Pompa (1) - Bernoulli dan NPSH

Di dalam sebuah proses, pompa digunakan sebagai alat yang berfungsi untuk memberikan energy mekanik ke dalam sebuah liquid dengan tujuan agar liquid tersebut dapat bersirkulasi di dalam sebuah sirkuit/lintasan perpipaan, sesuai dengan debit yang diharapkan, dengan tetap memperhatikan kondisi seperti perubahan tekanan dan juga ketinggian yang harus dilalui oleh liquid tersebut dalam suatu system.

Untuk mengetahui berapa tenaga yang dibutuhkan dalam hal memindahkan sebuah liquid, kita biasa menggunakan persamaan konservasi energy mekanik (atau lebih umum dikenal sebagai persamaan Bernoulli):

Persamaan Bernoulli (tanpa melibatkan perubahan suhu)

Seorang enginer proses tidak pernah membuat pompa ataupun kompresor. Namun, mereka membelinya pada seorang penyedia spesialis (vendor), kemudian merangkainya pada sebuah system dan menggunakannya. Bagian dari merangkai dan menggunakan pompa tersebut merupakan sebuah pengetahuan yang harus dimiliki oleh seorang enginer proses. Konsekuensinya, mereka harus mengetahui tipe dari pompa yang akan dipakai, property daripada liquid yang akan ditangani dan kapasitas pompa yang ingin digunakan.

Untuk analisa yang akan digunakan kali ini, kita berasumsi bahwa liquida bersifat incompressibles; memiliki densitas yang cukup tinggi, dan ia bisa menguap jika kita meletakkannya pada kondisi dimana tekanan cukup rendah dan suhu tinggi.

Kondisi Penyedotan (Aspiration Condition)

Gambar 1. Kondisi aspirasi pada sebuah pompa

Sebuah pompa wajib digunakan dengan mengikuti kondisi yang akurat dalam hal aspirasi (penyedotannya). Dalam gambar 1, kita mereprentasikan sebuah pompa, yang digunakan untuk menyedot liquid dalam sebuah tanki yang dipertahankan dalam kondisi tekanan p dan diletakkan sedemikian rupa supaya ketinggian antara pompa dengan permukaan bebas liquid terletak sebesar Δh lebih rendah.

Untuk analisa pertama, dengan menganggap bahwa liquid dalam tanki static, dan mengabaikan term energy kinetic dan kehilangan karena adanya friksi. Maka, kita bisa mendapatkan tekanan pada pompa, pa, sebesar

 Maka, semakin besar ketinggian pompa terhadap liquid, semakin Pa akan berkurang. Batasnya adalah ketika Pa menjadi sama dengan tekanan vapor Pv dari liquid pada suhu kerja. Setiap kenaikan tambahan dari delta h akan menyebabkan vaporisasi dari liquid dalam system perpipaan, dan pompa tidak akan bisa berfungsi lagi karena tugas dari pompa adalah untuk memindahkan liquid bukan gas. Nilai maksimal dari delta h adalah

Catatan :

1. Delta h max menjadi lebih rendah ketika tekanan yang berlaku dalam tanki diperendah. 
2. Untuk sebuah tanki yang terbuka pada atmosfer, yang memompa air pada suhu 20 C, kondisi dimana tekanan uap rendah, delta h max sekitar 10 m.
 3. Tekanan uap memberikan peran yang sangat penting, terutama pada liquid dengan temperature tinggi atau volatil.
4. Kondisi seperti diatas tidak bisa ditandingi, ketika liquid terletak pada level yang cukup rendah (ex: terletak di dasar sumur), maka satu-satunya solusi adalah dengan menurunkan pompa mendekati liquid supaya delta h tetap lebih rendah dibanding nilai maksimal yang diijinkan.

Kenyataannya, titik dari tekanan minimal atas system perpipaan dimana liquid berpindah, tidaklah pada bagian entrance pompa, tetapi pada suatu tempat pada bagian dalam alat ini. Oleh karena itu, limitasi dari delta h lebih kecil dari yang ditunjukkan. Dengan kata lain, ia bergantung dari karakteristik alat dan juga debit; informasi ini disediakan oleh pabrikan.

Banyak pabrikan eropa yang menyatakan data tersebut dalam bentuk variasi dari ketinggian aspirasi, delta h max, dengan kondisi tanki terbuka pada atmosfer, p = p atm, dan dimana liquid yang dipompa memberikan tekanan uap nol. Sedangkan, untuk konstruktor Inggris-Amerika, lebih kearah menyediakan data ini dalam bentuk NPSH (Net Positif Suction Head). NPSH adalah nilai minimal dari tekanan, yang diekspresikan dalam meter liquid yang dipompa yang harus dijaga pada tempat masuk liquid (entrance) pompa.

Sebagai tambahan, aliran dalam perpipaan menyebabkan kehilangan energy karena friksi, yang bisa menurunkan delta h max yang diijinkan. Prakteknya, kita meminimalkan energy yang hilang karena friksi ini dengan menggunakan diameter yang lebar, meminimalkan penggunaan elbow, dan membatasi penggunaan alat untuk mengatur/mengukur debit (ex: valve).

 

Untuk mengakhiri analisis dari aspirasi ini, jika kondisi yang dibutuhkan oleh pompa tidak dijalankan, maka pompa tidak bisa bekerja. Dalam kasus dimana kondisi mendekati batas yang diijinkan, sedikit perubahan dari parameter operasi (misalkan: suhu atau temperature liquid) bisa mengakibatkan peristiwa kavitasi. Melalui kavitasi, akan mendatangkan berbagai macam phenomena yang kompleks seperti penguapan dalam zona tekanan rendah, diikuti dengan rekondensasi ketika tekanan naik, yang kemudian bisa diikuti dengan getaran yang intens dan juga cepat, yang pada akhinya bisa menyebabkan rusaknya pompa.