5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pompa Hidraulik Ram (Hydraulic Ram Pump)

Pompa hidrolik ram salah satu jenis pompa dimana fungsinya

menaikkan fluida menuju tempat lebih tinggi dari sumber air dan

penggerakkannya tanpa memerlukan listrik ataupun bahan bakar minyak,

akibat adanya energi kinetik yang berasal dari air itu sendiri pompa

hidram akan bergerak dengan sendirinya. Letak pompa yang lebih rendah

dari sumber air tampungan akan mengalirkan air dari suatu tampungan

atau sumber ke dalam pompa hidraulik ram melewati pipa penghantar

(Taye, 1998).

Pengoperasian pompa hidraulik ram memiliki lebih banyak kelebihan

daripada jenis pompa lainnya, yaitu tidak memerlukan adanya tambahan

sumber tenaga, bekerja berkesinambungan selama 24 jam tanpa berhenti,

tanpa perlu pelumasan, biaya pengoperasiannya terjangkau, karena hanya

memiliki 2 bagian yang bergerak sangat kecil kemungkinan terjadinya

keausan, pompa hidram dapat dibuat dengan peralatan yang sederhana

serta perawatan yang lebih sederhana serta mampu bekerja pada kondisi

apapun dengan efisien, sehingga banyak pendapat yang mengatakan

pompa hidram lebih ekonomis dari jenis pompa lainnya (Sularso dan

Haruo, 2004).

Pompa hidraulik ram yang memanfaatkan adanya tenaga air jatuh

yang berasal dari ketinggian tertentu lalu air tersebut akan dialirkan

6

menuju ke dalam pipa akan mengakibatkan terjadinya tekanan dinamik

pada badan pompa hidraulik ram, sehingga pompa ini akan bergerk secara

otomatis. Sejumlah air akan terdorong ke tempat yang lebih tinggi akibat

tekanan tersebut. Proses ini akan menimbulkan selisih tekanan yang tinggi

akibat berubahnya energi genetik aliran air dengan kecepatan tertentu akan

berubah jadi tekanan dinamik. Akibat tekanan yang tinggi di dalam

pompa, tekanan dinamik tersebut menimbulkan adanya palu air. Proses

penutupan serta pembukaan katup pengantar dan katup limbah secara

bergilir akan memaksa air naik menuju pipa pengantar yang disebabkan

oleh tekanan dinamik yang diteruskan (Hanafie, 1979).)

Manfaat yang dapat diterima dalam menggunakan pompa hidraulik ram

diantaranya:

1) Mengairi usaha perikanan atau tambak pada kolam.

2) Memenuhi pemasokkan kebutuhan air pada industri atau pabrik-

pabrik pengolahan,

3) Mengairi sawah, ladang, atau perkebunan dimana pasokan air

dibutuhkan secara terus-menerus, dimana kondisi sawah, ladang

dan perkebunan yang tadah hujan yang tidak terjangkau dari

irigasi serta sumber air yang lebih rendah.

4) Aliran mampu menghasilkan listrik bila dihubungkan dengan

generator yang dihasilkan akibat kekuatan air yang masuk dari

pompa hidraulik ram untuk pergerakkan turbin yang berputar.

5) Menyediakan air pada usaha peternakan.

7

2.2 Mekanisme Pompa Hidraulik Ram

Mekanisme kerja pompa hidraulik ram ialah dengan melipatgandakan

kekuatan pukulan sumber air yang merupakan input menuju tabung

pompa hidraulik ram serta menghasilkan ouput sesuai dengan lokasi yang

diperlukan dan volume air tertentu. Proses tersebut merupakan proses

mekanisme perubahan energi kinetik menjadi tekanan dinamis sehingga

menimbulkan peristiwa palu air atau water hammer yang mngakibatkan

terjadinya tekanan tinggi di dalam pipa. Katup limbah dan katup

penghantar yang membuka dan menutup secara bergantian menyebabkan

terjadinya tekanan dinamik lalu akan diteruskan menuju tabung udara yang

mana berfungsi sebagai kompresor untuk mengankat air menuju pipa

penghantar.

Berdasarkan letak katup limbah atau klep buang serta perubahan

kecepatan fluida terhadap waktu cara kerja pompa hidraulik ram dapat

dibagi menjadi 4 tahapan, pada gambar 2.1 dibawah ini.

(Mohammed, 2007)

Gambar 2.1 Cara kerja pompa hidraulik ram

8

Berdasarkan Gambar 2.1 cara kerja pompa hidram dapat dibagi menjadi

4 tahapan yaitu :

1. Akselerasi

Akselerasi diawali dengan terbukanya katup limbah dan

mulai mengalirnya fluida dari sumber melewati pipa

pemasukkan, badan hidram telah terpenuhi lalu keluar

melewati katup limbah. Ketinggian pada sumber air

mempengaruhi fluida tersebut sehingga mengalami percepatan

aliran sampai dengan kecepatannya samadengan nol. Posisi

katup limbah dalam keadaan tertutup. Keadaan ini dimana

tabung udara tidak mengalami tekanandan dan belum

adanya air yang telah keluar melewati pipa penghantar. Pada

Gambar 2.2 dapat dilihat Skema pompa hidraulik ram pada

tahap akselerasi.

(Mohammed, 2007)

Gambar 2.2 Skema pompa hidraulik ram pada tahap askselerasi

9

2. Kompresi

Pada tahapan kedua ini badan pompa telah dipenuhi oleh

air. Katup limbah mulai menutup perlahan hingga tertutup

penuh. Air yang bergerak ke segala arah dengan sangat cepat

akan mengakibtkan energi gerak terkumpul kemudian berubah

menjadi energi tekan. Proses penutupan katup limbah yang baik

terjadi sangat cepat. Pada gambar 2.3 dapat dilihat Skema

pompa hidraulik ram saat kompresi.

(Mohammed, 2007)

Gambar 2.3 Skema pompa hidraulik ram pada tahapan

kompresi

3. Penghantar

Katup limbah masih tetap tertutup pada tahapan ini.

Penutupan katup secara mendadak tersebut telah

menimbulkan tekanan yang lebih besar dari tekanan statis

terhadap pipa pemasukan . Katup penghantar akhirnya terbuka

10

dengan sangat cepat mengakibatkan air akan memompa masuk

menuju tabung udara sebagian. Udara dalam tabung udara akan

mengembang bertujuan memberikan kesimbangan pada tekanan

kemudian mendorong air keluar melewati pipa penghantar.

Pada gambar 2.4 Skema pada tahap ini dapat dilihat.

(Mohammed, 2007)

Gambar 2.4 Skema pompa hidraulik ram pada tahapan

penghantar

4. Rekoil

Tahap akhir dimana katup pengantar telah menutup lalu

tekanan yang berhampiran pada katup penghantar dalam

keadaan lebih besar daripada tekanan statis di pipa pemasukan,

mengakibatkan aliran air akan berbalik arah dari badan pompa

hidraulik ram ke sumber air. Pada tahap rekoil sejumlah udara

dari luar masuk ke pompa akibat terjadinya kevakuman pada

hidram. Akibat berat katup limbah itu sendiri sehingga katup

limbah kembali terbuka maka tekanan di sisi bawah katup

11

limbah mulai berkurang. Sebelum siklus berikutnya terjadi,

tekanan air pada pipa akan kembali ke tekanan statis

(Mohammed, 2007)

Gambar 2.5 Skema pompa hiidram pada tahapan rekoil

Sistem yang ideal pada kecepatan aliran serta tekanan aliran di pipa

input serta katup limbah dalam satu siklus kerja pompa hidraulik ram

dapat diperhatikan pada diagram siklus yang menunjukan satu siklus

denyut tekanan dari hidraulik ram dilihat pada gambar 2.6 ( Hanafie,

1979) :

Periode 1. : pada akhir siklus sebelumnya, kecepatan air melalui

hidram mulai mengalami penambahan, air melewati katup

limbah yang sedang terbuka, timbul tekanan negative

kecil dalam hidraulik ram.

Periode 2 : aliran yang mengalami penambahan sampai

maksimum melalui katup limbah yang telah terbuka dan

tekanan dalam pipa pemasukan juga mengalami

penambahan secara bertahap.

12

Periode 3 : katup limbah akan tertutup sehingga menyebabkan

naiknya tekanan dalam hidraulik ram. Kecepatan aliran di

dalam pipa pemasukan telah mencapai titik maksimum.

Periode 4 : katup limbah yang menutup telah menyebabkan palu

air (water hammer) yang akan mendorong air melewati

katup pengantar. Kecepatan aliran pipa pemasukan akan

berkurang dengan cepat.

Periode 5 : denyut tekanan terupukul ke dalam pipa pemasukan,

mengakibatkan timbulnya hisapan kecil dalam hidraulik

ram. Katup limbah yang membuka karena adanya

hisapan tersebut dan juga akibat beratnya sendiri. Air

akan mengalir kembali melewati katup limbah dan skilus

hidraulik ram akan berulang kembali.

( Hanafie, 1979 )

Gambar 2.6 Diagram siklus satu kerja pada pompa hidraulik ram.

13

2.3 Komponen Utama Pompa Hidraulik Ram

Pembentukan satu sistem pada pompa hidraulik ram biasanya

terdiri dari beberapa komponen penyusun seperti (Hanafie, 1979 ) :

1. Ruang udara (air chamber).

2. Katup pengantar (delivery valve).

3. Katup limbah (waste valve).

4. Pipa pemasukan (drive pipe).

5. Katup udara (air valve).

6. Pipa pengeluaran atau pipa pengantar (delivery pipe).

(Hanafie, 1979 )

Gambar 2.7 Komponen Hidraulik ram

2.3.1 Pipa pemasukan (drive pipe)

Pipa pemasukan merupakan salah satu komponen terpenting

dalam pompa hidraulik ram. Sebuah Pipa pemasukan harus mampu

menghentikan tekanan tinggi yang terjadi karena menutupnya katup

14

limbah secara mendadak karena itu dimensi pada Pipa pemasukan harus

diperhitungkan dengan cermat. Selain itu, untuk menghasilkan efisiensi

yang maksimal Pipa pemasukan harus terbuat dari bahan yang tidak

fleksibel.

Diameter dan panjang pipa pemasukan (drive pipe) sangat penting

dalam mempengaruhi kinerja pompa hidraulik ram. Menghetahui

kualitas dimensi pipa pemasukan yang paling tepat digunakan untuk

konstruksi pompa hidraulik ram maka dapat digunakan persamaan rasio

dari panjang pipa (L) dan diameter pipa (D) yang mana Batasan

perbandingan tersebut harus di antara 150 sampai 1000 dan juga rasio

antara panjang pipa (L) dan supply head (H) harus bernilai di antara 3-7.

Persaman rasio tersebut dapat dilihat pada persamaan 1 dan 2 (Watt,

1975 ).

L

D= 150 − 1000 persamaan 1

L

H= 3 − 7 persamaan 2

Visikositas air dan gesekan pada dinding pipa (friction) juga

dipengaruhi oleh diameter pipa pemasukan dimana rasio yang hampir

sama antara pipa dan volume air akan membuat visikositas air dan

gesekan yang terjadi semakin membesar yang otomatis akan

menurunkan kecepatan aliran air dan mereduksi effesiensi pompa

hidraulik ram. Pipa pemasukan juga dapat menentukan pipa pengantar

(drive pipe) seperti ditunjukkan pada tabel 1 tentang perbandingan antara

15

pipa pemasukan dan pipa pengantar sesuai penelitian yang dilakukan

PTP-ITB (Hanafie, 1979).

(Hanafie, 1979).

Tabel 2.1 : Perbandingan diameter pipa pemasukan dan pipa pengantar.

2.3.2 Pipa pengantar (delivery pipe)

Pipa pengantar atau pipa penyalur berfungsi dalam mengalirkan

fluida berasal dari tabung udara yang merupakan hasil pemopaan.

Diameter pada pipa penyalur biasanya memiliki ukuran lebih besar dari

ukuran diameter pipa pengantar, untuk panjang pipa pengantar dapat

disesuaikan dengan ketinggian yang diinginkan.

Hidraulik ram dapat memompa air pada ketinggian yang cukup

tinggi. Dengan menggunakan pipa pengantar (delivery pipe) yang panjang

akan menyebabkan ram harus mengatasi geseakan antara air dengan

dinding pipa. Pipa pengantar dapat dibuat dari bahan apapun, termasuk

pipa plastik tetapi dengan syarat bahan tersebut dapat menahan tekanan

dinamik air.

Tabel 2.2 menunjukkan kemampuan hidraulik ram buatan John

Blake dari inggris yang juga disebut sebagai “Hydram Blakes” dimana

diameter pipa pengantar akan menghasilkan debit pompa.

16

(Watt, 1975 )

Tabel 2.2 : Kemampuan pompa hidraulik ram John Blake

2.3.3 Katup limbah (waste valve)

Klep buang atau katup limbah dalam perancangannya harus

dilakukan dengan baik sehingga gerakan dan beratnya dapat

menyesuaikan karena katup limbah merupakan salah satu

komponen terpenting pompa hidraulik ram. Fungsi katup limbah

sendiri adalah mengubah energi kinetik fluida menjadi energi

tekanan dinamis fluida yang mengalir melalui pipa pemasukan

serta akan menaikkan fluida menuju tabung udara (Hanafie, 1979 ).

2.3.4 Katup pengantar (delivery valve)

Katup penyalur atau katup penghantar berfungsi

menyalurkan fluida untuk dinaikkan ke tangki penampungan dari

dalam badan pompa hidram yang menuju tabung udara . Air yang

masuk menuju tabung udara tidak diperbolehkan kembali lagi

menuju badan hidram sehingga katup penghantar yang dibuat harus

satu arah.

17

Selain itu, untuk memungkinkan fluida yang terpompa

bisa memasuki ruang udara tanpa adanya hambatan pada aliran

maka katup penghantar juga harus mempunyai lubang yang besar.

Katup ini dapat dibuat dengan bentuk yang sederhana yang

dinamakan katup searah (non return). Katup ini dibuat dari karet

kaku dan bekerja seperti pada katup teredam ( Hanafie, 1979 ).

2.3.5 Ruang udara (air chamber)

Ruang udara dirancang sebesar mungkin guna

memampatkan udara dan menahan pressure pulse atau tegangan

tekanan dari siklus hidram, sehingga memungkinkan aliran air

secara tetap akan melewati pipa pengantar serta kehilangan tenaga

akibat dari diperkecilnya gesekan.

Penggunaan tabung udara akan memperbesar head output

pompa hidraulik ram. Penggunaan tabung udara mengakibatkan air

bertekanan hasil water hammer lebih dulu diakumulasi di dalam

tabung udara sebelum dialirkan ke pipa pengantar. Penambahan

volume tabung udara berbanding lurus dengan head output karena

rongga udara yang besar menyebabkan penambahan tekanan udara

yang akan mendorong air menuju titik yang lebih tinggi. Dorongan

air dari pipa inlet yang terus-menerus serta ketukan air dari katup

limbah yang mengalami penambahan masukan air di dalam tabung

udara sehingga tekanan udara di dalam tabung udara akan semakin

besar.

18

Apabila ruang udara telah dipenuhi oleh fluida, ruang udara

akan pecah apabila hidram bergetar sangat keras. Pompa hidram

harus dihentikan segera apabila hal ini terjadi. Pipa pengantar yang

panjang akan membutuhkan ruang udara yang terlalu besar

sehingga sebaiknya dirancang ruang udara dengan ukuran yang

kecil. Beberapa ahli berpendapat bahwa volume air dalam pipa

pengantar harus sama dengan volume ruang udara ( Hanafie,

1979).

2.3.6 Katup udara (air valve)

Melalui katup udara, udara dalam pipa perlu digantikan

dengan udara yang baru. Hal ini terjadi akibat terjadinya pengaruh

turbulensi air sehingga udara dalam tabung udara secara perlahan-

lahan akan terbawa menuju ke pipa penyalur.

Katup udara harus disesuaikan agar saat terjadi denyutan

kompressi dapat mengeluarkan semprotan air yang kecil. Ruang

udara akan terisi oleh udara serta air yang memompa udara jika

katup udara tersebut terbuka terlalu besar. Katup yang sedikit

membuka akan memungkinkan masuknya udara yang cukup

banyak sehingga hidram akan bergetar. Tetapi bila udara yang

masuk terlampau sedikit karena katup udara tidak besar, hidram

juga akan mengalami getaran hebat, mengakibatkan pecahnya

tabung udara. Keadaan ini harus diperbaiki dengan katup udara

19

harus memiliki ukuran yang tepat dan memperkecil lubang udara

(Hanafie, 1979 ).

Beberapa kasus mengatakan bahwa dalam pompa hidraulik

ram katup udara diperlukan, tetapi ada juga pendapat tidak perlu

ada katup udara dalam pompa hidraulik ram, sehingga tergantung

pada masing-masing penggunaan indivindu pembuatnya.

2.4 Teori Palu Air

Palu air atau water hammer merupakan dampak dari perubahan

kecepatan aliran fluida dalam pipa yang terjadi tiba-tiba seperti

menutup katup atau beban turbin hidraulik yang berubah dan akan

menyebabkan perubahan tekanan. Sepanjang sistem perpipaan tekanan

palu air akan merambat dengan kecepatan suara. Perancangan pada

sistem perpipaan harus mampu menerima tekanan oleh palu air

tersebut untuk menghindari kerusakkan pada pipa atau peralatan

hidraulik lainnya.

Palu air merupakan peristiwa pengaliran transient flow atau tak

tetap, dimana persamaan diferensial parsil fungsi waktu dan tempat

merupakan persamaan dasarnya. Penyelesaian persamaan tersebut

yang umum digunakan diantaranya dengan melakukan pendekatan

deret aritmatika, menggunakan cara grafis dan lainnya (Santoso, 2003).

20

2.5 Efisiensi Pompa Hidraulik Ram

Efisiensi pada pompa hidraulik ram ditentukan oleh beberapa

faktor diantaranya ukuran pada pompa hidram, bahan yang dipilih

dalam pembuatan pompa hidraulik ram serta tergantung perbedaan dari

karakteristik instalasi pompa hidraulik ram pada lokasi pemasangan

yang diinginkan. Mengetahui efisiensi pompa hidraulik ram biasanya

menggunakan 2 persamaan efisiensi diantaranya adalah efisiensi

Rankine dan efisiensi D’Aubuisson.

1. Efisiensi D’Aubuisson

Efisiensi D’Aubuission menggunakan persamaan, berikut :

𝜂 =𝑞𝐻2

𝑄𝐻1 persamaan 3

Keterangan :

ɳ : effisiensi (%)

Q : debit suplai (m3/s)

q : debit hasil pemompaan (m3/s)

H1 : head masuk (m)

H2 : head keluar (m)

21

2. Efisiensi Rankine

Efisiensi Rankine merupakan perbedaan tinggi selisih pada

tekan isap dengan sisi buang yang dikalikan kapasitas

pengisapan dan tingg pada tekan isap yang dikali kapsitas

fluida yang berpindah. Efisiensi Rankine biasanya mengunakan

persamaan berikut :

𝜂 =𝑞(𝐻2−𝐻1)

𝑄𝐻1 persamaan 4

Katerangan :

ɳ : effisiensi (%)

Q : debit suplai (m3/s)

q : debit hasil pemompaan (m3/s)

H1 : head masuk (m)

H2 : head keluar (m)