Ilmu Listrik (Electrical Science): Efesiensi Pompa untuk Audit Energi

Apa yang dimaksud Efisiensi Pompa?

Berbicara tentang efisiensi sebuah mesin apapun, kita mengacu pada seberapa baik mesin itu dapat mengubah satu bentuk energi ke bentuk energi lain. Jika satu unit energi disuplai pada sebuah mesin dan output-nya satu-setengah unit dalam satuan yang sama, maka efisiensinya adalah 50%. Penggunaan konstanta dapat memberikan persamaan meskipun dinyatakan dalam jumlah berbeda.

Contoh yang paling umum adalah “mesin pemanas” yang menggunakan energi dalam bentuk panas untuk menghasilkan energi mekanik seperti mesin pembakaran internal. Meskipun mesin merupakan bagian yang berhubungan dalam kehidupan kita sehari-hari, namun efektivitas dalam mengkonversi energi jauh lebih kecil dari yang kita harapkan. Efisiensi mesin mobil sekitar 20%. Dengan kata lain, 80% dari energi panas dalam satu galon bensin tidak melakukan kerja yang bermanfaat. Meskipun telah berjalan selama bertahun-tahun, penambahan efisiensi telah banyak dilakukan dengan manambah efisiensi mekanik mesin itu sendiri. Mesin Diesel melakukan pekerjaan yang lebih baik, tapi masih keluar sekitar max. 40%. Peningkatan ini disebabkan,karna rasio kompresi lebih tinggi dengan fakta bahwa bahan bakar di bawah tekanan tinggi di injeksi langsung ke dalam silinder pada bagian atas stroke kompresi. Di sisi lain mesin Bensin, terbatas pada rasio kompresi yang lebih rendah karena bahan bakar memasuki silinder sebelum langkah kompresi.

Dalam industri pompa, banyak pekerjaan kita yang melibatkan dua hal sederhana, yakni efisiensi mesin “pompa sentrifugal” dan “motor induksi AC”. Pompa sentrifugal mengubah energi mekanik menjadi energi hidrolik (aliran, kecepatan dan tekanan) dan motor AC mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Banyak sentrifugal besar menghasilkan efisiensi 75 – 90% dan yang kecil biasanya ke kisaran 50 – 70%. Motor AC besar di sisi lain, dapat mendekati efisiensi 97% dan motor lain diatas 5 hp, dapat didesain mencapai 90% hambatan.

Efisiensi pompa sentrifugal adalah perbandingan WKW power fluida (output) dengan BKW power shaft (input) dan di ilustrasikan dengan persamaan :

Dimana:

WKW = Water Kilo Watt (Power fluida yang dihasilkan oleh pompa)

BKW = Brake Kilo Watt (Power mechanical yang diberikan pada shaft pompa)

Bagaimana Efisiensi Pompa dapat dicapai?

Pompa sentrifugal memiliki banyak kesamaan dengan motor induksi dalam tahap desain. kesamaannya adalah keduanya memiliki dua komponen utama yang dapat dimodifikasi oleh desainer. Dalam kasus motor memiliki rotor danstator sedangkan untuk kasus pompa memiliki impeller dan casing (atau diffuser). Tentu saja gesekan yang dihasilkan oleh bearing dan komponen mekanis lainnya (seal, stuffing box, dll) juga mempengaruhi efisiensi pompa namun impeller dan volute memiliki pengaruh terbesar.

Hukum affinity memberitahukan sedikit banyaknya tentang cara kerja bagian dalam sebuah impeller. Kita tahu bahwa, untuk setiap impeler menghasilkan head bervariasi dengan “kuadrat perubahan kecepatan (speed)”. Kecepatan (speed) dua kali lipat dapat meningkatkan head empat kali. Jika kecepatan konstan, aturan yang sama berlaku untuk perubahan “diameter impeller”. Flow yang melewati impeler mengikuti aturan serupa tetapi dalam kasus ini, perubahan “diameter impeller” berbanding lurus dengan perubahan kecepatan. Sebenarnya, ketika kita berbicara tentang perubahan kecepatan rotasi atau diameter impeller, kita mengacu pada seputar kecepatan (meter per detik) dari titik lingkaran paling luar. Kecepatan inilah yang menentukan head mutlak dan flow maksimum yang dapat dicapai oleh impeller apapun.

Head dihasilkan oleh sebuah impeller hampir seluruhnya tergantung pada seputar percepatan (velocity) tetapi flow dipengaruhi oleh beberapa faktor lain. Jelas, lebar dan ketinggian (area cross sectional) dari gang flow (vane) dan diameter “impeller eye” adalah pertimbangan penting untuk menentukan seberapa banyak volume air dapat melewati impeller. Faktor lain seperti bentuk vane juga mempengaruhi kinerja impeller. Untuk merancang sebuah impeler bukan dengan hanya mengambil ukuran dan bentuk sembarang lalu membuat beberapa sampel dan kemudian mengujinya, tetapi dimulai dari titik awal desain yang disebut Specific speed.

Head H sebuah pompa adalah pemanfaatan energi mekanik yang dihasilkan pompa dalam menangani fluida berhubungan dengan berat fluida dalam satuan meter (m). Hal ini tergantung pada density ρ dari fluida yang ditangani. Misal sebuah pompa sentrifugal akan menghasilkan head H yang sama untuk semua fluida tanpa pengaruh dari density ρ. Density ρ menentukan tekanan pompa dan mempengaruhi power input pompa P.

Dimana :
P = Power input pompa (kW)
ρ = Density (kg/m3)
g = Gravitasi konstan (9.81 m/s2)
H = Head (m)

Tekanan pada setiap titik fluida disebabkan oleh kolom vertikal fluida, karena beratnya memberikan tekanan yang sama di semua titik. Tinggi kolom ini disebut head statis dan dinyatakan dalam feet. Head statis berhubungan dengan tekanan tertentu tergantung pada berat jenis fluida sesuai rumus berikut:

Dimana:
Head (feet)

Pressure (psi)Pompa sentrifugal menghasilkan velocity pada fluida. Energi velocity ini kemudian ditransformasikan sebagian besar menjadi energi tekanan fluida yang meninggalkan pompa. Oleh karena itu, head yang dihasilkan sama dengan energi velocity di pinggir impeller. Hubungan ini diungkapkan dengan rumus berikut:

Di mana
H = Total head yang dihasilkan (feet)
v = Velocity pinggir impeller (feet/second)
g = 32,2 Feet/Sec2

Kita dapat memprediksi head setiap pompa sentrifugal dengan menghitung kecepatan impeller dan memasukkan nya dalam rumus diatas. Rumus untuk velocity adalah :

Dimana :
D = Diameter Impeller (inches)
v = Velocity (ft/sec)

Dari uraian diatas menunjukkan bahwa kita harus selalu menggunakan “feet” fluida dari pada pressure untuk pompa sentrifugal. Sebuah pompa dengan diameter impeller dan kecepatan tertentu akan mendorong fluida pada ketinggian tertentu tergantung dari berat jenis fluida, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.

Gbr.1 : Identifikasi pompa mendorong fluida dengan berat jenis berbeda

Semua bentuk energi yang terlibat dalam sistem aliran fluida dapat dinyatakan dalam “feet” fluida. Total dari variasi head menentukan total head sistem atau kemampuan yang harus dilakukan pompa dalam sistem.

Jenis Pompa

Jenis pompa poros Horizontal atau poros Vertikal?

Jenis pompa poros horizontal jika dibandingkan dengan pompa poros vertical jauh lebih ekonomis dan mudah dalam perawatan terutama jika pompa harus sering bongkar-pasang akibat mutu fluida yang buruk. Namun jika suction head statis terlalu besar maka lebih sesuai menggunakan pompa poros vertical karna pompa bisa lebih dekat ke sumber fluida.

Berikut perbandingan karakteristik antara pompa poros horizontal dengan poros vertical :

Pemilihan pompa pada kondisi pemakaian tertentu :

Kapasitas Pompa

Kapasitas Q adalah kapasitas volume flow eksternal per satuan waktu dalam m3/s (juga sering digunakan l/s dan m3/h). Kekurangan fluida, kebocoran dan lain nya tidak dihitung sebagai kapasitas.
Kapasitas (Q) biasanya dinyatakan dalam gallon per menit (gpm). Fluida pada dasarnya berhubungan langsung antara kapasitas dalam pipa dan kecepatan aliran. Hubungan ini adalah sebagai berikut:

Di mana :
A = area pipa atau saluran pipa (feet2)
v = velocity atau kecepatan aliran (feet/second)
Q = Kapasitas (gallon/minute)

CATATAN: Pada pompa vertikal koreksi harus dilakukan untuk suction eye atau impeller terkecil.

Flow Rate dipengaruhi Friction

Flow rate akan berbeda sesuai ukuran diameter pipa discharge. Sistem discharge dengan ukuran besar akan mempunyai flow rate yang besar. Ini terjadi ketika kita memberikan pipa besar pada tangki yang akan dikosongkan tentu flownya sangat kencang.

Gambar 1

Pipa yang lebih kecil akan semakin sedikit flownya. Ukuran impeller dan kecepatan nya mempengaruhi pompa dalam menyalurkan fluida pada flow rate tertentu. Jika kita memberikan pipa kecil pada tangki yang akan di kosongkan maka discharge pressure akan meningkat dan flow akan berkurang dan tentunya akan memakan waktu lama untuk mengosongkannya. (lihat Gambar 2).