TUGAS AKHIR
Diajukan Sebagai Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program S-1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh : HADE EKA PURNAMA
20110130152
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
i
Diajukan Sebagai Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program S-1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
Disusun Oleh : HADE EKA PURNAMA
20110130152
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
ii
INVESTIGASI UNJUK KERJA SLING PUMP JENIS KERUCUT DENGAN VARIASI KECEPATAN PUTAR DAN KONDISI
PENCELUPAN MENGGUNAKAN MANIFOLD SEGARIS
Disusun Oleh :
HADE EKA PURNAMA
20110130152
Telah Di Pertahankan Di Depan Tim Penguji Pada Tanggal 28 Juni 2016
Susunan Tim Penguji :
Dosen Pembimbing I Dosen Pembibing II
Muhammad Nadjib, S.T.,M.Eng. Tito Hadji Agung Santoso, S.T.,M.T. NIK. 123033 NIK. 123054
Penguji
Berli Paripurna Kamiel, S.T., M.M., M.Eng.Sc, Ph.D. NIK. 19740302200104123049
Tugas Akhir Ini Telah Diterima Sebagai Salah Satu Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada Tanggal ...
Ketua Program Studi S1 Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Yogyakarta
iii
Nama : Hade Eka Purnama
Nim : 20110130152
Program Studi : S1 Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Judul Tugas Akhir : Investigasi Unjuk Kerja Sling Pump Jenis Kerucut Dengan Variasi Kecepatan Putar Dan Kondisi Pencelupan Menggunakan Manifold Segaris
Dengan ini saya menyatakan bahwa hasil penulisan Tugas Akhir ini merupakan hasil karya saya sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di perguruan tinggi dan sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali secara tertulis dan disebutkan sumbernya dalam naskah maupun dalam daftar pustaka.
Demikian pernyataan ini saya buat dalam keadaan sadar dan tidak dalam keadaan dipaksakan.
Yogyakarta, 11 Agustus 2015
Penulis
iv
dirampungkan dengan baik dan tepat pada waktunya. Oleh karena itu, dengan rasa bangga dan bahagia saya khaturkan rasa syukur dan terimakasih saya kepada:
Allah SWT, karena hanya atas izin dan karuniaNyalah maka skripsi ini dapat dibuat dan selesai pada waktunya. Puji syukur yang tak terhingga pada Tuhan penguasa alam yang meridhoi dan mengabulkan segala do’a.
Bapak dan Ibu saya, Bapak Hartanto dan Ibu Rusmala Dewi yang telah memberikan dukungan moril maupun materi serta do’a yang tiada henti untuk kesuksesan saya, karena tiada kata seindah lantunan do’a dan tiada do’a yang paling khusuk selain do’a yang terucap dari orang tua. Ucapan terimakasih saja takkan pernah cukup untuk membalas kebaikan orang tua, karena itu terimalah persembaha bakti dan cinta ku untuk kalian bapak ibuku.
Saudara saya (Adik), Billy Sutanto dan Vicky Wiranto Putra yang senantiasa memberikan dukungan, semangat, senyum dan do’anya untuk keberhasilan ini, cinta kalian adalah memberikan kobaran semangat yang menggebu, terimakasih dan sayang ku untuk kalian.
Sahabat dan Teman Tersayang, tanpa semangat, dukungan dan bantuan kalian semua tak kan mungkin aku sampai disini, terimakasih untuk canda tawa, tangis, dan perjuangan yang kita lewati bersama dan terimakasih untuk kenangan manis yang telah mengukir selama ini. Dengan perjuangan dan kebersamaan kita pasti bisa! Semangat!! Buat Shellina Dwi Jayanti terima kasih banyak sayang…
v
adalah pendidikan.”
“Tragedi terbesar dalam kehidupan bukanlah sebuah kematian, tapi hidup tanpa tujuan. Karena itu, teruslah bermimpi untuk menggapai tujuan dan harapan,
vi
yang lebih bermanfaat. Pemanfaatan energi aliran air dapat diperluas salah satunya dengan sling pump, yaitu pompa dengan konstruksi rangka silinder tabung atau kerucut. Tujuan penelitian ini yaitu mengevaluasi unjuk kerja sling pump dengan memvariasikan kecepatan putaran dan persentase pencelupan dan membandingkan hasil penelitian dengan penelitian yang sebelumnya.
Penelitian ini dilakukan pada skala laboratorium, selang plastik berdiameter 3/4” yang dililitkan pada rangka sling pump. Kecepatan putaran (rpm) sling pump divariasikan yaitu 30, 40, dan 50 rpm dengan persentase pencelupan sling pump 50%, 60%, 70%, 80%, dan 90% di dalam air. Setelah jumlah inlet dan persentase pencelupan ditentukan, sling pump diputar menggunakan motor listrik pada kecepatan konstan yang telah tentukan yaitu 30, 40, dan 50 rpm. Panjang pipa delivery ditentukan 6 meter, tinggi delivery adalah 1 m, dan mengggunakan manifold segaris. Data yang diperoleh adalah dabit air yang keluar dan tekanan.
Berdasarkan penelitian diketahui bahwa semakin besar persentase pencelupan semakin besar pula debit yang dihasilkan. Semakin besar kecepatan putaran (rpm) sling pump maka semakin besar debit yang dihasilkan. Debit air paling optimal diperoleh pada pencelupan 80% dengan kecepatan putaran sling pump 50 rpm yaitu sebesar 7,88 liter/menit.
vii
dan hidayah-Nya sehingga saya bisa menyelesaikan Tugas Akhir saya dengan judul “Investigasi Unjuk Kerja Sling Pump Jenis Kerucut Dengan Variasi Kecepatan Putar Dan Kondisi Pencelupan Menggunakan Manifold Segaris”. Tugas akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan akademis menyelesaikan Program Strata-1 pada Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta. Dengan terselesaikannya Tugas Akhir ini saya ucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Muhammad Nadjib S.T., M.Eng. selaku dosen pembimbing 1 yang telah banyak meluangkan waktunya untuk memberi bimbingan dan petunjuk sampai Tugas Akhir ini selesai.
2. Bapak Tito Hadji Agung Santoso, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing 2 yang telah banyak meluangkan waktunya untuk memberi bimbingan dan petunjuk sampai Tugas Akhir ini selesai.
3. Bapak Berli Paripurna Kamiel, S.T., M.M., M.Eng.Sc, Ph.D. selaku dosen penguji Tugas Akhir ini.
4. Bapak Novi Caroko S.T., M.eng. selaku ketua Jurusan Teknik Mesin.
5. Ayahanda Hartanto, ibunda Rusmala Dewi, adik Billy Sutanto juga Vicky Wiranto Putra, dan teman dekat Shellina Dwi Jayanti serta seluruh keluarga atas dukungan morilnya selama ini.
6. Rekan-rekan seperjuangan Teknik Mesin 2011, “M” Solidarity Forever. 7. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin UMY.
viii bagi semua pihak.
Yogyakarta, Agustus 2016
ix
PERNYATAAN ... iii
HALAMAN PERSEMBAHAN ... iv
MOTTO ... v
INTISARI ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GRAFIK ... xiii
DAFTAR NOTASI DAN SINGKATAN ... xiv
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 2
1.4. Tujuan Penelitian ... 3
1.5. Manfaat Penelitian ... 3
1.6. Metode Pengambilan Data ... 3
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Kajian Pustaka ... 5
2.2. Dasar Teori ... 6
2.2.1. Sling pump ... 6
2.2.2. Mekanika Fluida... 7
2.2.3. Kekentalan (viscosity) Fluida ... 8
2.2.3.1 Viskositas Dinamik ... 8
2.2.3.2 Viskositas Kinematik ... 9
2.2.4. Aliran Laminar dan Turbulent ... 10
2.2.5. Tegangan Permukaan ... 11
2.2.6. Kapilaritas ... 12
2.2.7. Tekanan Atmosfer, Relatif dan Mutlak ... 12
2.2.7.1 Tekanan hidrostatis ... 13
2.2.8. Persamaan Kontinuitas ... 14
2.2.9. Persamaan Bernoulli ... 15
2.2.10. Head Loss ... 17
2.2.10.1. Head Loss Mayor ... 19
2.2.10.2. Head Loss Minor ... 20
2.2.11. Head Total Pompa (HPump) ... 26
BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Bahan penelitian ... 27
3.2. Alat Penelitian ... 27
3.2.1. Alat Uji Sling Pump ... 28
x
3.5. Lokasi Penelitian ... 40
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Pengambilan Data ... 41
4.2. Perhitungan Kecepatan Aliran ... 43
4.2.1 Perhitungan kecepatan aliran air pada komponen mayor ... 43
4.2.2. Perhitungan Kecepatan Aliran Air Komponen Minor ... 45
4.3. Perhitungan Head Kerugian (Head Loss) ... 51
4.3.1. Head Kerugian Gesek Sebagai Rugi Mayor ... 51
4.3.2. Head Kerugian Gesek Sebagai Rugi Minor ... 56
4.4. Perhitungan tekanan masuk dan debit teoritis ... 56
4.4.1. Tekanan Masuk, dan Debit Teoritis Pada Kecepatan Putaran Sling Pump 30 rpm Dengan Persentase Tercelup Sling Pump 50% Di Dalam Air... 66
4.5. Pembahasan Berdasarkan Grafik ... 69
4.5.1 Debit Aktual ... 69
4.5.2. Tekanan Masuk ... 71
4.5.3. Debit aktual dan Debit Teoritis ... 72
4.5.4. Grafik Perbandingan Penelitian ... 74
BAB VI PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 76
5.2. Saran ... 76
xi
Gambar 2.3. Aliran di dalam sublapisan viskos di dekat dinding kasar
dan mulus. (Munson dkk., 2003) ... 8
Gambar 2.4. Aliran Laminar keluar melalui pipa ... 10
Gambar 2.5. Aliran turbulent keluar melalui pipa ... 11
Gambar 2.6. Batasan bilangan Reynolds (Red) ... 11
Gambar 2.7. Satuan dan Skala tekanan (Streeter, 1985) ... 13
Gambar 2.8. Tekanan hidrostatis ... 14
Gambar 2.9. Fluida mengalir melalui pipa diameter bervariasi. ... 15
Gambar 2.10. Prinsip Bernoulli ... 16
Gambar 2.11. Koefisien tahanan (K) pada belokan pipa (bends 900) ... 21
Gambar 2.12. Koefisien tahanan pada bends 900 (Clifford, 1984) ... 21
Gambar 2.13. Perbandingan antara panjang ekuivalen terhadap diameter dalam pipa (Le/D) pada belokan pipa 900 (White, 1998) ... 22
Gambar 2.14. Koefisien tahanan (K) pada belokan patah (mitre bends) ... 23
Gambar 2.15. Grafik koefisien tahanan pada pengecilan ... 23
Gambar 2.16 Koefisien kerugian pada gradual contraction... 24
Gambar 2.17 Penyempitan mendadak ... 25
Gambar 3.1 Sling pump skala laboratorium ... 27
Gambar 3.2 Rangkaian keseluruhan Sling pump skala laboratorium ... 27
Gambar 3.3 Skema alat uji sling pump ... 28
Gambar 3.4 Puli yang digunakan untuk putaran sling pump 30, 40, dan 50 rpm ... 29
Gambar 3.5 Posisi 1 inlet dan 16 lilitan ... 29
Gambar 3.6 Motor listrik ... 30
Gambar 3.7 Gear reducer... 30
Gambar 3.8 Rangka sling pump ... 31
Gambar 3.9 Selang plastik 3/4’’ ... 31
Gambar 3.10 Manifold dengan inlet segaris ... 32
Gambar 3.11 Pipa delivery ... 33
Gambar 3.12 Pressure gauge ... 33
Gambar 3.13 Tower air ... 34
Gambar 3.14 Gelas ukur ... 34
Gambar 3.15 Water mur ... 35
Gambar 3.16 Corong inlet ... 35
Gambar 3.17 Tachometer ... 36
Gambar 3.18 Ember penampung air ... 36
Gambar 3.19 Stop watch ... 36
Gambar 3.20. Diagram alir penelitian ... 37
Gambar 4.1 Rugi-rugi minor pada sling pump ... 56
xii
pencelupan... 39 ... Tabel 4.1 Data hasil pengujian sling pump dengan manifold segaris ... 41 Tabel 4.2. Hasil perhitungan kecepatan air pada mayor putaran 30, 40, dan 50 rpm dengan kondisi pencelupan sling pump 50%, 60%, 70%, 80%, dan 90%. ... 45 Tabel 4.3. Hasil perhitungan kecepatan aliran air pada minor putaran 30, 40,
dan 50 rpm dengan kondisi pemcelupan sling pump 50%, 60%, 70%, 80%, dan 90%. ... 50 Tabel 4.4. Hasil perhitungan head loss mayor sling pump pada
kecepatan putaran 30, 40, dan 50 rpm dalam kondisi
tercelup sling pump 50%, 60%, 70%, 80%, dan 90%. ... 56 Tabel 4.5 Hasil perhitungan Head Loss Minor Sling Pump pada
kecepatan putaran 30, 40, dan 50 rpm dalam kondisi
tercelup sling pump 50%, 60%, 70%, 80%, dan 90%. ... 66 Tabel 4.6. Hasil perhitungan tekanan masuk, debit aktual dan debit
xiii
Grafik 4.2. Perbandingan kecepatan putaran sling pump terhadap debit ... 70 Grafik 4.3. Pengaruh kondisi pencelupan dan kecepatan putaran sling pump
terhadap tekanan masuk ... 71 Grafik 4.4. Perbandingan debit aktual dan debit teoritis ... 72 Grafik 4.5. Perbandingan debit aktual dan persentase pencelupan pada
xiv v : Kecepatan aliran air (m/s)
A : Luas penampang (m2) ρ : Massa jenis cairan (kg/m3) g : Percepatan gravitasi bumi (m/s2) h : Kedalaman cairan (m)
µ : Viskositas dinamik (kg/m.s) m : Massa (kg)
Re : Bilangan Reynold D : Diameter besar pipa (m) Q : Debit (m3/s)
z : Ketinggian relative (m)
γ : Berat jenis zat cair persatuan volume (Kgf/m3) H1 : Head total 1
H2 : Head total 2
hlmy : Head loss mayor (m)
hlm : Head loss minor (m)
L : Panjang pipa (m) f : Koefisien gesek K : Koefisien tahanan hl : Head loss total (m)
r : Jari-jari
Pin : Tekananan pada sisi masuk (Pa)
iv
yang lebih bermanfaat. Pemanfaatan energi aliran air dapat diperluas salah satunya dengan sling pump, yaitu pompa dengan konstruksi rangka silinder tabung atau kerucut. Tujuan penelitian ini yaitu mengevaluasi unjuk kerja sling pump dengan memvariasikan kecepatan putaran dan persentase pencelupan dan membandingkan hasil penelitian dengan penelitian yang sebelumnya.
Penelitian ini dilakukan pada skala laboratorium, selang plastik berdiameter
3/4” yang dililitkan pada rangka sling pump. Kecepatan putaran (rpm) sling pump divariasikan yaitu 30, 40, dan 50 rpm dengan persentase pencelupan sling pump 50%, 60%, 70%, 80%, dan 90% di dalam air. Setelah jumlah inlet dan persentase pencelupan ditentukan, sling pump diputar menggunakan motor listrik pada kecepatan konstan yang telah tentukan yaitu 30, 40, dan 50 rpm. Panjang pipa delivery ditentukan 6 meter, tinggi delivery adalah 1 m, dan mengggunakan manifold segaris. Data yang diperoleh adalah dabit air yang keluar dan tekanan.
Berdasarkan penelitian diketahui bahwa semakin besar persentase pencelupan semakin besar pula debit yang dihasilkan. Semakin besar kecepatan putaran (rpm) sling pump maka semakin besar debit yang dihasilkan. Debit air paling optimal diperoleh pada pencelupan 80% dengan kecepatan putaran sling pump 50 rpm yaitu sebesar 7,88 liter/menit.
1 BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Energi memiliki peranan penting dan tidak dapat dilepaskan dalam kehidupan manusia. Saat ini hampir semua aktivitas manusia bergantung pada energi. Ada dua kelompok besar energi yang terdapat di bumi yaitu energi baru dan terbarukan serta energi fosil. Energi terbarukan memiliki sifat selalu dapat diperbaharui sedangkan energi fosil sangat terbatas keberadaanya di bumi.
Energi terbarukan yang ada di alam dan di bumi meliputi energi matahari, energi angin, energi air dan energi panas bumi. Indonesia termasuk negara yang kaya akan air. Air dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan manusia seperti untuk irigasi, pembangkit tenaga listrik, kebutuhan air minum dan lain sebagainya.
Air yang mengalir memiliki energi potensial dan energi kinetik. Energi ini dapat dimanfaatkan untuk memutar propeller pada sling pump yang merupakan salah satu aplikasi energi terbarukan dari energi air. Sling pump adalah sebuah pompa yang tidak menggunakan energi listrik dalam operasionalnya. Pompa ini terdiri dari lilitan selang pada sebuah kerangka yang berbentuk baik kerucut maupun tabung. Ketika sling pump berputar maka air akan masuk ke dalam selang dan ikut berputar. Selanjutnya air akan keluar dari outlet selang.
yang dihasilkan juga semakin tinggi. Penelitian selanjutnya juga pernah dilakukan oleh Efendi (2015) dimana variasi yang digunakan adalah persentase pencelupan dan jumlah inlet juga divariasikan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa debit air paling optimal diperoleh pada persentase pencelupan sling pump 80% di dalam air dengan jumlah 2 buah inlet. Peneltian tersebut juga pernah dikembangkan oleh Waliyadi (2015) dengan variasi tinggi delivery dan persentase pencelupan menggunakan manifold melingkar. Hasil dari penelitiannya menunjukan bahwa debit optimal yang dihasilkan yaitu terjadi pada ketinggian 1 meter dan persentase pencelupan 70% sebesar 4,46 liter/menit.
Berdasarkan beberapa penelitian di atas, Tugas Akhir ini mengembangkan penelitian yang dilakukan oleh Waliyadi (2015). Pada penelitian ini kecepatan putaran sling pump di varisikan yaitu 30, 40, dan 50 rpm. Kecepatan putaran sling pump di variasikan karena pada penelitian terdahulu oleh Rahkman (2009) dan Prabowo (2009) menduga bahwa semakin besar kecepatan putaran sling pump maka gaya sentrifugalnya akan semakin tinggi sehingga terjadi muntahan air pada corong inlet yang mengakibatkan air tidak mengalir dan debit tidak keluar. Sehingga perlu dilakukan penelitian lanjutan untuk meningkatkan unjuk kerja (debit) sling pump karena debit yang dihasilkan oleh penelitian tersebut masih relatif rendah.
1.2. Rumusan masalah
Peneliti terakhir tentang sling pump adalah memakai manifold melingkar. Debit air keluaran yang dihasilkan ternyata masih rendah. Oleh karena itu perlu dilakukan penelitian lanjutan dengan memvariasikan kecepatan putaran sling pump dan persentase pencelupan dengan menggunakan manifold segaris pada ketinggian delivery 1 meter untuk mengetahui unjuk kerja (debit) sling pump.
1.3. Batasan Masalah
Pada pembahasan tugas akhir ini dibatasi oleh :
b. Kecepatan putaran yang divariasikan dilakukan pada bagian sling pump.
c. Kecepatan putaran sling pump dianggap konstan yaitu 30, 40, dan 50 rpm.
d. Debit air yang didapat tidak memperhatikan kebocoran air yang terjadi karena jumlahnya kecil.
e. Analisis perhitungan memakai aliran 1 fasa.
1.4. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Mengevaluasi unjuk kerja (debit) sling pump dengan variasi kecepatan putaran dan persentase pencelupan sling pump di dalam air.
b. Membandingkan debit yang dihasilkan dengan penelitian sebelumnya yang menggunakan manifold melingkar.
1.5. Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
a. Memperoleh gambaran tentang sling pump yang memanfaatkan energi aliran air sungai serta pengaruh variasi kecepatan putaran terhadap unjuk kerja (debit) yang dihasilkan, sehingga dapat dimengerti letak dan fungsi penggunaan alat tersebut.
b. Informasi data tersebut dapat dijadikan referensi dalam pengembangan unjuk kerja (debit) sling pump.
1.6. Metode Pengambilan Data
Metode pengambilan data yang digunakan dalam penelitian alat uji sling pump adalah:
a. Metode Pustaka
masalah yang terkait secara langsung maupun tidak langsung dalam menyusun tugas akhir.
b. Metode Eksperimen
5
Sebelumnya pernah dilakukan penelitian sling pump skala laboratorium tipe kerucut dengan variasi kecepatan putaran yaitu 30, 40, dan 50 rpm. Dari hasil penelitian tersebut diperoleh sling pump tipe kerucut dengan variasi kecepatan putaran hasil optimal terjadi pada putaran 50 rpm yaitu dengan debit 2,5 liter/menit (Rahkman, 2009). Kondisi pencelupan sling pump didalam air yaitu 16 cm (40%) dari diameter besar sling pump. Penelitian ini diduga mengakibatkan udara banyak masuk ke selang, sehingga menghambat aliran air
Efendi (2015) melakukan penelitian unjuk kerja sling pump menggunakan jumlah variasi yaitu 1 inlet, 2 inlet, 3 inlet dan 4 inlet dengan kondisi variasi pencelupan 50% sampai 80%. Putaran sling pump dibuat konstan 40 rpm. Dari hasil penelitian diketahui bahwa debit terbesar diperoleh pada variasi 2 inlet dan kondisi variasi pencelupan 80% menghasilkan debit 10,39 liter/menit.
Syamsuddin (2015) melakukan penelitian unjuk kerja sling pump menggunakan variasi jumlah lilitan selang yaitu 5 lilitan, 6 lilitan, dan 7 lilitan. Diameter selang yang digunakan yaitu ¾ inch dan putaran sling pump dibuat konstan 40 rpm. Dari hasil penelitian diketahui bahwa debit terbesar diperoleh pada 6 lilitan dengan debit 7,29 liter/menit.
Menurut beberapa penelitian di atas, penelitian yang berhubungan dengan variasi kecepatan putar dan kondisi pencelupan sling pump dengan manifold segaris belum dilakukan. Oleh sebab itu peneliti ingin mengetahui hasil unjuk kerjanya (debit) dan membandingan dengan penelitian sebelumnya yang memakai manifold melingkar.
2.2. Dasar Teori
Archimedes memperkenalkan konsep sling pump pada kisaran tahun 287-212 SM. Alat ini digunakan untuk memindahkan air dari danau keseluruh irigasi pertanian Syiracuse di Sicily seperti yang terlihat pada gambar 2.1. (Wikipedia).
Gambar 2.1. Archimedean Screw pumps (www.reneweblefirst.co.uk)
Ujung engkol diputar sehingga air akan naik dari ketinggian elevasi rendah ke elevasi yang lebih tinggi. Alat ini kemudian dikenal dengan sebutan
“Archimedean Screw pumps” pada gambar 2.1.
2.2.1. Sling Pump
karena itu, hasil modifikasi pompa ini hanya dapat diaplikasikan pada air yang mengalir sepanjang waktu seperti sungai.
Gambar 2.2. Kerangka sling pump jenis kerucut (www.jtminvest.se/slingpump.htm)
Sling pump memiliki beberapa kelebihan yaitu konstruksi sling pump sederhana, mudah perawatan, jumlah komponen sedikit, biaya murah, pengoperasiannya aman dan mampu beroperasi terus menerus selagi ada aliran sungai. Sedangkan kekurangan sling pump yaitu debit yang dihasilkan relatif kecil, debit yang dihasilkan tergantung oleh kecepatan arus sungai, dan relatif digunakan untuk head yang rendah.
2.2.2. Mekanika Fluida
2.2.3. Kekentalan (viscosity) Fluida
Kekentalan adalah sifat dari fluida untuk melawan tegangan geser pada waktu bergerak/mengalir. Kekentalan disebabkan oleh kohesi antara partikel fluida (Robert dkk, 2003). Tahanan suatu fluida terhadap tegangan geser tergantung pada kohesinya dan pada laju perpindahan momentum molekulnya. Cairan, dengan molekul-molekul yang jauh lebih rapat daripada gas, mempunyai gaya-gaya kohesi yang jauh lebih besar daripada gas. Kohesi merupakan penyebab utama viskositas dalam cairan dan karena kohesi berkurang dengan naiknya suhu, maka demikian pulalah viskositas (Streeter, 1985)
2.2.3.1. Viskositas Dinamik
Menurut Newton, tegangan geser dalam suatu fluida sebanding dengan laju perubahan kecepatan normal aliran. Laju kecepatan sering disebut dengan gradien kecepatan.
Gambar 2.3. Aliran di dalam sublapisan viskos di dekat dinding kasar dan mulus. (Munson dkk., 2003)
y
u dy
du
y 0
lim ... (2.1)
Tegangan geser fluida yang timbul diformulasikan sebagai (Olson, 1993)
dy du
... (2.2)
dengan,
- τ : Tegangan geser fluida (Pa) - μ : Viskositas fluida (kg/m.s) - du/dy : Gradien kecepatan (s-1)
Persamaan di atas disebut persamaan Newton untuk viskositas. Faktor μ
pada persamaan di atas disebut dengan viskositas absolut (absolute viscosity) atau viskositas dinamik (dynamic viscosity). Persamaan (2.1) juga dapat ditulis sebagai (Streeter, 1985)
.
/dy
du
... (2.3)dy du
A F
/ /
... (2.4)
Faktor μ (viskositas dinamik) untuk air dapat dilihat pada lampiran I. Dalam satuan SI, tegangan geser diekspresikan dalam N/m2 (Pa) dan gradien kecepatan dalam (m/s). Oleh karena itu satuan SI untuk viskositas dinamik adalah (Olson, 1990)
μ=
N mm s⁄⁄ 2=
N.sm2=
m.sKg ... (2.5)2.2.3.2. Viskositas Kinematik
Viskositas kinematik (υ) adalah perbandingan (ratio) antara viskositas dinamik (μ) dengan massa jenisnya (ρ). Seperti yang terlihat pada persamaan berikut (Streeter, 1985)
... . (2.6)
Vl/v, dimana V adalah kecepatan benda dan l ialah suatu ukuran linear yang mewakili ukuran benda tersebut. Dimensi v adalah L2T-1. Satuan SI, untuk viskositas kinematik adalah 1 m2/s, dan satuan USC-nya ialah 1 ft2/s. satuan cgs-nya yang dinamakan stoke (St) adalah 1 cm2/s. (Streeter, 1985)
2.2.4. Aliran Laminar dan Turbulent
Aliran laminar adalah suatu aliran fluida yang sifat alirannya cenderung stabil. Pada gambar 2.4, aliran laminar dimana partikel-partikel fluidanya bergerak disepanjang lintasan-lintasan lurus, sejajar dalam lapisan-lapisan atau laminae. Besarnya kecepatan-kecepatan dari laminae yang berdekatan tidak sama. Aliran laminar diatur oleh hukum yang menghubungkan tegangan geser ke laju perubahan bentuk sudut yaitu hasil kali kekentalan fluida dan gradient kecepatan. Kekentalan fluida tersebut dominan dan karenanya mencegah setiap kecenderungan menuju kondisi-kondisi turbulen (Giles, 1977).
Gambar 2.4. Aliran Laminar keluar melalui pipa (Olson, 1990)
Gambar 2.5. Aliran turbulent keluar melalui pipa (Olson, 1990)
Sifat pokok aliran, yaitu apakah laminar atau turbulen, serta posisi relatifnya pada skala yang menunjukan pentingnya secara relatif kecenderungan turbulen terhadap kecenderungan laminar ditunjukkan oleh bilangan Reynolds (Streeter, 1985). Bilangan Reynolds adalah rasio antara gaya inersia terhadap gaya viskos yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. (Clifford, 1984)
μ
L V
ρ
ReL ... (2.7) dengan, - V : Kecepatan aliran ( m/s )
- ρ : Massa jenis ( kg/m3)
- μ : Viskositas dinamik ( kg/m.s ) - ReL : Bilangan Reynolds pada pelat
- L : Panjang aliran fluida ( m )
Batasan aliran di atas adalah untuk aliran external misalnya aliran air sungai atau air laut. Batasan bilangan Reynolds untuk aliran internal melalui pipa seperti gambar 2.6 dibawah ini.
Gambar 2.6. Batasan bilangan Reynolds (Red)
2.2.5. Tegangan Permukaan
jarak antara pusat-pusat massa. Gaya tarik-menarik tersebut adalah setimbang. Tetapi pada permukaan zat cair dan udara, atau antara zat satu dengan zat lainya, gaya tarik keatas dan kebawah tidak setimbang. Ketidakseimbangan tersebut menyebabkan terjadinya lapisan tipis pada permukaan zat cair yang mempunyai kemampuan untuk menahan tegangan tarik. Sifat zat cair tersebut dikenal dengan tegangan permukaan. Tegangan permukaan (sigma) bekerja pada bidang permukaan yang sama besar disemua titik. Gaya tarik yang bekerja pada permukaan akan berusaha meminimumkan luas permukaan. Oleh karena itu tetesan zat cair akan berusaha untuk berbentuk bulat agar luas permukaannya minimum (Triatmodjo, 1991).
2.2.6. Kapilaritas
Kapilaritas disebabkan oleh gaya kohesi dan adesi. Kohesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang sama jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain tidak dapat menempel karena molekulnya saling tolak menolak. Sedangkan adhesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang berbeda jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain dapat menempel dengan baik karena molekulnya saling tarik menarik atau melekat. Di dalam suatu tabung yang dimasukkan ke dalam zat cair, jika kohesi lebih kecil dari adesi maka zat cair akan naik, jika kohesi lebih besar dari adesi maka zat cair akan turun (Triatmodjo, 1991).
2.2.7. Tekanan Atmosfer, Relatif dan Mutlak
Telah diketahui bahwa udara di atmosfer ini mempunyai berat. Karenanya udara tersebut dapat meninmbulkan tekanan pada permukaan bumi, rapat massa tidak konstan sehingga membuat ketergantungan pada ketinggian, suhu dan kelembaban.
bertekanan nol, sehingga dapat diartikan tekanan relatif positif apabila lebih besar dari tekanan atmosfer dan negatif jika lebih kecil dari tekanan atmosfer.
[image:30.595.126.501.214.434.2]Tekanan mutlak merupakan jumlah tekanan atmosfer dengan tekanan relatif. Apabila tekanan relatif negatif, maka tekanan mutlak adalah tekanan atmosfer dikurangi tekanan relatif (Triatmodjo, 1991).
Gambar 2.7. Satuan dan Skala tekanan (Streeter, 1985)
Standard atmospheric pressure pada gambar 2.7 adalah tekanan rata-rata pada permukaan air laut. Pada titik 1, memiliki tekanan absolute sebesar (Streeter, 1985)
Pabs = Patm - Pvakum ... (2.8)
Sedangkan pada titik 2:
Pabs = Patm + Pgauge ... ... (2.9)
2.2.7.1. Tekanan Hidrostatis
Gambar 2.8. Tekanan dan gaya hidrostatik resultan yang timbul pada permukaan dasar sebuah tangki terbuka (Munson dkk., 2003)
Hubungan berat air terhadap ruangan dan gravitasi ini dirumuskan sebagai berikut:
P = ρ.g.h ... (2.10) dengan, - P : Tekanan hidrostatis (N/m2)
- ρ : Massa jenis cairan (kg/m3) - g : Percepatan gravitasi (m/s2) - h : Kedalaman cairan (m)
2.2.8. Persamaan Kontinuitas
Gambar 2.9. Fluida mengalir melalui pipa diameter bervariasi (Olson, 1990)
Laju aliran massa didefinisikan sebagai massa fluida Δm yang melalui titik tertentu per satuan waktu Δt : laju aliran massa = Δm/Δt. Dalam gambar 2.9, volume fluida yang melalui titik 1 (melewati luasan A1) dalam waktu Δt adalah
A1Δl1, dengan Δl1 adalah jarak gerakan fluida dalam waktu Δt. Jika kecepatan
fluida yang melewati titik 1 adalah v1 = Δl1/Δt, laju aliran massa Δm/Δt melalui
luasan A1 adalah (Giancoli, 1996)
1 1 1 1 1 1 1
1 Av
t l a t
V t
m
... (2.11) Dengan,
ΔV1 = A1Δl1 : volume massa
Δm dan ρ1 : kerapatan fluida
Hal yang sama terjadi pada titik 2 (melalui luasan A2), laju alir massa
adalah 2A2v2 . karena tidak ada aliran fluida di dalam atau di luar isi, laju alir
melalui A1 dan A2 haruslah sama. Dengan demikian persamaan kontinuitas:
(Giancoli, 1996)
1A1v12A2v2 ... (2.12)
Jika fluida tak dapat mampat, yang adalah sebuah pendekatan yang sangat bagus untuk berbagai keadaan cairan, kemudian 1 2maka persamaan
kontinuitas menjadi: (Giancoli, 1996)
2 2 1
1 v A v
A [ρ = tetap ] ... (2.13)
2.2.9. Persamaan Bernoulli
Bernoulli mengembangkan persamaan yang menekankan prinsip ini secara kuantitatif. Untuk menurunkan persamaan Bernoulli seperti gambar 2.10, dapat diasumsikan bahwa aliran setimbang dan laminar, fluida tak dapat mampat, dan kekentalan cukup kecil untuk dapat diabaikan (Olson, 1990).
Gambar 2.10. Prinsip Bernoulli (Olson, 1990)
Dengan meninjau gambar 2.10 di atas, pada bagian luas penampang A1,
usaha yang dilakukan oleh P1 sejauh Δx1 adalah (Olson, 1990)
... (2.14) Selanjutnya, pada bagian luas penampang A2, usaha yang dilakukan P2
sejauh Δx2, adalah (Olson, 1990)
... (2.15) dengan, - P : Tekanan ( Pa )
- A : Luas penampang ( m2 ) - Δx : Panjang kolom fluida ( m ) - ΔV : Volum fluida ( m3 )
... (2.16) atau,
dengan, - v : Kecepatan fluida ( m/s )
- g : Percepatan gravitasi bumi ( m/s2 ) - z : Ketinggian relatif ( m )
- P : Tekanan fluida ( Pa )
Persamaan (2.16) di atas, disebut dengan persamaan Bernoulli yang digunakan untuk perhitungan aliran fluida ideal atau tanpa gesekan dan tak
1 1 1 1 1
1 PA x P V
W
2 2 2 2 2
2 PA x P V
W
2 2 2
2 2 1 1
1
2 1 2
1
v gz
P v gz
P
tetap v
gz
P 2
2 1
mampu mampat (incompressible). Jika persamaan (2.15) dikalikan dengan volum jenis (Spesific Volume) dari suatu fluida atau zat, maka persamaan Bernoulli akan menjadi:
Volum jenis (Spesific Volume)
... (2.17) Selanjutnya, persamaan (2.17) kembali dikalikan dengan percepatan gravitasi (1/g), maka bentuk persaman Bernoulli menjadi:
g 2 v z γ P g 2 v z γ
P 22
2 2 2 1 1 1
... (2.18)
atau,
H1 = H2 ... (2.19)
dengan, - γ : Berat jenis zat cair persatuan volum ( kgf/m3 ) - H1 : Head total 1
- H2 : Head total 2
Persaman Bernoulli di atas juga disebut dengan persamaan Head. Pada tiap-tiap suku pada persamaan (2.19) yaitu P/γ, v2/2g, dan z berturut-turut disebut dengan head tekanan, head kecepatan, dan head potensial. Head adalah energi mekanik yang dikandung oleh satu satuan berat (1 kgf) zat cair yang mengalir pada sebuah luasan penampang. Satuan energi persatuan berat adalah ekivalen dengan satuan panjang atau tinggi. Maka, head total (H) yang merupakan penjumlahan dari ketiga suku tersebut adalah energi mekanik total persatuan berat zat cair, dan dinyatakan dengan satuan tinggi kolom zat cair dalam meter (Sularso, 2006).
2.2.10.Head Loss
Head loss merupakan suatu fenomena rugi-rugi aliran di dalam sistem pemipaan. Rugi-rugi aliran selalu terjadi pada sistem pemipaan dengan menggunakan berbagai macam fluida, seperti fluida cair dan gas. Pada umumnya, rugi aliran yang terbesar terjadi pada fluida cair, hal ini dikarenakan sifat
1 v 2 2 2 2 2 1 1 1 2 1 2 1 v gz P v gz
P
molekulnya yang padat dibandingkan gas dan memiliki gesekan lebih besar terhadap media yang dilalui itu lebih besar, maka gesekan yang terjadi pun akan semakin besar. Head loss sangat merugikan dalam aliran fluida di dalam sistem pemipaan, karena head loss dapat menurunkan tingkat efisiensi aliran fluda.
Salah penyebab head loss adalah konstruksi desain dari sistem pemipaan tersebut. Jika kontruksi memiliki percabangan yang lebih banyak maka akan memperbesar rugi alirannya, selain itu aliran yang semula dalam keadaan laminar pada saat melalui pipa lurus yang koefisien gesekannya besar kan berubah menjadi aliran turbulen. Selain itu akibat yang paling mendasar dengan adanya rugi-rugi aliran (head loss) ialah dapat menyebabkan besarnya energi yang dibutuhkan untuk menggerakan aliran fluida yang berdampak meningkatnya penggunaan listrik pada mesin penggerak fluida seperti pompa.
Perubahan tekanan aliran air terjadi karena adanya perubahan ketinggian (z), perubahan kecepatan (v) akibat perubahan penampang (Ap), dan gesekan air terhadap dinding pipa atau penampang selubung (As). Perubahan tekanan aliran air di sepanjang pipa akibat gesekan terhadap dinding pipa dapat dianalisa melalui persamaan Bernoulli yaitu (Clifford, 1984)
H1 = H2 + hL
... (2.20) Persamaan (2.20) merupakan persamaan Bernoulli yang dimodifikasi karena adanya gesekan fluida terhadap dinding pipa. Gesekan akan menimbulkan penurunan tekanan atau kehilangan energi di sepanjang aliran. Berdasarkan lokasi timbulnya kehilangan, secara umum kehilangan tekanan akibat gesekan atau kerugian ini digolongkan menjadi 2 macam kerugian aliran yaitu kerugian mayor dan kerugian minor.
Kerugian mayor adalah kehilangan tekanan akibat gesekan aliran fluida
pada pipa lurus. Disebut “mayor” karena pipa lurus sebagai komponen utamanya. Sedangkan kerugian minor adalah kehilangan tekanan yang terjadi di selain pipa lurus misalnya kerugian pada katup-katup, sambungan T, sambungan L, dan sebagainya. Disebut ”minor” karena katup-katup, sambungan T, sambungan L
L
h g v z P g v z P
2 2
2 2 2 2 2 1 1 1
merupakan komponen dari pipa pendukung. Dua kerugian aliran fluida akibat gesekan di sepanjang komponen aliran ini disebut dengan head loss.
2.2.10.1. Head Loss Mayor
Pada aliran laminar nilai koefisien gesek hanya sebagai fungsi bilangan Reynolds saja, karena aliran laminar tidak dipengaruhi oleh faktor kekasaran permukaan pipa. Namun dengan semakin tingginya bilangan Reynolds, maka koefisien gesekan (f) hanya sebagai fungsi dari kekasaran relatif permukaan pipa. Pada kondisi ini, rejim aliran dikatakan mencapai kekasaran penuh sehingga alirannya adalah turbulen.
Penurunan tekanan (P) pada aliran turbulen merupakan fungsi dari bilangan Reynolds (Red), perbandingan panjang dan diameter pipa (L/D), serta
kekasaran relatif pipa (ε/D). Head loss mayor dihitung dari persamaan Darcy-Weisbach, yaitu (Clifford, 1984)
g 2
v D L h
2 e
LMY f ... (2.21) Dengan: - hLMY : Head loss mayor ( m )
- f : Koefisien gesek - L : Panjang pipa ( m )
- g : Percepatan gravitasi bumi ( m/s2 ) - D : Diameter dalam pipa ( m )
Koefisien gesek pipa (f) dapat diketahui melalui diagram Moody. Perhitungan head loss adalah perhitungan yang cukup panjang, sehingga dalam sistem perpipaan dibutuhkan persamaan matematika untuk menentukan koefisien gesek (f) sebagai fungsi dari bilangan Reynolds dan kekasaran relative (Robert dkk, 2003).
Selain dari diagram Moody, koefisien gesek (f) pada pipa juga dapat dicari melalui persamaan Blasius. Persamaan Blasius ini hanya berlaku pada aliran turbulent pada kondisi pipa halus (smooth pipe) dengan bilangan Reynolds (Red<105), sehingga faktor kekasaran relatif adalah (Clifford, 1984)
... (2.22) 25
, 0 Re
3164 , 0
d
Perhitungan besarnya angka kekasaran relatif (f) pada aliran laminar dapat dicari dengan menggunakan rumus dibawah ini (Clifford, 1984)
... .. (2.23)
2.2.10.2. Head Loss Minor
Head loss minor merupakan kerugian-kerugian aliran kecil pada sistem pipa yang dapat dihitung secara umum melalui persamaan (Clifford, 1984)
2 g v K h
2
L
... (2.24) Dengan: - hL : Head loss minor ( m )
- K : Koefisien tahanan head loss minor - g : Percepatan gravitasi bumi ( m/s2 )
Pada aliran yang melewati belokan dan katup koefisien tahanan (K) merupakan fungsi dari ratio panjang ekuivalen komponen pipa, diameter komponen pipa (Le/D), dan kekasaran relatif pipa (f). Besarnya kehilangan energi
(head loss minor) yang terjadi pada komponen belokan dan katup dapat dihitung dengan rumusan seperti pada head loss mayor yaitu (Clifford, 1984)
2g v D L h
2 e
L f
... (2.25) karena,
K D Le
f ... (2.26)
Dengan: - Le : Panjang ekuivalen dari komponen ( m )
- D : Diameter komponen katup dan pipa ( m ) - hL : Head loss minor ( m )
- K : Koefisien tahanan
- f : Kekasaran relatif dari diagram Moody
Aliran fluida yang melewati belokan atau elbow menimbulkan head loss yang lebih besar dari pada aliran yang mengalami pengecilan maupun mengalami pembesaran secara mendadak. Pada aliran fluida yang melewati belokan, harga koefisien tahanan dipengaruhi oleh radius kelengkungan atau kurva belokan pipa.
Semakin kecil radius kelengkungan belokan maka semakin besar koefisien tahanan belokan. Koefisien tahanan tersebut dapat diketahui melalui gambar 2.11 seperti di bawah ini yaitu:
Gambar 2.11. Koefisien tahanan (K) pada belokan pipa (bends 900) (Munson dkk., 2003)
[image:38.595.120.502.177.410.2]Untuk sambungan yang kelengkungannya halus, koefisien tahanan seperti pada gambar 2.12 akan lebih kecil namun pembuatannya lebih sulit sehingga harganya akan lebih mahal. Pada belokan yang kelengkungannya dibentuk dari penyambungan pipa lurus yang disebut dengan bends, koefisien tahanan akan lebih tinggi namun proses pembuatan yang lebih muda dan harganya jauh lebih murah.
Tabel 2.1. Koefisien kerugian belokan pipa
Sudut (ϴo) 5 10 15 22,5 30 45 60 90
f Halus 0,016 0,034 0,042 0,066 0,130 0,236 0,471 1,129
Kasar 0,024 0,44 0,062 0,154 0,165 0,320 0,684 1,265
Sularso dkk. (1987)
Belokan pipa yang kelengkungannya dibentuk dari penyambungan pipa lurus disebut dengan bends. Koefisien tahanan pada bends akan lebih tinggi namun proses pembuatannya lebih mudah sehingga harganya murah. Ratio (Le/D)
untuk belokan pipa 900 dapat dicari dari gambar 2.13 di bawah ini:
Gambar 2.13. Perbandingan antara panjang ekuivalen terhadap diameter dalam pipa (Le/D) pada belokan pipa 900 (White, 1998)
Gambar 2.14. Koefisien tahanan (K) pada belokan patah (mitre bends) (Clifford, 1984)
Pada gambar 2.15, aliran yang melewati sebuah pipa mengalami pembesaran dan pengecilan penampang secara mendadak koefisien tahanan (K) merupakan ratio perbandingan antara diameter pipa kecil dengan diameter pipa besar.
Gambar 2.15. Grafik koefisien tahanan pada pengecilan (A) dan pembesaran penampang secara mendadak.(B) (Munson dkk., 2003)
Pada aliran yang mengalami pembesaran penampang secara mendadak (sudden exspansion), penurunan tekanan (minor losses) dihitung melalui persamaan sebagai berikut:
g 2
v v K h
2 2 1
LM
... (2.27) dengan, - K : Faktor tahanan head loss minor pada sudden exspansion
- v1 : Kecepatan aliran pada pipa kecil ( m/s2 )
- v2 : Kecepatan aliran pada pipa besar ( m/s2 )
[image:41.595.123.503.401.677.2]Penurunan tekanan (P) akibat pengecilan penampang secara mendadak (sudden contraction) atau secara gradual contraction, perhitungan rugi minor (head loss minor) mengacu pada persamaan (2.27) di atas. Untuk perubahan penampang secara gradual contraction, koefisien tahanan (K) dapat dicari melalui gambar 2.16 dibawah ini.
Koefisien tahanan (K) untuk sudden exspansion juga dapat diketahui melalui analisis seperti pada persamaan (2.29) di bawah ini (Munson dkk., 2003)
2 2 2 1 2 2 1 D D 1 A A 1 K
... (2.28)
Dengan, - K : Faktor tahan head loss minor - A1 : Penampang pipa kecil ( m2 )
- A2 : Penampang pipa besar ( m2 )
- D1 : Diameter pipa kecil ( m )
- D1 : Diameter pipa besar ( m )
[image:42.595.217.413.360.448.2]Jika aliran air melewati sebuah pipa mengalami pengecilan penampang secara mendadak maka disebut dengan istilah sidden contraction seperti gambar 2.17 di bawah ini.
Gambar 2.17. Penyempitan mendadak (Santoso, 2012)
Dengan persamaan kontinuitas: (Munson dkk., 2003)
VO.Cc . A2 = V2.A2
Dimana Cc sebagai koefisien penyempitan atau kontraksi yaitu luas jet di
penampang O dibagi luas penampang di titik 2. (Munson dkk., 2003)
2 gV 1 C 1 h 2 c
c
... (2.29)
Untuk lubang masuk pipa dari reservoir (Munson dkk., 2003)
2 g V K h2
c
2.2.11. Head Total Pompa (HPump)
Head total pompa merupakan jumlah dari head secara keseluruhan yang dibutuhkan untuk:
-Mengatasi kerugian aliran akibat gesekan-gesekan (head loss).
- Membangkitkan tekanan (P) yang tinggi pada sisi masuk, sehingga dapat mengalirkan fluida dengan debit (Q) sesuai yang direncanakan.
-Mengatasi beda elevasi Δz.
Head total pompa yang harus disediakan untuk mengalirkan sejumlah air seperti yang direncanakan, dapat ditentukan dari kondisi pompa. Head total pompa dapat ditulis sebagai berikut (Clifford, 1984)
g 2.
v v
Δz
h
γ ΔP
H
2 1 2 2 L
Pump
... (2.31)
dengan, - HPump : Head total pompa ( m )
-Δz : Perbedaan ketinggian antar titik isap dan titik keluar ( m )
-ΔP : Perbedaan tekanan statik ( m )
-γ : Berat jenis air per satuan volume ( N/m3 )
-hL : Kerugian aliran total dimana ( hL = hLMY+ hLM ) -v2 : Kecepatan di titik isap ( m/s )
27
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah air.
3.2. Alat Penelitian
Sling pump skala laboratorium terdiri dari motor listrik, reducer, rangka sling pump dan lilitan selang plastik, dan konstruksi sling pump seperti pada gambar 3.1 dan gambar 3.2 merupakan rangkaian keseluruhan sling pump skala laboratorium.
Gambar 3.1 Sling pump skala laboratorium
Gambar 3.2 Rangkaian keseluruhan Sling pump skala laboratorium Motor listrik
Reducer
Rangka sling pump danLilitan selang
3.2.1. Skema dan Prinsip Kerja Sling Pump
Gambar 3.3 di bawah ini adalah skema alat uji sling pump dari sisi masuk menuju ke sisi keluar.
Gambar 3.3 Skema alat uji sling pump
Sling pump di putar oleh motor listrik sehingga air masuk ke dalam lilitan selang. Kemudian air akan mengalir masuk ke sisi inlet pada manifold segaris, lalu air mengalir ke pipa hollow shaft menuju pipa delivery dengan kecepatan aliran air dan tekanan yang berbeda. Air yang mengalir dari pipa delivery akan mengalir keluar lalu di tamping dengan bak penampungan pada ketinggian 1 meter.
3.2.2. Peralatan Uji
Alat yang digunakan dalam pengujian ini adalah rangkaian pompa sling pump dengan komponen-komponen dan peralatan sebagai berikut:
1. Puli pada gambar 3.3 merupakan puli yang digunakan untuk mengatur variasi kecepatan putar sling pump
Spesifikasi :
Ukuran : D : 4 inch
Gambar 3.4. Puli yang digunakan untuk putaran sling pump 30, 40, dan 50 rpm
2. Posisi 1 inlet dan 16 lilitan sling pump seperti gambar 3.5.
Gambar 3.5. Posisi 1 inlet dan 16 lilitan Spesifikasi :
Ukuran : D : 2 inch
: 23 mm Material : alumunium
Spesifikasi :
Ukuran : D : 2,5 inch
: 23 mm Material : alumunium
3. Motor listrik 1 fasa pada gambar 3.6 digunakan sebagai penggerak utama sling pump
Gambar 3.6. Motor listrik Spesifikasi:
- Merek SEM - Motor listrik 1 fase - Speed = 1400 rpm - Voltage = 220 / 380 V - Type = YC 112M - 4 - Out put = 3 Hp
- Current = 17.8 A
4. Gear reducer untuk mengubah putaran cepat ke putaran rendah, perbandingan putarannya adalah 1:20 pada gambar 3.7.
Gambar 3.7 Gear reducer Spesifikasi:
- Merek HC speed reducer made in china - Model = WPA
5. Rangka sling pump tempat melilitkan selang plastik
Gambar 3.8 Rangka sling pump Spesifikasi:
- Panjang rangka sling pump = 50 cm - Diameter besar (D1) rangka sling pump = 40 cm - Diameter kecil (D2) rangka sling pump = 13,2 cm
6. Selang yang digunakan pada penelitian ini adalah 3/4’’. Selang berfungsi
untuk mengalirkan air yang dimampatkan.
Gambar 3.9 Selang plastik ¾ inch Spesifikasi:
- Merek = San – San Reinforced hose - Jebis selan = Polymer elastic
[image:48.595.218.411.431.569.2]7. Manifold pada gambar 3.10, berfungsi sebagai alat mendistribusikan air dari lilitan selang ke pipa-pipa output.
[image:49.595.121.560.126.506.2]
Gambar 3.10 (A) Manifold dengan inlet segaris, (B) Manifold dengan inlet melingkar
Spesifikasi:
- Jumlah lubang masuk = 4 buah
- Panjang = 25 cm
- Bahan = Pvc
8. Pipa delivery seperti gambar 3.11 digunakan untuk mengalirkan air dari selang pada sling pump menuju ke bak penampung pada ketinggian delivery 50 cm. Diameter dalam pipa ini 0,022 m.
Gambar 3.11 Pipa delivery Spesifikasi:
- Bahan = pvc
- Diameter pipa 3/4” = 1,75 cm
- Panjang pipa delivery = 6 meter
9. Pressure gauge berfungsi untuk mengetahui tekanan air.
Gambar 3.12 Pressure gauge Spesifikasi:
- Merek = Wipro
10. Tower untuk meletakan bak penampung air hasil pemompaan, tinggi tower ini 3 meter dari permukaan tanah.
Gambar 3.13 Tower air Spesifikasi:
- Tinggi tower = 3 meter
- Material bahan = Besi siku berlubang
- Tebal = 3 mm
[image:51.595.233.392.476.625.2]11. Gelas ukur berfungsi untuk mengetahui debit air yang dihasilkan sling pump.
Gambar 3.14 Gelas ukur Spesifikasi:
- Kapasitas maksimum = 1 liter
12. Water mur sebagai pengubah gerak putar sling pump menjadi diam.
Gambar 3.15 Water mur Spesifikasi:
- Ukuran Water mur = 1 inchi
- Bahan = Pvc
13. Corong inlet berfungsi sebagai corong utama masuknya air saat sling pump berputar.
Gambar 3.16 Corong inlet Spesifikasi:
- Diameter besar (Do) = 7 cm
- Diameter kecil (Di) = 2,5 cm
14. Tachometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur kecepatan pada suatu poros.
Gambar 3.17 Tachometer Spesifikasi:
- Merek = smart sensor digital tachometer Ar-925 - Range = 0,5 – 19999 rpm
[image:53.595.245.382.156.300.2]15. Ember digunakan untuk menampung air keluaran hasil sling pump
Gambar 3.18 Ember penampung air
16. Stop watch untuk mengukur waktu selama pengujan.
[image:53.595.263.364.433.543.2]3.3. Diagram Alir
Diagram alir dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
Tidak Mulai
Input data:
- Jumlah inlet : 1
- Kecepatan putaran konstan : 30 rpm, 40 rpm, 50 rpm
- Jumlah lilitan : 16 lilitan - Diameter selang plastik : ¾ inchi - Kondisi pencelupan sling pump : 50%,
60%,70% , 80% dan 90% - Panjang pipa delivery : 6 meter
Memasang bagian-bagian sling pump dan mengatur kecepatan putaran sling pump
Perakitan water mur dan pemasangan manifold segaris
Uji kebocoran water mur dan manifold segaris
Ada kebocoran air ?
Pengamatan dan pengambilan data
Output data :
- Tekanan - Debit
A
Variasi n = 30, 40, 50 rpm
Ganti variasi rpm?
Ya Ya
Gambar 3.20. Diagram alir penelitian 3.4. Prosedur Penelitian
Tahap persiapan penelitian meliputi pembuatan alat uji, pemasangan peralatan uji, percobaan mesin, dan menyiapkan alat ukur yang di perlukan. 3.4.1. Tahap Persiapan
Tahap persiapan pada peneitian ini meliputi:
1. Pengecekan kondisi alat-alat yang akan digunakan.
2. Mengatur kecepatan putaran konstan pada posisi kecepatan 30 rpm, 40 rpm, dan 50 rpm.
3. Mengatur jumlah inlet dan lilitan selang yang akan digunakan 4. Mengisi air pengujian kedalam bak penampung dengan variasi
kondisi pencelupan 50%, 60%, 70%, 80% dan 90%. 5. Pengoprasian alat.
Air dialirkan sling pump melalui selang 3/4’’ menuju ke bak penampung pada ketinggian 1 m menggunakan variasi kecepatan putaran 30 rpm, 40 rpm, dan 50 rpm dengan kondisi pencelupan sling pump 50%, 60%, 70%, 80% dan 90% di dalam air.
Menentukan tinggi air sling pump diasumsikan dari hasil perkalian persentase pencelupan dengan diameter besar rangka sling pump.
Analisis data :
- Menghitung v,h1 ( mayor,minor dan
delivery), pin, Qteoritis
- Pembahasan
Hasil penelitian dan kesimpulan A
Diketahui:
- Diameter besar rangka sling pump = 40 cm - Kondisi pencelupan = 50 %
Dihitung:
100 50 cm
40
air
T
cm 20
air
T
Dari hasil perhitungan di atas dapat diasumsikan tingginya air agar rangka sling pump pencelupan 50 % yaitu sebesar 20 cm atau setengah diameter besar
rangka sling pump. Perhitungan tinggi air yang lainnya untuk menentukan kondisi pencelupan sling pump 60 % sampai dengan 90 % disajikan dalam tabel berikut.
Tabel 3.1. Hasil perhitungan tinggi air untuk menentukan kondisi pencelupan Kondisi pencelupan ( % ) Tinggi air ( cm )
50 20
60 24
70 28
80 32
90 36
3.4.2. Tahap Pengambilan Data
3.4.3 Tahap Analisa Data
Dalam penganalisaan data yang akan dilakukan diantaranya: 1. Menghitung nilai kecepatan aliran air (v).
2. Menghitung nilai head loss mayor sling pump (hL,mayor). dan head
loss minor sling pump (hL,minor).
3. Menghitung nilai tekanan pada inlet selang (P1).
4. Menghitung nilai debit teoritik sling pump ( Qteoritik ).
5. Plot kondisi pencelupan sling pump vs debit aktual. 6. Plot kondisi pencelupan sling pump vs debit teroritis. 7. Plot kondisi pencelupan sling pump vs tekanan masuk. 8. Pembahasan.
3.5. Lokasi Penelitian
41
4.1. Hasil Pengambilan Data
Data hasil penelitian sling pump skala laboratorium dengan manifold segaris disajikan seperti pada Tabel 4.1 berikut.
Tabel 4.1 Data hasil pengujian sling pump dengan manifold segaris Pengukuran Debit Sling Pump
Jumlah inlet
Jumlah lilitan selang
Kecepatan Putaran
(rpm)
Kondisi tercelup sling pump (%)
Tekanan Indikator
(bar)
Debit (liter/menit)
Debit rata-rata (liter/menit)
1 16 30
50
0,2 3,10
3,15
0,2 3,15
0,2 3,20
60
0,2 3,32
3,31
0,2 3,3
0,2 3,32
70
0,2 3,4
3,45
0,2 3,45
0,2 3,50
80
0,2 3,55
3,48
0,2 3,50
0,2 3,4
90
0,2 2,80
2,80
0,2 2,70
Tabel 4.1. Data hasil pengujian pengujian sling pump dengan manifold segaris (Lanjutan) Jumlah inlet Jumlah lilitan selang Kecepatan Putaran (rpm) Kondisi tercelup sling pump (%) Tekanan Indikator (bar) Debit (liter/menit) Debit rata-rata (liter/menit)
1 16 40
50
0,2 4,15
4,18
0,2 4,2
0,2 4,18
60
0,2 4,65
4,70
0,2 4,7
0,2 4,75
70
0,2 5,35
5,35
0,2 5,3
0,2 5,4
80
0,2 5,7
5,78
0,2 5,75
0,2 5,9
90
0,2 6,2
6,22
0,2 6,25
0,2 6,2
1 16 50
50
0,3 5,42
5,42
0,3 5,3
0,3 5,55
60
0,3 6,35
6,35
0,3 6,25
0,3 6,45
70
0,3 6,89
6,80
0,3 6,7
0,3 6,8
80
0,3 7,9
7,88
0,3 7,95
0,3 7,8
90
0,3 7,3
7,42
0,3 7,4
4.2. Perhitungan Kecepatan Aliran
Perhitungan kecepatan aliran air pada sling pump meliputi kecepatan aliran air pada komponen mayor dan komponen minor.
4.2.1 Perhitungan kecepatan aliran air pada komponen mayor dengan kecepatan putaran 30 rpm dan kondisi tercelup sling pump 50%
Debit aktual rata-rata
/s m 10 5,25 /s dm 0,0525 l/menit 3,15 Q 3 l/menit 3,20 l/menit 3,15 l/menit 3,10 3 5
3
Q n Q Qa. Kecepatan aliran air pada pipa delivery (vmy,4)
Diketahui:
- Diameter dalam pipa, d4 = ¾ inch = 0,022 m
Dihitung:
s m 0,138 v 0,022 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,4 2 3 5 my,4 2 my,4 i, aktual my,4 b. Kecepatan aliran air pada pipa 1 inch (vmy,3)
Diketahui:
- Diameter dalam pipa, d3 = 1 inch = 0,026 m
c. Kecepatan aliran air pada hollow shaft (v2)
Diketahui:
- Diameter dalam pipa hollow shaft, d2 = 0,016 m
Dihitung:
s m 0,277 v (0,016) 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,2 2 3 5 my,2 2 my,2 i, aktual my,2 d. Kecepatan aliran air pada selang plastik ¾ inch (v1)
Diketahui:
- Diameter dalam Selang d1 = ¾ inch = 0,0181 m
Dihitung:
s m 0,203 v (0,0181) 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,1 2 3 5 my,1 2 my,1 i, aktual my,1 Tabel 4.2. Hasil perhitungan kecepatan air pada putaran 30, 40, dan 50 rpm pada komponen mayor dengan kondisi pencelupan sling pump 50%, 60%, 70%, 80%, dan 90%.
Jumlah Inlet Putaran (rpm) Kondisi Tercelup Sling Pump (%)
Kecepatan Aliran (m/s) Komponen Mayor
Pipa Delivery Pipa 3/4'' Pipa 1'' Pipa Hollow Shaft Selang 3/4''
1 30
50 0,138 0,138 0,098 0,277 0,203 60 0,145 0,145 0,104 0,292 0,214 70 0,151 0,151 0,108 0,304 0,223 80 0,153 0,153 0,109 0,307 0,225 90 0,123 0,123 0,087 0,246 0,181
1 40
50 0,183 0,183 0,131 0,368 0,270 60 0,206 0,206 0,147 0,414 0,303 70 0,235 0,235 0,167 0,471 0,345 80 0,254 0,254 0,181 0,509 0,373 90 0,273 0,273 0,194 0,547 0,401
1 50
50 0,238 0,238 0,169 0,477 0,350 60 0,279 0,279 0,198 0,559 0,410 70 0,298 0,298 0,212 0,598 0,439 80 0,346 0,346 0,246 0,694 0,509 90 0,325 0,325 0,232 0,653 0,479
4.2.2. Perhitungan Kecepatan Aliran Air Komponen Minor Dengan Kecepatan Putaran 30 rpm Pada Kondisi Tercelup Sling Pump 50% a. Kecepatan aliran air pada komponen selang, belokan siku lekuk panjang,
dan belokan balik berdekatan. Diketahui:
- Diameter dalam Selang d1 = ¾ inch = 0,0181 m
b. Kecepatan aliran air pada penyempitan mendadak (sudden contraction) pada selang dengan hollow shaft
Diketahui:
- Diameter dalam Selang d1 = ¾ inch = 0,0181 m
Dihitung:
s m 0,203 v 0,0181 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,1 2 3 5 my,1 2 my,1 i, aktual my,1 Diketahui:- Diameter dalam hollow shaft d2 = 0,016 m
Dihitung:
s m 0,277 v 0,016 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,2 2 3 5 my,2 2 my,1 i, aktual my,2 c. Kecepatan aliran air pada pembesaran mendadak (sudden expantion) hollow shaft dengan pipa 1 inch.
Diketahui :
Diameter dalam pipa hollow shaft, d1 = 0,016 m
Diketahui:
- Diameter dalam pipa, d2 = 1 inch = 0,026 m
Dihitung:
s m 0,098 v 0,026 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,2 2 3 5 my,2 2 my,1 i, aktual my,2 d. Kecepatan aliran air pada penyempitan mendadak (sudden contraction) pipa 1 inch dengan pipa ¾ inch.
Diketahui:
- Diameter dalam pipa, d1 = 1 inch = 0,026 m
Dihitung:
s m 0,098 v 0,026 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,1 2 3 5 my,1 2 my,1 i, aktual my,1 Diketahui:- Diameter dalam pipa ¾ inch, d2 = 0,022 m
Dihitung:
s m 0,138 v 0,022 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,2 2 3 5 my,2 2 my,2 i, aktual my,2 e. Kecepatan aliran air pada belokan pipa delivery Diketahui:
- Diameter dalam pipa, d1 = 0,022 m
s m 0,138 v 0,022 3,14 /s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,1 2 3 5 my,1 2 my,4 i, aktual my,1 f. Kecepatan aliran air pada pembesaran mendadak (sudden expantion) pipa ¾ inch dengan pipa 1inch
Diketahui:
- Diameter dalam pipa ¾ inch, d4 = 0,022 m
Dihitung:
s m 0,138 v 0,022 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,1 2 3 5 my,1 2 my,1 i, aktual my,1 Diketahui:- Diameter dalam pipa, d3 = 1 inch = 0,026 m
Dihitung:
s m 0,098 v 0,026 3,14 s m 10 5,25 4 v D π Q 4 v my,2 2 3 5 my,2 2 my,2 i, aktual my,2 g. Kecepatan aliran air pada penyempitan mendadak (sudden contraction) pipa 1 inch dengan pipa ¾ inch
Diketahui:
- Diameter dalam pipa, d1 = 1 inch = 0,026 m
Diketahui:
- Diameter dalam pipa ¾ inch, d2 = 0,022 m
Dihitung:
s m 0,138 v
0,022 3,14
s m 10 5,25 4 v
D
π
Q 4 v
my,2
2 3 5
my,2
2 my,2 i,
aktual my,2
50
27
1. Perhitungan head kerugian pada pipa hollow shaft
Diketahui:
- Kecepatan aliran air dalam pipa (v) = 0,277 m/s - Panjang pipa, L = 12 cm = 0,12 m
- Diameter dalam pipa, di = 1,6 cm = 0,016 m
- ρ = 996,59 kg/m3 - µ = 0,000852 kg/ms Dihitung:
a. Bilangan Reynolds (Re)
5184,13 Re
ms kg 0,000852
m 0,016 m/s 0,277 kg/m 996,59 Re
μ
d v Re
3
ρ
Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa aliran air pada pipa hollow shaft adalah turbulent karena nilai Re > 4000.
b. Angka kekasaran relatif
Untuk pipa galvanized iron dari diagram moody diperoleh angka
kekasaran ε = 0,15 mm
0,0093 k
m 0,016
m 0,00015 k
d
ε
k
c. Koefesien gesek (f)
d. Head kerugian pada pipa selang (hl)
2. Perhitungan head kerugian pada pipa 1 inch Diketahui:
- Kecepatan aliran air dalam pipa, v = 0,098 m/s - Panjang pipa, L = 15 cm = 0,15 m
- Diameter dalam pipa, di = 1 inch = 2,6 cm = 0,026 m
Dihitung:
a. Bilangan Reynolds (Re)
2980,41 Re kg/m.s 0,000852 m 0,026 m/s 0,098 kg/m 996,59 Re Re 3
v d
Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa aliran air pada pipa 1 inch adalah transisi karena nilai Re < 4000
b. Angka kekasaran relatif
Diasumsikan material pipa yang digunakan adalah plastik, sehingga dari tabel angka kekasaran diperoleh angka kekasaran,
ε = 0,0015 mm
c. Koefesien gesek (f)
Berdasarkan bilangan Reynolds dan angka kekasaran diatas, maka kerugian gesek (f) diketahui dari diagram Moody sehingga diperoleh kerugian gesek f = 0,0437
d. Head kerugian pada pipa selang (hl)
3. Perhitungan head kerugian pada pipa ¾ inch Diketahui:
- Kecepatan aliran air dalam pipa (v) = 0,138 m/s - Panjang pipa, L = 19,5 cm = 0,195 m
- Diameter dalam pipa, di = ¾ inch = 2,2 cm = 0,022 m
Dihitung:
a. Bilangan Reynolds (Re)
3551,22 Re kg/ms 0,000852 m 0,022 m/s 0,138 kg/m 996,59 Re μ d v Re 3 ρ
Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa aliran air pada pipa ¾ inch adalah transisi karena nilai Re < 4000.
b. Angka kekasaran relatif
0,000068 k m 0,022 m 0,0000015 k d ε k
c. Koefesien gesek (f)
Berdasarkan bilangan Reynolds dan angka kekasaran di atas, maka kerugian gesek (f) diketahui dari diagram Moody sehingga diperoleh kerugian gesek f = 0,0421
d. Head kerugian pada pipa selang (hl)
4. Perhitungan head kerugian pada pipa delivery
Diketahui:
- Kecepatan aliran air dalam pipa, v = 0,138 m/s - Panjang pipa, L = 6 m
- Diameter dalam pipa, di = ¾ inch = 0.022 m
Dihitung:
a. Bilangan Reynolds (Re)
3551,22 Re s . kg/m 0,000852 m 0,022 m/s 0,138 kg/m 996,59 Re μ d v Re 3 ρ
Dari hasil tersebut dapat diketahui bahwa aliran air pada pipa dilevery adalah transisi karena nilai Re < 4000.
b. Angka kekasaran relatif
Diasumsikan material pipa yang digunakan adalah plastik, sehingga dari tabel angka kekasaran diperoleh angka kekasaran, ε = 0,0015 mm
0,000068 k
m 0,022
m 0,0000015 k
d
ε
k
c. Koefesien gesek (f)
Berdasarkan bilangan Reynolds dan angka kekasaran di atas, maka kerugian gesek (f) diketahui dari diagram Moody sehingga diperoleh kerugian gesek f = 0,0421.
d. Head kerugian pada pipa selang (hl)
Head loss mayor pada kecepatan putar 30 rpm dengan kondisi sling pump tercelup 50%, 60%, 70%, 80%, dan 90%. Dengan menggunakan langkah yang sama seperti di atas, hasil perhitungan untuk kecepatan putaran sling pump lainnya disajika
