3.2 Penentuan Kapasitas
Dalam menentukan kapasitas kita perlu memperhatikan bagaimana bentuk instalasi yang kita rencanakan. Dalam hal ini yang perlu diperhatikan adalah
volume roof tank yang digunakan yaitu 400 liter dan tinggi air yang hendak dipompakan yaitu setinggi 200 cm. Dengan mempertimbangkan data-data diatas
dan melihat name plate dari pompa yang digunakan pada instalasi yang akan dirancang maka kapasitas yang ditetapkan adalah sebesar 90 ltr mnt.
3.3 Penentuan Head Pompa pada Instalasi
Head pompa adalah besarnya energy yang diperlukan pompa untuk memindahkan ataupun mengalirkan fluida dari keadaan awal menuju keadaan
akhir. Head total pompa yang harus disediakan pompa untuk mengalirkan jumlah fluida seperti yang direncanakan dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan
dilayani oleh pompa tersebut. Gambar system pemipaan pada pipa isap dan pipa tekan dapat dilihat pada
gambar 3.1 . Dengan menyatakan bahwa titik A pada permukaan fluida tangki bawah dan titik B pada permukaan fluida tangki atas, maka head pompa secara
umum dinyatakan dengan persamaan:
Hpompa = ∆H
P
+ ∆H
V
+ H
S
+ H
L
Dimana: ∆H
P
= perbedaan head tekanan m ∆H
V
= perbedaan head kecepatan m H
S
= head statis m H
L
= kerugian head m
Universitas Sumatera Utara
3.3.1 Perbedaan Head Tekanan ∆H
P
Head tekanan merupakan energy yang dibutuhkan untuk mengatasi perbedaan tekanan pada sisi isap dengan sisi tekan. Dalam system kerja ini
tekanan air memasuki pompa adalah sama dengan tekanan keluar yaitu 1 atmosfir, maka beda head tekanan pada sistem ini adalah nol.
3.3.2 Perbedaan Head Kecepatan ∆Hv
Dalam menentukan perbedaan head kecepatan aliran maka terlebih dahulu dicari besarnya kecepatan aliran dalam pipa. Diameter pipa isapnya biasanya
ditentukan sedemikian sehingga kecepatan alirannya 2 ms sampai 3 ms [Soufyan M. Noerbambang, hal 98]. Untuk memperoleh kecepatan aliran dan diameter pipa
isap yang sesuai, perhitungan awal sementara diambil batas kecepatan rata – rata 3 ms.
Dari persamaan kontinuitas diperoleh: Q
P
= V
S
A
S
Dimana: Q
P
= kapasitas pompa = 90 ltrmnt =
3
10 2
3
−
×
m
3
s V
S
= kecepatan Aliran dalam pipa isap ms
A
S
= π4 d
is 2
= luas bidang aliran m
2
d
is
= diameter dalam pipa m
sehingga diameter pipa isap adalah: d
is
=
s p
V Q
π 4
=
3 10
2 3
4
3
× ×
×
−
π m
= 0,02523 m = 0,99 inchi
Universitas Sumatera Utara
Berdasarkan ukuran pipa standart ANSI B.36.10 Schedule 40, maka pipa nominal 1 inchi dengan dimensi pipa:
− Diameter dalam d
is
= 1,049 in = 0,0266 m −
Diameter luar d
os
= 1,318 in = 0,0335 m Dengan ukuran pipa standart pipa tersebut, maka kecepatan aliran yang
sebenarnya sesuai dengan persamaan kontinuitas adalah: V
S
=
S P
A Q
=
2
4
is P
d Q
π
=
2 3
0266 ,
10 2
3 4
π
−
× ×
m s = 2,6992 m s
Diperoleh kecepatan aliran fluida masih sesuai. Maka Head kecepatan aliran adalah:
H
V
=
g V
2
2
=
81 .
9 2
6992 ,
2
2
×
m = 0,3713 m
Perbedaan Head Kecepatan aliran adalah nol oleh karena besarnya head kecepatan pada sisi isap dan sisi tekan sama yaitu 0,3713 m.
3.3.3 Perbedaan Head Statis ∆Hs
Head statis adalah perbedaan ketinggian permukaan air pada reservoir atas dengan reservoir bawah seperti yang tampak pada gambar 3.1 diatas.
Dalam perencanaan ini, besarnya head statis adalah: Hs = 2 m
Nilai head statis ini diasumsikan bahwa tinggi air pada permukaan ground tank dengan roof tank tetap.
Universitas Sumatera Utara
3.3.4 Kerugian Head
Kerugian head sepanjang pipa terbagi atas 2, yaitu kerugian akibat gesekan sepanjang pipa kerugian mayor h
f
dan kerugian akibat adanya kelengkapan pada instalasi pipa kerugian minor h
m
. Kerugian akibat gesekan tergantung pada kekasaran dalam pipa dan panjang pipa. Kerugian akibat kelengkapan adalah
kerugian akibat adanya perubahan arah aliran dan kecepatan aliran.
3.3.4.1 Kerugian Head sepanjang Pipa Isap h
ls
a Kerugian Head Akibat Gesekan Pada Pipa Isap h
fs
Besarnya kerugian head akibat gesekan pada pipa isap menurut Darcy- Weishbach dapat diperoleh dengan persamaan berikut [ Sularso, Haruo Tahara,
hal 28 ]: h
fs
= f g
V d
L
s is
s
2
2
× Dimana:
h
fs
= kerugian karena gesekan m f
= factor gesekan diperoleh dari diagram Moody L
s
= panjang pipa hisap = 1,08 m d
is
= diameter dalam pipa = 0,0266 m V
s
= kecepatan aliran fluida = 2,6992 ms Untuk menentukan factor gesekan f terlebih dahulu ditentukan alirannya
apakah laminar atau turbulen dengan mencari harga bilangan Reynold Re , [Pump Handbook, hal 131 ] dimana:
υ
is s
d V
= Re
Universitas Sumatera Utara
Dengan: Re = Reynold number
υ = viskositas kinematik, dimana harganya 1,02 x 10
-6
m
2
s untuk tekanan 1 atm pada suhu 20
C Sehingga diperoleh:
R
e
=
6
10 02
, 1
0266 ,
6992 ,
2
−
× ×
= 70390,9 ≥ 4000
Maka aliran yang terjadi adalah “ Turbulen “ Bahan pipa isap yang direncanakan adalah Galvanized Iron dimana bahan
pipa yang direncanakan tersebut mempunyai kekasaran sebesar 0,00015 m sesuai dengan table 3.1 dibawah.
Table 3.1 Kekasaran relative
ε dalam berbagai bahan pipa
Pipeline Material Absolute Rougness
ε Ft
mm
Glass and varicus plastic e.g, PVC and PE pipes
hydraulically smooth hydraulically smooth
Drawn tubings e.g. coper or aluminium pipes
or tubings 5 x 10
-6
1.5 x 10
-6
Comersial steel or wrought iron
1.5 x 10
-4
4.6 x 10
-2
Cast iron with asphalt lining
4 x 10
-4
0.12
Galvanized iron 5 x 10
-6
0.15
Universitas Sumatera Utara
Cast iron 8.5 x 10
-4
0.25 Wood stave
6 x 10
-4
÷ 3 x 10
-3
0.18 ÷ 0.9 Concrete
1 x 10
-3
÷ 1 x 10
-2
0.3 ÷ 3.0 Riveted steel
3 x 10
-3
÷ 3 x 10
-2
0.9 ÷ 9.0
Pump Handbook, Igor J. Karsik, William C. Krutzsc, Waren H. Frase, Joseph Messina
Maka kekasaran relative ε d
is
adalah:
is
d
ε =
0266 ,
00015 ,
= 0,005639 Selanjutnya dicari harga faktor gesekan dengan menggunakan diagram moody.
x 37,5 mm
Gambar 3.4 Diagram moody
Friction factor f
0,04
0,03 f
15 mm
5 mm 0,006 = - 2,2218
ed
is
= 0,005639 = -2,2487 0,004 = - 2,3979
5,75 mm y
10
4
70390,9 10
5
Universitas Sumatera Utara
Posisi Re = 70390,9 didalam garis horisontal diagram moody dapat dihitung dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga
diperoleh:
0,15 = x = 31,78 mm
Nilai kekasaran relative didalam garis vertikal diagram moody dapat diperoleh dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga
diperoleh:
0,1527 = y = 5 mm
Nilai koefisien gesek didalam garis vertikal diagram moody dapat diperoleh dengan menginterpolasikan nilai yang ada terhadap skala jarak sehingga
diperoleh:
log =
f = 0,033 Dari diagram moody untuk bilangan Reynold = 70390,9 dan e d
is
= 0,005639 dengan cara interpolasi maka akan diperoleh factor gesek f = 0,033,
sehingga besarnya kerugian gesek sepanjang pipa isap menurut Darcy-Weishbach adalah:
h
fs
= 0,033 81
, 9
2 2,6992
0,0266 08
, 1
2
× ×
×
Universitas Sumatera Utara
= 0,4975 m
b Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi h
ms
Besarnya kerugian akibat adanya kelengkapan pipa dapat diperoleh dengan persamaan [ Pump Handbook, hal 152 ]:
h
ms
=
g V
nk
s
2
2
∑
Dimana: h
ms
= kerugian head akibat kelengkapan pipa sepanjang jalur pipa isap n
= jumlah kelengkapan pipa k
= koefisien kerugian akibat kelengkapan pipa Untuk mengetahui berapa besarnya kerugian head yang terjadi akibat
adanya kelengkapan pipa yang digunakan sepanjang jalur pipa isap, maka perlu diketehui terlebih dahulu jenis kelengkapan pipa yang digunakan sepanjang jalur
pipa isap. Adapun jenis dan jumlah kelengkapan tersebut adalah sebagai berikut: −
Gate valve 1 buah −
Elbow 90
o
long regular 1 buah
Tabel 3.2 Nilai koefisien K untuk tipe screwed Nominal
Screwed Diameter,in
½ 1
2 4
Valve fully open: Globe
14 8,2
6,9 5,7
Gate 0,30
0,24 0,16
0,11
Swing check 5,1
2,9 2,1
2,0 Angle
9,0 4,7
2,0 1,0
Elbows 45
regular 0.39
0.32 0.30
0.29
90 regular
2.0 1.5
0.95 0.64
Universitas Sumatera Utara
90 long radius
1.0 0.72
0.41 0.23
180 regular
2.0 1.5
0.95 0.64
Bruce R.Munson ,Fundamental Of Fluid Mechanics 5
Th
Edition
Sesuai data dari table diatas maka koefisien kerugian k dari gate valve dan elbows 90
o
untuk jenis screwed dengan diameter nominal pipa 1 inci adalah sebagai berikut:
Jenis perlengkapan Jumlah n
K Nk
Mulut isap 1
0.4 ÷ 0.5 0.45
Gate valve 1
0.24 0.24
Elbow 90
o
regular 1
1.5 1.5
Total koefisien kerugian 2.19
Maka besarnya kerugian head akibat kelengkapan pipa pada pipa isap adalah sebesar:
h
ms
= 81
, 9
2 6992
, 2
2,19
2
× m
= 0,813 m Dengan demikian diperoleh besar kerugian head sepanjang jalur pipa isap pompa
sebesar: h
ls
= h
fs
+ h
ms
= 0,4975 m + 0,813 m = 1,3105 m
Universitas Sumatera Utara
3.3.4.2 Kerugian Head sepanjang Pipa Tekan h
ld
a Kerugian Head Akibat Gesekan Pipa Tekan h
fd
Pipa tekan dari pompa menuju roof tank direncanakan menggunakan ukuran pipa standart ANSI B.36.10 Shcedule 40 dengan ukuran pipa nominal 1
inci dan bahan pipa adalah Galvanized iron yang sama dengan pipa hisap. Ukuran pipa tersebut adalah:
− Diameter Dalam d
is
= 1,049 inci = 0,0266 m −
Diameter Luar d
os
= 1,318 inci = 0,0335 m Karena bahan dan diameter pipa tekan ini sama dengan pipa hisap, maka
bilangan Reynold Re adalah 70390,9 dan factor gesekan f = 0,033 serta panjang pipa tekan adalah 4,6 m, maka besarnya kerugian head akibat gesekan
pada pipa tekan adalah: h
fd
= 0,033 81
, 9
2 6992
, 2
0266 ,
6 ,
4
2
× ×
= 2,1191 m
b Kerugian Head Akibat Perlengkapan Instalasi pada pipa tekan h
md
Dari gambar instalasi sebelumnya telah tertera bahwa perlengkapan yang diperlukan adalah elbow 90
regular sebanyak 5 buah. Oleh karena jenis elbow pipa tekan sama dengan jenis elbow pada pipa
isap maka besarnya koefisien kerugian k dari instalasi pipa tekan seperti pada tabel dibawah:
Jenis perlengkapan Jumlah n
K nk
Elbow 90
o
regular 5
1.5 7.5
Pipa keluar 1
1 1
Total koefisien kerugian 8.5
Universitas Sumatera Utara
Maka harga kerugian head akibat perlengkapan instalasi pipa tekan adalah:
h
md
= g
V nk
s
2
2
∑
= 81
, 9
2 6992
, 2
5 ,
8
2
× ×
m = 3,156 m
Dengan demikian kerugian head pada pipa tekan ini adalah: h
ld
= h
fd
+ h
md
= 2,1191 m + 3,156 m = 5,2751 m
Maka kerugian head gesekan total adalah: h
L
= h
ls
+ h
ld
= 1,3105 m + 5,2751 m = 6,5856 m
Dari perhitungan sebelumnya maka dapat ditentukan head total yang dibutuhkan untuk melayani instalasi pemipaan:
H
total
= ∆H
P
+ ∆H
V
+ ∆H
S
+ ∆H
L
= 0 + 0 + 2 m + 6,5856 m = 8,5856 m
Namun untuk pemakainnya dalam jangka waktu yang lama maka perlu diperhatikan hal – hal sebagai berikut:
− Kondisi permukaan p ipa yang dalam waktu jangka panjang akan semakin
kasar, sehingga nantinya akan memperbesar kerugian yang terjadi. −
Penurunan kinerja pompa yang dipakai dalam rentang waktu yang lama.
Universitas Sumatera Utara
−
Kondisi – kondisi lain yang dapat mempengaruhi operasional pompa
.
Maka dalam perencanaannya head pompa perlu ditambah 10 ÷ 25 [pump handbook, hal 248]. Dalam perencanaan ini dipilih 15 , maka besarnya
head pompa yang akan dirancang:
H
total
= 8,5856 m x 1 + 0,15
= 9,87 m
3.4 Perhitungan Motor Penggerak pada Pompa yang akan Digunakan