Udara dan gas di jalur cairan: udara terperangkap, pembuangan udara, pancingan pompa, pusaran di tangki isap, sifon, gelembung di pompa dosis, dan kavitasi pada katup

Laundry sebuah hotel memompa air panas dari tangki penampung di lantai dasar ke mesin-mesin cuci melalui pipa yang naik melewati balok, lalu turun lagi ke ruang mesin. Setiap pagi, pompa transfer berbunyi seperti mengaduk kerikil selama beberapa menit, debit di meter naik turun, dan mesin pertama butuh waktu lama untuk terisi. Pada minggu yang sama, operator mengeluh bahwa pompa dosis pemutih tidak mengeluarkan apa-apa setiap kali jeriken diganti, sampai teknisi datang dan "memancing" pompanya. Dan sekali, tangki pelembut di rak atas terkuras sendiri ke salah satu mesin di bawahnya saat pompa dosisnya mati.

Teknisi menemukan satu benang merah: udara dan gas. Pipa air panas membentuk lengkung terbalik di atas balok tanpa katup pembuang udara, sehingga udara yang keluar dari air panas berkumpul di sana sepanjang malam. Ujung isap pompa transfer berada dekat permukaan air di tangki yang levelnya rendah pada pagi hari, sehingga terbentuk pusaran yang menyedot udara. Selang isap pompa dosis kosong setiap kali dilepas dari jeriken. Dan selang buang pompa pelembut turun dari tangki ke mesin di bawahnya tanpa katup anti-sifon. Bab ini menjelaskan bagaimana udara dan gas masuk ke jalur cairan, akibatnya, dan cara mencegah serta menanganinya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas udara dan gas di jalur cairan dari sisi teknisi: sumbernya, kantong udara, pembuangan udara, pancingan, pusaran, sifon, gelembung di pompa dosis, kavitasi, dan diagnosis. Kurva pompa, kurva sistem, dan NPSH ada di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas; pompa dan batas operasi di Bab 3; pencegahan aliran balik dan sifon balik di Bab 11 · Bangunan & Fasilitas; palu air di jalur air di Bab 10 · Air & Pengolahan Air dan Bab 12 · Bangunan & Fasilitas; uap kilat, kondensat, dan palu air uap di Bab 5 · Utilitas; kerusakan bahan karena kavitasi di Bab 7 · Material; sifat fluida dan selang dosis di Bab 4; pengukuran debit di Bab 5; dispenser peristaltik di Bab 1 · Dispensing Kimia. Sumbernya adalah narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri, terutama buku katup dan perpipaan, buku pegangan pompa, buku plumbing praktis, buku pegangan operasi instalasi air, buku dasar mekanika fluida, dan sebuah laporan rancangan pompa peristaltik, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Angka umum ditandai nilai literatur umum; angka contoh adalah angka latihan.

Dari mana udara dan gas masuk

Cairan di pipa jarang benar-benar bebas gas. Sumber yang umum (nilai literatur umum):

1. Udara terlarut yang keluar: air dingin melarutkan lebih banyak udara dari air panas. Ketika air dipanaskan atau tekanannya turun, udara terlarut keluar menjadi gelembung, lalu berkumpul di titik tinggi.
2. Pengisian pertama dan setelah perbaikan: pipa yang dikosongkan berisi udara yang harus didorong keluar.
3. Isap yang bocor: sambungan, segel poros, atau selang di sisi isap pompa yang tekanannya di bawah atmosfer menyedot udara, bukan meneteskan cairan.
4. Pusaran di tangki: permukaan air yang terlalu dekat dengan lubang isap membentuk pusaran yang menarik udara.
5. Tangki kosong atau jeriken habis: pompa menyedot udara ketika sumbernya kosong.
6. Gas dari reaksi: beberapa bahan kimia, misalnya pemutih berbasis klorin atau oksigen, melepas gas sedikit demi sedikit di selang dan pompa dosis.
7. Uap: bila tekanan turun di bawah tekanan uap cairan, cairan itu sendiri menguap; inilah kavitasi.

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku plumbing praktis bahwa udara di dalam tangki tertekan oleh air yang masuk ke tangki itu. Udara yang terkurung bersifat seperti pegas; perilaku ini berguna di tangki tekan, tetapi mengganggu di pipa.

Kantong udara di titik tinggi

Gelembung bergerak ke titik tertinggi pipa dan berkumpul di sana. Pada pipa yang naik lalu turun, kantong udara di puncak mengurangi luas aliran dan menambah hambatan; pada debit rendah, kantong itu dapat cukup besar untuk memutus aliran sama sekali (nilai literatur umum). Gejala yang umum:

1. Debit lebih kecil dari hitungan, terutama setelah pompa berhenti lama atau setelah pengisian.
2. Bunyi gemericik dan ketukan saat kantong udara bergerak atau pecah.
3. Meter debit membaca salah, seperti dibahas di Bab 5.
4. Palu air ketika kantong udara tiba-tiba keluar dan kolom air menghantam, seperti di Bab 10 · Air & Pengolahan Air dan Bab 12 · Bangunan & Fasilitas.
5. Pemanasan tidak merata pada penukar panas atau radiator yang bagian atasnya berisi udara.

Cara mencegah yang paling sederhana adalah tata letak: pipa dipasang dengan kemiringan yang terus naik ke titik yang dapat membuang udara, atau dengan titik tinggi yang dilengkapi katup pembuang udara.

Membuang udara

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku katup dan perpipaan tentang urutan kerja katup pelepas udara dua lubang, dan bahwa bila cairan dipompa melalui pipa, katup dua lubang sebaiknya dipasang tepat di hilir katup buang pompa. Jenis peralatan yang umum (nilai literatur umum):

1. Katup pembuang udara otomatis: pelampung kecil menutup lubang ketika katup berisi air dan membukanya ketika udara berkumpul. Dipasang di titik tinggi pipa.
2. Katup udara dua lubang: lubang besar untuk membuang banyak udara saat pengisian dan memasukkan udara saat pengurasan, dan lubang kecil untuk membuang udara sedikit demi sedikit selama bekerja.
3. Keran pembuang manual di titik tinggi dan di rumah pompa.
4. Pemisah udara pada jaringan air panas tertutup, yang memperlambat aliran sehingga gelembung naik dan dibuang.

Narasi yang sama mengutip buku katup dan perpipaan agar katup dilengkapi bila ada kemungkinan hampa penuh atau sebagian di dalam pipa. Ketika pipa dikuras atau air turun cepat, katup yang memasukkan udara mencegah tekanan di dalam pipa turun terlalu rendah dan pipa plastik tipis tidak gepeng.

Katup pembuang udara sendiri perlu dirawat: kerak dan kotoran dapat membuatnya macet terbuka sehingga meneteskan air, atau macet tertutup sehingga tidak membuang udara.

Pancingan pompa

Pompa sentrifugal biasa tidak dapat mengisap udara; bila rumahnya berisi udara, impeler berputar tanpa membangun tekanan yang cukup untuk menarik air (nilai literatur umum). Pompa itu harus dipancing, yaitu rumah dan pipa isapnya diisi cairan sebelum dijalankan. Cara yang umum:

1. Pompa di bawah permukaan tangki: sisi isap selalu terisi oleh tinggi cairan; cara paling andal.
2. Katup kaki di ujung pipa isap yang naik dari sumur atau tangki di bawah pompa, supaya air tidak turun kembali saat pompa berhenti. Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku katup dan perpipaan tentang beberapa jenis katup kaki.
3. Pompa swapancing, yang rumahnya menahan sejumlah cairan dan dapat mengeluarkan udara dari pipa isap pendek.
4. Pompa desak positif, yang dapat mengisap udara tetapi dengan kemampuan yang terbatas oleh jenis dan kebocoran dalamnya.

Pompa sentrifugal yang dijalankan kering dapat merusak segel mekanisnya dalam waktu singkat, seperti dibahas di Bab 3. Pompa yang sering kehilangan pancingan menunjuk masalah yang harus dicari: katup kaki bocor, sambungan isap bocor, atau tangki yang terlalu rendah.

Pusaran di tangki isap

Ketika permukaan cairan terlalu dekat di atas lubang isap, aliran yang menuju lubang mulai berputar membentuk pusaran berbentuk corong yang menarik udara dari permukaan (nilai literatur umum). Pusaran ini tidak selalu terlihat dari luar; gejalanya mirip kavitasi: bunyi, getaran, debit turun, dan meter debit tidak stabil.

Kedalaman rendaman yang diperlukan bergantung pada kecepatan di lubang isap: makin cepat, makin dalam. Patokan kasar yang sering dipakai adalah beberapa kali diameter pipa isap, ditambah lebih bila kecepatannya tinggi (nilai literatur umum; angka rancangan diambil dari pembuat pompa atau standar yang berlaku). Cara mencegah:

1. Level terendah yang dijaga dengan sakelar level yang mematikan pompa sebelum lubang isap terlalu dangkal.
2. Pipa isap yang lebih besar, sehingga kecepatan di lubangnya lebih rendah.
3. Pemecah pusaran: pelat silang atau pelat datar di atas lubang isap.
4. Lubang isap di samping atau dasar tangki dengan arah aliran yang tenang, jauh dari pipa masuk yang mengaduk permukaan.

Sifon

Sifon terjadi ketika cairan mengalir dari tempat tinggi melalui pipa yang naik melewati titik lebih tinggi, lalu turun ke tempat yang lebih rendah, tanpa pompa. Setelah pipa terisi, tekanan atmosfer di permukaan sumber mendorong cairan naik melewati puncak, selama ujung keluar lebih rendah dari permukaan sumber (nilai literatur umum). Tinggi puncak sifon untuk air dibatasi oleh tekanan atmosfer dan tekanan uap, dan dalam praktik jauh di bawah sekitar 10 m.

Di laundry dan dapur, sifon sering muncul tanpa disengaja:

1. Tangki bahan kimia di atas mesin: selang buang pompa dosis yang turun ke mesin dapat menguras tangki melalui pompa yang berhenti, terutama pompa peristaltik yang sudah aus atau pompa diafragma dengan katup yang bocor.
2. Selang buang mesin yang ujungnya terendam di saluran dapat menyedot air keluar dari mesin.
3. Pengurasan tangki yang tidak berhenti setelah katup ditutup karena pipa buang membentuk sifon.

Pencegahan yang umum adalah katup anti-sifon atau pemutus vakum di titik tinggi selang buang, katup tahan balik yang membuka hanya pada tekanan tertentu, atau tata letak yang menempatkan sumber di bawah titik injeksi. Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku pegangan rancangan plumbing bahwa di bagian atas pemutus vakum ada lubang yang memasukkan udara ke pipa. Sifon balik dari jaringan air bersih adalah masalah lain yang dibahas di Bab 11 · Bangunan & Fasilitas.

Gelembung di pompa dosis

Pompa dosis bekerja dengan volume kecil per langkah atau per putaran, sehingga gelembung kecil saja sudah mengurangi dosis secara nyata (nilai literatur umum). Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip laporan rancangan pompa peristaltik bahwa sensor gelembung dipakai untuk mendeteksi gelembung di dalam selang karet. Penyebab dan penanganan yang umum:

1. Jeriken diganti: ujung selang isap terangkat ke udara; pompa perlu dipancing ulang. Ujung isap dengan pemberat dan katup tahan balik membantu menjaga selang tetap penuh.
2. Produk yang melepas gas: gas berkumpul di kepala pompa diafragma dan membuat langkah pompa hanya menekan gas. Pompa dengan katup pembuang gas di kepalanya dipakai untuk produk seperti ini.
3. Selang isap terlalu panjang atau kecil: tekanan isap turun sehingga gas terlarut keluar, terutama untuk produk kental seperti di Bab 4.
4. Sambungan isap bocor: udara tersedot di sambungan; gelembung kecil terlihat di selang bening.

Cara memeriksa dan mengkalibrasi pompa peristaltik ada di Bab 1 · Dispensing Kimia.

Kavitasi pada pompa dan katup

Narasi Fluida, Termal, dan Utilitas Industri mengutip buku pegangan pompa bahwa kavitasi disebabkan tekanan masuk sistem yang tidak cukup ke pompa, dan buku plumbing praktis bahwa kavitasi disertai getaran dan bunyi. Ketika tekanan di dalam pompa atau katup turun di bawah tekanan uap, cairan menguap membentuk gelembung uap, lalu gelembung itu pecah dengan keras ketika tekanan naik lagi. Pecahan gelembung itu mengikis logam, seperti dibahas di Bab 7 · Material.

Pada pompa, kavitasi dicegah dengan menjaga NPSH tersedia lebih besar dari NPSH yang diperlukan, seperti di Bab 9 · Bangunan & Fasilitas. Narasi yang sama mengutip buku pegangan operasi instalasi air tentang NPSH tersedia untuk isapan dari tangki terbuka, dan buku pegangan pompa bahwa NPSH yang diperlukan juga disebut tekanan masuk bersih yang diperlukan. Air panas paling mudah berkavitasi karena tekanan uapnya tinggi: air 80 °C bertekanan uap sekitar 47 kPa, hampir setengah tekanan atmosfer (nilai literatur umum).

Pada katup, kavitasi terjadi ketika beda tekanan di katup terlalu besar, terutama katup pengatur yang hampir tertutup. Narasi itu mengutip buku katup dan perpipaan bahwa kavitasi adalah penyebab bunyi yang paling umum dalam aliran cairan, bahwa akibatnya bergantung pada intensitas kavitasi, dan tentang katup bola rendah bising anti-kavitasi. Penanganannya adalah membagi penurunan tekanan ke beberapa katup atau orifis, memakai katup yang dirancang untuk beda tekanan besar, atau memasang katup di tempat yang tekanan hilirnya lebih tinggi.

Diagnosis udara dan gas

Urutan yang umum ketika gejala mengarah ke udara atau gas (nilai literatur umum):

1. Kapan gejala muncul? Setelah berhenti lama, setelah pengisian, saat tangki rendah, saat air panas, atau terus-menerus.
2. Di mana titik tingginya? Telusuri jalur pipa dan cari lengkung terbalik tanpa pembuang udara.
3. Level dan rendaman isap: amati permukaan tangki saat pompa bekerja pada level terendah.
4. Tekanan isap: pasang manometer di sisi isap; tekanan yang sangat rendah menunjuk hambatan isap atau tinggi isap berlebihan.
5. Uji kebocoran isap: dengan pompa bekerja, oleskan air sabun atau tutup sambungan dengan tangan basah; perubahan bunyi menunjuk kebocoran.
6. Selang bening: pada jalur dosis, ganti sebagian selang dengan selang bening sementara untuk melihat gelembung.
7. Bedakan udara dari kavitasi: udara masuk tetap ada walaupun tekanan isap dinaikkan sedikit; kavitasi hilang bila tekanan isap naik atau suhu turun.

Contoh kerja

Contoh 1: udara dari air yang dipanaskan. Air dingin 25 °C dapat melarutkan sekitar 23 mg udara per liter pada tekanan atmosfer, sedangkan air 70 °C hanya sekitar 12 mg per liter (nilai literatur umum, dibulatkan). Memanaskan 20 m³ air melepaskan sekitar $20.000 \times 11 = 220.000$ mg atau 0,22 kg udara, yaitu sekitar $0{,}22/1{,}2 = 0{,}18$ m³ pada tekanan atmosfer, cukup untuk membentuk kantong udara besar di titik tinggi pipa.

Contoh 2: tinggi tekan air panas. NPSH tersedia untuk pompa yang mengisap air 80 °C dari tangki terbuka: tekanan atmosfer 101 kPa dikurangi tekanan uap 47 kPa memberi 54 kPa, setara $54.000/(972 \times 9{,}81) = 5{,}7$ m. Bila pompa berada 2 m di atas permukaan air dan rugi isap 1,5 m, NPSH tersedia sekitar $5{,}7 - 2 - 1{,}5 = 2{,}2$ m. Bila pompa memerlukan 3 m, pompa berkavitasi.

Contoh 3: memindahkan pompa. Dengan pompa yang sama dipindah 1 m di bawah permukaan air terendah, NPSH tersedia menjadi $5{,}7 + 1 - 1{,}5 = 5{,}2$ m, cukup untuk kebutuhan 3 m dengan cadangan.

Contoh 4: kecepatan di lubang isap. Pipa isap 50 mm membawa 9 m³/jam atau 0,0025 m³/s. Luas lubang $\pi \times 0{,}025^2 = 1{,}96 \times 10^{-3}$ m², jadi kecepatan $0{,}0025/0{,}00196 = 1{,}27$ m/s. Dengan pipa isap 80 mm, kecepatannya turun menjadi sekitar 0,5 m/s, dan rendaman yang diperlukan untuk mencegah pusaran ikut berkurang.

Contoh 5: batas tinggi sifon. Tekanan atmosfer 101 kPa dikurangi tekanan uap air 30 °C sekitar 4 kPa memberi 97 kPa, setara $97.000/(996 \times 9{,}81) = 9{,}9$ m. Puncak sifon air di atas permukaan sumber tidak dapat melebihi angka itu, dan dalam praktik jauh lebih rendah karena rugi aliran dan udara terlarut.

Contoh 6: sifon dari tangki dosis. Tangki pelembut berada 1,5 m di atas titik injeksi di mesin. Produk bermassa jenis 1.000 kg/m³ memberi tekanan $1.000 \times 9{,}81 \times 1{,}5 = 14.700$ Pa, sekitar 0,15 bar, yang mendorong produk melalui pompa yang berhenti bila pompa tidak menahan. Katup anti-sifon yang membuka pada sekitar 0,3 bar menahan aliran itu.

Contoh 7: gelembung dan dosis. Pompa diafragma memberi 2 mL per langkah. Bila gelembung gas menempati 0,5 mL di kepala pompa, sebagian langkah hanya menekan gas, sehingga dosis dapat turun sekitar 25 persen atau lebih. Pada 60 langkah per menit, dosis turun dari 120 mL menjadi sekitar 90 mL per menit.

Contoh 8: kavitasi pada katup. Katup pengatur menurunkan tekanan air 60 °C dari 6 bar menjadi 1,5 bar. Tekanan uap air 60 °C sekitar 0,2 bar mutlak (nilai literatur umum). Bila di bagian tersempit katup tekanan turun mendekati angka itu, air menguap. Membagi penurunan menjadi dua tahap, misalnya 6 ke 3,5 bar lalu 3,5 ke 1,5 bar, mengurangi kemungkinan itu.

Contoh 9: katup pembuang udara. Jalur air panas 30 m mempunyai dua titik tinggi di atas balok. Katup pembuang udara otomatis dipasang di kedua titik, ditambah satu di rumah pompa, dengan katup isolasi kecil di bawah setiap katup supaya dapat dibersihkan tanpa menguras pipa.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyelia atau pemilik bila:

1. Katup pembuang udara atau keran pada jalur air panas atau bertekanan akan dibuka tanpa memperhitungkan semburan air panas atau uap.
2. Pompa dosis bahan kimia berbahaya akan dipancing dengan membuka sambungan tanpa alat pelindung dan wadah tampung.
3. Pompa terus dijalankan kering atau berkavitasi sambil menunggu perbaikan.
4. Perubahan tata letak pipa air panas atau uap memerlukan pemotongan dan pengelasan tanpa izin kerja panas.
5. Tangki bahan kimia di atas mesin tidak mempunyai pencegah sifon, sementara pompa dosisnya diketahui bocor.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Bunyi kerikil di pompa pasti kavitasi." Udara yang tersedot karena pusaran atau kebocoran isap memberi bunyi yang mirip; keduanya dibedakan dengan tekanan isap dan suhu.
2. "Udara di pipa akan keluar sendiri lewat keran." Udara berkumpul di titik tinggi yang mungkin tidak dilewati air keran; titik tinggi memerlukan pembuang udara.
3. "Pompa sentrifugal dapat mengisap sendiri." Pompa biasa harus dipancing; hanya pompa swapancing yang dapat mengeluarkan udara dari pipa isap pendek.
4. "Pompa yang mati menahan cairan." Pompa peristaltik yang aus dan pompa diafragma dengan katup bocor dapat meloloskan sifon.
5. "Air panas sama mudahnya dipompa dengan air dingin." Tekanan uap air panas tinggi, sehingga NPSH tersedia jauh lebih kecil.
6. "Katup pengatur boleh dipakai menurunkan tekanan sebesar apa pun." Penurunan yang terlalu besar menimbulkan kavitasi, bunyi, dan kerusakan katup.
7. "Gelembung kecil di selang dosis tidak berarti." Volume dosis kecil membuat gelembung kecil mengubah dosis secara nyata.

Hubungan dengan bab lain

Bab 9 · Bangunan & Fasilitas memberi kurva pompa dan NPSH, Bab 3 batas operasi pompa, Bab 11 · Bangunan & Fasilitas pencegahan aliran balik, Bab 10 · Air & Pengolahan Air dan Bab 12 · Bangunan & Fasilitas palu air, Bab 5 · Utilitas uap kilat dan kondensat, Bab 7 · Material kerusakan kavitasi, Bab 4 sifat fluida, Bab 5 pengukuran debit, dan Bab 1 · Dispensing Kimia dispenser peristaltik. Bab berikutnya di rak ini membahas penukar panas dalam praktik.

Latihan dan pembahasan

1. Pompa mengisap air 70 °C bertekanan uap sekitar 31 kPa dari tangki terbuka. Pompa 1 m di atas permukaan air dan rugi isap 1 m. Dengan massa jenis 978 kg/m³, berapa NPSH tersedia?
2. Bila pompa pada Latihan 1 memerlukan NPSH 4 m, apa yang dapat diubah?
3. Pipa isap 40 mm membawa 6 m³/jam. Berapa kecepatan di lubang isap?
4. Tangki bahan kimia 2 m di atas titik injeksi berisi cairan 1.200 kg/m³. Berapa tekanan yang mendorong sifon?
5. Pompa dosis kehilangan dosis setiap kali jeriken diganti. Apa dua perbaikan yang masuk akal?
6. Bagaimana membedakan udara yang tersedot dengan kavitasi pada pompa transfer?

Kunci jawaban beralasan

1. Selisih tekanan $101 - 31 = 70$ kPa setara $70.000/(978 \times 9{,}81) = 7{,}3$ m. NPSH tersedia $7{,}3 - 1 - 1 = 5{,}3$ m.
2. Dengan NPSH tersedia 5,3 m dan kebutuhan 4 m, cadangannya 1,3 m, masih cukup. Bila suhu naik atau level tangki turun sehingga cadangan hilang, pompa dapat diturunkan, pipa isap diperbesar atau dipendekkan, atau suhu air yang dipompa diturunkan.
3. Luas $\pi \times 0{,}02^2 = 1{,}26 \times 10^{-3}$ m² dan debit $6/3.600 = 0{,}00167$ m³/s, jadi kecepatan sekitar 1,3 m/s.
4. $1.200 \times 9{,}81 \times 2 = 23.500$ Pa, sekitar 0,24 bar.
5. Pasang ujung isap dengan pemberat dan katup tahan balik supaya selang tetap penuh saat jeriken diganti, dan latih operator memancing pompa dengan cara yang aman, atau pakai pompa dengan pembuang udara di kepalanya.
6. Naikkan tekanan isap sedikit atau turunkan suhu: kavitasi berkurang atau hilang, sedangkan udara yang tersedot tetap ada. Periksa juga permukaan tangki untuk pusaran dan sambungan isap untuk kebocoran.

Referensi