebabkan debit aliran berkurang dan akhirnya mencapai nol. Debit aliran nol hanya dapat diterima untuk jangka pendek tanpa menyebabkan pompa terbakar.

Gambar 5. Kurva Kinerja Pompa

Titik Operasi Pompa

Debit aliran pada head tertentu disebut titik tugas. Kurva kinerja pompa terbuat dari banyak titik titik tugas. Titik operasi pompa ditentukan oleh perpotongan kurva sistem dengan kurva pompa sebagaimana ditunjukkan dalam Gambar 6.

Gambar 6. Titik Operasi Pompa

B. NPSH (Net Positive Suction Head)

The Hydraulic Institute mendefinisikan NPSH sebagai besar relatif head suction total disisi hisap pada level referensi pompa terhadap tekanan uap cairan yang dipompakan dan dinyatakan dalam feet absolut. Secara sederhana dapat dinyatakan sebagai analisis kondisi energi pada sisi hisap (suction) pompa untuk menentukan titik tekanan terendah dimana cairan akan mulai menguap di dalam pompa.

NPSH adalah ukuran dari head suction terendah dari pompa yang masih memungkinkan bagi cairan untuk tidak mendidih dan menguap. NPSH required adalah NPSH yang dimiliki oleh pompa yang datanya disediakan oleh produsen pembuat pompa. NPSH required dihasilkan dari serangkaian pengujian yang dilakukan oleh produsen pompa.

NPSHA adalah NPSH dari sistem dimana pompa akan dipasang dan dioperasikan. Harganya ditentukan oleh head suction atau lift suction, head friksi, dan seterusnya. NPSHA merupakan selisih antara head cairan saat berada disisi hisap pompa dengan tekanan uapnya yang dinyatakan dalam satuan feet absolut.

NPSHA = Tekanan atmosfir (dikonversikan ke head) + head suction static (hs) + head pressure – tekanan uap cairan – head friksi

Pada prakteknya, persamaan di atas disesuaikan dengan kondisi sistem dimana pompa akan dipasang dan dioperasikan.

Gambar 7.

Gambar 8.

Hal hal yang mempengaruhi nilai NPSHA:

Temperatur zat cair berbanding terbalik dengan NPSHA
Vapor Pressure zat cair berbanding terbalik dengan NPSHA
Tekanan permukaan (hp) pada tangki hisap berbanding lurus dengan NPSHA

Agar pompa dapat dioperasikan maka NPSHA sistem harus lebih besar dari NPSHR pompa. Hydraulic Institute Standard (ANSI/HI 9.6.1) menyarankan NPSH Available 1,2 hingga 2,5 kali NPSH Required.

Head Hisapan Positif Netto Tersedia/ Net Positive Suction Head Available (NPSHA) menandakan jumlah hisapan pompa yang melebihi tekanan uap cairan, dan merupakan karakteristik rancangan sistem. NPSH yang diperlukan (NPSHR) adalah hisapan pompa yang diperlukan untuk menghindari kavitasi, dan merupakan karakteristik rancangan pompa.

C. Vapour Pressure

Ketika fluida cair menyerap panas yang cukup, gelembung uap akan terbentuk dan terlepas dari permukaan fluida cair, phenomena ini disebut penguapan. Uap akan mengeluarkan energi sebelum terlepas dari permukaan fluida cair. Vapour pressure adalah tekanan yang dihasilkan uap yang terjebak didalam atau diatas fluida cair tersebut.

Besar nilai vapour sebuah fluida didapat dengan cara mengukur tekanan yang dihasilkan oleh uap didalam container tertutup. Pada suhu kamar, gasoline memiliki niali vapour pressure yang lebih tinggi dibandingkan dengan air. Oleh karenanya, gasoline akan menguap terlebih dahulu sebelum air. Jika tekanan diterapkan diatas fluida cair baik oleh sebuah gas atau uap, maka tekanan pada permukaan fluida cair tersebut akan mampu mencegah terlepas atau terbentuknya uap air dari fluida tersebut.

Gambar 9. Liquid (Vapour Pressure)

Untuk menjaga agar fluida cair pada pompa tidak mengalami proses penguapan, maka suction pressure absolute harus jauh lebih besar dibandingkan dengan nilai vapour pressure dari fluida cair tersebut pada suhu itu.

D. Cavitations (Kavitasi)

Kavitasi adalah phenomena terbentuknya dan pecahnya gelembung – gelembung uap pada fluida cair. Kavitasi terjadi ketika pompa beroprasi mendekati nilai minimum NPSH nya. Ketika kavitasi terjadi, beberapa bagian dari fluida cair akan berubah phasa menjadi uap, jika ini terjadi pada suction line, gelembung uap tersebut akan terbawa masuk kedalam impeller. Didaerah yang bertekanan tinggi disekitar rumah pompa, gelembung – gelembung tersebut akan pecah kembali karena tekanan didaerah tersebut dari nilai vapour pressurenya. Pecahnya gelembung uap ini akan menimbulkan ketidakberaturan pada pergerakan fluida cair sehingga menghasilkan gaya yang mampu melepaskan partikel – partikel metal pada permukaan yang dilaluinya. Pecahnya gelembung uap dengan gaya yang begitu besar ini menghasilkan suara keras didalam pompa, yang bisa menjadi indicator terjadinya kavitasi.

Kavitasi atau penguapan adalah pembentukan gelembung dibagian dalam pompa. Hal ini dapat terjadi manakala tekanan statik fluida setempat menjadi lebih rendah dari tekanan uap cairan (pada suhu sebenarnya). Kemungkinan penyebabnya adalah jika fluida semakin cepat dalam kran pengendali atau disekitar impeller pompa.

Penguapan itu sendiri tidak menyebabkan kerusakan. Walau demikian, bila kecepatan berkurang dan tekanan bertambah, uap akan menguap dan jatuh. Hal ini memiliki tiga pengaruh yang tidak dikehendaki:

Erosi permukaan baling-baling, terutama jika memompa cairan berbasis air.
Meningkatnya kebisingan dan getaran, mengakibatkan umur seal (penyumbat) dan bearing menjadi lebih pendek
Menyumbat sebagian lintasan impeler, yang menurunkan kinerja pompa dan dalam kasus yang ekstrim dapat menyebabkan kehilangan head total.