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. 

Resume Tangki Penyimpanan

Kita telah membahas banyak mengenai tangki penyimpan. Mulai dari cara pengukuran level yang merupakan aspek yang sangat penting. Sebab, fungsi tangki penyimpan sendiri yang merupakan tempat transit sementara, sebelum produk apapun didalamnya dipindahkan.

Biasanya jika tangki penyimpan berisi produk dari sebuah proses yang memiliki lebih dari satu tangki penyimpan, tangki penyimpan akan dibagi menjadi dua jenis, yakni untuk menampung produk yang on-spek dan yang off-spek.

Kita juga telah membahas mengenai sistem pengaman tangki, mulai dari level protection dan pressure protection. Selain itu, kita juga mengenal macam bentuk dari tangki penyimpan, yang kita ketahui memiliki bentuk yang berbeda satu sama lain, sesuai dengan fluida yang ditanganinya.

Tak kalah penting, kita juga melakukan perhitungan volume sebagian untuk dua macam bentuk tangki penyimpan yang kaitannya dalam hal pengoperasian.

Saya kira, lengkap sudah pembahasan mengenai tangki ini. Berikut link untuk tulisan mengenai tangki penyimpan untuk mempermudah kita dalam mempelajari kembali

Menentukan Volume dan Level dari Storage Tank

Aksesoris Terpasang pada Tangki Penyimpan (Level Measurement)

Aksesoris Terpasang pada Tangki Penyimpan (Pressure Protection)

Berbagai Macam Bentuk Tangki Penyimpan dalam Aplikasinya

Analisa Volume Partial untuk Tangki Penyimpan, Bagian 1

Analisa Volume Partial untuk Tangki Penyimpan, Bagian 2

Edisi berikutnya kita akan membahas transfer liquid dari tangki penyimpan. Yups, kita akan membahas mengenai pompa. Keep Stay Tuned

Analisa volume partial untuk tangki penyimpan,Bagian 2

Bagaimana menghitung volume parsial untuk tangki penyimpan yang berbentuk silinder, bola dan lain sebagainya yang tentu saja hubungan antara volume parsial dengan tingginya tidak linier. Hal ini telah dijelaskan dalam buku “Gas Processors Suppliers Association” GPSA Engineering Data Book, dalam chapter-6 mengenai “Storage”.

Berikut adalah cuplikan yang sama ambil dari buku tersebut untuk menghitung silinder horizontal yang bentuknya seperti peluru,

Rumus menghitung volume parsial tanki silinder horizontal dari GPSA

Mari kita buat sebuah percobaan untuk membuktikan hubungan antara ketinggian dengan volume antara silinder vertical beralas datar dengan silinder horizontal dengan bentuk ujung bulat. Diketahui parameter-parameternya adalah sebagai berikut :

Untuk menghitung volume silinder vertical, kita cukup menggunakan rumus volume silinder, didapatkan hubungan antara tinggi dengan volume adalah sebagaimana berikut,

 

Grafik tinggi vs volume untuk tangki silinder vertikal

Sedangkan untuk menghitung volume silinder horizontal, kita menggunakan rumus yang tersaji pada cuplikan buku GPSA diatas, maka didapatkan hasil sebagaimana berikut,

 

Grafik tinggi vs volume untuk tangki silinder horizontal

Maka disini dapat dibuktikan hubungan antara tinggi dengan volume untuk dua buah kasus diatas dalam penentuan untuk tinggi volume.

Hasil untuk silinder vertikal menunjukkan grafik hubungan yang linier antara hubungan tinggi dengan volume, ditunjukkan dengan persamaan garis lurus, y = mx. Hal berbeda ditunjukkan pada kasus silinder horizontal, dimana nilai persamaannya merupakan persamaan kuadrat.

Excel untuk contoh diatas bisa diambil disini.

Analisa Volume Partial untuk Tangki Penyimpan, Bagian 1

Setelah kita membahas mengenai penentuan volume dan level tangki penyimpan, pressure protection, macam tangki penyimpan yang berkaitan dengan material yang ditangani, kali ini kita sedikit akan membahas mengenai penentuan volume partial untuk tangki penyimpan. Kita tidak akan membahas mengenai desain tangki,

Mari simak ilustrasi sebagaimana berikut

Sebagaimana kita tahu, pengolahan air untuk dipergunakan sebagai air umpan boiler mengalami beberapa tahap pemurnian hingga didapatkan kualitas yang memenuhi syarat, seperti konduktifitas, pH, O2 content, dsb. Berikut disajikan urutan treatment air sehingga didapatkan kualitas yang dipersyaratkan :

Proses pengolahan air untuk umpan boiler

Filtered Water mengalami proses reverse osmosis sehingga menjadi permeate water. Permeate water masuk ke dalam mixed bed resin sehingga didapatkan demin water. Demin water diteruskan ke dalam deaerator sehingga didapatkan air umpan boiler/ boiler feed water.

Tiap proses memiliki tangki penyimpan sendiri untuk menjaga agar proses berlangsung secara kontinyu dengan waktu retention time sebesar empat jam. Artinya, tangki penyimpan tersebut mampu menyuplai air ke distribusi selama kurun waktu empat jam tanpa perlu diisi ulang. Bagaimana cara kita menentukan retention time ini jika tidak diketahui. Biasanya retention time dihutung dari net working available volume dibagi dengan flow rate dari pompa distribusi yang digunakan.

Misalkan dalam suatu operasi pabrik,tiba-tiba tangki demin water tidak bisa diisi dikarenakan mixed bed resin baik A maupun B mengalami suatu masalah dan harus segera dilakukan regenerasi untuk bisa digunakan kembali dan itu membutuhkan waktu. Sedangkan, demin water selalu terpakai karena digunakan untuk menyuplai boiler. Dalam keadaan seperti ini, tangki demin water levelnya akan selalu berkurang. Dan, kita harus mencari tahu berapa lama tangki demin water bisa bertahan untuk menyuplai air ke deaerator.

Menjawab pertanyaan diatas, secara sederhana untuk menghitung berapa lama suatu volume tangki bisa menyuplai air untuk tangki penyimpan vertikal berbentuk silinder dengan alas datar, bisa kita gunakan cara yang cukup sederhana.

1. Catat waktu dan volume awal tangki dari level transmitter

2. Tunggu lima menit

3. Catat volume akhir tangki. 

Kurangi volume awal dengan akhir, maka kita dapat penurunan volume tangki tiap lima menit. Misal, volume awal 70 %, setelah lima menit turun 68 %, maka 2 % per lima menit, Dikatakan low level trip adalah 4 %. Waktu tangki bisa bertahan untuk menyuplai air : (68%-4%) =64%. 64% ini adalah working volume tangki. 64%/2% x 5 menit = 32 x 5 = 70 menit.

Didapatkan, tangki penyimpan hanya bisa menyuplai dalam 70 menit tanpa adanya feed.

Peristiwa ini sering terjadi sering terjadi terutama diawal-awal operasi  dikarenakan peralatan masih baru saja digunakan dan terkadang diperlukan adjustment tertentu agar proses berjalan dengan stabil. Nah, cara untuk mengetahui seberapa lama tangki demin water bisa bertahan tidaklah sulit.

Kita tahu tangki demin water memiliki tekanan rendah, berbentuk silinder vertikal, maka dia memiliki kehilangan volume yang sama untuk tiap ketinggian. Hal ini berbeda dengan bentuk tangki berbentuk silinder horizontal berbentuk peluru/ vessel. Mari simak ilustrasi gambar di bawah

Dua buah tangki penyimpan dengan bentuk berbeda, kiri : tangki demin, kanan : deaerator vessel

Bisa dilihat untuk tangki silinder vertical, jika pompa memiliki flow rate yang konstan, maka nilai perubahan ketinggian tangki dh akan konstan. Sedangkan untuk tangki silinder horizontal, perubahan ketinggian tangki dh tidak akan linier. Hal ini terjadi karena  luas penampang untuk ketinggian yang berbeda pada tangki tersebut tidaklah sama. Luas penampang terbesar terletak pada bagian tengah. Tangki benbentuk silinder horizontal ini untuk utilitas biasanya dipakai oleh deaerator untuk air umpan boiler.

Dalam kajian selanjutnya kita akan membahas bagaimana menghitung volume parsial tangki penyimpan untuk macam bentuk yang berbeda.