SKRIPSI

PENGARUH VARIASI UKURAN TABUNG UDARA TERHADAP UNJUK KERJA SEBUAH POMPA HIDRAM No. Soal : TKM 4403T / I . 2010 / 2011 / Hmw / 10 / 04 / 19.04 / 2010

Disusun Oleh : Ahmad Nur Arianta 06/193663/TK/31559

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2010

i

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL HALAMAN PENGESAHAN HALAMAN PERYATAAN .. NASKAH SOAL TUGAS AKHIR HALAMAN PERSEMBAHAN. INTISARI . KATA PENGANTAR .. DAFTAR ISI

i ii iii iv v vi vii

viii xi

DAFTAR GAMBAR

DAFTAR TABEL . xiii DAFTAR NOTASI ......................................................................................... xiv

BAB I

PENDAHULUAN ...........................................................................

1 1 4 5 5 6

1.1 Latar Belakang .................. 1.2 Rumusan Masalah ..... 1.3 Asumsi dan Batasan Masalah 1.4 Tujuan Penelitian ................... 1.5 Manfaat Penelitian .........

BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................

7

BAB III LANDASAN TEORI ...................................................................... 3.1 Sejarah Pompa Hidram ............................................................................ 3.2 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya .......... 3.3 Sistem Operasi Pompa Hidram ................................................................. 3.4 Persamaan Energi Pada Pompa Hidram

15 15 16 20 24

ix

3.3.1 Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram ......................... 3.3.2 Peningkatan Tekana Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air ............................................................. 3.3.3 Efisiensi Pompa Hidram ................................................................

24

28 30

BAB IV

METODOLOGI PENELITIAN .................................................

32 32 33 33 33 34 34 35 35 35 35 35 36 38 41 41 41 41 41

4.1. Alat dan Bahan ......................................................................................... 4.2 Penentuan Head ........................................................................................ 4.2.1 4.2.2 Penentuan head masuk ............................................................... Penentuan head keluar ................................................................

4.3. Penentuan Diameter Pipa ........................................................................ 4.2.1 Penentuan diameter pipa masuk (D ............................................

4.4. Penentuan Panjang Pipa ........................................................................... 4.3.1 Penentuan panjang pipa masuk (L) ............................................

4.5. Penentuan Bahan Pipa ............................................................................. 4.4.1 4.4.2 Penentuan bahan pipa masuk ..................................................... Penentuan bahan pipa keluar ......................................................

4.6. Pembuatan Tabung Udara ........................................................................ 4.7. Rancangan Penelitian ............................................................................... 4.8. Variabel Yang Diamati ............................................................................ 4.9. Langkah Penelitian ................................................................................... 4.9.1 Persiapan .................................................................................... 4.9.2 Simulasi Percobaan .................................................................... 4.9.3 Pelaksanaan Pengujian ...............................................................

BAB V

PEMBAHASAN ..........................................................................

44 44 45

5.1 Proses Pengambilan Data ......................................................................... 5.2 Hasil Pengamatan ..................................................................................... 5.3 Pengaruh Variasi Ukuran Tabung Udara Terhadap Unjuk Kerja Sebuah Pompa Hidram .............................................................................

52

x

BAB VI PENUTUP ....................................................................................... 6.1 Kesimpulan .............................................................................................. 6.2 Saran .....................................................................................................

56 56 56

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... LAMPIRAN ...................................................................................................

58 59

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Gambar 2.2.

Perbandingan Tinggi Tekanan Input dan Tekanan Output .. Korelasi Antara Debit Input dan Debit Output Pompa Hidram ....................................................................

7

8 10 10 11 12 12 12 13 17 18 21 21 22 23 24 25 36 36 37 39 40

Gambar 2.3. Gambar 2.4. Gambar 2.5. Gambar 2.6. Gambar 2.7. Gambar 2.8. Gambar 2.9. Gambar 3.1. Gambar 3.2 Gambar 3.3. Gambar 3.4. Gambar 3.5. Gambar 3.6 Gambar 3.7. Gambar 3.8. Gambar 4.1. Gambar 4.2. Gambar 4.3. Gambar 4.4. Gambar 4.5. Gambar 5.1.

Analysis of Variance (Balanced of Design ......................... Surface Plot Untuk Efisiensi ............................................... Instalasi Pompa Hidram Tanpa Tabung Udara . Instalasi Pompa Hidram Dengan Tabung Udara ................. Grafik Head Tekanan Pada Pipa Penghantar...................... .. Grafik Head Tekanan Pada Pipa Penyalur............................ Perbandingan Efisiensi Pompa Hidram Hasil Pengujian .... Contoh Desain Katup Limbah .............................................. Bagian Bagian Katup Limbah .......................................... Perubahan Kecepatan Terhadap Waktu Pada Pipa Masuk .. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi A ............................... Skema Pompa Hidram Pada Kondisi B................................ Skema Pompa Hidram Pada Kondisi C ............................... Skema Pompa Hidram Pada Kondisi D .............................. Skema Instalasi Pompa Hidram .... Pipa PVC ............................................................................... Tabung Udara Pompa Hidram .............................................. Variasi Ukuran Tabung Udara.............................................. Skema Penelitian Pompa Hidram Dengan Tabung Udara .... Skema Penelitian Pompa Hidram Tanpa Tabung Udara ...... Grafik Hubungan Antara Debit Hasil dan Head Output Pada Berbagai Variasi Ukuran Tabung Udara......................

49

Gambar 5.2.

Grafik Hubungan Antara Debit Limbah dan Head Output Pada Berbagai Variasi Ukuran Tabung Udara...................... 50

xii

Gambar 5.3.

Grafik Hubungan Antara Jumlah Ketukan dan Head Output Pada Berbagai Variasi Ukuran Tabung Udara...................... 51

Gambar 5.4.

Grafik Hubungan Antara Volume Tabung Udara dengan Head Output Pompa Hidram ................................................ 52

Gambar 5.5.

Grafik Hubungan Antara Volume Tabung Udara dengan Efisiensi Pompa Hidram ....................................................... 53

Gambar 5.19.

Grafik Hubungan Antara Volume Tabung Udara dengan Jumlah Ketukan Katup Limbah ............................................ 54

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Korelasi Parameter Input, Output, dan Koefisien ......................... Tabel 4.1. Besar Head Keluar (h) Berdasar Head Masuk (H) dan Panjang Pipa Masuk (L) ............................................................... Tabel 4.2. Tabel Hubungan Panjang Pipa Masuk (L) dan Diameter Pipa Masuk ................................................................... Tabel 5.1. Hasil Pengamatan Pengujian I ....................................................... Tabel 5.2. Hasil Pengamatan Pengujian II ...................................................... Tabel 5.3. Hasil Pengamatan Pengujian III ..................................................... Tabel 5.4. Hasil Pengamatan Pengujian IV .................................................... Tabel 5.5. Tabel Pengaruh Volume Tabung Udara Terhadap Unjuk Kerja Pompa Hidram..........................................................

9

33

34 46 52 57 62

67

xiv

DAFTAR NOTASI

a

= =

percepatan fluida yang mengalir, m/s2 luas penampang pipa masuk, m2 luas penampang lubang katup limbah, m2 kecepatan gelombang suara dalam fluida, m/s diameter pipa masuk, m energi hidram, Joule modulus bulk, untuk air = 2,07 x 10 9 , N/m rugi-rugi energi, joule energi kinetik aliran air dalam pipa masuk, joule faktor gesekan bahan pipa gaya fluida yang mengalir, N percepatan gravitasi (9,81 m/s2) head losses, m rugi-rugi head pada pipa keluar, m head supply, m head output, m faktor kontraksi panjang pipa masuk, m massa katub limbah, kg massa tambahan katub limbah, gram massa air yang mengalir dalam pipa, kg jumlah ketukan katup limbah, ketukan/menit tekanan statis fluida, N/m2 tekanan pada titik 0, N/m2 tekanan inlet, N/m2

A

Awaste = c D E EV = = = =

ELosses = EK f F g = = = = = = = = = = = = = = = = =

HLhLDH h K L mV mwm

N

pp0

p1

xv

p3 p drive p tu p tt po pW pO

= = = = = = =

tekanan pada titik 3, N/m2 tekanan pada pipa masuk, Bar tekanan pada tabung udara, Bar tekanan pada saluran keluar tanpa tabung udara, Bar tekanan pada pipa keluar, Bar tekanan air pada dasar katub (N/m2) tekanan atmosfer (N/m2) debit air yang keluar melalui katup limbah, m3/s debit limbah, m3/s debit bebas m3/s debit hasil, m3/s panjang langkah katup limbah, mm waktu penutupan katup limbah, s volume tabung udara 1, m3 volume tabung udara 2, m3 volume tabung udara 3, m3 kecepatan air dalam pipa keluar, m/s kecepatan aliran, m/s kecepatan air pada titik 0, m/s kecepatan air sebelum katup menutup, m/s kecepatan air sesudah katup menutup, m/s kecepatan air pada titik 3, m/s ketinggian titik 0 dari datum, m ketinggian titik 3 dari datum, m berat jenis air, kN/m3 massa jenis fluida, kg/m efisiensi hidram menurut DAubuisson (%) efisiensi hidram menurut Rankine (%)

Qwaste = Q Qo q S t Vtu1 Vtu2 Vtu3 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =

vDv

v0v1

v2v3 Z0 Z3

A

R

xvi

Hp p

= =

kenaikan head tekanan, m kenaikan tekanan akibat palu air, N/m2

xvii

BAB I PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang.

Air adalah sumber kehidupan bagi makhluk hidup. Dalam semua aspek kehidupan, air merupakan komponen yang mutlak harus tersedia baik sebagai komponen utama maupun sebagai komponen pendukung. Usaha pemenuhan kebutuhan air dalam kehidupan sehari hari dapat dilakukan dengan memanfaatkan kondisi alam dan hukum dasar fisika ataupun dengan memanfaatkan peralatan mekanis hasil karya manusia. Masyarakat yang berdomisili pada daerah di bawah sumber air tidak perlu bersusah payah menyediakan air untuk kehidupan mereka sehari hari. Karena sesuai dengan hukum fisika, air akan mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Jadi bagi mereka yang tinggal di daerah seperti itu, tinggal membuat jalur jalur perpipaan untuk mengalirkan air ke rumah rumah mereka. Sedangkan bagi masyarakat yang berada jauh dari sumber air atau berada pada daerah yang lebih tinggi dari pada sumber air, dapat menggunakan peralatan mekanis untuk membantu dalam penyediaan air. Pompa adalah peralatan mekanis yang telah digunakan dari generasi ke generasi untuk membantu transport air dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi atau dari satu tempat ke tempat lain dengan jarak tertentu. Pompa adalah peralatan mekanis untuk mengubah energi mekanik dari mesin penggerak pompa menjadi energi tekan fluida yang dapat membantu memindahkan fluida ke tempat yang lebih tinggi elevasinya. Selain itu, pompa juga dapat digunakan untuk memindahkan fluida ke tempat dengan tekanan yang lebih tinggi atau memindahkan fluida ke tempat lain dengan jarak tertentu. Pompa dapat diklasifikasikan dalam dua macam, yaitu:

1

2

1.

Pompa Perpindahan Positif (Positive Displacement Pump) Pada pompa perpindahan positif energi ditambahkan ke dalam fluida kerja secara periodik oleh suatu daya yang dikenakan pada satu atau lebih batas (boundary) sistem yang dapat bergerak. Pompa perpindahan positif dapat dibagi menjadi : a. Pompa Torak (Reciprocating Pump) b. Pompa Putar (Rotary Pump) c. Pompa Diafragma (Diaphragm Pump)

2.

Pompa Dinamik (Dynamic Pump) Pada pompa dinamik proses penambahan energi ke dalam fluida kerja dilakukan secara kontinyu untuk menaikkan kecepatan fluida di sisi isap. Kemudian dilakukan penurunan kecepatan fluida dibagian sisi keluar pompa untuk mendapatkan energi tekan. Pompa dinamik dapat dibagi menjadi : a. Pompa Sentrifugal (Centrifugal Pump) Pompa aliran radial (radial flow) Pompa aliran aksial (axial flow) Pompa aliran campuran (mixed flow)

b. Pompa Jenis Khusus (Special Pump) Jet Pump Pompa Gas Lift (Gas Lift Pump) Pompa Hydraulic Ram (Hidram)

Penggunaan pompa untuk pemenuhan kebutuhan air memang sebuah solusi tepat dan telah terbukti sukses digunakan dari generasi ke generasi. Namun jika dicermati lebih mendalam, ternyata masih ada kendala yang dihadapi ketika dihadapkan pada kebutuhan energi sebagai sumber tenaga penggerak utama (prime mover) pompa. Pada umunya, penggerak utama pompa yang digunakan adalah motor listrik yang memerlukan konsumsi energi listrik sebagai tenaga penggerak. Masalahnya, tidak semua daerah telah mendapatkan aliran listrik, masih banyak daerah yang belum dapat menikmati listrik dalam kesehariannya.

3

Sementara itu, jika kebutuhan energi untuk penggerak utama dipenuhi dengan menggunakan mesin diesel, akan dihadapkan pada masalah finansial dan daya beli masyarakat yang masih rendah. Untuk menyelesaikan problem tersebut dapat digunakan pompa yang tidak memerlukan energi luar sebagai sumber tenaga penggerak utama. Pompa Hydraulic Ram (Hidram) adalah sebuah pompa yang tidak memerlukan energi luar sebagai sumber tenaga penggerak utama. Selain tidak memerlukan energi luar sebagai sumber tenaga penggerak utama, pompa hidram juga memiliki kelebihan lain, yaitu: Konstruksinya sederhana Tidak memerlukan pelumasan Dapat bekerja kontinyu selama 24 jam tanpa berhenti Efisiensi tinggi dan tidak menimbulkan kebisingan Pengoperasiannya mudah Biaya pembuatan dan perawatan murah

Pompa hidram tersusun atas beberapa bagian, yaitu: 1. Bagian Utama Badan hidram Katup limbah (waste valve) Tabung Udara

2. Bagian Pelengkap Bak pembagi (source tank) Pipa masuk (drive pipe) Pipa penghantar (delivery pipe) Bak penampung (storage tank)

4

Pompa hidram bekerja berdasar prinsip palu air. Ketika air dihentikan secara tiba-tiba, maka perubahan momentum massa fluida tersebt akan meningkatkan tekanan secara tiba tiba pula. Peningkatan tekanan fluida ini digunakan untuk mengangkat sebagian fluida tersebut ke tempat yang lebih tinggi (Suarda dan Wirawan, 2008). Selama ini sudah banyak dilakukan penelitian mengenai efisiensi sebuah pompa hidram, akan tetapi penelitian penelitian tersebut belum membahas mengenai peningkatan tekanan pada pompa hidram akibat adanya proses palu air. Selain itu, diperlukan juga penelitian tentang pengaruh penggunaan tabung udara dalam konstruksi pompa hidram yang secara teoritis dimaksudkan untuk mendapatkan aliran yang kontinyu dan untuk mengurangi konsumsi daya. Dalam penelitian ini, penulis ingin melakukan penelitian mengenai perubahan tekanan akibat peristiwa palu air pada pompa hidram tanpa dilengkapi tabung udara dan pompa hidram yang dilengkapi tabung udara dengan variasi volume tabung udara.

1.2.

Rumusan Masalah.

Pompa hidram adalah sebuah pompa yang tidak memerlukan energi luar sebagai tenaga penggerak utamanya. Untuk menaikkan fluida kerja dari suatu tempat ke tempat lain dengan elevasi yang lebih tinggi, pompa hidram memanfaatkan energi dari air itu sendiri. Fluida kerja yang masuk ke dalam badan hidram dengan energi kinetik tertentu dihentikan secara tiba-tiba, akibatnya, energi kinetik tersebut akan berubah bentuk menjadi energi tekanan dinamis yang akan mengangkat sebagian fluida kerja ke tempat yang lebih tinggi. Besarnya perubahan tekanan yang diakibatkan peristiwa palu air tergantung pada energi kinetik yang dibawa oleh aliran dan konstruksi katup limbah. Karena pompa hidram bekerja menggunakan prinsip palu air, fluida kerja pada sisi outlet akan mengalir secara berdenyut. Dalam perancangan sebuah pompa hidram, aliran berdenyut dapat dihindari dengan cara menambahkan tabung udara. Sampai saat ini, penelitian mengenai efek variasi ukuran tabung udara terhadap unjuk kerja

5

pompa hidram belum diketahui secara pasti. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk lebih menegaskan pengaruh variasi ukuran tabung udara terhadap unjuk kerja pompa hidram.

1.3.

Asumsi dan Batasan Masalah.

Dalam penelitian kali ini, fluida kerja yang digunakan berupa air. Air dipompa terlebih dahulu menuju tangki reservoir, kemudian dari tangki reservoir baru dialirkan menuju pompa hidram. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah penggunaan tabung udara. Pengukuran dilakukan untuk mengetahui tekanan pada drive pipe, delivery pipe, dan tekanan pada tabung udara. Pengukuran tekanan pada tabung udara saat pompa hidram beroperasi tanpa tabung udara dilakukan pada Tee setelah air melewati katup penghantar. Selain itu, dilakukan juga pengukuran untuk mengetahui debit air yang keluar dari katup limbah dan debit air yang keluar dari delivery pipe, sebagai bahan untuk mengetahui efisiensi pompa hidram.

1.4.

Tujuan Penelitian.

Tujuan penelitian ini selain sebagai syarat untuk mendapatkan gelar kesarjanaan, juga bertujuan untuk :

1. Mengetahui pengaruh penggunaan tabung udara terhadap unjuk kerja sebuah pompa hidram. 2. Mengetahui fungsi sebuah tabung udara pada pompa hidram berdasarkan pada penelitian yang dilakukan.

6

1.5.

Manfaat Penelitian.

Penggunaan pompa hidram akhir akhir ini kurang mendapat perhatian dari masyarakat. Penelitian ini diharapkan dapat menjadi salah satu jalan dalam usaha mensosialisasikan teknologi pompa hidram sebagai solusi pemenuhan kebutuhan air bersih bagi masyarakat. Selain itu, penelitian ini juga bermanfaat untuk memberikan referensi bagi pembuat pompa hidram agar dapat membuat pompa hidram dengan perhitungan konstruksi lebih baik.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Hidraulik ram merupakan suatu alat yang digunakan untuk menaikkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi secara automatik dengan energi yang berasal dari air itu sendiri (Hanafie dan De Longh, 1979). Beragam penelitian pernah dilakukan untuk mungkaji performansi dari pompa ini. Pada tahun 2008, S. Imam Wahyudi dan Fauzi Fachrudin melakukan penelitian untuk mencari korelasi tekanan dan debit air pompa hidram. Berdasarkan pengujian yang dilakukan, didapatkan sebuah korelasi antara tekanan input dan tekanan output pompa hidram. Hasil yang didapatkan untuk korelasi tekanan input dan output di sajikan pada diagram di bawah ini.

Gambar 2.1. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output. (Wahyudi dan Fachrudin, 2008)

Dari diagram yang disajikan di atas, didapatkan rata-rata tinggi tekanan output adalah 7 kali tinggi tekanan input pompa hidram. Pengujian berikutnya dilakukan untuk mendapatkan korelasi antara debit input dan output pompa

7

8

hidram. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan yang dilakukan, korelasi antara debit input dan output pompa hidram di sajikan pada diagram di bawah ini.

Gambar 2.2. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram (Wahyudi dan Fachrudin, 2008)

Berdasarkan atas analisis yang tertuang dalam gambar 2.2, di dapat bahwa Qout 30% Qin. Ini artinya masih ada 70% air yang tidak bisa diangkat (Wahyudi dan Fachrudin, 2008). Berdasarkan atas data empiris tekanan input, tekanan output, debit input dan debit output dapat diturunkan suatu persamaan sebagai berikut : ????????????2 = ???????????? ????????????1 ???????????? ????????????2 1

????????????

dengan : = koefisien = Debit input (L/dtk)

Q1 Q2 H1 H2

= Debit output (L/dtk) = Head input (m) = Head output (m)

9

Harga didapatkan dengan cara melakukan analisa pada data hasil pengujian yang telah dilakukan di beberapa tempat. Seperti yang tersaji pada tabel di bawah ini.

Tabel 2.1. Korelasi parameter input, output dan koefisien. 2,94 2,42 2,34 2,40 2,40 2,14 1,29 1,80 1,67 1,58 2,10

H1(m) Q1(L/dtk) H2(m) 2,55 Desa Kedung Watang Bener 3,10 3,20 2,50 Kali Bening, Payaman 2,50 3,50 3,50 Manyaran, Wonogiri Desa Genting, Jambu Eksperimen 1 Rata rata nilai (Sumber : Wahyudi dan Fachrudin, 2008) 5,00 4,50 2,00 3,50 3,86 3,92 7,79 7,79 4,10 4,10 19,58 10,45 3,10 25 25 25 20 20 25 15 30 25 10,5

Q2(L/dtk) 1,05 1,16 1,18 2,34 2,34 1,23 1,23 5,88 3,14 0,93

Tabel 2.1 di atas menunjukkan hasil analisa dari data hasil pengujian untuk kemudian didapatkan hasil rata-rata nilai . Dari hasil analisa yang dilakukan diperoleh nilai = 2,10 , sehingga persamaan korelasi debit dan tekanan input output pompa hidram menjadi : ????????????2 = 2,10 ????????????1 ???????????? ????????????2 1

Penelitian lain yang pernah dilakukan oleh Gan Shu San dan Gunawan Santoso mencoba untuk meneliti karakteristik volume tabung udara dan beban katup limbah terhadap efisiensi pompa hidram. Penelitian yang dilakukan pada tahun 2002 ini menggunakan variasi tabung udara dengan volume 800, 1050,

10

1300, 1950, dan 2200 mili liter. Sedangkan untuk variasi beban katup limbah menggunakan pemberat dengan nilai yang lebih variatif, yakni 200, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, dan 1600 gram. Percobaan dan pengambilan data dilakukan sebanyak 3 kali untuk setiap variasi volume tabung beban katup limbah, dengan selang waktu 3 menit. Setelah dilakukan pengambilan data dan rekapitulasi data, maka dilakukan analisa statistik untuk mengetahui apakah variabel yang digunakan berpengaruh terhadap output yang diharapkan, dalam hal ini efisiensi pompa hidram dengan rumus DAubussion. Hasil pengolahan data yang dilakukan disajikan sebagai berikut.

Gambar 2.3. Analysis of variance (Balanced of design) (Gan Shu San dan Gunawan Santoso, 2002)

Gambar 2.3 menunjukkan pengolahan data menggunakan minitab 11.12. Seperti yang telah disebutkan di atas, analisa statistik dengan Balance Annova di atas dilakukan untuk mengetahui pengaruh faktor A (faktor beban katup limbah) dan faktor B (volume tabung udara) terhadap respon output yang berupa efisiensi DAubussion.

Gambar 2.4. Surface Plot Untuk Efisiensi. (Gan Shu San dan Gunawan Santoso, 2002)

11

Dari hasil analisa menggunakan anova, diketahui bahwa faktor A dan faktor B mempengaruhi efisiensi sebuah pompa hidram, baik sebagai main effect maupun sebagai interaction effect. Untuk mengetahui tingkat variabilitas dari kedua faktor tersebut, dapat dilakukan perhitungan koefisien determinasi (R2). SSmodel = SSA + SSB + SSC = 13710.14 + 20.86 +111.76 =13842.76 R2 = SSmodel / SSt = 0.9951 = 99.51% Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa kedua faktor di atas 99.51 % menjelaskan variabilitas efisiensi DAubussion dari pompa hidram. Pada penelitian yang lain, Made Suarda dan IKG Wirawan mencoba untuk melakukan kajian eksperimental tabung udara pada head tekanan pompa hidram (Made Suarda dan IKG Wirawan, 2008). Penelitian tersebut bertujuan untuk mengetahui besarnya kenaikan head keluar pompa hidram akibat fenomena palu air. Variasi dalam penelitian kali ini adalah penggunaan tabung udara pada percobaan pertama dan tanpa dilengkapi tabung udara pada percobaan berikutnya. Variabel variabel yang di amati dalam penelitian kali ini adalah perubahan tekanan yang terjadi pada drive pipe (Pd), pada tabung udara (Pt), tekanan pada katup buang setelah katup buang tanpa tabung udara(Ptt) , serta pada badan pompa (Pb). Selain itu, diamati pula kapasitas air yang melalui katup limbah dan pada bak penampungan. Pengukuran tekanan pada masing masing titik dilakukan dengan menggunakan pressure gauge, sedangkan pengukuran kapasitas pada katup limbah dan pada bak penampungan menggunakan v-notch weir. Pengambilan data dilakukan berulang-ulang sampai sebanyak 10 kali.

Gambar 2.5. Instalasi Pompa Hidram Tanpa Tabung Udara (Made Suarda dan IKG Wirawan, 2008)

12

Gambar 2.6. Instalasi Pompa Hidram Dengan Menggunakan Tabung Udara (Made Suarda dan IKG Wirawan, 2008)

Hasil pengamatan yang dilakukan kemudian disajikan dalam bentuk diagram seperti di bawah ini.

Gambar 2.7. Grafik Head Tekanan Pada Pipa Penghantar (Made Suarda dan IKG Wirawan, 2008)

Gambar 2.8. Grafik Head Tekanan Pada Pipa Penyalur (Made Suarda dan IKG Wirawan, 2008)

13

Dari diagram di atas terlihat bahwa pada pipa penghantar, head tekanan yang lebih besar terjadi ketika instalasi pompa hidram tanpa menggunakan tabung udara, hal itu terjadi karena tidak ada udara yang terkompresi sebelum pipa penyalur, tekanan yang melalui pipa penyalur lebih besar, sehingga untuk memompa air sampai ke bak penampungan, katup limbah memompa lebih cepat. Hal itu terbukti dengan banyaknya denyutan yang terjadi (Made Suarda dan IKG Wirawan, 2008). Sedangkan pada pipa penyalur berlaku sebaliknya, pada pompa hidram dengan tabung udara, perubahan head tekanan akan menjadi lebih besar. Hal itu terjadi karena adanya udara yang terkompresi dalam tabung udara yang menyebabkan kecepatan fluida menjadi lebih stabil sehingga kerugian head akibat kecepatan dan gesekan menjadi lebih kecil. Di samping itu, tabung udara juga membantu menaikkan air ke dalam bak penampung secara lebih stabil dan dengan debit yang lebih besar. Berdasarkan hasil pengolahan data hasil pengujian, dibuatlah sebuah grafik yang menunjukkan perbandingan efisiensi pompa hidram yang

menggunakan tabung udara dan tanpa menggunakan tabung udara, sebagai berikut:

Gambar 2.9. Perbandingan Efisiensi Pompa Hidram Hasil Pengujian (Made Suarda dan IKG Wirawan, 2008)

14

Dari gambar 2.9 dapat terlihat bahwa pompa hidram dengan tabung udara memiliki efisiensi yang lebih tinggi dari pada pompa hidram tanpa tabung udara. Sesuai dengan hukum kontinuitas dimana debit berbanding lurus dengan kecepatan fluida, pada pompa hidram dengan tabung udara, fluida yang mengalir di dalam pipa penyalur mempunyai kecepatan yang lebih tinggi dari pada saat pompa hidram tanpa tabung udara. Karena kecepatan juga berbanding lurus dengan perubahan head tekanan, sehingga pada instalasi pompa hidram dengan tabung udara perubahan head tekanan menjadi lebih besar dari pada pompa hidram tanpa tabung udara. Sesuai dengan rumus efisiensi pompa hidram dimana nilai efisiensi pompa hidram berbanding lurus dengan besarnya head tekanan pada pipa penyalur dan berbading lurus dengan besarnya debit pada pipa penyalur, maka dapat di ketahui bahwa efisiensi pompa hidram dengan tabung udara jauh lebih besar dari pada efisiensi pompa hidram tanpa tabung udara.

BAB III DASAR TEORI

3.1.

Sejarah Pompa Hidram

Pompa hidram pertama kali dibuat oleh John Whitehurst seorang peneliti asal Inggris pada tahun 1772. Pompa hidram buatan Whitehurst masih berupa hidram manual, di mana katup limbah masih digerakkan secara manual. Pompa ini pertama kali digunakan untuk menaikkan air sampai ketinggian 4,9 meter (16 kaki). Pada tahun 1783, Whitehusrt memasang pompa sejenis ini di Irlandia untuk keperluan air bersih sehari - hari. Pompa hidram otomatis pertama kali dibuat oleh seorang ilmuwan Prancis bernama Joseph Michel Montgolfier pada tahun 1796. Desain pompa buatan Montgolfier sudah menggunakan 2 buah katup (waste valve dan delivery valve) yang bergerak secara bergantian. Pompa ini kemudian digunakan untuk menaikkan air untuk sebuah pabrik kertas di daerah Voiron. Satu tahun kemudian, Matius Boulton, memperoleh hak paten atas pompa tersebut di Inggris. Pada tahun 1820, melalui Eastons Firma yang mengkhususkan usahanya di bidang air dan sistem drainase, Josiah Easton mengembangkan hidram hingga menjadi usaha ram terbaik dalam penyediaan air bersih untuk keperluan rumah tangga, peternakan dan masyarakat desa. Pada tahun 1929, usaha Eastons ini dibeli oleh Green and Carter, yang kemudian meneruskan manufaktur ram tersebut. Di Benua Amerika, hak paten hidram pertama kali di pegang oleh J. Cernau dan SS Hallet, di New York. Pompa tersebut sebagian besar digunakan di derah pertanian dan peternakan. Memasuki periode berikutnya, kepopuleran hidram mulai berkurang, seiring berkembangnya pompa elektrik. Di kawasan Asia, pompa hidram mulai dioperasikan di Taj Mahal, Agra, India pada tahun 1900. Pompa hidram yang di pasang di daerah tersebut adalah 15

16

Blacks Hydram yang dibuat oleh John Black Ltd., sebuah perusahaan asal Inggris. Blacks Hydram digunakan untuk memompa air dengan debit 31,5 liter per detik. Selain di Agra, Blacks Hydram juga dipasang di daerah Risalpur, Pakistan, pada tahun 1925. Ditempat itu, Blacks Hydram berhasil memompa air hingga ketinggian 18,3 m dengan debit mencapai 56,5 Liter/detik. Pada akhir abad 20, penggunaan pompa hidram kembali digalakkan lagi, karena kebutuhan pembangunan teknologi di negara negara berkembang, dan juga karena isu konservasi energi dalam mengembangkan perlindungan ozon. Contoh pengembang pompa hidram yang baik adalah AID Foundation di Filipina. Mereka mengembangkan pompa hidram untuk digunakan di desa desa terpencil. Oleh sebab itu mereka meraih Penghargaan Ashden.

3.2.

Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya

Beberapa komponen utama sebuah pompa hidram dijelaskan pada uraian di bawah ini:

1.

Katup Limbah (Waste Valve) Katup limbah merupakan salah satu komponen terpenting pompa hidram, oleh sebab itu katup limbah harus dirancang dengan baik sehingga berat dan gerakannya dapat disesuaikan. Katup limbah sendiri berfungsi untuk mengubah energi kinetik fluida kerja yang mengalir melalui pipa pemasukan menjadi energi tekanan dinamis fluida yang akan menaikkan fluida kerja menuju tabung udara. Beberapa diantaranya: desain katup limbah yang sering digunakan

17

Gambar 3.1. Contoh Desain Katup Limbah (De Longh dan Hanafie, 1979)

Katup limbah dengan beban yang berat dan panjang langkah yang cukup jauh memungkinkan fluida mengalir lebih cepat, sehingga saat katup limbah menutup, akan terjadi lonjakan tekanan yang cukup tinggi, yang dapat mengakibatkan fluida kerja terangkat menuju tabung udara. Sedangkan katup limbah dengan beban ringan dan panjang langka lebih pendek, memungkinkan terjadinya denyutan yang lebih cepat sehingga debit air yang terangkat akan lebih besar dengan lonjakan tekanan yang lebih kecil. Adapun bagian bagian sebuah katup limbah dapat dilihat dari gambar dibawah ini:

18

Gambar 3.2. Bagian Bagian Katup Limbah. (De Longh dan Hanafie, 1979) Keterangan gambar : 1) Tangkai Katup 2) Mur Penjepit Atas 3) Karet Katup 4) Plat Katup 5) Mur Penjepit Bawah

2.

Katup Penghantar (Delivery Valve) Katup penghantar adalah sebuah katup satu arah yang berfungsi untuk menghantarkan air dari badan hidram menuju tabung udara untuk selanjutnya dinaikkan menuju tangki penampungan. Katup penghantar harus dibuat satu arah agar air yang telah masuk ke dalam tabung udara tidak dapat kembali lagi ke dalam badan hidram. Katup penghantar harus mempunyai lubang yang besar sehingga

memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa hambatan pada aliran (Hanafie dan De Longh, 1979).

19

3.

Tabung Udara (Air Chamber) Tabung udara harus dibuat dengan perhitungan yang tepat, karena tabung udara digunakan untuk memampatkan udara di dalamnya dan untuk menahan tekanan dari siklus ram. Selain itu, dengan adanya tabung udara memungkinkan air melewati pipa penghantar secara kontinyu. Jika tabung udara penuh terisi air, tabung udara akan bergetar hebat, dapat menyebabkan tabung udara pecah. Jika terjadi kasus demikian, ram harus segera dihentikan. Pendapat dari beberapa ahli, untuk menghindari hal hal di atas, volume tabung udara harus dibuat sama dengan volume dari pipa penghantar.

4.

Katup Udara (Air Valve) Udara dalam tabung udara, secara perlahan lahan akan ikut terbawa ke dalam pipa penghantar karena pengaruh turbulensi air. Akibatnya, udara dalam pipa perlu diganti dengan udara baru melalui katup udara. Ukuran katup udara harus disesuaikan sehingga hanya mengeluarkan semprotan air yang kecil setiap kali langkah kompresi. Jika katup udara terlalu besar, udara yang masuk akan terlampau banyak dan ram hanya akan memompa udara. Namun jika katup udara kurang besar, udara yang masuk terlampau sedikit, ram akan bergetar hebat, memungkinkan tabung udara pecah. Oleh karena itu, katup udara harus memiliki ukuran yang tepat.

5.

Pipa Masuk (Driven Pipe) Pipa masuk adalah bagian yang sangat penting dari sebuah pompa hidram. Dimensi pipa masuk harus diperhitungan dengan cermat, karena sebuah pipa masuk harus dapat menahan tekanan tinggi yang disebabkan oleh menutupnya katup limbah secara tiba

20

tiba. Untuk menentukan panjang sebuah pipa masuk, bisa digunakan referensi yang telah tersedia seperti di bawah ini:

6H < L < 12H L = h + 0.3 (h/H) L = 900 H/(N2*D) L = 150 < L/D < 1000

(Eropa dan Amerika Utara) (Eytelwein) (Rusia) (Calvert)

Dengan : L H h D N = Panjang pipa masuk = Head supply = Head output = Diameter pipa masuk = Jumlah ketukan katup limbah per menit

Menurut beberapa penelitian yang telah dilakukan, referensi perhitungan panjang pipa masuk oleh Calvert memberikan hasil yang lebih baik.

3.3.

Sistem Operasi Pompa Hidram

Berdasarkan posisi katup limbah dan variasi kecepatan fluida terhadap waktu, sistem operasi sebuah pompa hidram dapat dibagi menjadi 4 periode, seperti yang digambarkan pada diagram di bawah ini:

21

Gambar 3.3. Perubahan Kecepatan Terhadap Waktu Pada Pipa Masuk (Tefery Taye, 1998) Penjelasan gambar 3.3 :

A. Katup limbah terbuka dan air mulai mengalir melalui pipa masuk, memenuhi badan hidram dan keluar melalui katup limbah. Karena pengaruh ketinggian supply tank, air yang mengalir tersebut mengalami percepatan sampai kecepatannya mencapai vo. Posisi delivery valve masih tertutup. Pada kondisi awal seperti ini, tidak ada tekanan dalam tabung udara dan belum ada air yang keluar melalui delivery pipe.

Gambar 3.4. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi A. (Shuaibu N. Muhammad, 2007)

22

B. Air telah memenuhi badan hidram, ketika tekanan air telah mencapai nilai tertentu, katup limbah mulai menutup. Pada pompa hidram yang baik, proses menutupnya katup limbah terjadi sangat cepat.

Gambar 3.5. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi B. (Shuaibu N. Muhammad, 2007)

C. Katup limbah masih tertutup. Penutupan katup yang dengan tiba-tiba tersebut menciptakan tekanan yang sangat besar dan melebihi tekanan statis pipa masuk. Kemudian dengan cepat katup penghantar terbuka , sebagian air terpompa masuk ke tabung udara. Udara pada tabung udara mulai mengembang untuk menyeimbangkan tekanan , dan mendorong air keluar melalui delivery pipe.

23

Gambar 3.6. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi C. (Shuaibu N. Muhammad, 2007)

D. Katup penghantar tertutup. Tekanan di dekat katup penghantar masih lebih besar dari pada tekanan statis pipa masuk, sehingga aliran berbalik arah dari bodi hidram menuju supply tank. Peristiwa inilah yang disebut dengan recoil. Recoil menyebabkan terjadinya

kevakuman pada bodi hidram, yang mengakibatkan masuknya sejumlah udara dari luar masuk ke bodi hidram melalui katup pernapasan (air valve). Tekanan di sisi bawah katup limbah juga berkurang, dan juga karena berat katup limbah itu sendiri, maka katup limbah kembali terbuka. Tekanan air pada pipa kembali ke tekanan statis sebelum siklus berikutnya terjadi lagi.

24

Gambar 3.7. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi D. (Shuaibu N. Muhammad, 2007)

3.4.

Persamaan Energi Pada Pompa Hidram

3.4.1. Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram Energi yang dibangkitkan (bisa juga disebut energi yang dibutuhkan) pada pompa hidram berasal dari energi fluida itu sendiri. Air yang mengalir melalui pipa masuk dari ketinggian H (ketinggian permukaan air dalam supply tank), mengalami percepatan. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat dari gambar di bawah ini:

25

(5)

(4)

Gambar 3.8. Skema Instalasi Pompa Hidram Berdasarkan gambar di atas, dapat dituliskan persamaan Bernoulli sebagai berikut:2 2 p0 v0 p 3 v3 + + Z0 H L = + + Z3 g 2 g g 2 g

(3.1)

dengan : p 0 = tekanan pada titik 0 yaitu tekanan atmosfer [= 0], N/m2 p3 = tekanan pada titik 3, N/m v0 = kecepatan aliran air pada titik 0 [= 0] karena debit konstan, m/s v3 = kecepatan aliran air pada titik 3 [= 0] karena aliran air terhenti seiring menutupnya katub limbah, m/s Z 0 = ketinggian titik 0 dari datum, m Error! Bookmark not defined.Error! Bookmark not defined. Z3 = ketinggian titik 3 [= 0] karena diasumsikan segaris

datum, m

H L = head losses, m = massa jenis fluida, untuk air = 1000 , kg/m

26

g = percepatan gravitasi (= 9,81) , m/s2

Jika dimasukkan harga harga yang telah ditentukan, maka persamaan Bernoulli di atas menjadi:H HL = p3 g

(3.2)

Dengan HL atau Head Loss terdiri dari Major Head Loss dan Minor Head Loss. Karena air mengalir dari supply tank yang memiliki ketinggian tertentu, maka akan timbul gaya yang disebabkan percepatan yang dialami air, yang besarnya sama dengan hasil kali massa fluida yang mengalir dan percepatan yang dialami fluida (Hukum Newton). Seperti di bawah ini:

F = ma

(3.3)

dengan:F

= gaya fluida yang mengalir, N = massa fluida yang mengalir, kg = m = A L

m

a

= percepatan fluida yang mengalir, m/s =dv dt

= massa jenis fluida, untuk air = 1000 , kg/m = luas penampang pipa masuk, m = panjang pipa masuk, m

AL

Tekanan di titik 3 dapat dicari dengan cara membagi gaya pada titik 3 (gaya akibat percepatan air) dengan luas penampang pipa masuk (A)

p3 =

F dv = L A dt

(3.4)

27

Karena,p3 L dv = g g dt

(3.5)

Maka persamaan 3.2 dapat dituliskan sebagai berikut: H HL = L dv g dt (3.6)

Dengan HL adalah head losses pada pipa, yang besarnya ditentukan dengan persamaan di bawah ini:

HL = fdengan:

v2 L v2 + K 2g D 2g

(3.7)

HLf L D K

= head losses, m = faktor gesekan bahan pipa masuk = panjang pipa masuk, m = diameter pipa masuk, m = faktor kontraksi

Untuk menghitung besarnya energi yang dibangkitkan pada pompa hidram, kita tinjau kondisi di masing masing titik saat awal pengoperasian pompa hidram, dimana pada kondisi demikian air yang masuk ke badan hidran langsung keluar melalui katup limbah dengan kecepatan tertentu (V3), dan tekanan di titik 3, p3, akan sama dengan atmosfer (= 0) karena katup limbah dalam keadaan terbuka penuh. Sehingga persamaan Bernoulli akan menjadi:

28

H HL =

2 v3

2g

(3.8)

Kecepatan v3 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan kontinuitas, dimana harga debit (Q) bernilai konstan (kondisi awal semua fluida yang masuk langsung keluar melalui katup limbah). Sehingga:Q = v3 A waste

(3.9)

dengan: Q v3 Awaste = debit air yang keluar melalui katup limbah, m3/s = kecepatan air di titik 3 (yang melalui katup limbah), m/s = luas penampang lubang katup limbah, m2

Setelah nilai v3 didapatkan, maka kita dapat menghitung energi yang dibangkitkan hidram, dengan rumus:E= 1 2 m v3 2

(3.10)

dengan: E m = energi hidram, J = massa fluida yang mengalir, kg = massa fluida yang mengalir melalui pipa masuk = LA v3 L A = kecepatan massa fluida yang mengalir, m/s = panjang pipa masuk, m = luas penampang pipa masuk, m = massa jenis air (= 1000) , kg/m

3.4.2. Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air

29

Prinsip kerja pompa hidram adalah membuat air yang mengalir melalui pipa masuk berhenti secara tiba tiba, yang akan mengakibatkan terjadinya kenaikan head tekanan pada air. Besarnya kenaikan head tekanan dapat dihitung dengan persamaan Joukowsky, seperti di bawah ini:H p = c (v1 v 2 ) g

(3.11)

dengan: Hp c v1 v2 g = kenaikan head tekanan, m = kecepatan gelombang suara dalam air, m/s = kecepatan air sebelum valve menutup, m/s = kecepatan air sesudah valve menutup, m/s = percepatan gravitasi, m/s2

Menurut David dan Edward, kecepatan gelombang suara di dalam air didefinisikan dengan persamaan: Ev c= 1 2

(3.12)

dengan : Ev c = Modulus bulk, yang menyatakan kompresibilitas dari suatu fluida. Untuk air, Ev = 2,07 x 109 N/m2. = massa jenis fluida, untuk air = 1000 kg/m3 = kecepatan gelombang suara, dari nilai di atas, cair = 1440 m/s

Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan:

30

h =

Lv gt

(3.13)

dengan: h v L g t = kenaikan tekanan akibat palu air, m = kecepatan aliran, m/s = panjang pipa, m = percepatan gravitasi, m/s2 = waktu penutupan katup, s

3.4.3. Efisiensi Pompa Hidram.

Ada dua metode dalam perhitungan efisiensi hidram, yaitu :

Menurut D Aubuisson :

A =

(Q + q )

q h

H

(3.14)

dengan :

A = efisiensi hidram menurut DAubuissonq = debit hasil, m3/s Q = debit limbah, m3/s h = head keluar, m

H = head masuk, m

Menurut Rankine :

31

R =

q (h H ) (Q + q ). H

(3.15)

dengan :

R = efisiensi hidram menurut Rankineq = debit hasil, m3/s Q = debit limbah, m3/s h = head keluar, m

H = head masuk, m

BAB IV METODOLOGI PENELITIAN

4.1.

Alat dan Bahan

Alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: 1. Pompa air sentrifugal. 2. Tangki untuk water source. 3. 1 (satu) set pompa hidram 4. Ember untuk penampung waste water

Sedangkan alat ukur yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Pressure Gauge. Pressure gauge dalam penelitian kali ini digunakan untuk mengukur tekanan pada sisi inlet pompa hidram dan tekanan pada sisi keluar pompa hidram, sehingga akan didapatkan data mengenai perubahan tekanan air pada pompa hidram yang diakibatkan proses water hammer. Untuk mengukur tekanan inlet pompa hidram, pressure gauge diletakkan pada ujung pipa masuk (drive pipe), karena yang akan diukur adalah tekanan air akibat adanya perbedaan ketinggian water source tank dan badan hidram. Sedangkan untuk mengukur tekanan pada sisi keluar hidram, pressure gauge diletakkan pada sisi atas tabung udara, dan untuk rangkaian hidram tanpa tabung udara, pressure gauge diletakkan pada bagian setelah katup limbah, setelah air keluar dari tee.

32

33

2. Gelas takar. Bejana ukur digunakan untuk mengukur debit air yang keluar melalui waste valve dan delivery pipe.

4.2.

Penentuan Head

4.2.1

Penentuan Head Masuk (H) Untuk penelitian ini, penentuan head masuk digunakan untuk

menentukan parameter parameter yang lain (ukuran pipa masuk, dll.). Pada awalnya diasumsikan head masuk 1 m, tetapi dalam pengujian di lapangan harga ini berubah menjadi 1,5 m. Hal itu karena dalam pengujian di lapangan, ada tambahan ketinggian permukaan air dalam tangki water source 0,5 m. Dalam pengujian harga ini menjadi parameter yang ditetapkan. 4.2.2 Penentuan Head Keluar (h) Berdasarkan penelitian Dr. Jagdish Lal (1975), head keluar kita asumsikan sebesar 6 m. Harga ini mengacu pada hasil penelitian beliau yang menyatakan bahwa panjang pipa keluar atau head keluar berhubungan dengan efisiensi, yang juga berarti berhubungan dengan panjang pipa masuk dan head masuk. Agar efisiensi pompa hidram menjadi maksimum, maka hubungan ketiga parameter diatas dapat dilihat pada tabel dibawah ini:

Tabel 4.1. Besar head keluar (h) berdasarkan head masuk (H) dan panjang pipa masuk (L) H (m) h (m) L (m) 1 6 10 1,5 12 12 2 15 15 3 23 23 4 30 30

(Sumber : Jagdish Lal, 1975)

34

4.3.

Penentuan Diameter Pipa

4.3.1 Penentuan Diameter Pipa Masuk (D) Setelah diketahui panjang pipa masuk, maka dari tabel di bawah ini bisa kita tentukan diameter pipa masuk (drive pipe) yang akan kita gunakan.

Tabel 4.2. Tabel hubungan panjang pipa masuk (L) dan diameter pipa masuk (D) Diameter (Error! Bookmark not defined. 10 3 m) 13 20 25 30 40 50 80 100 (Sumber : US AID, 1982) Panjang pipa masuk L (m) Minimum 2 3 4 4.5 6 7.5 12 15 Maksimum 13 20 25 30 40 50 80 100

Setelah mendapatkan harga dari tabel 4.1, kemudian kita cek harga tersebut menggunakan metode Calvert, dimana : 150