Menghitung NPSHa pada Sistem Pompa Sentrifugal (Bagian-2)

Bagian-1, kita telah mengenal mengenai apa itu NPSH, dimana ia terbagi menjadi dua, yakni NPSHa dan juga NPSHr. Nilai dari NPSHa harus lebih besar daripada NPSHr. Simak kembali bahasan terdahulu mengenai pengertian NPSH melalui tautan berikut. 

Kali ini, kita akan menghitung NPSH yang dimiliki oleh sebuah sistem pompa. Misalkan, jika ditemui sistem sebagaimana berikut:

Contoh soal menghitung NPSHa pompa

Maka, dari rumus, kita bisa dapatkan nilai dari NPSHa adalah sebagaimana berikut:

NPSHa = Ha+Hs-Hvp-Hf-Hi

             = 26.2 + (-14) -0.411-1-2 = 8.8 ft

Maka, untuk mencegah adanya problem ketika pompa dijalankan, nilai NPSHr harus kurang dari 8.8 ft. Jika kita mengalami masalah ketika pemompaan berlangsung, kita bisa memodifikasi nilai NPSHa dan juga NPSHr untuk dapat mengatasi masalah tersebut. 

Caranya adalah sebagaimana berikut:

1. Menaikkan nilai NPSHa, dengan cara

- Menaikkan level reservoir. Hs >>>

- Menurunkan posisi pompa. Hs >>>

- Menaikkan tekanan reservoir. Ha >>>

- Mengurangi friksi di bagian suction pipa, lewat: menaikkan diameter, menurunkan schedule pipa, mengganti material pipa yang memiliki tingkat kekasaran yang rendah, mengurangi jumlah sambungan ataupun belokan, memakai valve yang memiliki nilai friksi yang rendah  Hf <<<

- Mendinginkan fluida yang masuk. Hvp <<<

2. Atau, dengan cara menurunkan nilai NPSHr, yakni dengan cara

- Mengganti pompa dengan impeller yang sama, namun memiliki ukuran diameter suction yang lebih besar. Hf dan Hi  <<<

- Memasang booster pump di suction pipa. Ha >>>

- Memperbesar diamater mata impeller. Hi <<<

Dengan demikian, kita bisa membuat assessment ketika melihat pompa yang kita jalankan memiliki masalah ketika sedang bekerja.

Mudah-mudahan tulisan ini bisa bermanfaat bagi kita semua.

Pengenalan NPSHr dan NPSHa pada Pompa Sentrifugal- Net Positive Suction Head- (Bagian-1)

Net Positive Suction Head (NPSH) adalah istilah yang sering kita dengar ketika berbicara mengenai pompa sentrifugal. Istilah "Head" mengacu pada satuan energi. Head pompa menandakan banyaknya energi yang ditransfer oleh sebuah pompa ke dalam fluida. Head diukur dalam ketinggian. Namun, di lapangan yang bisa kita ukur adalah tekanan fluida discharge yang keluar dari pompa, melalui pressure gauge.

Kenapa demikian? 

Hal ini dikarenakan tekanan adalah satuan yang mudah untuk diukur jika dibandingkan dengan satuan ketinggian. Namun, manufaktur pompa menggunakan istilah head karena untuk fluida yang memiliki berat jenis (specific gravity) yang berbeda, akan menghasilkan tekanan yang juga berbeda. Ilustrasinya adalah sebagaimana berikut:

Hubungan antara Head dengan tekanan pada discharge

Hubungan antara tekanan dengan head dinyatakan dalam satuan berikut : H = P/d, dimana

H ==> Head, P ==> Pressure dan d ==> massa jenis

Dalam jenis satuan yang lain, dinyatakan sebagaimana berikut:  

H (ft) = 2.31*Pressure (psi)/ specific gravity

Tekanan discharge pompa merupakan akumulasi dari tekanan suction dan juga tekanan yang dihasilkan oleh pompa. Pompa dibuat dengan memperhatikan tekanan suction. Hal ini dikarenakan tekanan suctionlah yang nantinya akan dikonversi menjadi tekanan discharge. Ketidakcukupan dari tekanan suction, akan membuat pompa tidak bisa berjalan dengan baik. Itulah mengapa, muncullah istilah NPSH yang menandakan persyaratan yang harus dipenuhi oleh sebuah pompa khususnya pada bagian suction. Head dari suction harus bernilai positif agar pompa bisa berjalan dengan baik. 

Jika kita melihat arrangement nozzle dari sebuah pompa, nozzle pada bagian suction akan selalu lebih besar jika dibandingkan dengan pada bagian discharge. Hal ini semata-mata supaya fluida yang keluar dari pompa tidak lebih besar dari fluida yang masuk. NPSH adalah jumlah energi yang tersedia di dalam sebuah fluida yang masuk ke dalam pompa. 

NPSH dibagi menjadi dua jenis, yakni:

1. NPSHa (available) ==> NPSH yang dimiliki dalam sebuah sistem pada bagian suction, mencakup perpipaan, reservoir dan juga segala macam koneksinya.

2. NPSHr (required) ==> Energi yang dibutuhkan oleh fluida untuk mengatasi hilang energi karena friksi dari bagian nozzle suction hingga ke bagian mata impeller pompa tanpa menyebabkan perubahan fasa.

Nilai NPSHr ditentukan oleh manufaktur. Agar pompa bisa berjalan dengan baik, maka 

NPSHa > NPSHr

Bagaimana cara menghitung NPSHa? 

Rumusnya adalah sebagaimana berikut: NPSHa = Ha + Hs - Hvp - Hf - Hi

Ha ==> Head atmosfer. Head yang muncul dari tekanan atmosfer. Nilainya sekitar 33.9 ft

Hs ==>  Head static. Ketinggian daripada reservoir ditinjau dari garis tengah pompa. Nilainya bisa negatif ataupun positif bergantung daripada posisi pompa.

Hvp ==> Head vapor. Tekanan uap daripada fluida pada suhu tertentu. Semakin besar suhu, maka head vapor akan semakin besar. Head vapor mengurangi nilai daripada NPSH karena menunjukkan seberapa besar kemungkinan fluida untuk menguap.

Hf ==> Head friction. Hilang tekan dalam perpipaan. Head friction juga mengurangi nilai NPSH.

Hi ==> Head inlet. Safety factor sebanyak 2 ft yang digunakan agar supaya operasi dapat berjalan dengan lebih aman. 

Pada bagian selanjutnya, akan kita bahas mengenai cara menghitung NPSH lewat contoh soal yang sering kita temukan dalam operasional sebuah plant.

Keep Stay Tuned. 

Resume Kurva Karakteristik Pompa Sentrifugal

Kita sudah berada pada bagian terakhir dari diskusi kita mengenai kurva karakteristik pompa.

Kurva karakteristik pompa menjadi suatu bagian yang penting mengingat ia menyajikan sebuah gambaran letak dimana pompa bisa berjalan dengan optimum dan menghindari dari kerusakan yang disebabkan oleh salah operasi yang utamanya disebabkan dari peristiwa kavitasi.

Maka dari itu, pemahaman mengenai kurva karakteristik pompa menjadi sangat penting karena dengan kita mengetahui prinsip kurva karakteristik pompa dan menerapkannya di lapangan, umur pompa kita akan awet. Oleh sebab itu,maintenance pun tidak terlalu sering.

Berikut beberapa topik yang kita bahas terkait dengan karakteristik pompa. Silahkan klik link yang dimaksud untuk menuju ke artikel di blog ini

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Head Pompa 

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Friction

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Penjelasan Kavitasi

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Kavitasi Suction

Membaca Kurva Karakteristik Pompa: Kavitasi discharge 

Dan, sebagai bonus: saya tambahkan mengenai operasional pompa menurut kurva karakteristik untuk menghindari peristiwa kavitasi

Operasional Pompa

Masih banyak hal yang belum kita bahas mengenai pompa sentrifugal ini. Artikel-artikel yang saya buat diatas adalah sebuah dasar untuk kita menggali lebih jauh lagi untuk lebih memahami berbaga macam bentuk pompa sentrifugal yang nantinya akan banyak kita hadapi di lapangan.

=======================================================================

Tangki penyimpan sebagai media penampung sementara sudah kita bahas. Pompa, khususnya sentrifugal juga telah kita bahas sebagai media untuk memindahkan fluida yang disimpan di tangki penyimpan. Dua equipment tersebut akan sering kita jumpai pada sebuah fasilitas pengolahan.

Operasional Pompa

Sudah dijelaskan mengenai kurva karakteristik pompa, mulai dari head hingga efisiensi pompa untuk menjaga agar pompa tetap berada pada kondisi yang optimal sehingga tidak terjadi kavitasi.

Kali ini, kita akan membahas dari sudut praktis, dimana beberapa hal bisa membuat pompa berjalan tidak optimal meskipun kita sudah mencoba untuk mengaplikasikan kurva karakteristik pompa.

Air Pocket

Udara terjebak dalam suction pompa bisa membuat pompa berjalan dengan tidak optimal. Hal ini dikarenakan adanya udara terjebak tersebut akan menghalangi laju alir fluida. Akibatnya, meskipun NPSHr sudah terpenuhi, namun saat pompa distart masih menunjukkan gejala mirip kavitasi, misalkan adanya noise dan getaran pada pompa. Maka dari itu, sebelum pompa distart, pastikan tidak ada udara yang terjebak dengan membuka high venting point dan low drain point pada piping suction dan juga pompa.

High differential pressure (DP) pada strainer suction pompa

Adanya DP yang besar pada strainer, akan membuat aliran terhambat dan juga membuat berkurangnya tekanan suction pompa. Hal ini juga akan membuat gejala kavitasi pompa jika tekanan suction tersebut kurang dari NPSHr. Untuk kasus pada air pocket, kita tidak perlu men-stop pompa, cukup buka vent/drain point untuk membuang udara terjebak. Namun, pada kasus high DP pada suction, mau tidak mau kita harus menggunakan pompa stand-by, dan men-stop pompa on-duty.

Bagaimana jika pompa on-duty masih harus digunakan karena pompa stand-by masih ada masalah?

Kita bisa men-throttle bagian discharge pompa untuk mengurangi NPSHr, sehingga pompa masih bisa berjalan dengan lancar, namun hal ini akan mengurangi kapasitas pompa. Dan, pompa juga berpotensi menderita kavitasi discharge jika throttle yang kita lakukan terlalu besar. Maka dari itu, cara ini adalah cara sementara dan pompa yang berjalan perlu di-awasi.

Kurangnya tekanan pada tangki sehingga menurunkan tekanan suction

Ini adalah kejadian nyata yang saya alami ketika melakukan kegiatan commissioning pompa reboiler Acid Gas Enrichment Unit (AGE). Kondisi operasi reboiler AGE adalah 1 barg, sedangkan saya menjalankan pompa dengan tekanan atmosferik. Akibatnya, pompa berjalan dengan tidak optimal, sebab saya harus men-throttle bagian discharge pompa untuk menghindari peristiwa kavitasi.

Setelah saya melakukan injeksi nitrogen pada bagian reboiler untuk menjaga tekanan AGE reboiler sebesar 1 barg, akhirnya saya bisa membuka penuh bagian discharge pompa dan mendapatkan flowrate sesuai kondisi normal tanpa menderita kavitasi.

Akselerasi fluida pada pompa

Setelah kita mengantisipasi berbagai hal diatas, kita masih juga mendapatkan peristiwa kavitasi pada pompa. Mungkin ini, berhubungan dengan peristiwa akselerasi fluida pada pompa. Hal ini bisa terjadi ketika kita men-start pompa pada kondisi level yang rendah. Meskipun begitu, pompa bisa berjalan dengan optimal setelah kita men-throttle discharge pompa, selama beberapa detik, kemudian mengembalikan kembali katup yang kita throttle tersebut ke kondisi semula.

Mari kita lihat skematik gambar tersebut, untuk melihat bagaimana peristiwa ini bisa terjadi.

Perubahan level pada saat pompa mulai dijalankan

Kurva diatas menjelaskan mengenai perubahan level sebuah sump, dimana fluida dari sump tersebut akan dipompa menggunakan submersible pump. Fluida dari sump diambil dari danau dengan menggunakan pipa sepanjang 3 mil. Perubahan ketinggian sump relatif terhadap danau tersebut diamati ketika pompa pertama kali distart.

Pada point 0 ft, merupakan point dimana ketika pompa belum mulai dijalankan. Bisa kita lihat bahwa ketinggian fluida yang ada di sump sama dengan ketinggian fluida yang ada di danau. Sedangkan, pada posisi kesetimbangan, equilibrium level adalah posisi dimana pompa sudah berjalan dengan steady, sehingga tidak lagi ditemukan adanya perubahan dari ketinggian fluida di sump terhadap danau.

Ketinggian level sump lebih tinggi pada waktu pompa belum distart karena masih belum adanya aliran. Dimana, dengan adanya aliran karena disebabkan pompa berjalan akan menyebabkan adanya friksi yang menyebabkan turunnya tekanan suction. Hal ini yang menyebabkan level sump ketika pompa sudah berjalan lebih rendah ketika sebelum pompa dijalankan

Selain itu, kita juga melihat adanya kondisi transisi sebelum sump mencapai level kesetimbangan. Dimana, level pada masa transisi lebih rendah dari masa kesetimbangan, yakni -15 ft. Mengapa hal ini bisa terjadi?

Hal ini diakibatkan oleh adanya proses akselerasi fluida yang sebelumnya dalam kondisi diam,kemudian ketika pompa di-start, secara otomatis dia akan berakselerasi hingga mencapai kecepatan tertentu. Proses ini membutuhkan banyak energy, sehingga ia mengambil banyak dari tekanan suction fluida, sebelum akhirnya ia mendapatkan posisi kesetimbangan dan mendapatkan tambahan tekanan karena sistem telah bergerak dengan kecepatan yang tetap.

Adanya akselerasi inilah yang kadang menyebabkan adanya gejala kavitasi pada waktu pompa pertama kali di-start. Disebabkan, ia akan banyak memakan tekanan suction.  Jika NPSH tidak mencukupi untuk proses akselerasi ini, maka sistem tidak akan pernah mencapai proses kesetimbangan. Karena adanya kavitasi disebabkan proses akselerasi akan menyebabkan turunnya kinerja pompa, sehingga kesetimbangan tidak akan pernah tercapai.

Maka dari itulah, untuk mengurangi akselerasi tersebut, pada waktu sebelum pompa di-start, kita harus men-throttling bagian discharge pompa. Setelah pompa di-start, maka kita kemudian melakukan pembukaan bagian discharge sedikit demi sedikit, hingga mencapai kondisi full open. Hal ini bertujuan untuk mengurangi kehilangan tekanan suction akibat proses akselerasi.

Hal ini biasa diterapkan pada pompa yang memiliki kapasitas yang besar karena tentu saja akan menghasilkan akselerasi yang besar apabila pompa di-start. Selain itu, juga diterapkan ketika level tangki penyimpan yang rendah, namun belum mencapai kondisi interlock, sehingga pompa masih bisa dijalankan.    

Membaca Kurva Karakteristik Pompa: Kavitasi discharge

Sesuai dengan namanya, kavitasi ini terjadi pada bagian discharge pompa. Hal ini bisa terjadi ketika tekanan discharge pompa yang terlalu tinggi, namun ada restriksi yang besar pada discharge pompa, yang menghalangi aliran keluar pompa. Secara normal, hal ini terjadi ketika kita menjalankan pompa yang berada pada posisi kurang dari 10% dari titik efesiensi terbaiknya, best efficiency point (BEP).

BEP biasa digunakan untuk menjelaskan sebuah titik dimana pompa sentrifugal beroperasi pada titik efisiensi paling tinggi, yaitu ketika kehilangan energy akibat transfer energy dari penggerak utama, yakni motor ke sistem fluida paling kecil. Sehingga, secara fisik, fluida yang ditransfer memiliki karakter alir yang bagus dan pompa berjalan dengan optimal.

Hubungan beberapa parameter karakteristik pompa dan BEP

BEP dalam kurva karakteristik pompa

Mari kita lihat kurva karakteristik pompa kita

Efisiensi pompa pada kurva karakteristik fire water

Nah, pompa tersebut memiliki garis efisiensi untuk diameter impeller yang berbeda-beda, yang ditunjukkan dengan garis vertical dan nilai % effisiensi pada bagian atas. Biasanya dalam dokumen datasheet akan dijelaskan pada kapasitas berapa pompa akan dijalankan, dimana biasanya nilainya dekat dengan titik BEP.

Kita kembali kepada bahasan kavitasi pada bagian discharge. Adanya keadaan diatas, yakni pressure yang tinggi namun aliran yang tidak bisa keluar seluruhnya dari pompa, menyebabkan fluida bersirkulasi di dalam pompa dan terjadi peristiwa sirkulasi internal. Saat liquid mengalir disekitar impeller, dia harus melewati celah sempit yang berada diantara impeller dan titik cutwater pompa sehingga kecepatannya naik dengan sangat tinggi. 

Cut water pada pompa

Kecepatan yang sangat tinggi ini akan menyebabkan terjadinya kondisi vakum, dan hal inilah yang menyebabkan terjadinya peristiwa kavitasi pada bagian discharge pompa.

Beberapa penyebab terjadinya peristiwa kavitasi discharge :

1. -          Adanya blockade pada bagian discharge
2. -          Pompa berjalan pada bagian kurva pompa yang terlalu kekiri
3. -          Desain piping yang keliru

Kavitasi ini akan menyebabkan keausan premature pada bagian ujung impeller dan pump housing.

Akibat kavitasi discharge pada ujung impeler

Untuk summary, kavitasi suction terjadi ketika kita menjalankan pompa dengan berada pada kurva karakteristik yang terlalu ke kanan, sehingga NPSHr tidak bisa tercapai, sedangkan untuk kavitasi discharge  terjadi ketika kita menjalankan pompa dengan kondisi operasi pada kurva karakteristik pompa terlalu kekiri, dimana terjadi sirkulasi internal yang menyebabkan kavitasi.

Jadi, dengan kita mempelajari kurva karakteristik pompa, kita akan mengetahui kondisi optimal yang seharusnya dijalankan pada pompa. Hal ini akan menghindari akibat dari salah pengoperasian, salah satunya adalah menghindari peristiwa kavitasi, baik itu kavitasi suction maupun kavitasi discharge.

Hal ini, tentu saja akan bisa membuat umur pompa kita menjadi lebih panjang karena dijalankan dalam kondisi pengoperasian yang baik.

Tak ada ruginya kita mempelajari kurva karakteristik pompa ini.

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Kavitasi Suction

Kavitasi suction terjadi karena pressure yang rendah pada bagian suction. Salah satu konsep yang wajib kita ingat adalah bahwa pompa tidak menghisap fluida, tetapi tekanan suction fluida yang membuat pompa bisa berjalan dengan baik.

Masih bingung ?
Kita mungkin pernah mendengar istilah memancing pompa, dalam bahasa inggis disebut priming the pump. Priming pompa ini dapat dilakukan dengan dua macam cara, yakni mengisi pompa dengan fluida dan mengeluarkan udara terjebak dalam pompa.

Nah, bagaimana udara terjebak ini bisa keluar?

Tentu saja dengan tekanan fluida itu sendiri, atau tekanan suction pompa yang berasal dari tekanan lingkungan (atmosferik jika sistemnya terbuka) ditambah dengan tekanan hidrostatis jika air disuplai dari tangki.

Jadi, pompa itu bukan menghisap fluida. Namun, tekanan dari fluida itu sendiri yang bisa membuat fluida bisa dipompakan. Meskipun begitu, tekanan suction pompa ini haruslah berada pada nilai tertentu, jika tidak dia tidak akan bisa dipindahkan dengan baik. Dan, ini dikenal dengan istilah NPSH. NPSH adalah nilai bersih yang harus dimiliki setelah tekanan suction fluida dikurangi dengan tekanan friksi pada sistem perpipaan pada bagian suction dan tekanan uap fluida. 

Kalau prinsip kerja pompa adalah menghisap fluida, maka kita tidak usah susah-susah melakukan proses pemancingan/priming pompa hehe... sudah jelas kan?

Agar memudahkan, pada kurva karakteristik pompa dilampirkan tekanan suction bersih yang dibutuhkan agar pompa bisa bekerja dengan baik, yang disebut dengan Net Positive Suction Head Required (NPSHr). NPSHr ini merupakan data vendor.

Mari kita lihat NPSHr pada kurva karakteristik pompa.

 

Kurva Karakteristik NPSHr

Pada grafik diatas NPSHr dinyatakan dalam meter (head) dan dihubungkan dengan flowrate. NPSHr akan naik jika flow rate naik. Tentu saja, semakin besar flowratenya, maka seperti pernah dijelaskan, friksi semakin besar, otomatis NPSHr harus besar untuk menghindari hilang tekan yang bertambah.

Jika NPSHr adalah data yang berasal dari vendor, ada juga yang dinamakan NPSH available (NPSHa). NPSHa adalah NPSH aktual yang ada pada sistem. Kita bisa menghitungnya atau mendapatkannya pada pembacaan instrument tekanan yang ada di lapangan di bagian suction pompa. Tentu saja, nilai ini masih harus dikurangi friksi yang hilang di perpipaan suction, dari tempat pemasangan instrument tersebut sampai mata impeller.

Kenapa perhitungan NPSH harus sampai dengan mata impeller? Berikut adalah profil pressure fluida dalam sebuah pompa:

 

Profil tekanan pada pompa sentrifugal

Sebagaimana gambar diatas, pressure terendah terdapat pada mata impeller. Maka dari itu, perhitungan NPSH sampai dengan mata impeller.

Jadi, kita sudah jelas sekarang mengenai kasus kavitasi suction. Kavitasi suction adalah peristiwa kavitasi akibat tekanan suction yang terlalu kecil sehingga tidak mampu menjaga tekanan fluida agar tetap berada pada kondisi tekanan di atas kondisi uap jenuhnya.

Berikut adalah contoh nyata kerusakan impeller akibat kavitasi suction

Kerusakan akibat kavitasi suction

Untuk operasional, saya jarang memperhatikan perhitungan NPSH ini, sebab sudah ada pengaman dalam sistem, dimana jika level tangki sudah mencapai Low low level, pompa akan mengalami interlock untuk menghindari kavitasi suction ini.

Jika level tangki, sudah berada pada normal level, dijamin NPSHa akan selalu lebih tinggi dari NPSHr. Kalau tidak, pasti salah fatal dari engineerng. Oleh karena itu, saya selalu menjalankan pompa pada normal level, tanpa perlu bersusah payah menghitung NPSH.

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Penjelasan Kavitasi

Ini adalah bagian akhir dalam membaca kurva karakteristik pompa, yakni kita akan membahas mengenai peristiwa kavitasi. Jadi, apakah peristiwa kavitasi itu?

Kavitasi itu sendiri adalah lahirnya sebuah rongga yang berisi uap dalam fluida. Biasanya hal ini terjadi ketika ada sebuah gaya yang bekerja dalam fluida tersebut yang menyebabkan turunnya tekanan. Jika turunnya tekanan tersebut sangat tinggi dan mengalahkan tekanan uap jenuh fluida. Maka, akan ada kecenderungan untuk terbentuk gelembung.  

Sebelum menerangkan mengenai kavitasi, alangkah baiknya kita belajar terhadap kesetimbangan lewat ilustrasi berikut:

Air yang mendidih, gelembung uap

Sudah dikatakan diatas bahwa gelembung terbentuk jika tekanan uap jenuh fluida melebihi tekanan dalam sistem. Hal ini sama dengan fenomena air pada titik didihnya. Air dikatakan pada kondisi mendidih ketika tekanan uap air adalah sama/ melebihi tekanan atmosferik yang melawannya. Sehingga terbentuklah gelembung.

Tetapi ada dua perbedaan, antara gelembung yang disebabkan oleh air yang dididihkan dengan gelembung yang terjadi karena peristiwa kavitasi. Pada peristiwa air yang didihkan, gelembung memiliki tekanan yang sama dengan lingkungan. Energi yang berasal dari lingkungan membuat molekul memperoleh energi yang cukup kuat. Hal ini menyebabkan pecahnya aggregat fasa cair pada air tersebut. Peristiwa ini menjadikan terbentuknya gelembung yang berisi uap air. Cara mempercepat pembentukan gelembung ini bisa dengan dua macam cara, yakni dengan menambahkan jumlah energi panas atau dengan mengurangi tekanan lingkungan. Inilah mengapa, ketika kita di pegunungan, ketika memasak harus dalam waktu yang lama karena titik didihnya yang menurun akibat tekanan atmosfer yang turun.

Sedangkan, pada peristiwa kavitasi, gelembung yang terbentuk tidak memiliki tekanan. Hal ini akan dijelaskan lewat gambar dibawah

Gelembung terbentuk dalam peristiwa kavitasi

Diatas adalah sebuah contoh kavitasi dalam perpipaan. Kita bisa melihat, bahwa ada uap dalam pipa tersebut, seperti ditunjukkan oleh lingkaran kuning. Untuk mengetahui bagaimana hal tersebut bisa terjadi, kita merujuk pada hukum Bernoulli yakni, tekanan dalam fluida (energi potensial fluida) ditambah dengan kecepatan fluida (energy kinetic fluida) adalah selalu konstan. Jadi, jika tekanan naik, otomatis kecepatan fluida turun. Hukum Bernoulli ini merupakan akibat dari hukum kekekalan massa.

Untuk mempertahankan massa aliran agar tetap, kecepatan alir pada bagian pipa yang mengecil harus lebih cepat daripada pada bagian yang besar. Konsekuensinya, nilai tekanannya akan turun. Tekanan yang turun tersebut mengakibatkan gaya yang menahan agar fluida tetap dalam fasa cair menjadi teratasi. Akibatnya, terbentuklah gelembung. Berdasar penjelasan diatas, maka gelembung yang terbentuk tidak memiliki tekanan/ vakum. Jika kita melihat pada gambar, kita bisa mengetahui, bahwa kavitasi terjadi secara lokal pada tempat tertentu.

Apa dampak buruk adanya kavitasi?

Peristiwa terbentuknya gelembung ini bukanlah yang dikhawatirkan. Yang lebih berbahaya adalah meletusnya gelembung ini. Seperti dijelaskan, uap yang terbentuk pada peristiwa kavitasi adalah tidak bertekanan, sedangkan dalam sistem perpipaan sudah barang tentu fluida yang mengalir memiliki tekanan. Pada keadaan tertentu, ketika perbedaan pressure mengecil, maka gelembung akan meletus. Disini, sistem akan mendapat hantaman gelombang kejut, shockwave, yang bisa merusak material sistem tersebut.

Shockwave karena meletusnya gelembung kavitasi

Pada pompa, ada jenis dua kavitasi, yakni kavitasi suction dan kavitasi discharge. Dua hal ini akan dijelaskan pada edisi mendatang

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Friction

Friksi atau gaya gesek adalah sebuah gaya yang dtimbulkan apabila dua buah benda saling bersentuhan yang menyebabkan kehilangan energi. Mari kita lihat lagi kurva karakteristik pompa pada post sebelumnya, sperti dibawah ini:

Kurva karakteristik pompa

Jika kita lihat hubungan antara flowrate dengan head, kita akan menemukan ada tiga garis yang menyatakan hubungan antara dua variable tersebut. Yang membedakan adalah, bahwa dari ketiga garis tersebut menunjukkan hasil yang berbeda untuk diameter yang berbeda-beda.

Note: Diameter yang ditunjukkan kurva karakteristik adalah diameter impeller, bukan diameter pipa.

Dengan diameter 540 mm, dihasilkan total head tertinggi adalah 113 meter, untuk 573 mm, total head tertinggi adalah 126 m dan yang terakhir, pada diameter 584 mm dihasilkan head sekitar 130 m.

Dari data, kita tahu bahwa semakin besar diameter impeller akan menghasilkan jumlah total head yang semakin besar. Jika kita tarik garis horizontal untuk menghubungkan ketiga garis tersebut seperti gambar dibawah:

Perbandingan head dengan flowrate untuk diameter yang berbeda

Terlihat bahwa untuk total head yang sama, akan menghasilkan flowrate yang berbeda-beda. Dan, pompa dengan diameter terbesarlah yang menghasilkan flow rate paling tinggi.

Untuk selanjutnya, mari kita lihat tabel berikut untuk melihat pengaruh diameter sistem perpipaan dengan hilang tekan karena gaya gesek

Pembacaan friksi dalam psi untuk dua buah pipa yang berbeda

Diatas disajikan sebuah data untuk dua buah pipa sepanjang 100 feet berukuran 0.5 inch dan 1 inch. Sedikit menjelaskan cara eksperiment ini dilakukan. Kita mengalirkan fluida melalui sebuah pipa berukuran 100 feet. Dilakukan pemasangan pressure gauge di posisi 0 feet dan 100 feet, Perbedaan kedua pembacaan tersebut lalu dianggap sebagai kehilangan tekanan karena friksi.

Percobaan untuk mencari besarnya friksi yang dinyatakan dalam hilang tekanan

Beberapa hal yang bisa kita simpulkan dari data tersebut :

• Semakin tinggi flow, semakin tinggi kecepatan, semakin tinggi pula friksinya
• Untuk flow yang sama, pada diameter yang berbeda, akan memberikan friksi yang berbeda. Friksi yang lebih kecil didapatkan oleh diameter yang lebih kecil.

Mari kita telaah dulu dua pernyataan diatas. Data diatas sekilas seperti tidak masuk akal. Logikanya, jika kita perbesar flow, maka makin cepat kecepatan fluida. Semakin cepat, waktu tinggal dalam pipa akan semakin sedikit. Jika waktu tinggal fluida dalam pipa sedikit, logikanya kehilangan tekanan juga lebih sedikit karena waktu kontak fluida dengan dinding pipa semakin singkat. Namun, mengapa semakin cepat fluida, semakin tinggi pula kehilangan tekanan.

Untuk perbedaan diameter memang tidak ada masalah. Semakin kecil diameter, semakin kecil ruang yang harus ditempati oleh fluida. Maka semakin mudah fluida untuk kontak dengan dinding yang menyebabkan friksinya naik.

Bagaimana menjawab pernyataan yang bertolak-belakang seperti diatas?

Jika melihat dengan cermat, dalam data tersebut ada sebuah keunikan. Kita lihat pada diameter 0.5 inch, nilai friksi naik secara signifikan, sedangkan pada diameter 1 inch, nilai friksi naik secara sedikit demi sedikit seiring bertambahnya flowrate. Nah, ini berhubungan dengan pola aliran karena naiknya kecepatan alir.

Untuk membedakan pola alir ini biasanya dinyatakan secara matematis melalui bilangan reynold. Bilangan Reynold akan memberikan suatu pola alir yang disebut laminar, transisi atau turbulen pada range angka tertentu. Semakin tinggi kecepatan aliran, semakin tinggi bilangan Reynold dan akan membuat pola aliran semakin bersifat turbulen

Pola aliran dalam pipa

Coba lihat gambar dibawah untuk melihat perbedaan antara dua pola alir fluida tersebut. 

Diatas, sebagaimana kita ketahui adalah profil aliran dalam sebuah pipa. Kita bisa melihat bahwa untuk aliran turbulen kontak fluida dengan dinding cenderung lebih banyak jika dibandingkan dengan pola aliran laminar. Sebagaimana kita tahu, semakin banyak kontak, semakin besar friksi, yang menyebabkan semakin tingginya hilang tekanan pada fluida. Nah, inilah mengapa, semakin cepat fluida, malah membuat friksinya semakin naik. Hubungan kecepatan fluida dengan hilang tekanan bisa dilihat dalam grafik dibawah:

Grafik hubungan kecepatan alir dengan friksi

Nah, untuk aliran laminar jumlah kehilangan tekanan setara dengan kenaikan kecepatan alir. Sementara untuk aliran turbulen, jumlah kehilangan tekanan setara dengan kenaikan kecepatan alir pangkat 1.7 sampai 2.0.

                            

Dalam dunia industri, kita selalu berhadapan dengan aliran turbulen, jarang kita menggunakan aliran laminar. 

Membaca Kurva Karakteristik Pompa : Head Pompa

Meskipun telah beberapa kali kita membahas mengenai pompa dalam blog ini, masih banyak hal mendasar yang belum tercover dan belum disajikan secara lebih runtut. Oleh karena itu, saya memutuskan untuk memulai kembali pembahasan mengenai pompa.

Seringkali, kita melakukan suatu prosedur tanpa kita bisa menjelaskan atas dasar apa prosedur tersebut dilakukan. Pun, kaitannya dengan pompa. Pembahasan dalam blog ini akan lebih dititikberatkan pada penggunaan pompa sentrifugal. Alasannya sederhana, pompa sentrifugal sangat umum sekali digunakan. Pompa sentrifugal banyak digunakan pada bagian utilitas pabrik karena umumnya fluida yang ditransfer memiliki viskositas yang tidak tinggi, misalkan air.

Sebelum melangkah lebih lanjut, alangkah lebih baiknya membaca lagi post tentang pompa sentrifugal yang pernah saya tulis sebelumnya. Bisa dilihat disini.

Langsung saja, mari kita tengok kurva karakteristik pompa berikut :

Kurva karakteristik pompa

Diatas disajikan sebuah kurva karakteristik pompa fire water. Pompa ini, sesuai namanya, dipakai dalam keadaan darurat, yakni ketika terjadi kebakaran.

Kita lihat, pada bagian sebelah kiri menunjukkan kilowatts dan juga total head dalam meters. Kilowatts berarti menyatakan mengenai daya yang terpakai. Semakin tinggi load/beban kerja, tentu akan butuh tenaga lebih besar untuk menggerakkan pompa dalam putaran yang sama. Beban kerja dalam hal ini ditanyatakan dalam flow rate liquid yang ditransfer.

Secara rinci bisa dinyatakan : Flow rate naik menyebabkan Beban kerja naik sehingga Daya naik

Bagaimana bisa mendapatkan nilai flowrate yang berbeda-beda sehingga kurva karakteristik pompa tersebut bisa dibuat? Mudah saja, salah satunya dengan men-throttle discharge pompa.  Otomatis akan membatasi flow rate yang keluar.

Kemudian, apa itu total head yang dinyatakan dalam meter? Mari simak gambar berikut

Total head

Dari gambar diatas dapat kita ketahui, head adalah ukuran tinggi fluida. Total head (Ht) sendiri didefinisikan sebagai head discharge (hd) dikurangi dengan head suction (hs).

 Ht = hd – hs.

Disini, juga berlaku ketentuan, semakin tinggi head suction, maka akan semakin tinggi pula head discharge, dan sebaliknya. Ada kalanya, head juga dinyatakan dalam satuan tekanan. Hal ini dilakukan, jika kita sudah mengetahui fluida apa yang akan dipakai. Untuk fluida yang berbeda akan memberikan tekanan head yang berbeda-beda. Bagaimana total head, jika kita mengambil air dari sumur. Tentu saja, perhitungannya adalah sebagai berikut : Ht = hd – (-hs) = hd +hs.

Oke, lanjut ke persoalan kurva karakteristik. Kenapa total head semakin menurun ketika flow rate bertambah?

Flow and head

Jika kita memasang selang setinggi mungkin pada discharge pompa dan kemudian menyalakan pompa tersebut, akan sampai pada keadaan bahwa fluida hanya bisa mencapai tinggi tertentu, tanpa adanya aliran keluar. Nah, jika kita kurangi ketinggian selang, tentu saja fluida akan keluar. Semakin rendah, maka akan semakin banyak flow rate. Tentu saja kita masih ingat percobaan waktu SD dulu, seperti dibawah ini: 

Pressure vs Depth

Nah, bisa kita ibaratkan seperti gambar diatas. Semakin kebawah, akan semakin kuat jetnya. Dalam artian kecepatan fluida keluar. Sebagaimana kita tahu flowrate atau laju alir adalah kecepatan fluida (v) dikali dengan luas permukaan (A). Maka, jika kecepatan fluida naik menyebabkan flowrate juga naik.

Nah, sekarang kita sudah mengetahui hubungan antara daya dengan flowrate dan juga total head dengan flowrate. Hubungan antara flowrate dengan total head inilah yang menjadi bagian penting dalam ketentuan kita membeli suatu pompa. Dalam artian awam, berapa jauh lintasan fluida akan disalurkan dari tempat A ke tempat B (total head) dan berapa laju alir yang dibutuhkan untuk proses selanjutnya (flow rate). Maka dari itulah data karakteristik pompa dibutuhkan sebagai pertimbangan pemilihan pompa. 

Minimum Re-circulation Line in Centrifugal Pump

Pompa merupakan sebuah alat yang sudah pasti digunakan dalam sebuah plant karena fungsinya yang untuk memindahkan fluida. Ciri kerjanya sudah kita ketahui bersama. Namun, tetap saja, terkadang masih banyak hal yang bisa kita pelajari dari pompa ini. Kali ini kita akan membahas mengenai minimum re-circulation line pada sebuah pompa sentrifugal.

Perlu kita tahu, bahwa tidak selamanya proses yang berjalan pada sebuah plant selalu berjalan continous, meskipun pada dasarnya ia di-desain untuk berjalan demikian. Misalkan, sistem yang didepannya mengalami ketidakstabilan (upset) yang membutuhkan waktu untuk proses pen-tuningan operasi. Hal ini mengakibatkan kerja sistem yang dibelakangnya menjadi terhambat.

Contoh nyata adalah sistem boiler feed water (BFW) treatment unit. 

Schematic Diagram by Sutrisno

BFW treatment unit berfungsi untuk menurunkan konduktifitas air hasil olahan reverse osmosis (RO) unit. Air hasil RO unit yang disebut sebagai permeate water masuk ke permeate tank. Di permeate tank kemudian ia dipindahkan ke dalam demin tank menggunakan permeate pump melalui BFW treatment unit untuk menurunkan kadar konduktifitasnya. BFW treatment unit sejatinya adalah sebuah vessel yang berisi resin, dimana terjadi peristiwa penukaran ion-ion yang berada dalam air. Air produk dari BFW treatment unit menjadi murni, tidak memiliki kandungan mineral sehingga disebut demineralized water atau bahasa populernya "air demin".

Suatu saat BFW treatment unit tidak bekerja dengan bagus. Air hasil olahan BFW masih menghasilkan konduktifitas yang masih tinggi. Hal ini bisa terjadi jika resin yang berada dalam vessel sudah dalam kondisi jenuh kedua-duanya. Artinya ia butuh diregenerasi dengan menggunakan bahan kimia dan dalam kondisi ini, ia tidak bisa menerima air kiriman dari permeate tank.

Apakah pompa permeate harus dimatikan karena ia sudah tidak dibutuhkan lagi dalam menstransfer air?

Disinilah salah satu fungsi dari adanya minimum re-circulation line. Jalur discharge dari pompa dibagi menjadi dua, satu menuju ke arah BFW treatment unit dan satunya lagi balik ke dalam tanki. Yang balik ke dalam tanki inilah yang disebut minimum re-circulation line. Line ini dibuat agar meskipun tidak ada fluida yang ditransfer ke distribusi, pompa masih bisa dijalankan dengan aliran yang cukup untuk menjaganya agar tetap bekerja secara aman. 

Minimum flow by Imran

Pompa memiliki aliran minimum yang perlu ditransfer untuk menjaga agar pompa tersebut bekerja secara aman, tanpa vibrasi berlebihan etc. Disinilah fungsi daripada minimum re-circulation line. Supaya pompa sentrifugal tetap mendapatkan aliran minimal yang diperlukan untuk bekerja dalam kondisi aman. Gambar berikut menunjukkan perkiraan yang terjadi jika pompa tidak bekerja di dalam kondisi optimal.

Head vs Flow dan Kondisi Pompa

Fungsi line re-sirkulasi minimal adalah menjaga agar jumlah aliran yang dibutuhkan pompa selalu berada dalam kondisi yang aman jika sesuatu terjadi pada line distribusi yang menyebabkan fluida tidak bisa dialirkan ke dalam jalur distribusi.

  

Sebagai tambahan, pompa yang bekerja hanya dengan menggunakan aliran minimum re-sirkulasi harus selalu kita monitor. Sebab, ia bekerja dalam kondisi closed. Tidak ada air yang keluar dan air tersebut selalu mendapat energi dari pompa.

Suatu kejadian nyata pernah terjadi, air hanya mengalami proses sirkulasi balik dari pompa injeksi yang tekanan luarannya 130 bar selama dua hari berturut-turut. Tidak ada air yang dialirkan ke distribusi. Akibatnya suhu air meningkat secara drastis dan dikabarkan adanya uap air / steam yang keluar dari vent tanki tersebut. Sungguh sangat berbahaya.

Referensi lain untuk re-circulation line bisa ditemukan disini

https://www.pumpindustry.com.au/what-is-the-purpose-of-minimum-flow/6378/

https://www.linkedin.com/in/imran-muhammad-88a9589?trk=pulse-det-athr_prof-art_hdr

Pompa dan Cara Startingnya

Secara umum, pompa dibagi menjadi dua jenis :

1. Positive displacement pump, pompa jenis ini bekerja dengan cara menjebak fluida yang masuk, kemudian mendorong fluida terjebak dalam ruang dengan volume tetap tersebut menuju ke bagian discharge. Oleh karena kekhasan inilah, pompa ini memiliki flow rate yang tetap. Positive displacement pump, dibagi lagi menjadi dua bagian: Pompa reciprocating (gerakan bolak-balik) dan juga rotary (gerakan berputar)
2. Centrifugal Pump, pompa jenis ini memanfaatkan gaya sentrifugal untuk memberikan gaya dorong terhadap fluida,

Berbeda dalam hal mekanisme kerja tentu saja akan memberikan perbedaan dalam hal kapan dan untuk aplikasi apa pompa ini digunakan. Positive displacement ("PD") pump dalam dunia industri biasanya dipakai untuk menangani fluida yang bukan air. Misalkan, bahan kimia dan juga minyak.

Macam-macam pompa PD

Injeksi kimia biasanya memakai pompa PD dikarenakan pompa jenis ini bisa disetting untuk memiliki kapasitas yang kecil. Bahan kimia, misalkan NaOH biasanya digunakan dalam industri dalam dosis yang kecil, misalkan untuk mengganti ion resin yang sudah jenuh. Selain itu, keuntungan dari mneggunakan pompa PD untuk injeksi bahan kimia adalah flowrate nya yang tetap dan bisa diubah sesuai dengan settingan stroke yang kita inginkan. Begitupun aplikasinya untuk memompa minyak. Pompa PD biasa digunakan untuk memompa minyak yang memiliki viscositas yang tinggi. Bayangkan betapa beratnya kerja impeller pada pompa sentrifugal bila ia digunakan untuk memompa fluida yang bersifat kental.

Lain daripada pompa PD, pompa sentrifugal biasanya digunakan untuk menangani fluida air. 

Bagian-Bagian Pompa Sentrifugal

Prinsip daripada pompa sentrifugal ini adalah fluida masuk melalui mata impeller. Di sini, air akan mendapatkan tambahan energi kinetik ketika ia diputar oleh impeller karena gaya sentrifugal. Setelah keluar dari impeller, air akan memasuki ruang yang memiliki kecenderungan untuk melebar yang disebut volute. Di volute, energi kinetik akan diubah menjadi head yang dinyatakan dalam satuan meter.

Dalam pompa sentrifugal, lebih sering kita menggunakan kata head daripada pressure karena pressure discharge pompa akan selalu berubah-ubah tergantung dari specific gravity (s.g) dari fluida. Misalkan, air yang memiliki s.g =1 akan memiliki pressure discharge lebih tinggi daripada methanol yang memiliki s.g =0.6

Preparation before Starting the Pump

Pola perlakuan yang berbeda juga harus dilakukan antara pompa PD dan juga pompa sentrifugal ketika ia akan dijalankan.

Persiapan yang harus dilakukan sebelum menjalankan pompa PD adalah memastikan bahwa bagian inlet pompa dan juga discharge harus dalam keadaan terbuka. Biasanya, pompa PD juga dilengkapi pressure safety valve (PSV) pada bagian discharge. Hal ini sebaga pengaman jika kita lupa membuka valve discharge. Ingat, meskipun valve discharge ditutup, pompa PD akan terus memompa.Akibatnya, terjadi build-up pressure yang bisa sangat berbahaya dan merusak peralatan.

Untuk pompa sentrifugal, persiapan yang harus dilakukan sebelum men-start pompa adalah:

1. Pastikan bagian dalam pompa telah terisi penuh dengan fluida, jangan sampai ada udara yang terjebak. Hal ini dengan cara membuka valve drain yang terhubung langsung dengan bagian dalam pompa. Istilah teknisnya disebut dengan "priming"
2. Usahakan jangan buka valve discharge pompa langsung 100% terbuka. Hal ini untuk menghindari kavitasi. Sesaat setelah pompa di-start akan ada proses akselerasi dari fluida yang menyebabkan turunnya pressure di bagian inlet pompa. Hal ini menyebabkan vakum, jika NPSH pompa kurang, maka dapat mengakibatkan kavitasi. Demi menghindari hal tersebut, maka kapasitas pompa harus diturunkan untuk mengurangi jumlah pressure drop dengan cara tidak membuka 100% open valve discharge ketika pertama kali pompa dijalankan.