KAVITASI
Kavitasi adalah fenomena perubahan phase uap dari zat cair yang sedang mengalir, karena tekanannya berkurang hingga di bawah tekanan uap jenuhnya. Pada pompa bagian yang sering mengalami kavitasi adalah sisi isap pompa. Hal ini terjadi jika tekanan isap pompa terlalu rendah hingga dibawah tekanan uap jenuhnya, hal ini dapat menyebabkan :
- Suara berisik, getaran atau kerusakan komponen pompa tatkala gelembung-gelembung fluida tersebut pecah ketika melalui daerah yang lebih tinggi tekanannya
- Kapasitas pompa menjadi berkurang
- Pompa tidak mampu membangkitkan head (tekanan)
- Berkurangnya efisiensi pompa.
Secara umum, terjadinya kavitasi diklasifikasikan atas 5 alasan dasar :
1. Vaporisation - Penguapan.
Fluida menguap bila tekanannya menjadi sangat rendah atau temperaturnya menjadi sangat tinggi. Setiap pompa sentrifugal memerlukan head(tekanan) pada sisi isap untuk mencegah penguapan. Tekanan yang diperlukan ini, disiapkan oleh pabrik pembuat pompa dan dihitung berdasarkan asumsi bahwa air yang dipompakan adalah 'fresh water' pada suhu 68oF. Dan ini disebut Net Positive Suction Head Available (NPSHA)
Karena ada pengurangan tekanan (head losses) pada sisi suction( karena adanya valve, elbow, reduser, dll), maka kita harus menghitung head total pada sisi suction dan biasa disebut Net Positive Suction Head is Required (NPSHR).
Nah nilai keduanya mempengaruhi terjadinya penguapan, maka untuk mencegah penguapan, syaratnya adalah :
NPSHA - Vp ≥ NPSHR
Dimana Vp : Vapor pressure fluida yang dipompa.
Dengan kata lain untuk memelihara supaya vaporization tidak terjadi maka kita harus melakukan hal berikut :
1. Menambah Suction head, dengan :
- Menambah level liquid di tangki.
- Meninggikan tangki.
- Memberi tekanan tangki.
- Menurunkan posisi pompa(untuk pompa portable).
- Mengurangi head losses pada suction piping system. Misalnya dengan mengurangi jumlah fitting, membersihkan striner, cek mungkin venting tangki tertutup) atau bertambahnya speed pompa.
2. Mengurangi Tempertur fluida, dengan :
- Mendinginkan suction dengan fluida pendingin
- Mengisolasi suction pompa
- Mencegah naiknya temperature dari bypass system dari pipa discharge.
3. Mengurangi NPSHR, dengan :
- Gunakan double suction. Ini bias mengurangi NPSHR sekitar 25 % dan dalam beberapa kasus memungkinkan penambahan speed pompa sebesar 40 %.
- Gunakan pompa dengan speed yang lebih rendah.
- Gunakan impeller pompa yang memiliki bukaan 'lobang' (eye) yang lebih besar.
- Install Induser, dapat mereduksi NPSHR sampai 50 %.
- Gunakan pompa yang lebih kecil. Menggunakan 3 buah pompa kecil dengan ukuran kapasitas separuhnya, hitungannya lebih murah dari pada menggunakan pompa besar dan spare-nya. Lagi pula dapat menghemat energy.
KAVITASI PADA POMPA (II)
Pada bagian pertama tulisan yang lalu, kita telah mengenal apa itu kavitasi, efek yang ditimbulkannya dan klasifikasi kavitasi,yaitu :
1. Vaporisation - Penguapan.
Selanjutnya kita kaji secara singkat klasifikasi yang kedua
2. Air Ingestion - Masuknya Udara Luar ke Dalam System
Pompa sentrifugal hanya mampu meng'handle' 0.5% udara dari total volume. Lebih dari 6% udara, akibatnya bisa sangat berbahaya, dapat merusak komponen pompa.
Udara dapat masuk ke dalam system melalui beberapa sebab, antara lain :
- Dari packing stuffing box (Bagian A - Lihat Gambar). Ini terjadi, jika pompa dari kondensor, evaporator atau peralatan lainnya bekerja pada kondisi vakum.
- Letak valve di atas garis permukaan air (water line).
- Flens (sambungan pipa) yang bocor.
- Tarikan udara melalui pusaran cairan (vortexing fluid).
- Jika 'bypass line' letaknya terlalu dekat dengan sisi isap, hal ini akan menambah suhu udara pada sisi isap.
- Berkurangnya fluida pada sisi isap, hal ini dapat terjadi jika level cairan terlalu rendah.
Vortexing Fluida
Keduanya, baik penguapan maupun masuknya udara ke dalam system berpengaruh besar terhadap kinerja pompa yaitu pada saat gelembung-gelembung udara itu pecah ketika melewati 'eye impeller'(Bagian G - Lihat Gambar) sampai pada sisi keluar (Sisi dengan tekanan yang lebih tinggi). Terkadang, dalam beberapa kasus dapat merusak impeller atau casing. Pengaruh terbesar dari adanya jebakan udara ini adalah berkurangnya kapasitas pompa.
3. Internal Recirculation - Sirkulasi Balik di dalam System
Kondisi ini dapat terlihat pada sudut terluar (leading edge) impeller, dekat dengan diameter luar, berputar balik ke bagian tengah kipas. Ia dapat juga terjadi pada sisi awal isap pompa.
Efek putaran balik ini dapat menambah kecepatannya sampai ia menguap dan kemudian 'pecah' ketika melalui tempat yang tekanannya lebih tinggi. Ini selalu terjadi pada pompa dengan NPSHA yang rendah. Untuk mengatasi hal tersebut, kita harus tahu nilai Suction Spesific Speed , yang dapat digunakan untuk mengontrol pompa saat beroperasi, berapa nilai terdekat yang teraman terhadap nilai BEP(Best Efficiency Point) pompa yang harus diambil untuk mencegah terjadinya masalah.
Nilai Suction Spesific Speed yang diijinkan adalah antara 3.000 sampai 20.000. Rumus yang dipakai adalah :
Dimana :
rpm = Kecepatan Pompa
Capacity = Gallons per menit, atau liters per detik dari impeller terbesar pada nilai BEP(Best Efficiency Point) -nya.
Head = Net Positive Suction Head is Required (feet atau meter)pada nilai rpm-nya.
Catatan penting :
- Untuk pompa double suction, kapasitas dibagi 2 karena ada 2impeller eyes.
- Ideal untuk 'membeli' pompa dengan nilai Suction Spesific Speed kurang dari 8500(5200 metrik) kecuali untuk kondisi yang ekstrim.
- Mixed Hydrocarbon dan air panas idealnya pada 9000 ÷ 12000 (5500÷7300 metric) atau lebih tinggi, lebih bagus.
- Nilai Suction Spesific Speed yang tinggi menandakan impeller eye-nya lebih besar dari biasanya dan biasanya nilai efisiensinya disesuaikan dengan nilai NPSHR yang rendah.
- Lebih tinggi nilai Suction Spesific Speed memerlukan desain khusus, operasinya memungkinkan adanya kavitasi.
- Biasanya, pompa yang beroperasi dibawah 50% dari nilai BEP-nya tidakreliable.
Jika kita memakai open impeller, kita dapat mengoreksi internal recirculation dengan mengatur suaian(clearance) impeller sesuai dengan spesifikasi pabrik pembuatnya.
Jenis impeller
Untuk jenis Closed Impeller lebih banyak masalahnya dan kebanyakan pada prakteknya dikembalikan ke pabrik pembuatnya untuk di evaluasi atau mungkin didesain ulang pada impellernya atau perubahan ukuran suaian(clearance) pada wearing ring.
KAVITASI PADA POMPA (III)
Pada dua tulisan yang lalu : di sini dan di sini, kita telah mengenal apa itu kavitasi, efek yang ditimbulkannya dan klasifikasi kavitasi,yaitu :
1. Vaporisation - Penguapan.
2. Air Ingestion - Masuknya Udara Luar ke Dalam System
3. Internal Recirculation - Sirkulasi Balik di dalam System
Selanjutnya kita kaji secara singkat klasifikasi yang keempat :
4. Turbulence - Pergolakan Aliran
Kita selalu menginginkan aliran fluida pada kecepatan yang konstan. Korosi dan hambatan yang ada pada system perpipaan dapat merubah kecepatan fluida dan setiap ada perubahan kecepatan, tekanannya juga berubah. Untuk menghambat hal tersebut, perlu dilakukan perancangan system perpipaan yang baik. Antara lain memenuhi kondisi berikut :
Jarak minimum antara suction pompa dengan elbow yang pertama minimal 10 X diameter pipa.Pada pengaturan banyak pompa, pasang suction bells pada bays yang terpisah, sehingga satu sisi isap pompa tidak akan mengganggu yang lainnya. Jika ini tidak memungkinkan, beberapa buah pompa bisa dipasang pada satu bak isap (sump) yang besar, dengan syarat :
- Posisi pompa tegak lurus dengan arah aliran.
- Jarak antara dua 'center line' pompa minimum dua kali suction diameter.
- Semua pompa dalam keadaan 'runing'.
- Bagian piping upstream paling tidak memiliki pipa yang lurus dengan panjang minimal 10 x diameter pipa.
- Setiap pompa harus memiliki kapasitas kurang dari 15.000 gpm.
- Suaian dasar pompa seharusnya sekitar 30% diameter pipa isap.
- Hubungan kedalaman pemasangan pompa dengan kapasitas disesuaikan dengan table berikut :
Kapasitas
|
Kedalaman Minimum
|
20,000 GPM
|
4 FEET
|
100,000 GPM
|
8 FEET
|
180,000 GPM
|
10 FEET
|
200,000 GPM
|
11 FEET
|
250,000 GPM
|
12 FEET
|
Untuk metrik :
Kapasitas
|
Kedalaman Minimum
|
4,500 M3/HR
|
1.2 METERS
|
22,500 M3/HR
|
2.5 METERS
|
40,000 M3/HR
|
3.0 METERS
|
45,000 M3/HR
|
3.4 METERS
|
55,000 M3/HR
|
3.7 METERS
|
5. Vane Passing Syndrome
Kerusakan akibat kavitasi jenis ini terjadi ketika diameter luar impeller lewat terlalu dekat dengan 'cutwater' pompa. Kecepatan aliran fluida ini bertambah tatkala alirannya melalui lintasan kecil tersebut, tekanan berkurang dan menyebabkan penguapan lokal. Gelembung udara yang terbentuk kemudian pecah pada tempat yang memiliki tekanan yang lebih tinggi, sedikit diluar alur cutwater. Hal inilah yang menyebabkan kerusakan padavolute(rumah keong) pompa.
Untuk mencegah pergerakan poros yang berlebihan, beberapa pabrik pembuat memasang bulkhead rings pada suction eye. Pada sisi keluar (discharge), ring dapat dibuat untuk memperpanjang sisi keluar dari dinding discharge sampai selubung impeller.
PENGARUH KAVITASI TERHADAP KINERJA POMPA
Pada empat tulisan sebelumnya kita telah mengenal pengaruh kavitasi dan klasifikasi kavitasi berdasarkan penyebab utamanya.
Kali ini kita kembali memperdalam pengaruh kavitasi ini secara lebih detil. Sebelumnya kita telah tahu pengaruh kavitasi secara umum adalah sebagai berikut :
- Berkurangnya kapasitas pompa
- Berkurangnya head (pressure)
- Terbentuknya gelembung-gelembung udara pada area bertekanan rendah di dalam selubung pompa (volute)
- Suara bising saat pompa berjalan.
- Kerusakan pada impeller atau selubung pompa(volute).
Pada tulisan ini akan kita bahas kenapa semua itu bisa terjadi.
Kavitasi dinyatakan dengan cavities atau lubang di dalam fluida yang kita pompa. Lubang ini juga dapat dijelaskan sebagai gelembung-gelembung, maka kavitasi sebenarnya adalah pembentukan gelembung-gelembung dan pecahnya gelembung tersebut. Gelembung terbentuk tatkala cairan mendidih. Hati-hati untuk menyatakan mendidih itu sama dengan air yang panas untuk disentuh, karena oksigen cair juga akan mendidih dan tak seorang pun menyatakan itu panas.
Mendidihnya cairan terjadi ketika ia terlalu panas atau tekananya terlalu rendah. Pada tekanan permukaan air laut 1 bar (14,7 psia) air akan mendidih pada suhu 212oF (100oC). Jika tekanannya turun air akan mendidih pada suhu yang lebih rendah. Ada tabel yang menyatakan titik didih air pada setiap suhu yang berbeda. Sebagai contoh dapat dilihat tabel berikut :
Fahrenheit
|
Centigrade
|
Vapor pressure lb/in2 A
|
Vapor pressure (Bar) A
|
40
|
4.4
|
0.1217
|
0.00839
|
100
|
37.8
|
0.9492
|
0.06546
|
180
|
82.2
|
7.510
|
0.5179
|
212
|
100
|
14.696
|
1.0135
|
300
|
148.9
|
67.01
|
4.62
|
Satuan tekanan di sini yang digunakan adalah absolute bukan pressure gauge, ini jamak dipakai tatkala kita berbicara mengenai sisi isap pompa untuk menghindari tanda minus. Maka saat menyebut tekanan atmosfir nol, kita katakan 1 atm sama dengan 14,7 psia pada permukaan air laut dan pada sistim metrik kita biasa memakai 1 bar atau 100 kPa.
Kita balik ke paragraf pertama untuk menjelaskan akibat dari kavitasi, sehingga kita lebih tahu apa sesungguhnya yang terjadi.
Kapasitas Pompa Berkurang
- Ini terjadi karena gelembung-gelembung udara banyak mengambil tempat(space), dan kita tidak bisa memompa cairan dan udara pada tempat dan waktu yang sama. Otomatis cairan yang kita perlukan menjadi berkurang.
- Jika gelembung itu besar pada eye impeller, pompa akan kehilangan pemasukan dan akhirnya perlupriming (tambahan cairan pada sisi isap untuk menghilangkan udara).
Tekanan (Head) kadang berkurang
Gelembung-gelembung tidak seperti cairan, ia bisa dikompresi (compressible). Nah, hasil kompresi inilah yang menggantikan head, sehingga head pompa sebenarnya menjadi berkurang.
Pembentukan gelembung pada tekanan rendah karena mereka tidak bisa terbentuk pada tekanan tinggi.
Kita harus selalu ingat bahwa jika kecepatan fluida bertambah, maka tekanan fluida akan berkurang. Ini artinya kecepatan fluida yang tinggi pasti di daerah bertekanan rendah.
Ini akan menjadi masalah setiap saat jika ada aliran fluida melalui pipa terbatas, volute atau perubahan arah yang mendadak. Keadaan ini sama dengan aliran fluida pada penampang kecil antara ujung impeller dengan volute cut water.
Bagian-bagian Pompa Rusak
- Gelembung-gelembung itu pecah di dalam dirinya sendiri, ini dinamakanimploding kebalikan dari exploding.Gelembung-gelembung itu pecah dari segala sisi, tetapi bila ia jatuh menghantam bagian dari metal seperti impeller atau voluteia tidak bisa pecah dari sisi tersebut, maka cairan masuk dari sisi kebalikannya pada kecepatan yang tinggi dilanjutkan dengan gelobang kejutan yang mampu merusak part pompa. Ada bentuk yang unik yaitu bentuk lingkaran akibat pukulan ini, dimana metal seperti dipukul dengan 'ball peen hammer'.
- Kerusakan ini kebanyakan terjadi membentuk sudut ke kanan pada metal, tetapi pengalaman menunjukan bahwa kecepatan tinggi cairan kelihatannya datang dari segala sudut.
