PENGUJIAN PENGARUH VARIASI BEBAN KATUP LIMBAH
DAN VARIASI VOLUME TABUNG UDARA DENGAN HEAD
SUPPLY 2,3 METER TERHADAP PERFORMANSI POMPA
HIDRAM
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
UCCOK PRANS SINAGA NIM. 080401092
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “PENGUJIAN PENGARUH VARIASI BEBAN KATUP LIMBAH DAN VARIASI VOLUME TABUNG UDARA DENGAN HEAD SUPPLY 2,3 METER TERHADAP PERFORMANSI POMPA HIDRAM ”.
Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materil, moril, maupun spiritual dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :
1. Bapak Ir. Mulfi Hazwi M.Sc selaku Dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan juga sebagai dosen pembanding yang telah memberikan saran dan masukan dalam penyelesaian skripsi ini. 3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan juga sebagai dosen pembanding yang telah memberikan saran dan masukan dalam penyelesaian skripsi ini. 4. Bapak Ir. Zamanhuri, MT selaku dosen wali.
5. Orang tua penulis K Sinaga dan E Silalahi yang memberikan dukungan moril dan materil serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
7. Teman satu team skripsi Herto M Marbun dan Fransciscus M Sitompul. 8. Teman teman lain yaitu seluruh rekan mahasiswa angkatan 2008 , para
abang dan kakak senior, serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
9. Teman-teman turbin angin, pelton, dan vortex.
10.Team HORAS yang telah menyediakan peralatan demi kelancaran skripsi ini
11. Kepada pihak-pihak lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam skripsi ini yang terjadi diluar kesengajaan kami. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkannya.
Medan, 24 Juli 2013
ABSTRAK
Telah dirancang sebuah pompa hidram yang menggunakan energi potensial air sebagai penggeraknya. Dalam perancangan pompa hidram yang penulis lakukan, menggunakan variasi beban katup limbah dengan beban 0,353 kg, 0,388 kg, 0,424 kg dan variasi volume tabung udara dengan volume 0,0061 m3, 0,0082 m3, 0,0102 m3. Tinggi head supply 2,3 m dan panjang pipa pemasukan 15 m. Kemudian dilakukan pengujian pengaruh variasi beban katup limbah dan variasi volume tabung udara dengan head supply 2,3 meter terhadap performansi pompa hidram. Dari perhitungan didapat kapasitas pompa maksimum sebesar 0.000085 m3/s pada volume tabung 0,0061 m3 dengan beban katup limbah 0,424 kg. Efisiensi maksimum pompa hidram sebesar 46,59 % pada volume tabung 0,0061 m3 dengan beban katup limbah 0424 kg.
ABSTRACT
A hydraulic ram pump has been designed using potential energy of water as movement. In the design of the hidraulic ram which is writer do , using variation weight of waste valve 0,353 kg, 0,388 kg, 0,424 kg and variation of volume an air chamber 0,0061 m3, 0,0082 m3, 0,0102 m3. Height of head supply
2,3 m and length of inlet pipe 15 m. From calculation in earning maximum pump capacity 0.000085 m3/s at an air chamber with volume 0,0061 m3 and weight of
waste valve 0,0424 kg. Maximum efficiency of hydraulic ram pump 46,59% at an air chamber with volume 0,0061 m3 and weight of waste valve 0,424 kg.
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR...i
ABSTRAK ...iii
DAFTAR ISI ... .v
DAFTAR GAMBAR...ix
DAFTAR TABEL... .xii
DAFTAR SIMBOL...xiv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...1
1.2 Perumusan Masalah...3
1.3 Tujuan Penelitian...3
1.4 Batasan Masalah...3
1.5 Manfaat Penelitian...4
1.6 Sistematika Penulisan ...4
BAB II TINJAUAN PUSATAKA 2.1 Pompa...6
2.2 Pompa Hidram...7
2.2.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya...9
2.2.2 Sistem Operasi Pompa Hidram...12
2.3 Fluida...18
2.4 Tinjauan Mekanika Fluida...18
2.4.1 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida...19
2.4.3 Gerak Fluida dan Laju Aliran...21
2.4.4 Energi dan Head...22
2.4.5 Persamaan Bernouli...24
2.4.6 Aliran Laminar dan Turbulen...25
2.4.7 Kerugian Head (Head Losses)...26
2.4.8 Persamaan Empiris untuk Aliran didalam Pipa...30
2.5 Dasar Perencanaan pompa...33
2.5.1 Kapasitas...33
2.5.2 Head Pompa...33
2.5.3 Sifat Zat Cair...34
2.6 Persamaan Energi pada Pompa Hidram...34
2.6.1 Energi Yang Dibangkitkan pada Pompa Hidram...34
2.6.2 Peningkatan Tekanan pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air...38
2.6.3 Efisiensi Pompa Hidram...39
2.7 Analisa Ketidakpastian...40
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Peralatan Pengujian...42
3.2 Alat Ukur yang digunakan...50
3.2.1 Manometer...50
3.2.2 Alat Ukur Debit Aliran...51
3.2.3 Alat Ukur Waktu...53
3.2.4 Alat Ukur Jarak...53
3.3 Skema Penelitian...55
3.4 Variabel yang Diamati...57
3.5 Langkah Penelitian...58
3.6 Prosedur Pengujian...59
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Perhitungan Aliran Air pada Pompa Hidram...62
4.1.1 Kapasitas Aktual pada Pipa pemasukan...62
4.1.2 Kecepatan Aliran pada Pipa Pemasukan...63
4.1.3 Kapasitas Aliran pada Pipa Discharge...65
4.1.4 kecepatan Aliran pada Pipa Discharge...67
4.2 Faktor Kerugian...68
4.2.1 Kerugian Head Mayor dalam Pipa Pemasukan...68
4.2.2 Kerugian Head Minor pada Pipa Pemasukan...71
4.2.3 Kerugian Head Mayor dalam Pipa Discharge...73
4.2.4 Kerugian Head Minor pada Pipa Discharge...76
4.3 Menghitung Energi yang Dibangkitkan oleh Pompa Hidram Akibat Palu Air...78
4.4 Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Palu Air...80
4.5 Menghitung Daya Pomoa...82
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan...89 5.2 Saran...90 DAFTAR PUSTAKA...91 LAMPIRAN A Hasil percobaan dan ketidakpastian
B Data hasil pengujian
C Lampiran sifat fisik air dan faktor kelengkpan pipa
Gambar 2.1. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output. ... 8
Gambar 2.2. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram. ... 9
Gambar 2.3. Jenis-jenis desain katup limbah ... 9
Gambar 2.4. Bagian – bagian katup limbah. ... 10
Gambar 2.5. Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk. ... 13
Gambar 2.6 Skema pompa hidram pada kondisi A ... 13
Gambar 2.7. Skema pompa hidram pada kondisi B ... 14
Gambar 2.8. Skema pompa hidram pada kondisi C ... 15
Gambar 2.9.Skema pompa hidram pada kondisi D ... 15
Gambar 2.10.Diagram satu siklus pompa hidram ... 17
Gambar 2.11. Profil kecepatan pada saluran tertutup………...19
Gambar 2.12. Profil kecepatan pada saluran terbuka………...19
Gambar 2. 13 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah……..21
Gambar 2.14 Ilustrasi persamaan Bernoulli...………….………25
Gambar 2.15 Diagram Moody……….27
Gambar 2.16 Skema instalasi pompa hidram………..….35
Gambar 3.1 Prototype pompa hidram ... 42
Gambar 3.2 Badan pompa ... 42
Gambar 3.3 Katup limbah ... 43
Gambar 3.4 Beban katup limbah...44
Gambar 3.5 Badan katup limbah ... 44
Gambar 3.6 As Katup limbah ... 45
Gambar 3.7 O - Ring ... 45
Gambar 3.8 Plat katup ... 46
Gambar 3.9 Mur ... 46
Gambar 3.11 Tabung udara ... 47
Gambar 3.12 Bak penyuplai ... 48
Gambar 3.13 Bak penampung ... 48
Gambar 3.14 Pompa sirkulasi ... 49
Gambar 3.15 Landasan pompa ... 50
Gambar 3.16 manometer ... 51
Gambar 3.17 flow meter 2 inch ... 51
Gambar 3.18 flow meter 1 inch ... 52
Gambar 3.19 Stopwatch ... 53
Gambar 3.20 Meteran ukur ... 53
Gambar 3.21 Mistar ukur ... 54
Gambar 3.22 Timbangan digital……….54
Gambar 3.23 Skema penelitian pompa hidram ... 56
Gambar 3.24 Susunan alat ukur ... 58
Gambar 3.25 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir ... 61
Gambar 4.1 Grafik kapasitas aliran pipa pemasukan vs beban katup limbah…..63
Gambar 4.2 Grafik kecepatan aliran pipa pemasukan vs beban katup limbah .... 65
Gambar 4.3 Grafik kapasitas pipa discharge vs beban katup limbah... 66
Gambar 4.4 Grafik kecepatan aliran pipa discharge vs beban katup limbah ... 68
Gambar 4.5 Grafik energi vs beban katup limbah ... 79
Gambar 4.6 Grafik kenaikan tekanan secara gradual vs beban katup limbah ... 81
Gambar 4.7 Daya pompa vs beban katup limbah ... 83
Gambar 4.8. Instalasi Pompa Hidram menurut D’Aubuisson ... 84
Gambar 4.9. Grafik efisiensi D’Aubuisson vs beban katup limbah ... 85
Gambar 4.10. Instalasi Pompa Hidram menurut Rankine ... 86
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Nilai kekasaran dinding untuk berbagai pipa komersil………..27 Tabel 2.2 Koefisien kekasaran pipa Hazen - Williams……….…….31 Tabel 4.1 Kapasitas aliran pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup limbah
dan volume tabung udara……….62 Tabel 4.2 Kecepatan aliran pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup
limbah dan volume tabung udara...………64 Tabel 4.3 Kapasitas aliran pada pipa discharge untuk variasi beban katup limbah
dan volume tabung udara...………66 Tabel 4.4 Kecepatan aliran pada pipa discharge untuk variasi beban katup limbah
dan volume tabung udara...………67 Tabel 4.5 Bilangan Re pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup limbah
dan volume tabung udara……...………...69 Tabel 4.6 Faktor gesekan pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup limbah
dan volume tabung udara..………70 Tabel 4.7 Head losses mayor pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup limbah dan volume tabung udara…...………....………...71 Tabel 4.8 Koefisien kerugian untuk pipa pemasukan...72 Tabel 4.9 Head losses minor pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup
limbah dan volume tabung udara………...……….73 Tabel 4.10 Bilangan Re pada pipa discharge untuk variasi beban katup limbah
dan volume tabung udara…...………..74 Tabel 4.11 Head delivery pada pipa discharge untuk variasi beban katup
Tabel 4.14 Head losses minor pada pipa discharge untuk variasi beban katup limbah dan volume tabung udara ………....77 Tabel 4.15 Besar energi untuk variasi beban katup limbah dan volume tabung
udara………...……...79 Tabel 4.16 Besar Δh untuk variasi beban katup limbah dan volume tabung
udara……...81 Tabel 4.17 Besar daya pompa untuk variasi beban katup limbah
dan volume tabung udara… ……….82 Tabel 4.18 Efisiensi menurut D’ Aubuisson untuk variasi beban katup limbah
dan volume tabung udara………...……….84 Tabel 4.19 Efisiensi menurut Rankine untuk variasi beban katup limbah
DAFTAR SIMBOL
Simbol Arti Satuan
a percepatan fluida yang mengalir m/s2
A Luas penampang pipa masuk m2
Aw K
Luas penampang katup limbah
Koefisien kekasaran pipa Hazen-Williams
m2
d1 d2
Diameter pipa masuk Diameter pipa discharge
m m
E Energi hidram Joule
Ek Ep Ev
Energi kinetik dalam aliran pipa masuk Energi potensial
Modulus bulk untuk air
Joule Joule 2,07 x 109
N/m² f Faktor gesekan bahan pipa
F Gaya fluida yang mengalir N
g Percepatan gravitasi 9.81 m/s2
HL Head losses m
hf Kerugian head mayor m
hm Kerugian head minor m
H Head supply m
h Hd Head Pemompaan Head delivery m m
L Panjang pipa m
m Massa air yang mengalir dalam pipa kg N
P
Jumlah ketukan
Daya pompa Watt
P Tekanan statis fluida bar
P0 Tekanan pada tiitk 0 (tekanan atmosfer) bar
P2 Tekanan pada tabung udara bar
P3 Tekanan pada pipa discharge bar
Q2 Kapasitas pipa discharge m3/s Q3
Qw
debit air yang keluar melalui katup limbah debit air yang keluar melalui katup limbah
m3/s m3/s
Re Bilangan Reynold m
S Panjang langkah katup limbah m
t
v
V
Waktu penutupan katup limbah Viskositas kinematik fluida Volume air
S m2/s
m3
V1 Volume tabung udara 1 m3
V2 V3
Volume tabung udara 2 Volume tabung udara 3
m3 m3
v0 Kecepatan aliran pada titik 0 m/s
v1 Kecepatan aliran sebelum katup menutup m/s v2 Kecepatan aliran sesudah katup menutup m/s v3 Kecepatan aliran pada katup buang m/s
Z0 Ketinggian titik 0 dari datum m
Z3
ketinggian titik 3 dari datum Kekasaran pipa
m
Berat jenis air KN/m3
Massa jenis air
Viskositas dinamis fluida
Kg/m3 N s/m2 efisiensi hidram menurut D’Aubuisson %
efisiensi hidram menurut Rankine %
ΔHp Kenaikan head tekanan m
ABSTRAK
Telah dirancang sebuah pompa hidram yang menggunakan energi potensial air sebagai penggeraknya. Dalam perancangan pompa hidram yang penulis lakukan, menggunakan variasi beban katup limbah dengan beban 0,353 kg, 0,388 kg, 0,424 kg dan variasi volume tabung udara dengan volume 0,0061 m3, 0,0082 m3, 0,0102 m3. Tinggi head supply 2,3 m dan panjang pipa pemasukan 15 m. Kemudian dilakukan pengujian pengaruh variasi beban katup limbah dan variasi volume tabung udara dengan head supply 2,3 meter terhadap performansi pompa hidram. Dari perhitungan didapat kapasitas pompa maksimum sebesar 0.000085 m3/s pada volume tabung 0,0061 m3 dengan beban katup limbah 0,424 kg. Efisiensi maksimum pompa hidram sebesar 46,59 % pada volume tabung 0,0061 m3 dengan beban katup limbah 0424 kg.
ABSTRACT
A hydraulic ram pump has been designed using potential energy of water as movement. In the design of the hidraulic ram which is writer do , using variation weight of waste valve 0,353 kg, 0,388 kg, 0,424 kg and variation of volume an air chamber 0,0061 m3, 0,0082 m3, 0,0102 m3. Height of head supply
2,3 m and length of inlet pipe 15 m. From calculation in earning maximum pump capacity 0.000085 m3/s at an air chamber with volume 0,0061 m3 and weight of
waste valve 0,0424 kg. Maximum efficiency of hydraulic ram pump 46,59% at an air chamber with volume 0,0061 m3 and weight of waste valve 0,424 kg.
BAB I PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
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 Easton’s 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.
Air merupakan salah satu faktor yang sangat penting dan dibutuhkan dalam kehidupan makhluk hidup. Selain untuk pengembangan fisologis makhluk hidup, air juga menjadi input bagi beragam upaya atau kegiatan makhluk hidup dalam rangka menghasilkan sesuatu untuk kelangsungan hidupnya. Oleh karena itu, air harus tersedia kapanpun dan dimanapun dalam jumlah, waktu, dan mutu yang memadai. Dengan jumlah air yang tersedia relatif tetap, sementara kebutuhan air semakin meningkat, maka air dari sisi ketersedian dan permintaannya perlu dikelola dan diatur sedemikian rupa, sehingga air dapat disimpan jika berlebihan dan selanjutnya dimanfaatkan dan didistribusikan jika diperlukan.
Munculnya permasalahan yang menyangkut air yang disebabkan oleh peningkatan beragam kebutuhan dan kepentingan kehidupan makhluk hidup, pada gilirannya berdampak terhadap terganggunya kondisi permintaan dan penyediaan air. Peningkatan jumlah penduduk yang harus diimbangi oleh peningkatan kebutuhan permukiman dan pangan (pertanian), pembangunan industri serta sarana dan prasarana sosial ekonomi lainnya menyebabkan permintaan akan air semakin tinggi. Untuk memenuhi permintaan tersebut, beragam teknologi pemanfaatan air telah banyak dikembangkan sehingga kebutuhan air dapat terpenuhi dalam jumlah yang memadai.
Sektor pertanian dan konsumsi masyarakat membutuhkan air dalam jumlah besar, baik yang berasal dari sumber air permukaan maupun air tanah, memanfaatkan beragam teknologi yang mampu mengangkat dan mengalirkan air dari sumbernya ke lahan-lahan pertanian serta hunian penduduk. Penggunaan pompa air yang digerakkan dengan tenaga listrik menjadi pilihan utama saat ini. Namun jika dilihat dari sisi pembiayaan, baik dalam tahap pengembangan maupun pengelolaan, teknologi irigasi tersebut memunculkan persoalan di tingkat lapangan, khususnya bagi petani, yaitu ketidakmampuan petani dalam mengoperasionalkan dan memelihara sarana dan prasarana irigasi yang dimiliki. Akibatnya, banyak sarana dan prasarana yang dibangun menjadi rusak yang secara langsung berdampak pada penurunan tingkat produktivitas petani.
ekonomis sehingga dalam pengelolaannya tidak tergantung pada tenaga listrik atau bahan bakar lainnya, sebuah teknologi yang membutuhkan biaya operasional yang murah dan tidak membebani masyarakat. Salah satu teknologi pemamfaatan air yang harus dikembangkan adalah pompa hydraulic ram atau lazim disebut pompa hidram.
1.2Perumusan Masalah
Dalam perencanaan pompa hidram, ditemui beberapa hal - hal yang timbul untuk dianalisa, yaitu:
1. Bagaimana menghitung besarnya tekanan gradual yang diakibatkan palu air. 2. Bagaimana pengaruh volume tabung udara terhadap performansi pompa
hidram.
3. Bagaimana pengaruh beban katub limbah terhadap debit air yang dipompakan
4. Berapa besarnya efisiensi yang dihasilkan oleh pompa hidram.
1.3Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penulisan penelitian ini sebagai berikut.
1. Mengetahui pengaruh volume tabung udara terhadap kinerja pompa hidram 2. Mengetahui pengaruh beban katup limbah terhadap debit air yang dihasilkan
pompa hidram.
3. Mengetahui besar efisiensi yang dihasilkan oleh pompa hidram dan head delivery maksimum yang dihasilkan pompa hidram.
1.4Batasan Masalah
Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikan batasan masalah sebagai berikut :
1. Fluida kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah air.
3. Pengukuran tekanan dilakukan pada badan pompa, pipa penghantar dan tabung udara.
4. Pengukuran debit air yang keluar dari pipa pemasukan dan pipa penghantar untuk mengetahui besar efisiensi pompa.
5. Pengujian dilakukan di lantai 4 Departemen Teknik Mesin USU.
6. Pengambilan data dilaksanakan pada saat pompa beroperasi. Data-data lain yang diperlukan dalam perencanaan dan analisa diambil sesuai dengan literatur yang relevan.
1.5Mamfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :.
1. Dapat mengetahui pengaruh dari komponen-komponen yang ditambahkan pada pompa hidram.
2. Penelitian ini diharapakan dapat menjadi salah satu usaha mensosialisasikan teknologi hidram sebagai solusi dalam penyedian air bersih bagi masyarakat. 3. Penelitian ini memberikan referensi bagi para pembuat pompa hidram agar
dapat membuat dengan perhitungan konstruksi lebih baik.
4. Mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan tenaga listrik dengan menumbuhkan kesadaran untuk memanfaatkan potensi alam secara optimal.
1.6Sistematika Penulisan
Agar penyusunan skripsi ini dapat tersusun secara sistematis dan mempermudah pembaca memahami tulisan ini, maka skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu halaman judul, lembar pengesahan, abstrak, kata pengantar, daftar isi, daftar gambar dan daftar tabel.
penulisan skripsi. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari buku - buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan
enews.
Dalam pengujian ada hal-hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan pengujian. Hal ini akan dibahas pada bab 3 yaitu metodologi penelitian. Pada bab ini akan dibahas mengenai langkah-langkah penelitian, alat dan bahan yang dipakai pada pengujian. Setelah selesai melakukan penelitian maka data hasil pengujian akan diolah dan dianalisa pada bab 4 yaitu analisa data dan pembahasan. Pada bab 4 akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah diperoleh dari hasil penelitian yang telah dilakukan. Setelah selesai menganalisa dan membahas. Hasil-hasil dan kesimpulan akan dijelaskan pada bab 5 yaitu kesimpulan dan saran.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pompa
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. 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)
• 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 umumnya, 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.
2.2 Pompa Hidram
Gambar 2.1 Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output. (Sumber : Wahyudi dan Fachrudin, 2008)
Gambar 2.2 Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram.
2.2.1 Komponen utama pompa hidram dan fungsinya
Beberapa komponen utama sebuah pompa hidram dijelaskan pada uraiaan 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.
[image:35.595.166.499.84.316.2]Beberapa desain katup limbah yang sering digunakan diantaranya:
Gambar 2.3c Katup karet lentur
(Sumber: Hanafie, J., de Longh, H., 1979, Teknologi Pompa Hidraulik Ram, Pusat Teknologi Pembangunan Institut Teknologi Bandung, Bandung.)
Adapun bagian – bagian sebuah katup limbah dapat dilihat dari gambar dibawah ini:
Gambar 2.4 Bagian – Bagian Katup Limbah. (Sumber : Dokumentasi)
Keterangan gambar : 1) Karet katup
1
5
3
3) Tangkai katup 4) Plat Katup
5) Mur pengikat katup
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).
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)
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-tiba. Untuk menentukan panjang sebuah pipa masuk, bisa digunakan referensi yang telah tersedia seperti di bawah ini:
6H < L < 12H (Eropa dan Amerika Utara) L = h + 0.3 (h/H) (Eytelwein)
L = 900 H/(N2*D) (Rusia) L = 150 < L/D < 1000 (Calvert) Dengan :
L = Panjang pipa masuk H = Head supply
h = Head output
D = Diameter pipa masuk
N = Jumlah ketukan katup limbah per menit
Menurut beberapa penelitian yang telah dilakukan, referensi perhitungan panjang pipa masuk oleh Calvert memberikan hasil yang lebih baik.
2.2.2 Sistem operasi pompa hidram
Gambar 2.5 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk. (Sumber: Tefery Taye, 1998 )
Penjelasan gambar 2.5 :
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 2.6 Skema pompa hidram pada kondisi A
Keterangan:
A : Pipa pemasukan B : Katup buang
A
B
C : Katup hantar D : Pipa discharge
E : Udara pada tabung
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.
[image:40.595.247.419.233.430.2]
Gambar 2.7 Skema pompa hidram pada kondisi B.
Gambar 2.8 Skema pompa hidram pada kondisi C.
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.
Secara sederhana bentuk ideal dari tekanan dan kecepatan aliran pada ujung pipa pemasukan dan kedudukan katup limbah selama satu siklus kerja pompa hidram terjadi dalam lima periode yaitu:
Periode 1. Akhir siklus yang sebelumnya, kecepatan air melalui ram mulai bertambah, air melalui katup limbah yang sedang terbuka timbul tekanan negatif yang kecil dalam ram.
Periode 2. Aliran bertambah sampai maksimum melalui katup imbah yang terbuka dan tekanan dalm pipa-pipa masuk juga bertambah secara bertahap.
Periode 3. Katup limbah mulai menutup dengan demikan menyebabkan naiknya tekanan dalam ram. Kecepatan aliaran dalam pipa pemasukan telah mencapai maksimum.
Periode 4. Katup limbah tertutup, menyebabkan terjadinya water hammer yang mendorong air melalui katup penghantar. Kecepatan dalam pipa pemasukan berkurang dengan cepat.
Gambar2.10 diagram satu siklus kerja pompa hidram.
2.3 Fluida
Zat dikenal dalam 3 bentuk yaitu; padat, cair atau gas. Apabila benda berada dalam bentuk cair atau gas, benda tersebut dikenal sebagai fluida. Sifat-sifat umum dari semua fluida ialah bahwa ia harus dibatasi dengan dinding kedap supaya tetap dalam bentuknya yang semula.
Fluida secara khusus didefinisikan sebagai zat yang berdeformasi terus menerus selama dipengaruhi suatu tegangan geser. Sebuah tegangan geser terbentuk apabila sebuah gaya tangensial bekerja pada sebuah permukaan.
Apabila benda-benda padat biasanya seperti baja atau logam-logam lainnya dikenai oleh suatu tegangan geser, mula-mula benda itu akan berdeformasi (biasanya sangat kecil), tetapi tidak akan terus menerus berdeformasi (mengalir).
2.4 Tinjauan Mekanika Fluida
bergerak, sedangkan fluida dinamik adalah fluida yang bergerak atau tegangan gesernya tidak nol.
2.4.1 Kecepatan dan kapasitas aliran fluida
Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada suatu penampang memungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran sehingga pengukuran kecepatan merupakan fase yang sangat penting dalam menganalisa suatu aliran fluida. Kecepatan dapat diperoleh dengan melakukan pengukuran terhadap waktu yang dibutuhkan suatu partikel yang dikenali untuk bergerak sepanjang jarak yang telah ditentukan. Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol pada dinding pipa dan mencapai maksimum pada tengah-tengah pipa. Kecepatan biasanya sudah cukup untuk menempatkan kekeliruan yang tidak serius dalam masalah aliran fluida sehingga penggunaan kecepatan sesungguhnya adalah pada penampang aliran. Bentuk kecepatan yang digunakan pada aliran fluida umumnya menunjukkan kecepatan yang sebenarnya jika tidak ada keterangan lain yang disebutkan.
Gambar 2.11 Profil kecepatan pada saluran tertutup
Gambar 2.12 Profil kecepatan pada saluran terbuka
Besarnya kecepatan akan mempengaruhi besarnya fluida yang mengalir dalam suatu pipa. Jumlah dari aliran fluida mungkin dinyatakan sebagai volume, berat atau massa fluida dengan masing-masing laju aliran ditunjukkan sebagai laju aliran volume (m3/s), laju aliran berat (N/s) dan laju aliran massa (kg/s).
Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang incompressible, yaitu:
Q = A . v………...(2.1)
Dimana : Q= laju aliran fluida (m3/s)
A= luas penampang aliran (m2)
v= kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)
Laju aliran berat fluida (W), dirumuskan sebagai :
W = . A . γ………...…(2.2)
Dimana : W = laju aliran berat fluida (N/s)
γ = berat jenis fluida (N/m3)
Laju aliran fluida massa (M), dinyatakan sebagai :
M = . A . ρ………...……..(2.3) Dimana : M = laju aliran massa fluida (kg/s)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3) .
2.4.2 Tekanan pada fluida
Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A:
= =
………...…..(
2.4)
Keterangan :
F = Gaya
A = Luas Permukaan
Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2. Satuan ini mempunyai nama resmi pascal (Pa).Karena Pa sangat kecil, satuan tekanan sering dinyatakan dengan Mpa atau bar dimana 1 Mpa = 106 Pa atau 1bar = 105 Pa.
2.4.3 Gerak fluida dan laju aliran
Dua jenis aliran utama pada fluida yaitu lurus atau laminar dan aliran
turbulen. Aliran lurus atau laminar adalah jika aliran tersebut mulus, yaitu lapisan-lapisan yang bersebelahan meluncur satu sama lain dengan mulus. Sedangkan aliran turbulen ditandai dengan lingkaran-lingkaran tak menentu, kecil dan menyerupai pusaran yang disebut sebagai arus eddy.
Laju aliran massa didefinisikan sebagai massa Δm dari fluida yang melewati titik tertentu persatuan waktu Δt ; laju aliran massa = Δm/Δt. Pada gambar 2.13 volume fluida yang melewati titik 1 (yaitu, melalui luas A1) dalam waktu Δt adalah A1Δl1, di mana Δl1 adalah jarak yang dilalui fluida dalam waktu Δt. Karena kecepatan fluida yang melewati titik 1 adalah v1 = Δl1/Δt, laju aliran massa Δm/Δt melalui luas A1adalah:
̈ ̈
=
∆∆=
ρ ∆ ∆=
ρ
A
……...…….(2.5)Gambar 2. 13 Aliran Fluida Melalui Pipa yang diameternya berubah-ubah
adalah ρ A v . Karena tidak ada aliran fluida yang masuk atau keluar dari sisi-sisi, laju aliran melalui A1 dan A2harus sama.
Dengan demikian, karena:
∆∆
=
∆∆ ………...…….(2.6)Maka
= ………...….(2.7)
Persamaan ini disebut persamaan kontinuitas. Jika fluida tersebut tidak dapat ditekan (ρ tidak berubah terhadap tekanan), yang merupakan pendekatan yang baik untuk zat cair dalam sebagian besar kondisi (dan kadang-kadang juga untuk gas), maka = , dan persamaan kontinuitas menjadi :
=
(ρ
= konstan)…...……….(2.8)Persamaan ini menyatakan bahwa di mana luas penampang lintang besar, kecepatan kecil, dan di mana luas penampang kecil, kecepatan besar. Untuk mendapatkan kalor yang maksimal maka luas penampang dibuat besar dan debit air yang digunakan kecil.
2.4.4 Energi dan head
Energi pada umumnya didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Kerja merupakan hasil pemanfaatan dari sebuah gaya yang melewati suatu jarak dan umumnya didefenisikan secara matematika sebagai hasil perkalian dari gaya dan jarak yang dilewati pada arah gaya yang diterapkan tersebut. Energi dan kerja dinyatakan dalam satuan N.m (Joule). Setiap fluida yang sedang bergerak selalu mempunyai energi. Dalam menganalisa masalah aliran fluida yang harus dipertimbangkan adalah mengenai energi potensial, energi kinetik dan energi tekanan. Energi potensial menunjukkan energi yang dimiliki fluida dengan tempat jatuhnya. Energi potensial (Ep),dirumuskan sebagai :
Dimana : W= berat fluida (N)
z
= beda ketinggian (m)Energi kinetik menunjukkan energi yang dimiliki oleh fluida karena pengaruh kecepatan yang dimilikinya. Energi kinetik, dirumuskan sebagai :
EK = ( J )………...….….(2.10)
Dimana : m= massa fluida (kg)
v= kecepatan aliran fluida (m/s)
Energi tekanan disebut juga dengan energi aliran adalah jumlah kerja yang dibutuhkan untuk memaksa elemen fluida bergerak menyilang pada jarak tertentu dan berlawanan dengan tekanan fluida. Besarnya energi tekanan (EF), dirumuskan sebagai :
EF = p . A . L
[J]………...(2.11) Dimana : p= tekanan yang dialami oleh fluida (N/m2)A= luas penampang aliran (m2)
L= panjang pipa (m)
Basarnya energi tekanan, dapat juga dirumuskan sebagai berikut :
=
…………....…………...…(2.12)Dimana : γ = berat jenis fluida (N/m3)
Total energi yang terjadi merupakan penjumlahan dari ketiga macam energi diatas, dirumuskan sebagai :
= + . + ……...…...…(2.13)
Persamaan ini dapat dimodifikasi untuk menyatakan total energi dengan head (H) dengan membagi masing-masing variabel di sebelah kanan persamaan denganW ( berat fluida), menurut dirumuskan sebagai :
H = + + (m)
..
………...(2.14)= Head kecepatan
= Head tekanan
2.4.5 Persamaan Bernoulli
Hukum kekekalan energi menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain. Energi yang ditunjukkan dari persamaan energi total di atas, atau dikenal sebagai head pada suatu titik dalam aliran steady adalah sama dengan total energi pada titik lain sepanjang aliran fluida tersebut. Hal ini berlaku selama tidak ada energi yang ditambahkan ke fluida atau yang diambil dari fluida.
Konsep ini dinyatakan ke dalam bentuk persamaan yang disebut dengan persamaan Bernoulli, yaitu :
+
+
= +
+
……....……..(2.15)Dimana : dan = tekanan pada titik 1 dan 2
dan = kecepatan aliran pada titik 1 dan 2
dan = ketinggian titik 1 dan titik 2 di ukur dari bidang γ = berat jenis fluida
g = percepatan gravitasi (9,8 m/s2 )
Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses terjadi diantara dua titik. Jika head losses tidak diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan. Jika head losses dinotasikan dengan “hl” maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi persamaan baru, dirumuskan sebagai:
+
+
= +
+
+ ℎ
...(2.16)atau energi yang diambil dari fluida. Namun, persamaan ini tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan aliran fluida yang mengalami penambahan energi untuk menggerakkan fluida oleh peralatan mekanik, misalnya pompa, turbin dan peralatan lainnya.
Gambar 2.14 Ilustrasi persamaan Bernoulli
2.4.6 Aliran laminar dan turbulen
Aliran fluida yang mengalir di dalam pipa dapat diklasifikasikan ke dalam dua tipe aliran yaitu “laminar” dan “turbulen”. Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang bergerak mengikuti garis lurus yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran disebut turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya gerakan rata-ratanya saja yang mengikuti sumbu pipa. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa koefisien gesekan untuk pipa silindris merupakan fungsi dari bilangan Reynold (Re). Besarnya Reynold (Re), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Re =
………..…(2.17)
d= diameter dalam pipa (m)
v = kecepatan aliran rata-rata fluida (m/s) μ = viskositas dinamik fluida (Pa.s)
Karena viskositas dinamik dibagi dengan massa jenis fluida merupakan viskositas kinematik (μ) maka bilangan Reynold, dapat juga dinyatakan :
=
…………..………...…(2.18)
Sehingga
Re =
...……….………..…(2.19)
Aliran akan laminar jika bilangan Reynold kurang dari 2000 dan akan turbulen jika bilangan Reynold lebih besar dari 4000. Jika bilangan Reynold terletak antara 2000 – 4000 maka disebut aliran transisi.
2.4.7 Kerugian head (head losses) A. Kerugian Head Mayor
Aliran fluida yang melalui pipa akan selalu mengalami kerugian head. Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida (kerugian kecil). Kerugian head akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan salah satu dari dua rumus berikut, yaitu :
1.Persamaan Darcy – Weisbach, yaitu :
ℎ =
………...…….(2.20)Dimana : hf= kerugian head karena gesekan (m)
f= faktor gesekan (dapat dicari dengan menggunakan diagram
moody)
L= panjang pipa (m)
v= kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s)
g = percepatan gravitasi (m/ s2)
dimana faktor gesekan (f) dapat dicari dengan menggunakan diagram
Moody.
Gambar 2.15 Diagram Moody
(Sumber: www.engineeringtoolbox.com)
Dimana nilai kekasaran untuk beberapa jenis pipa disajikan dalam tabel 2.1
Bahan Kekasaran
ft M
Riveted 0.003- 0.03 0.0009- 0.009
Concrete 0.001 – 0.01 0.0003- 0.003
Wood Stave 0.0006- 0.003 0.0002- 0.009
Cast Iron 0.00085 0.00026
Galvanized Iron 0,0005 0,00015
Asphalted Cast Iron 0,0004 0,0001
Commercial Steel or Wrought Iron
0,00015 0,000046
Drawn Brass or Copper Tubing 0,000005 0,0000015
Glass and Plastic “smooth” “smooth”
(Sumber : Jack B. Evett, Chengliu. Fundamentals of Fluids)
2. Persamaan Hazen – Williams
Rumus ini pada umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. Bentuk umum persamaan Hazen – Williams, yaitu
ℎ =
.. .. ………..…………(2.21)Dimana :
hf = kerugian gesekan dalam pipa (m) Q = laju aliran dalam pipa (m3/s) L = panjang pipa (m)
C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams d = diameter dalam pipa (m)
dari 2000, faktor gesekan dihubungkan dengan bilangan Reynold, dinyatakan dengan rumus :
=
………..……(2.22)
Untuk aliran turbulen dimana bilangan Reynold lebih besar dari 4000, maka hubungan antara bilangan Reynold, faktor gesekan dan kekasaran relatif menjadi lebih kompleks. Faktor gesekan untuk aliran turbulen dalam pipa didapatkan dari hasil eksperimen, antara lain :
1. Untuk daerah complete roughness, rough pipes yaitu :
√ = 2.0lo gε/. ………...(2.23) Dimana : f = faktor gesekan
ε = kekasaran (m)
2. Untuk pipa sangat halus seperti glass dan plastik, hubungan antara bilangan Reynold dan faktor gesekan, dirumuskan sebagai :
Blasius
=
. .………...…....…(2.24)
Untuk Re =3000-100.000
Von karman
= 2.0
.….…….…...(2.25)
Untuk Re sampai dengan 3.106
3. Untuk pipa kasar, yaitu :
Dimana harga f tidak tergantung pada bilangan Reynold
4. Untuk pipa antara kasar dan halus atau dikenal dengan daerah transisi, yaitu :
Corelbrook –white :
= − 2.0
/.
+
,
…………(2.27)
B. Kerugian head minor
Selain kerugian yang disebabkan oleh gesekan, pada suatu jalur pipa juga terjadi kerugian karena kelengkapan pipa seperti belokan, siku, sambungan, katup dan sebagainya yang disebut dengan kerugian kecil (minor losses). Besarnya kerugian minor akibat adanya kelengkapan pipa, dirumuskan sebagai :
ℎ = ∑ . .
………...…...(2.28)Dimana : n= jumlah kelengkapan pipa
k= koefisien kerugian ( dari lampiran koefisien minor losses
peralatan pipa)
v= kecepatan aliran fluida dalam pipa.
Menurut persamaan diatas yaitu untuk pipa yang panjang (L/d >>> 1000),
minor losses dapat diabaikan tanpa kesalahan yang cukup berarti tetapi menjadi penting pada pipa yang pendek.
2.4.8 Persamaan empiris untuk aliran di dalam pipa
Telah diuraikan sebelumnya, bahwa permasalahan aliran fluida dalam pipa dapat diselesaikan dengan menggunakan persamaan Bernoulli, persamaan Darcy dan Diagram Moddy. Pengguanaan rumus empiris juga dapat digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran. Dalam hal ini digunakan dua model rumus yaitu persamaan Hazen – Williams dan persamaan Manning.
1. Persamaan Hazen – Williams dengan menggunakan satuan Internasional, yaitu:
Dimana : v = kecepatan aliran (m/s)
C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams
R = jari-jari hidrolik = untuk pipa bundar
s = slope dari gradien energi (head losses / panjang pipa)
=
Tabel 2.2 Koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams
Material Koefisien
Hazen-Williams ( C ) ABS - Styrene Butadiene Acrylonite
Aluminium Asbes Semen Lapisan Aspal
Kuningan Brick selokan
Cast Iron baru tak bergaris (CIP) Cast iron 10 tahun Cast iron 20 tahun Cast iron 30 tahun
Cast iron 40 tahun Cast Iron aspal dilapisi
Cast Iron semen Cast Iron aspal berjajar Cast Iron laut berlapis
Cast Iron tempa polos Semen lapisan
Beton
Beton berjajar, bentuk-bentuk baja Beton berjajar, bentuk kayu
Tembaga Corrugated Metal Ulet Pipa Besi (DIP) Ulet Besi, semen berbaris
Serat
Pipa Fiber Glass (FRP) Besi berlapis seng
Kaca
Pipa Metal -sangat halus Plastik
Polyethylene, PE, Peh Polivinil klorida, PVC, CPVC
Pipa halus Baja baru tak bergaris
Baja bergelombang Baja dilas dan mulus Baja membatu, terpaku spiral
Timah 130 Vitrifikasi Clay Besi tempa, polos
Kayu Kayu Stave 130-140 60 140 120 140 150 120 130 130-140 130-150 140 130 140 140-150 60 100 90-110 110 100 120 110-120
(Sumber : Http : // Engineering tool box.com/ Hazen William-Cofficients- d798.html.)
2. Persamaan Manning dengan satuan Internasional, yaitu:
=
. / / ……….(2.30)Dimana : n= koefisien kekasaran pipa Manning
v= kecepatan aliran fluida (m/s)
bersifat turbulen. Persamaan Darcy – Weisbach secara teoritis tepat digunakan untuk semua rezim aliran dan semua jenis liquid. Persamaan Manning biasanya digunakan untuk aliran saluran terbuka (open channel flow).
2.5 Dasar Perencanaan Pompa
Dalam perancangan pompa untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat yang lain dengan head tertentu diperlukan beberapa syarat utama, yaitu:
2.5.1. Kapasitas
Kapasitas pompa adalah jumlah fluida yang dialirkan oleh pompa per satuan waktu. Kapasitas pompa ini tergantung pada kebutuhan yang harus dipenuhi sesuai dengan fungsi pompa yang direncanakan.
2.5.2 Head pompa
Head pompa adalah ketinggian dimana kolom fluida harus naik untuk memperoleh jumlah yang sama dengan yang dikandung oleh satuan bobot fluida pada kondisi yang sama. Head ini ada dalam tiga bentuk, yaitu:
a. Head potensial
Didasarkan pada ketinggian fluida di atas bidang banding (datum plane). Jadi suatu kolom air setinggi Z mengandung sejumlah energi yang disebabkan oleh posisinya atau disebut fluida mempunyai head sebesar Z kolom air.
b. Head kecepatan
Head kecepatan atau head kinetik yaitu suatu ukuran energi kinetik yang dikandung fluida yang disebabkan oleh kecepatannya dan dinyatakan
c. Head tekanan
Head tekanan adalah energi yang dikandung fluida akibat tekanannya dan dinyatakan dengan . Head total dari pompa diperoleh dengan menjumlahkan head yang disebut di atas dengan kerugian-kerugian yang timbul dalam instalasi pompa (head mayor dan head minor).
2.5.3 Sifat zat cair
Sifat-sifat fluida kerja sangat penting untuk diketahui sebelu perencanaan pompa. Pada perencanaan ini, temperatur air dianggap sama dengan temperatur kamar.
Untuk mencari head pompa dapat digunakan persamaan Bernoulli, yaitu :
+
+
+
= +
+
+
………...(2.32)Atau
:
=
+
+ ( − ) +
…...(2.33)
Dimana :
adalah perbedaan head tekanan
adalah perbedaan head kecepatan
−
adalah perbedaan head statisHL adalah head losses total. 2.6 Persamaan Energi pada Pompa Hidram
2.6.1 Energi yang dibangkitkan pada pompa hidram
Gambar 2.16 Skema Instalasi Pompa Hidram
Berdasarkan gambar di atas, dapat dituliskan persamaan Bernoulli sebagai berikut:
+ + −
=
+ +
………..…..(2.34)dimana :
P0 = tekanan pada titik 0 yaitu tekanan atmosfer pada bak pemasok air (= 0) (N/m2)
P3 = tekanan pada katup buang (N/m²)
v0 = kecepatan aliran air pada titik 0 pada bak pemasok (= 0) karena debit Konstan (m/s)
v3 = kecepatan aliran air pada katub buang (= 0) karena aliran air terhenti seiring menutupnya katub limbah (m/s)
Z0 = ketinggian titik 0 dari datum (m)
Z3 = ketinggian pada katup buang (= 0) karena diasumsikan segaris datum, (m)
ρ = massa jenis fluida, untuk air (1000 kg/m3) g = percepatan gravitasi (9,81m/s2)
Jika dimasukkan harga – harga yang telah ditentukan, maka persamaan Bernoulli di atas menjadi:
−
=
………(2.35)
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
………(2.36) dengan:F = gaya fluida yang mengalir (N) m = massa fluida yang mengalir (kg)
m = ρAL
a = percepatan fluida yang mengalir (m/s²) =
dt/dv
ρ = massa jenis fluida untuk air (1000 kg/m³) A = luas penampang pipa masuk (m²)
L = panjang pipa masuk (m)
Tekanan di titik 3 dapat dicari dengan cara membagi gaya pada titik 3 (gaya akibat percepatan air) dengan luas penampang pipa masuk (A)
= =
…………....……..…..(2.37)
Karena,
=
………..………(2.38)
−
=
………...………….(2.39)
Dengan HL adalah head losses pada pipa, yang besarnya ditentukan dengan persamaan di bawah ini:
= +
Σ
……..………(2.40)dengan:
HL= head losses (m)
f = faktor gesekan bahan pipa masuk L = panjang pipa masuk (m)
D = diameter pipa masuk (m) K = 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 pada katup buang P3, akan sama dengan atmosfer (= 0) karena katup limbah dalam keadaan terbuka penuh. Sehingga persamaan Bernoulli akan menjadi:
− =
………..………..(2.41)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 = ×
….………...(2.42)dengan:
Setelah nilai v3 didapatkan, maka kita dapat menghitung energi yang dibangkitkan hidram, dengan rumus:
=
……….….……..(2.43)
dengan:
E = energi hidram (J)
m = massa fluida yang mengalir (kg)
= massa fluida yang mengalir melalui pipa masuk = L.A .ρ
v3 = kecepatan massa fluida yang mengalir (m/s) L = panjang pipa masuk (m)
A = luas penampang pipa masuk (m²) ρ = massa jenis air ( 1000 , kg/m³)
2.6.2 Peningkatan tekanan pada pompa hidram akibat peristiwa palu air
Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan:
∆ℎ =
…………...………(2.44)
dengan:
Δh= kenaikan tekanan akibat palu air (m) v= kecepatan aliran (m/s)
L= panjang pipa (m)
2.6.3 Efisiensi pompa hidram.
Ada dua metode dalam perhitungan efisiensi hidram, yaitu : 1.Menurut D’ Aubuisson :
=
( . )……….…...…….(2.45)
dimana :
ηA = efisiensi hidram menurut D’Aubuisson q = debit hasil (m3/s)
Q = debit limbah (m3/s) h = head keluar (m) H = head masuk (m)
(Sumber: P.dejong consumers guide HYDRAULIC RAMS delft university
of technology centre for international cooperation and appropriate technology.)
2.Menurut Rankine :
=
( ( ).)………...……..(2.46)
dimana :
ηR = efisiensi hidram menurut Rankine q = debit hasil (m3/s)
Q = debit limbah (m3/s) h = head keluar (m) H = head masuk (m)
(Sumber: P.dejong consumers guide HYDRAULIC RAMS delft university of technology centre for international cooperation and
2.7Analisis Ketidakpastian
Suatu cara atau metode untuk menaksir ketidakpastian dalam hasil-hasil eksperimen telah dikemukakan oleh Kline dan McClintock. Metode ini didasarkan atas spesifikasi yang teliti ketidakpastian dalam berbagai pengukuran primer eksperimen. Umpamanya, suatu bacaan tekanan tertentu mungkin dinyatakan sebagai:
P = 100 kN/m2 ± 1 kN/m2...(2.47) Bila tanda plus atau minus itu digunakan untuk menyatakan katidakpastian, orang yang membuat penandaan itu sebenarnya menyatakan berapa menurut pendapatnya derajat ketelitian pengukuran yang dilakukannya itu. Perlu dicatat bahwa spesifikasi itu sendiri tidak pasti, karena pelaku eksperimen itu tentunya tidak pasti mengenai ketelitian dalam pengukurannya.
Bila instrumen itu baru saja dikalibrasi secara seksama, dengan tingkat presisi yang tinggi, eksperimentalis itu mungkin dapat memberikan tingkat ketidakpastian pengukuran yang lebih baik dari bila pengukuran dilakukan dengan pengukur atau instrumen lain yang riwayat kalibrasinya tidak diketahui. Sebagai cara yang lebih baik dalam memberikan spesifikasi ketidakpastian suatu pengukuran, Kline dan McClintock menyarankan agar pelaku eksperimen menyatakan taruhan (kemungkinan) ketidakpastian itu. Jadi, persamaan diatas tadi dapat ditulis:
P = 100 kN/m2 ± 1 kN/m2 ( 20 banding 1)...(2.48) Dengan kata lain, pelaku eksperimen berani bertaruh dengan kemungkinan 20 banding 1 pengukuran itu akan berada dalam ± 1 kN/m2. Perlu dicatat bahwa spesifikasi taruhannya itu hanya bisa dilakukan eksperimentalis itu atas dasar pengalaman laboratorium keseluruhan.
R = R (x1, x2, x3,...xn) ...(2.49)
Umpamakan WR ialah ketidakpastian dalam hasil w1, w2,...wn ketidakpastian dalam variabel tak-tergantung itu mempunyai taruhan yang sama, maka ketidakpastian dalam hasil yang mempunyai taruhan itu diberikan rujukan sebagai berikut:
WR = + + … + ...(2.49)
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Dalam bab ini dibahas langkah pengukuran kapasitas dari prototype
pompa hidramyang telah dirancang.
3.1. Peralatan Pengujian
Peralatan yang digunakan dalam pengujian ini adalah :
1. Prototype pompa hidram
Gambar 3.1 Prototype pompa hidram Spesifikasi pompa hidram:
a. Badan pompa
Badan pompa merupakan tempat terjadinya proses pemompaan. Bagian ini sebagai tempat untuk landasan katup limbah dan katup hantar dan bagian ini sebagai tempat dudukan pompa agar dapat berdiri tegak dan kokoh. Bahan dari badan pompa ini adalah sebagai berikut:
1. Pipa galvanis diameter 3 inch dan 4 inch 2. Concentric reducer carbon steel 2 inch x 4 inch 3. Plat besi 8 mm dan 5 mm
Gambar 3.2 Badan Pompa
b. Katup limbah
Katup limbah merupakan katup pembuangan air sisa (limbah) yang berfungsi memancing gerakan air yang berasal dari bak mata air; sehingga dapat menimbulkan aliran air yang bekerja sebagai sumber tenaga pompa.
Gambar 3.3 Katup Limbah
Bagian dari katup limbah adalah sebagai berikut
Beban katup limbah
Berfungsi sebagai pemberat untuk menekan plat limbah.Bahan dari beban katup limbah ini adalah sebagai berikut :
Gambar 3.4 Beban katup limbah Badan katup
Berfungsi sebagai landasan bagi katup limbah dan penghubung antara katup limbah dengan badan pompa. Bahan dari badan katup ini adalah sebagai berikut:
- Plat besi8 mm, 5 mm dan 4 mm - Baut M8, ring dan mur
Gambar 3.5 Badan Katup Limbah
As katup limbah
Gambar 3.6 As Katup Limbah Spesifikasi:
- Panjang as 200 mm - Diameter 12 mm O - Ring
Berfungsi untuk menghindari kontak langsung antara plat katup dengan badan katup supaya tidak terjadi keausan plat katup. Ukurannya
disesuaikan dengan ukuran plat katup. O- ring terbuat dari karet.
Gambar 3.7 O - Ring
Spesifikasi:
Plat katup
Berfungsi untuk menutup katup limbah yang akan mengakibatkan water hammer. Bahan dari pat katup yaitu plat besi 8 mm.
Gambar 3.8 Plat Katup
Spesifikasi :
Diameter luar 80 mm
Diameter dalam 40 mm
Mur
Mur berfungsi untuk mengatur panjang langkah katup limbah dan mengikat beban katup.
c. Katup penghantar
Katup ini menghantarkan air dan pompa ke tabung udara serta menahan air yang telah masuk agar tidak kembali ke badan pompa. Katup penghantar ini terbuat dari cast iron.
Gambar 3.10 Katup Hantar
d. Tabung udara.
Tabung udara berfungsi meneruskan dan melipatgandakan tenaga
[image:73.595.230.385.182.323.2]pernompaan, sehingga air yang masuk ke tabung kompresor dapat dipompa naik.
Gambar 3.11 Tabung udara
Bahan dari tabung udara adalah sebagai berikut:
- Pipa galvanis 4 inch
- Plat besi 10 mm
Spesifikasi :
- Tinggi 60 cm, 80 cm, 100 cm
- Diameter 11,43 cm
2. Bak penyuplai dan penampung
[image:74.595.236.393.273.417.2]Berfungsi untuk menyuplai air kepompa dan menampung air yang keluar dari katup limbah
Gambar 3.12 Bak penyuplai
Spesifikasi bak penyuplai :
- Panjang x lebar x tinggi: 100 cm x 80 cm x 60 cm
- Bahan fiber
[image:74.595.231.388.554.703.2]Spesifikasi bak penampung :
- Panjang x lebar x tinggi: 100 cm x 100 cm x 30 cm
- Bahan fiber
3. Pompa sirkulasi
Berfungsi untuk mensirkulasikan air yang keluar dari katup limbah di bak penampung untuk disalurkan balik ke bak penyuplai.
Spesifikasi pompa:
- Merk : Lakoni
- Type : SP 127
- Tegangan : 180 - 220 V
- Frekuensi : 50 Hz
- Daya listrik : 125 watt
- Kapasitas : 35 l/menit
- Tinggi dorong : 26 meter
[image:75.595.173.395.274.708.2]- Tinggi isap : 9 meter
4. Landasan pompa
Berfungsi sebagai dudukan pompa agar dapat berdiri tegak dan kokoh.
[image:76.595.228.411.145.290.2]
Gambar 3.15 Landasan Pompa
Spesifikasi:
- Tinggi 0,2 m
3.2 Alat Ukur Yang Digunakan
Untuk pengujian digunakan beberapa alat ukur guna mengukur beberapa variabel yang dibutuhkan, diantaranya :
3.2.1 Manometer
Manometerdalam 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, manometerdiletakkan pada ujung pipa masuk (driven pipe), karena yang akan diukur adalah tekanan air akibat adanya perbedaan ketinggian water source tank dan badan pompa hidram.
penghantar , manometerdiletakkan pada bagian atas tee setelah pipa keluaran dari tabung udara.
[image:77.595.247.369.135.256.2]
Gambar 3.16 Manometer
Spesifikasi :
- Merk Tekiro
- Satuan dalam bar
- Tekanan maksimum 2,5 bar
- Ketidakpastian (± 5%)
3.2.2 Alat Ukur Debit Aliran.
Untuk mengetahui berapa debit aliran yang dihasilkan oleh pompa pada pipa pemasukan dan pipa penghantar, alat ukur yang digunakan adalah flow meter. Flow meter yang digunakan ada 2 jenis, ukuran 2 inch dan 1 inch.
[image:77.595.261.438.574.714.2]Spesifikasi flow meter 2 inch : - Merk BR (Bopp & Reuther)
- Diameter 50 mm
- Temperatur air : 30° C
- Tekanan air : < 1 MPa
- Ketidakpastian (± 5 %)
Gambar 3.18 Flow meter 1 inch Spesifikasi flow meter 1 inch :
- Merk BR (Bopp & Reuther)
- Diameter 25 mm
- Temperatur air : 30° C
- Tekanan air : < 1 Mpa
[image:78.595.242.418.268.412.2]3.2.3 Alat Ukut Waktu
Untuk pengukuran waktu digunakan stopwatch. Berikut adalah alat ukur waktu yang digunakan dalam pengujian.
Gambar 3.19 Stopwatch
Spesifikasi :
- Merk CASIO
- 7 digits
- 1 / 100 of a second
- Net time, split time, 1st / 2nd place times
- Type of battery: CR2016
3.2.4 Alat Ukur Jarak
Alat ukur jarak yang digunakan adalah meteran ukur dan mistar ukur. Meteran ukur digunakan untuk mengukur tinggi head pompa dan panjang pipa pemasukan, mistar ukur ini digunakan untuk mengukur panjang ukuran - ukuran bagian pompa.
[image:79.595.226.374.171.283.2][image:79.595.245.383.614.717.2]
Spesifikasi meteran ukur :
[image:80.595.233.389.478.608.2]- panjang 5 meter - ukuran mm, cm, inch
Gambar 3.21 Mistar Ukur
Spesifikasi mistar ukur:
- panjang 1 meter
- ukuran mm, cm, inch
3.2.5 Timbangan digital
Alat ukur berat yaitu
