RANCANG BANGUN DAN UJI EKSPERIMENTAL
PENGARUH VARIASI PANJANG DRIVEN PIPE DAN
DIAMETER AIR CHAMBER TERHADAP
EFISIENSI POMPA HIDRAM
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
PARULIAN SIAHAAN
NIM. 080401066
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
“RANCANG BANGUN DAN UJI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI PANJANG DRIVEN PIPE DAN DIAMETER AIR CHAMBER
TERHADAP EFISIENSI 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. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh
kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT sebagai dosen pembanding I dan bapak
Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT sebagai dosen pembanding II yang
telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA selaku dosen wali.
5. Kedua orang tua penulis, Bongguk Pahala Siahaan dan Lisnen Manik yang
tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih
sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
6. Kakak penulis Manotar Martha Rosniati Siahaan S.Pd dan adik-adik
penulis, Pardomuan Siahaan, Marianthi Misaria Siahaan, Talpas
Pardamean Siahaan, dan Jesaya Marlina Siahaan yang saling memberi
7. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang
telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama
penulis kuliah.
8. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku kepala laboratorium Mesin Fluida
Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara beserta para staf.
9. Rekan-rekan satu tim kerja Daniel Panjaitan, Ekawira Napitupulu, dan
Andinata Sitepu yang meluangkan waktunya untuk memberikan kritik dan
saran.
10.Rekan mahasiswa angkatan 2008, Ferdinan Lubis, Michael Hasibuan,
Fernando Siagian yang telah bersama-sama penulis menyelesaikan masa
kerja praktek di PT. Pertamina RU II Dumai.
11.Juhari Malau, Efrata Sianturi, Rahman, Sarjana ST, yang saling
memberikan semangat.
12.Rekan alumni SMAN 2 Balige yang sama-sama menuntut ilmu di
Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, Munawir Siregar
dan Ferdy Marpaung.
13.Rekan mahasiswa 2010, Budiman, Raymon, Nugraha, Andrey, dan Kevin.
14.Seluruh rekan mahasiswa yang tidak mungkin untuk disebutkan satu
persatu dan terkhusus kepada Litha Rohana Damanik yang selalu
memberikan solusi terbaik kepada penulis.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena
itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima kritik
dan saran yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata
penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca.
Terima kasih.
Medan, November 2012
ABSTRAK
Air adalah sumber kehidupan bagi makhluk hidup. Daerah yang jauh dari sumber air membutuhkan sebuah pompa untuk memindahkannya. Pada umumnya, digunakan pompa sentrifugal untuk mengatasinya, tetapi pompa ini membutuhkan energi listrik atau bahan bakar untuk mengoperasikannya, dan energi listrik atau bahan bakar ini terkadang menjadi sebuah kendala. Pompa hidram adalah solusi dari permasalahan ini karena tidak menggunakan energi listrik maupun bahan bakar, dapat beroperasi 24 jam, harganya murah, dan mudah untuk dibuat. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi panjang driven pipe
dan diameter air chamber terhadap efisiensi pompa hidram. Pompa hidram yang digunakan dalam penelitian ini memiliki diameter driven pipe 1,5 inch dan diameter delivery pipe 0,5 inch. Variasi panjang driven pipe yang dilakukan adalah 8 m , 10 m , dan 12 m. Sedangkan variasi diameter air chamber yang dilakukan adalah 3 inch , dan 4 inch. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi maksimum diperoleh pada variasi panjang driven pipe 8 m dan diameter
air chamber 3 inch, yaitu sebesar 37%.
ABSTRACT
Water is a source of life for living things. Place that far away for the water sources require pumps to move it. In general, centrifugal pumps are used to it, but these pumps require electricity or fuel to operate, and electrical energy or fuel, it can sometimes be an obstacle. The hydraulic ram pump is the solution of this problem because it doesn't use electricity or fuel, can operate 24 hours, it's cheap and easy to made. This research is done to know influence variation long driven pipe and diameter of air chamber against efficiency of hydraulic ram pump. The hydraulic ram pump used on this experiment has 1,5 inch inlet pipe and 0,5 inch outlet pipe. The variations of the driven pipe are 8 m , 10 m , and 12 m. The variations of the diameter of air chamber are 3 inch and 4 inch. The result shows that the maximum efficiency obtained at variations long driven pipe 8 m and diameter air chamber 3 inch, is equal to 37%.
DAFTAR ISI
2.2.2 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida ... 9
2.2.3 Gerak Fluida dan Laju Aliran ... 11
2.2.4 Energi dan Head ... 12
2.2.5 Persamaan Bernoulli ... 14
2.2.6 Aliran Laminar dan Turbulen ... 15
2.2.7 Kerugian Head (Head Losses) ... 16
2.4.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya... 23
2.5 Persamaan Energi pada Pompa Hidram ... 31
2.5.1 Energi yang Dibangkitkan pada Pompa Hidram ... 31
2.5.2 Peningkatan Tekanan pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air ... 34
3.3 Prosedur Perancangan Pompa Hidram ... 47
4.4 Perhitungan Energi yang Dibangkitkan Hidram ... 70
4.5 Perhitungan Peningkatan Head Tekanan ... 72
4.6 Perhitungan Kenaikan Tekanan akibat Palu Air ... 74
4.7 Perhitungan Daya Pompa Hidram ... 76
4.8 Perhitungan Efisiensi Pompa Hidram ... 78
4.8.1 Menurut D’Aubuisson ... 78
4.8.2 Menurut Rankine ... 81
4.9 Siklus Kerja Hidram ... 83
4.10 Diskusi ... 85
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 86
5.1 Kesimpulan ... 86
5.2 Saran ... 87
DAFTAR PUSTAKA ... 88
LAMPIRAN A ... 90
LAMPIRAN B ... 94
LAMPIRAN C ... 96
LAMPIRAN D ... 97
LAMPIRAN E ... 100
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams ... 17
Tabel 2.2 Nilai kekasaran (�) dinding untuk berbagai pipa komersil ... 20
Tabel 4.1 Total loses mayor ... 58
Tabel 4.2 Head loses minor pada pipa masuk ... 59
Tabel 4.3 Head loses minor pada pipa keluar ... 59
Tabel 4.4 Total loses minor ... 61
Tabel 4.5 Head total ... 62
Tabel 4.6 Gaya fluida yang bekerja di titik 1 ... 65
Tabel 4.7 Gaya fluida yang bekerja di titik 2 ... 66
Tabel 4.8 Gaya fluida yang bekerja di titik 3 ... 68
Tabel 4.9 Gaya fluida yang bekerja di titik 4 ... 69
Tabel 4.10 Energi yang dibangkitkan hidram ... 71
Tabel 4.11 Kenaikan head tekanan ... 73
Tabel 4.12 Kenaikan tekanan akibat palu air ... 75
Tabel 4.13 Daya pompa hidram ... 77
Tabel 4.14 Efisiensi hidram menurut D’Aubuisson ... 80
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pengukuran tekanan ... 8
Gambar 2.2 Profil kecepatan pada saluran tertutup ... 9
Gambar 2.3 Profil kecepatan pada saluran terbuka ... 10
Gambar 2.4 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah ... 11
Gambar 2.5 Ilustrasi persamaan Bernoulli ... 15
Gambar 2.6 Diagram Moody ... 19
Gambar 2.7 Contoh desain katup limbah ... 24
Gambar 2.8 Bagian-bagian katup limbah ... 24
Gambar 2.9 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk ... 27
Gambar 2.10 Skema pompa hidram pada kondisi A ... 27
Gambar 2.11 Skema pompa hidram pada kondisi B ... 28
Gambar 2.12 Skema pompa hidram pada kondisi C ... 28
Gambar 2.13 Skema pompa hidram pada kondisi D ... 29
Gambar 2.14 Diagram satu siklus kerja hidram ... 30
Gambar 2.15 Skema instalasi pompa hidram ... 31
Gambar 2.16 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut D’ Aubuisson ... 36
Gambar 2. 17 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut Rankine ... 37
Gambar 3.14 Pressure gauge ... 45
Gambar 3.15 Flow meter ... 46
Gambar 3.16 Stopwatch ... 46
Gambar 3.17 Meteran ukur dan mistar ukur ... 47
Gambar 3.18 Skema penelitian pompa hidram ... 51
Gambar 3.19 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir ... 56
Gambar 4.1 Grafik total loses mayor ... 59
Gambar 4.2 Grafik total loses minor ... 61
Gambar 4.3 Grafik head total ... 63
Gambar 4.4 Pengukuran tekanan yang dilakukan di beberapa titik ... 63
Gambar 4.5 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 1 (katup limbah terbuka) ... 65
Gambar 4.6 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 1 (katup limbah tertutup) ... 67
Gambar 4.7 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 2 ... 68
Gambar 4.8 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 3 ... 70
Gambar 4.9 Grafik energi yang dibangkitkan hidram ... 72
Gambar 4.10 Grafik kenaikan head tekanan ... 74
Gambar 4.11 Grafik kenaikan tekanan akibat palu air ... 76
Gambar 4.12 Grafik daya pompa hidram ... 78
Gambar 4.13 Menentukan nilai h dan H pada efisiensi menurut D’Aubuisson ... 79
Gambar 4.14 Grafik efisiensi menurut D’ Aubuisson ... 80
Gambar 4.15 Menentukan nilai h dan H pada efisiensi menurut Rankine ... 81
Gambar 4.16 Grafik efisiensi menurut Rankine ... 83
Gambar 4.17 Diagram satu siklus kerja hidram ... 84
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
a Percepatan fluida yang mengalir � �⁄ 2
A Luas penampang �2
c Kecepatan gelombang suara dalam fluida � �⁄
C Koefisien kekasaran William-Hazen -
D Diameter �
ℎ� Kerugian head karena gesekan �
ℎ� Head loses �
H Head supply �
k Koefisien kerugian -
K Faktor kontraksi -
L Panjang pipa �
m Massa fluida yang mengalir ��
s Slope dari gradien energi -
SG Specific Gravity -
t Waktu penutupan katup s
v Kecepatan aliran fluida � �⁄
W Berat fluida �
�̇ Laju aliran berat fuida � �⁄
Z beda ketinggian �
∆ℎ Kenaikan tekanan akibat palu air �
∆�� Kenaikan head tekanan �
� Berat jenis fluida � �⁄ 3
� Kekasaran �
�� Efisiensi D’Aubuisson %
�� Efisiensi Rankine %
� Koefisien kekentalan ��.�
ABSTRAK
Air adalah sumber kehidupan bagi makhluk hidup. Daerah yang jauh dari sumber air membutuhkan sebuah pompa untuk memindahkannya. Pada umumnya, digunakan pompa sentrifugal untuk mengatasinya, tetapi pompa ini membutuhkan energi listrik atau bahan bakar untuk mengoperasikannya, dan energi listrik atau bahan bakar ini terkadang menjadi sebuah kendala. Pompa hidram adalah solusi dari permasalahan ini karena tidak menggunakan energi listrik maupun bahan bakar, dapat beroperasi 24 jam, harganya murah, dan mudah untuk dibuat. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi panjang driven pipe
dan diameter air chamber terhadap efisiensi pompa hidram. Pompa hidram yang digunakan dalam penelitian ini memiliki diameter driven pipe 1,5 inch dan diameter delivery pipe 0,5 inch. Variasi panjang driven pipe yang dilakukan adalah 8 m , 10 m , dan 12 m. Sedangkan variasi diameter air chamber yang dilakukan adalah 3 inch , dan 4 inch. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi maksimum diperoleh pada variasi panjang driven pipe 8 m dan diameter
air chamber 3 inch, yaitu sebesar 37%.
ABSTRACT
Water is a source of life for living things. Place that far away for the water sources require pumps to move it. In general, centrifugal pumps are used to it, but these pumps require electricity or fuel to operate, and electrical energy or fuel, it can sometimes be an obstacle. The hydraulic ram pump is the solution of this problem because it doesn't use electricity or fuel, can operate 24 hours, it's cheap and easy to made. This research is done to know influence variation long driven pipe and diameter of air chamber against efficiency of hydraulic ram pump. The hydraulic ram pump used on this experiment has 1,5 inch inlet pipe and 0,5 inch outlet pipe. The variations of the driven pipe are 8 m , 10 m , and 12 m. The variations of the diameter of air chamber are 3 inch and 4 inch. The result shows that the maximum efficiency obtained at variations long driven pipe 8 m and diameter air chamber 3 inch, is equal to 37%.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Air adalah sumber kehidupan bagi makhluk hidup. Dalam semua aspek
kehidupan, air merupakan komponen yang mutlak harus tersedia baik sebagai
komponen utama maupun sebagai komponen pendukung. Usaha pemenuhan
kebutuhan air dalam kehidupan sehari – hari dapat dilakukan dengan
memanfaatkan kondisi alam dan hukum dasar fisika ataupun dengan
memanfaatkan peralatan mekanis hasil karya manusia.
Masyarakat yang berdomisili pada daerah di bawah sumber air tidak perlu
bersusah payah menyediakan air untuk kehidupan mereka sehari – hari, karena
sesuai dengan hukum fisika, air akan mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat
yang rendah. Jadi bagi yang tinggal di daerah seperti itu, dapat membuat jalur –
jalur perpipaan untuk mengalirkan air ke rumah – rumah. Sedangkan bagi
masyarakat yang berada jauh dari sumber air atau berada pada daerah yang lebih
tinggi dari pada sumber air, dapat menggunakan peralatan mekanis untuk
membantu dalam penyediaan air. Pompa adalah peralatan mekanis yang telah
digunakan dari generasi ke generasi untuk membantu memindahkan air dari
tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi atau dari satu tempat ke tempat
lain dengan jarak tertentu.
Pompa adalah peralatan mekanis untuk mengubah energi mekanik dari
mesin penggerak pompa menjadi energi tekan fluida yang dapat membantu
memindahkan fluida ke tempat yang lebih tinggi elevasinya. Selain itu, pompa
juga dapat digunakan untuk memindahkan fluida ke tempat dengan tekanan yang
lebih tinggi atau memindahkan fluida ke tempat lain dengan jarak tertentu.
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
penggerak. Masalahnya, tidak semua daerah telah mendapatkan aliran listrik,
masih banyak daerah yang belum dapat menikmati listrik dalam kesehariannya.
Sementara itu, jika kebutuhan energi untuk penggerak utama dipenuhi
dengan menggunakan mesin diesel, akan dihadapkan pada masalah finansial dan
daya beli masyarakat yang masih rendah.
Untuk menyelesaikan problem tersebut dapat digunakan pompa yang tidak
memerlukan energi luar sebagai sumber tenaga penggerak utama. Pompa
Hydraulic Ram (Hidram) adalah sebuah pompa yang tidak memerlukan energi
luar sebagai sumber tenaga penggerak utama. Selain tidak memerlukan energi luar
sebagai sumber tenaga penggerak utama, pompa hidram juga memiliki kelebihan
lain, yaitu:
• Konstruksinya sederhana
• Tidak memerlukan pelumasan
• Dapat bekerja kontinyu selama 24 jam tanpa berhenti
• Pengoperasiannya mudah
• Biaya pembuatan dan perawatan murah
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini antara lain:
1. Mendapatkan sebuah rancangan pompa hidram dengan efisiensi yang baik.
2. Mengetahui besarnya tekanan yang terjadi akibat proses palu air.
3. Mengetahui pengaruh diameter tabung udara terhadap efisiensi pompa hidram.
4. Mengetahui pengaruh panjang pipa pemasukan terhadap efisiensi pompa
hidram.
1.3 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini antara lain:
1. Mengurangi penggunaan energi fosil dalam bidang penyediaan air bagi
kebutuhan masyarakat.
2. Memberikan sumbangan yang berarti bagi perkembangan teknologi energi
3. Turut berpartisipasi dalam mengurangi efek pemanasan global dengan
menggunakan sumber energi yang ramah lingkungan.
4. Membantu kebutuhan masyarakat dengan peralatan yang lebih ekonomis.
5. Memberikan bahan bacaan yang dapat digunakan sebagai referensi untuk
penelitian lebih lanjut tentang pompa hidram.
1.4 Batasan Masalah
Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang
dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikan batasan masalah
sebagai berikut :
1. Fluida yang digunakan adalah air.
2. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah variasi panjang pipa
pemasukan dan variasi diameter tabung udara.
3. Pengujian dilakukan di lantai empat gedung Departemen Teknik Mesin USU.
4. Pengukuran tekanan dilakukan pada pipa pemasukan, pipa pengantar, katup
limbah, dan tabung udara.
5. Pengukuran debit air dilakukan pada katup limbah dan pipa pengantar.
6. Pengambilan data dilakukan pada saat pompa beroperasi. Data-data lain yang
diperlukan dalam perencanaan dan analisa diambil dari literatur relevan yang
sesuai.
1.5 Sistematika Penulisan
Hasil akhir dari penelitian ini akan dibukukan dalam bentuk buku skripsi
dengan sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN
Berisi latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan
masalah, dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Berisi tentang teori dasar pompa hidram, tinjauan mekanika fluida
mengenai aliran dalam pipa, dan dasar perencanaan pompa. Dasar teori
didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari buku - buku pedoman,
BAB III: METODOLOGI
Pada bab ini akan dibahas mengenai metode yang akan digunakan untuk
menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai
langkah-langkah penelitian, pengolahan dan analisa data yang akan digunakan
untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.
BAB IV: ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah
diperoleh dari hasil penelitian yang telah dilakukan.
BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan tugas akhir dan saran-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 beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara
bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain,
pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak)
menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini digunakan untuk
mengalirkan cairan dan melawan hambatan yang ada sepanjang aliran fluida. Jadi pompa dalam industri biasanya digunakan untuk transportasi fluida, dimana kerja
dari pompa tersebut tergantung dari sifat dan jenis fluida.
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
a. Pompa Sentrifugal (Centrifugal Pump) 2.2.1Sifat Dasar Fluida
Cairan dan gas disebut fluida, sebab zat cair tersebut dapat mengalir.
Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida.
Adapun sifat – sifat dasar fluida yaitu; kerapatan (density), berat jenis (specific
gravity), tekanan (pressure), kekentalan (viscosity).
a. Kerapatan (density)
Kerapatan dinyatakan dengan � (� adalah huruf Yunani yang dibaca
“rho”), didefenisikan sebagai massa per satuan volume.
�= �
Kerapatan adalah suatu sifat karakteristik setiap bahan murni. Benda
tersusun atas bahan murni, misalnya emas murni, yang dapat memiliki
berbagai ukuran ataupun massa, tetapi kerapatannya akan sama untuk
semuanya.
Satuan SI untuk kerapatan adalah �� �⁄ 3. Kadang kerapatan diberikan dalam � ��⁄ 3. Dengan catatan bahwa jika �� �⁄ 3 = 1000 �⁄(100 ��)3,
1000 untuk memberikan hasil dalam �� �⁄ 3. Dengan demikian kerapatan air adalah 1,00 � ��⁄ 3, akan sama dengan 1000 �� �⁄ 3.
b. Berat jenis spesifik (specific gravity)
Berat jenis spesifik suatu bahan didefinikan sebagai perbandingan
kerapatan bahan terhadap kerapatan air. Berat jenis (specific gravity disingkat
SG) adalah besaran murni tanpa dimensi maupun satuan, dinyatakan pada
persamaan sebagai berikut :
Untuk fluida cair:
Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, dengan gaya F
dianggap bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan A, maka :
�= �� ... (2.4)
dimana:
p = tekanan (� �⁄ 2)
F = gaya (N)
A = luas permukaan (�2)
Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2. Satuan ini mempunyai nama resmi pascal (Pa). Karena satuan Pa sangat kecil, satuan tekanan sering
dinyatakan dalam MPa atau Bar. Dimana 1 MPa = 106 Pa, dan 1 Bar = 105
Dalam termodinamika, tekanan secara umum dinyatakan dalam harga
absolutnya. Tekanan absolut tergantung pada tekanan pengukuran sistem, bisa
dijelaskan sebagai berikut :
1. Bila tekanan pengukuran sistem diatas tekanan atmosfer, maka :
tekanan absolut = tekanan pengukuran + tekanan atmosfer
����= ������+���� ... (2.5)
2. Bila tekanan pengukuran dibawah tekanan atmosfer, maka :
tekanan absolut = tekanan atmosfer – tekanan pengukuran
����= ����− ������ ... (2.6)
1 standar atmosfer = 1,01324 × 106dyne cm⁄ 3 = 14,6959 lb in⁄ 2
= 10332 kg m⁄ 2 = 1,01 × 105N m⁄ 2
Gambar 2.1 Pengukuran Tekanan [2]
d. Kekentalan (viscosity)
Kekentalan didefinisikan sebagai gesekan internal atau gesekan fluida
terhadap wadah dimana fluida itu mengalir. Ini ada dalam cairan atau gas, dan
pada dasarnya adalah gesekan antar lapisan fluida yang berdekatan ketika
bergerak melintasi satu sama lain atau gesekan antara fluida dengan wadah
tempat ia mengalir. Dalam cairan, kekentalan disebabkan oleh gaya kohesif
antara molekul-molekulnya sedangkan gas, berasal tumbukan diantara
Untuk fluida yang berbeda, fluida yang kental, diperlukan gaya yang
lebih besar. Tetapan kesebandingan untuk persamaan ini didefinisikan sebagai
koefisien kekentalan :
�= ��
�� ... (2.7)
dimana :
� = koefisien kekentalan (��.�) F = gaya (�)
A = luasan fluida yang bersinggungan dengan setiap lempengan (�2) v = kecepatan fluida (� �⁄ )
L = jarak lempengannya (�)
2.2.2 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 2.3 Profil kecepatan pada saluran terbuka [5]
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 ... (2.8)
Dimana :
Q = laju aliran fluida (m3/s)
A = luas penampang aliran (m2)
v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)
Laju aliran berat fluida (�̇) dirumuskan sebagai :
�̇ = A .v . γ ... (2.9)
Dimana :
�̇= laju aliran berat fluida (N/s)
A = luas penampang aliran (m2)
v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)
γ = berat jenis fluida (N/m3
)
Laju aliran fluida massa (�̇), dinyatakan sebagai :
�̇ = A .v . ρ ... (2.10)
Dimana :
�̇= laju aliran massa fluida (kg/s)
A = luas penampang aliran (m2)
2.2.3 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 2.4 volume fluida yang melewati titik 1 (yaitu, melalui luas A1) dalam
waktu Δt adalah A1Δl1, di mana Δl1adalah jarak yang dilalui fluida dalam waktu
Gambar 2.4 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah [11]
Di mana ��1 = �1∆�1adalah volume dengan massa Δ�1dan �1 adalah massa jenis fluida. Dengan cara yang sama, pada titik 2 (melalui luas A2), laju alir
adalah �2�2�2. Karena tidak ada aliran fluida yang masuk atau keluar dari sisi-sisi, laju aliran melalui A1 dan A2harus sama.
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
�1�1 =�2�2 [ρ = konstan] ... (2.14)
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.
2.2.4 Energi dan Head
Energi pada umumnya didefenisikan 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 :
�� =�.� ... (2.15) Dimana :
EP = energi potensial (J)
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 :
��= 1
2��2 ... (2.16)
Dimana :
EK = energi kinetik (J)
m = massa fluida (kg)
v = kecepatan aliran fluida (m/s)
Energi tekanan disebut juga dengan energi aliran adalah jumlah kerja yang
dan berlawanan dengan tekanan fluida. Besarnya energi tekanan (EF),
dirumuskan sebagai :
EF = p . A . L ... (2.17)
Besarnya energi tekanan, dapat juga dirumuskan sebagai berikut :
�� =��
Total energi yang terjadi merupakan penjumlahan dari ketiga macam
energi diatas, dirumuskan sebagai :
� =�.�+1
Persamaan ini dapat dimodifikasi untuk menyatakan total energi dengan
head (H) dengan membagi masing-masing variabel di sebelah kanan persamaan
denganW ( berat fluida), dirumuskan sebagai :
2.2.5 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 [1] :
�1
�1 dan �2 = ketinggian titik1 dan 2 diukur dari bidang referensi
γ = berat jenis fluida
g = percepatan gravitasi = 9,81 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:
Persamaan di atas digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan
tipe aliran, biasanya untuk fluida inkompressibel tanpa adanya penambahan panas
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
Gambar 2.5 Ilustrasi persamaan Bernoulli [1]
2.2.6 Aliran Laminar dan Turbulen
Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar
atau aliran turbulen. Osborne Reynolds (1842-1912), ilmuwan dan ahli
matematika Inggris, adalah orang yang pertama kali membedakan dua klasifikasi
aliran ini dengan menggunakan sebuah peralatan sederhana.
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). Dalam menganalisa aliran
di dalam saluran tertutup, sangatlah penting untuk mengetahui tipe aliran yang
mengalir dalam pipa tersebut. Untuk itu harus dihitung besarnya bilangan Reynold
dengan mengetahui parameter-parameter yang diketahui besarnya. Besarnya
Reynold (Re), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
�� = ���� ... (2.23)
ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
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 (�) maka bilangan Reynold, dapat juga dinyatakan :
�= �
� ... (2.24)
Sehingga:
�� =��
� ... (2.25)
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.
2.2.7 Kerugian Head (Head Losses)
Kerugian head terdiri atas kerugian gesek di dalam pipa-pipa, dan kerugian
head di dalam belokan-belokan, reduser, katup-katup, dan sebagainya.
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).
Selanjutnya, untuk aliran yang laminar dan yang turbulen, terdapat rumus
yang berbeda. Sebagai patokan apakah suatu aliran itu laminar atau turbulen,
dipakai bilangan Reynolds.
1. Aliran Laminar
Dalam hal aliran laminar, koefisien kerugian gesek untuk pipa (f)
dihitung dengan rumus:
�= 64�
2. Aliran Turbulen
Untuk menghitung kerugian gesek dalam pipa pada aliran turbulen
terdapat berbagai rumus empiris. Di bawah ini diberikan cara perhitungan
dengan rumus dan Hazen-Williams dan Darcy – Weisbach.
Rumus 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� =10.666�
1.85
�1.85�4.85 � ... (2.27)
Dimana :
hf = kerugian gesekan dalam pipa (m)
Q = laju aliran dalam pipa (�3/s) L = panjang pipa (m)
C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams
d = diameter dalam pipa (m)
Untuk nilai C dapat dilihat pada tabel berikut ini:
Tabel 2.1 Koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams [17]
Material C Factor
Low
C Factor
High
Asbestos-cement 140 140
Cast Iron 100 140
Cement-Mortar Lined Ductile Iron Pipe 140 140
Concrete 100 140
Copper 130 140
Steel 90 110
Galvanized iron 120 120
Polyethylene 140 140
Polyvinyl chloride (PVC) 130 130
Formula Darcy – Weisbach
Dengan cara Darcy, koefisien kerugian gesek (f) dihitung menurut
rumus:
�= 0,020 +0,0005
� ... (2.28)
Dimana D adalah diameter dalam pipa (m). Rumus ini berlaku
untuk pipa baru dari besi cor. Jika pipa telah dipakai selama
bertahun-tahun, hargga f akan menjadi 1,5 sampai 2,0 kali harga barunya.
Kerugian head akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan
rumus berikut, yaitu :
ℎ� =����
2
2� ... (2.29)
Dimana :
hf = kerugian head karena gesekan (m)
f = faktor gesekan (dapat dicari dengan diagram Moody)
d = diameter dalam pipa (m)
L = panjang pipa (m)
v = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s)
g = percepatan gravitasi (m s⁄ 2)
Diagram Moody telah digunakan untuk menyelesaikan
permasalahan aliran fluida di dalam pipa dengan menggunakan faktor
Dimana nilai kekasaran untuk beberapa jenis pipa disajikan dalam
tabel berikut ini:
Tabel 2.2 Nilai kekasaran (�) dinding untuk berbagai pipa komersil [9]
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”
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��2 ... (2.30)
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
2.3 Dasar Perencanaan Pompa
Dalam perancangan pompa untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke
tempat yang lain dengan head tertentu diperlukan beberapa syarat utama, yaitu:
2.3.1 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.
2.3.2 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 dengan
persamaan: �2
2�.
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).
Persamaan Bernoulli
Untuk mencari head pompa dapat digunakan persamaan Bernoulli, yaitu :
dimana :
�22−�12
� : adalah perbedaan head tekanan �22−�12
2� : adalah perbedaan head kecepatan
�2 − �1 : adalah perbedaan head statis
�� : adalah head losses total.
2.3.3 Sifat zat cair
Sifat-sifat fluida kerja sangat penting untuk diketahui sebelum
perencanaan pompa. Pada perencanaan ini, temperatur air dianggap sama dengan
temperatur kamar.
2.4 Pompa Hidram
Pompa hidram pertama kali dibuat oleh John Whitehurst seorang peneliti
asal Inggris pada tahun 1772. Pompa hidram buatan Whitehurst masih berupa
hidram manual, di mana katup limbah masih digerakkan secara manual. Pompa ini
pertama kali digunakan untuk menaikkan air sampai ketinggian 4,9 meter (16
kaki). Pada tahun 1783, Whitehusrt memasang pompa sejenis ini di Irlandia untuk
keperluan air bersih sehari - hari.
Pompa hidram otomatis pertama kali dibuat oleh seorang ilmuwan Prancis
bernama Joseph Michel Montgolfier pada tahun 1796. Desain pompa buatan
Montgolfier sudah menggunakan 2 buah katup (waste valve dan delivery valve)
yang bergerak secara bergantian. Pompa ini kemudian digunakan untuk
menaikkan air untuk sebuah pabrik kertas di daerah Voiron. Satu tahun kemudian,
Matius Boulton, memperoleh hak paten atas pompa tersebut di Inggris.
Pada tahun 1820, melalui 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
Di Benua Amerika, hak paten hidram pertama kali di pegang oleh J.
Cernau dan SS Hallet, di New York. Pompa tersebut sebagian besar digunakan di
derah pertanian dan peternakan. Memasuki periode berikutnya, kepopuleran
hidram mulai berkurang, seiring berkembangnya pompa elektrik.
Di kawasan Asia, pompa hidram mulai dioperasikan di Taj Mahal, Agra,
India pada tahun 1900. Pompa hidram yang di pasang di daerah tersebut adalah
Black’s Hydram yang dibuat oleh John Black Ltd., sebuah perusahaan asal
Inggris. Black’s Hydram digunakan untuk memompa air dengan debit 31,5 liter
per detik. Selain di Agra, Black’s Hydram juga dipasang di daerah Risalpur,
Pakistan, pada tahun 1925. Ditempat itu, Black’s Hydram berhasil memompa air
hingga ketinggian 18,3 m dengan debit mencapai 56,5 Liter/detik.
Pada akhir abad 20, penggunaan pompa hidram kembali digalakkan lagi,
karena kebutuhan pembangunan teknologi di negara – negara berkembang, dan
juga karena isu konservasi energi dalam mengembangkan perlindungan ozon.
Contoh pengembang pompa hidram yang baik adalah AID Foundation di Filipina.
Mereka mengembangkan pompa hidram untuk digunakan di desa – desa terpencil.
Oleh sebab itu mereka meraih Penghargaan Ashden.
2.4.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya
Beberapa komponen utama sebuah pompa hidram dijelaskan pada uraian
di bawah ini:
1. Katup Limbah (Waste Valve)
Katup limbah merupakan salah satu komponen terpenting pompa hidram,
oleh sebab itu katup limbah harus dirancang dengan baik sehingga berat dan
gerakannya dapat disesuaikan.
Katup limbah sendiri berfungsi untuk mengubah energi kinetik fluida kerja
yang mengalir melalui pipa pemasukan menjadi energi tekanan dinamis fluida
Beberapa desain katup limbah yang sering digunakan diantaranya:
(a) (b)
(c)
Gambar 2.7 Contoh desain katup limbah. (a) katup kerdam sederhana; (b) katup
karet lentur; (c) katup kerdam berpegas. [4]
Adapun bagian – bagian sebuah katup limbah dapat dilihat dari gambar
dibawah ini:
Gambar 2.8 Bagian – bagian katup limbah. [4]
keterangan gambar :
2) Mur penjepit atas
3) Karet katup
4) Plat katup
5) Mur penjepit bawah
Katup limbah dengan beban yang berat dan panjang langkah yang cukup
jauh memungkinkan fluida mengalir lebih cepat, sehingga saat katup limbah
menutup, akan terjadi lonjakan tekanan yang cukup tinggi, yang dapat
mengakibatkan fluida kerja terangkat menuju tabung udara. Sedangkan katup
limbah dengan beban ringan dan panjang langkah lebih pendek, memungkinkan
terjadinya denyutan yang lebih cepat sehingga debit air yang terangkat akan lebih
besar dengan lonjakan tekanan yang lebih kecil.
2. Katup Pengantar (Delivery Valve)
Katup pengantar adalah sebuah katup satu arah yang berfungsi untuk
menghantarkan air dari badan hidram menuju tabung udara untuk selanjutnya
dinaikkan menuju tangki penampungan. Katup pengantar harus dibuat satu arah
agar air yang telah masuk ke dalam tabung udara tidak dapat kembali lagi ke
dalam badan hidram. Katup pengantar harus mempunyai lubang yang besar
sehingga memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa
hambatan pada aliran [4].
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 pengantar 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
4. Katup Udara (Air Valve)
Udara dalam tabung udara, secara perlahan – lahan akan ikut terbawa ke
dalam pipa pengantar karena pengaruh turbulensi air. Akibatnya, udara dalam
pipa perlu diganti dengan udara baru melalui katup udara.
Ukuran katup udara harus disesuaikan sehingga hanya mengeluarkan
semprotan air yang kecil setiap kali langkah kompresi. Jika katup udara terlalu
besar, udara yang masuk akan terlampau banyak dan ram hanya akan memompa
udara. Namun jika katup udara kurang besar, udara yang masuk terlampau sedikit,
ram akan bergetar hebat, memungkinkan tabung udara pecah. Oleh karena itu,
katup udara harus memiliki ukuran yang tepat.
5. Pipa Masuk (Driven Pipe)
Pipa masuk adalah bagian yang sangat penting dari sebuah pompa hidram.
Dimensi pipa masuk harus diperhitungan dengan cermat, karena sebuah pipa
masuk harus dapat menahan tekanan tinggi yang disebabkan oleh menutupnya
katup limbah secara tiba-tiba. Untuk menentukan panjang sebuah pipa masuk,
bisa digunakan referensi yang telah tersedia seperti di bawah ini:
6H < L < 12H (Eropa dan Amerika Utara)
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.
Berdasarkan posisi katup limbah dan variasi kecepatan fluida terhadap
waktu, sistem operasi sebuah pompa hidram dapat dibagi menjadi 4 periode,
seperti yang digambarkan pada diagram di bawah ini:
Gambar 2.9 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk [7]
Penjelasan gambar 2.9 :
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 2.10 Skema pompa hidram pada kondisi A. [7]
B. Air telah memenuhi badan hidram, ketika tekanan air telah mencapai nilai
tertentu, katup limbah mulai menutup. Pada pompa hidram yang baik, proses
Gambar 2.11 Skema pompa hidram pada kondisi B. [7]
C. Katup limbah masih tertutup. Penutupan katup yang dengan tiba-tiba tersebut
menciptakan tekanan yang sangat besar dan melebihi tekanan statis pipa masuk.
Kemudian dengan cepat katup pengantar terbuka , sebagian air terpompa masuk
ke tabung udara. Udara pada tabung udara mulai mengembang untuk
menyeimbangkan tekanan , dan mendorong air keluar melalui delivery pipe.
Gambar 2.12 Skema pompa hidram pada kondisi C. [7]
D. Katup pengantar tertutup. Tekanan di dekat katup pengantar 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
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.
Gambar 2.13 Skema pompa hidram pada kondisi D. [7]
Bentuk ideal dari tekanan dan kecepatan aliran pada ujung pipa
pemasukan dan kedudukan katup limbah selama satu siklus kerja hidram,
Gambar 2.14 Diagram satu siklus kerja hidram [4]
Keterangan gambar 2.14:
Periode 1 : Akhir siklus yang sebelumnya, kecepatan air melalui ram bertambah,
air melalui katup limbah yang sedang terbuka, timbul tekanan negatif
yang kecil dalam hidram.
Periode 2 : Aliran bertambah sampai maksimum melalui katup limbah yang
terbuka dan tekanan dalam pipa pemasukan juga bertambah secara
bertahap.
Periode 3 : Katup limbah mulai menutup dengan demikian menyebabkan naiknya
Periode 4 : Katup limbah tertutup, menyebabkan terjadinya palu air (water
hammer) yang mendorong air melalui katup pengantar. Kecepatan
aliran pipa pemasukan berkurang dengan cepat.
Periode 5 : Denyut tekanan terpukul ke dalam pipa pemasukan, menyebabkan
timbulnya hisapan kecil dalam hidram. Katup limbah terbuka karena
hisapan tersebut dan juga karena beratnya sendiri. Air mulai mengalir
lagi melalui katup limbah dan siklus hidram terulang kembali.
2.5 Persamaan Energi Pada Pompa Hidram
2.5.1 Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram
Energi yang dibangkitkan (bisa juga disebut energi yang dibutuhkan) pada
pompa hidram berasal dari energi fluida itu sendiri. Air yang mengalir melalui
pipa masuk dari ketinggian H (ketinggian permukaan air dalam supply tank),
mengalami percepatan. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada gambar 2.15.
Gambar 2.15 Skema instalasi pompa hidram [8]
Berdasarkan gambar di atas, dapat dituliskan persamaan Bernoulli sebagai
berikut:
�0
��+ �02
2� +�0− �� = �3
��+ �32
dengan:
�0 = tekanan pada titik 0 yaitu tekanan atmosfer [= 0], (� �⁄ 2)
�3 = tekanan pada titik 3, (� �⁄ 2)
�0 = kecepatan aliran air pada titik 0 [= 0] karena debit konstan, (m/s)
�3 = kecepatan aliran air pada titik 3 [= 0] karena aliran air terhenti seiring
menutupnya katup limbah, (m/s)
�0 = ketinggian titik 0 dari datum, (m)
�3 = ketinggian titik 3 [= 0] karena diasumsikan segaris datum, (m)
�� = head losses, (m)
� = massa jenis fluida, untuk air = 1000 , (�� �⁄ 3) g = percepatan gravitasi (= 9,81) ,( � �⁄ 2)
Jika dimasukkan harga – harga yang telah ditentukan, maka persamaan
Bernoulli di atas menjadi:
� − �� = ���3 ... (2.34)
Dengan HLatau 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:
� =�� ... (2.35) dengan:
F = gaya fluida yang mengalir, (N)
m = massa fluida yang mengalir, (kg)
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).
�3 =�� =������ ... (2.36)
Dengan HL adalah head losses pada pipa, yang besarnya ditentukan
dengan persamaan di bawah ini:
�� = ����
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 hidram
langsung keluar melalui katup limbah dengan kecepatan tertentu (�3), dan tekanan di titik 3, �3, akan sama dengan atmosfer (= 0) karena katup limbah dalam keadaan terbuka penuh. Sehingga persamaan Bernoulli akan menjadi:
� − �� = �3
2
2� ... (2.39)
Kecepatan v3 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan kontinuitas,
dimana harga debit (Q) bernilai konstan (kondisi awal semua fluida yang masuk
� =�3������ ... (2.40) dengan:
� = debit air yang keluar melalui katup limbah, (�3⁄�)
�3 = kecepatan air di titik 3 (yang melalui katup limbah), (m/s)
������ = luas penampang lubang katup limbah,( �2)
Setelah nilai �3 didapatkan, maka kita dapat menghitung energi yang dibangkitkan hidram, dengan rumus:
� =12��32 ... (2.41)
dengan:
E = energi hidram, (J)
m = massa fluida yang mengalir, (kg)
= massa fluida yang mengalir melalui pipa masuk
= ���
�3 = kecepatan massa fluida yang mengalir, (m/s)
L = panjang pipa masuk, (m)
A = luas penampang pipa masuk, (�2)
� = massa jenis air, (=1000), (�� �⁄ 3)
2.5.2 Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air
Prinsip kerja pompa hidram adalah membuat air yang mengalir melalui
pipa masuk berhenti secara tiba – tiba, yang akan mengakibatkan terjadinya
kenaikan head tekanan pada air. Besarnya kenaikan head tekanan dapat dihitung
dengan persamaan Joukowsky, seperti di bawah ini:
∆�� =�(�1�−�2) ... (2.42)
dengan:
∆�� = kenaikan head tekanan, (m)
c = kecepatan gelombang suara dalam air,(m/s)
�1 = kecepatan air sebelum valve menutup, (m/s)
�2 = kecepatan air sesudah valve menutup, (m/s)
Menurut David dan Edward, kecepatan gelombang suara di dalam air
didefinisikan dengan persamaan:
� = ��� ��
1 2⁄
... (2.43)
dengan:
�� = Modulus bulk, yang menyatakan kompresibilitas dari suatu fluida. Untuk
air �� = 2,07 × 109� �⁄ 2
� = massa jenis fluida, untuk air = 1000 �� �⁄ 3
c = kecepatan gelombang suara, dari nilai di atas, ���� = 1440 �/�
Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat
dihitung menggunakan rumus:
∆ℎ= ���� ... (2.44)
dengan:
∆ℎ = kenaikan tekanan akibat palu air, (m) v = kecepatan aliran, (m/s)
L = panjang pipa, (m)
g = percepatan gravitasi, (� �⁄ 2) t = waktu penutupan katup, (s)
2.5.3 Daya Pompa Hidram
Untuk menghitung daya yang dihemat oleh pompa hidram digunakan
2.5.4 Efisiensi Daya Pompa Hidram
Ada dua metode dalam perhitungan efisiensi daya pompa hidram, yaitu :
Menurut D’ Aubuisson :
Menurut D’ Aubuisson, katup limbah digunakan sebagai datum. Untuk
lebih memahami, dapat dilihat pada gambar 2.16.
Gambar 2.16 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut D’Aubuisson
Sehingga dapat dirumuskan [3]:
�� =(��+�(�+ℎ)�) ... (2.46)
dimana:
�� = efisiensi daya pompa hidram menurut D’ Aubuisson
q = debit hasil, (�3⁄�) Q = debit limbah, (�3⁄�) h = head keluar, (m)
H = head masuk, (m)
Menurut Rankine :
Menurut Rankine, permukaan air pada tangki pemasukan digunakan
Gambar 2.17 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut Rankine
Sehingga dapat dirumuskan [3]:
�� =���ℎ ... (2.47)
dimana:
�� = efisiensi hidram menurut Rankine
q = debit hasil, (�3⁄�) Q = debit limbah, (�3⁄�) h = head keluar, (m)
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian skripsi ini dilakukan pada bulan Oktober 2012 dan penelitian
dilakukan di lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera
Utara.
3.2 Peralatan Pengujian
Peralatan yang digunakan dalam pengujian ini adalah :
1. Prototype pompa hidram
Gambar 3.1 Prototype pompa hidram
Spesifikasi prototype pompa hidram:
1. 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:
- Elbow 1,5 inci : 1 buah
- Tee 1,5 inci : 1 buah
Gambar 3.2 badan pompa
2. Katup limbah
Katup limbah merupakan katup pembuangan air (limbah) yang
berfungsi memancing gerakan air yang berasal dari bak sumber air, sehingga
dapat menimbulkan aliran air yang bekerja sebagai sumber tenaga pompa.
Gambar 3.3 katup limbah
Bagian dari katub limbah adalah sebagai berikut:
a. Badan katup
Berfungsi sebagai landasan bagi katup limbah dan penghubung antara
katup limbah dengan badan pompa. Bahan dari badan katup ini sebagai
berikut:
- Tee 1,5 inci : 1 buah
- Klem : 2 buah ( diameter luar masing 10 cm,
diameter dalam klem pertama 3,81 cm dan diameter dalam klem
kedua 2,5 cm )
- Baut 10 dan mur 10 : 8 buah
Gambar 3.4 badan katup limbah
b. Poros katup limbah
Poros ini sebagai pegangan untuk mur, karet katup, plat katup. Kedua
ujung nya dibuat ulir untuk mur 16 dengan panjang masing-masing 10 cm dari
ujung as, fungsinya untuk mengatur panjang langkah katup dan mengatur
tempat tambahan beban katup limbah.
Gambar 3.5 Poros katup limbah
Spesifikasi:
- Panjang poros : 30 cm
c. Karet katup.
Berfungsi untuk menghindari kontak langsung antara plat katup dengan
badan katup supaya tidak terjadi keausan plat katup. Ukurannya disesuaikan
dengan ukuran plat katup..
Gambar 3.6 karet katup
Spesifikasi:
- Diameter luar : 20 mm
- Diameter dalam : 10 mm
d. Plat katup
Berfungsi untuk menutup katup limbah yang akan mengakibatkan water
hammer.
Gambar 3.7 plat katup
Spesifikasi :
- diameter luar : 20 mm
- diameter dalam : 12 mm
e. Mur
Mur bawah berfungsi untuk mengikat plat katup dan mur atas untuk
Gambar 3.8 Mur
3. Katup hantar
Katup ini menghantarkan air dari pompa ke tabung udara serta menahan
air yang telah masuk agar tidak kembali ke rumah pompa. Katup hantar ini terbuat
dari check valve. Katup hantar ini terdiri dari:
- Double nipple 1,5 inci : 1 buah
- Klem : 2 buah
- Plat sebagai check valve : 1 buah
- Baut dan mur 10 : 1 buah
Gambar 3.9 katup hantar
4. Tabung udara
Tabung udara berfungsi meneruskan dan melipatgandakan tenaga
(a) (b)
Gambar 3.10 tabung udara
Spesifikasi :
- Tinggi 40 cm
- Diameter 76,2 mm (a) dan 101,6 mm (b)
5. Bak penyuplai dan penampung
Berfungsi untuk menyuplai air ke pompa dan menampung air yang keluar
dari katup limbah.
(a) (b)
Spesifikasi bak penyuplai :
- Panjang : 100 cm
- Lebar : 80 cm
- Tinggi : 60 cm
Spesifikasi bak penampung :
- Panjang : 100 cm
- Lebar : 100 cm
- Tinggi : 30 cm
6. Pompa sentrifugal
Berfungsi untuk mensirkulasikan air yang keluar dari katup limbah untuk
disalurkan kembali ke bak penyuplai.
Gambar 3.12 pompa sirkulasi
Spesifikasi pompa:
- Merek : Dapproco
- Tegangan : 220 V
- Frekuensi : 50 Hz
- Daya masukan : 230 watt
- Daya keluaran : 125 watt
- Kapasitas : 41 liter/menit
- Tinggi dorong : 28 meter
- Tinggi isap : 9 meter
7. Landasan pompa
Gambar 3.13 landasan pompa
Spesifikasi:
- Tinggi 30 cm
3.3 Alat Ukur Yang Digunakan
Untuk pengujian digunakan beberapa alat ukur guna mengukur beberapa
variabel yang dibutuhkan, diantaranya :
3.3.1 Pressure Gauge
Pressure gauge dalam penelitian ini digunakan untuk mengukur tekanan
pada sisi inlet pompa hidram dan tekanan pada sisi keluar pompa hidram,
sehingga akan didapatkan data mengenai perubahan tekanan air pada pompa
hidram yang diakibatkan proses water hammer.
Untuk mengukur tekanan inlet pompa hidram, pressure gauge diletakkan
pada ujung pipa masuk (drive pipe), karena yang akan diukur adalah tekanan air
akibat adanya perbedaan ketinggian water source tank dan badan hidram.
Sedangkan untuk mengukur tekanan pada sisi keluar hidram, pressure gauge
diletakkan pada sisi atas tabung udara, dan untuk rangkaian hidram tanpa tabung
udara, pressure gauge diletakkan pada bagian setelah katup limbah, setelah air
keluar dari T-junction.
Spesifikasi :
- Merek : australia
- Satuan : bar
- Tekanan maksimum : 2,5 bar
3.3.2 Flow Meter
Untuk mengetahui berapa debit aliran yang dihasilkan oleh pompa pada pipa pengantar dan debit aliran yang keluar dari katup limbah, alat yang
digunakan adalah flow meter.
Gambar 3.15 flow meter
Spesifikasi :
- Kapasitas 3,5 �3⁄ℎ - Ukuran 1 inci
3.3.3 Stopwatch
Untuk pengukuran waktu digunakan stopwatch. Berikut adalah alat ukur waktu
yang digunakan dalam pengujian.
Gambar 3.16Stopwatch
Spesifikasi :
- Water-resistant structure
- 50 lap and split memory with 1/100sec
3.3.4 Meteran
Meteran 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.
(a) (b)
Gambar 3.17 Meteran Ukur (a) dan Mistar Ukur (b)
Spesifikasi meteran ukur :
- panjang : 5 meter
- ukuran : mm, cm, inchi
Spesifikasi mistar ukur:
- panjang : 1 meter
- ukuran : mm, cm, inchi
3.3 Prosedur Perancangan Pompa hidram
Langkah-langkah yang dilakukan dalam perancangan pompa hidram adalah
sebagai berikut :
1. Menentukan head masuk pompa.
Untuk penelitian ini, head masuk merupakan variabel yang ditentukan
yaitu tinggi tempat tangki water source adalah 2 meter dan tinggi dari bak
water source adalah 0,6 meter dalam instalasi tinggi dudukan pompa 0,3
meter, maka tinggi total head masuk adalah 2,3 meter.
2. Menentukan diameter pipa masuk.
Dalam penelitian ini diameter pipa masuk disesuaikan dengan diameter
3. Menentukan diameter pipa keluar
Dalam penelitian ini diameter pipa keluar adalah 0,5 inci.
4. Menentukan panjang pipa masuk
Dalam penelitian panjang pipa masuk divariasikan yaitu 8 meter, 10
meter dan 12 meter.
5. Menentukan bahan pipa
Bahan pipa masuk adalah dari PVC dan bahan dari pipa keluar adalah
pipa galvanis.
6. Perancangan Prototype pompa
Pembuatan pompa hidram terdiri atas empat bagian pekerjaan, yakni
pembuatan rumah pompa, katup limbah,katup hantar dan tabung kompresor
pompa.
3.3.1 Pembuatan rumah pompa
Langkah pembuatan rumah pompa:
1. Persiapan bahan yang meliputi: elbow, T-junction, double nipple yang
masing-masing berukuran 1,5 inci dan 2 buah besi siku berukuran 5 cm x 5,9 cm.
2. digabungkan elbow, T-junction, dan double nipple, secara berurutan dengan
arah mendatar untuk merakit rumah pompa.
3.3.2 Pembuatan katup limbah
Langkah pembuatan katup limbah:
1. Dipersiapkan bahan yang terdiri dari : double nipple 1,5 inci ; 2 buah plat 5
mm ukuran 10 cm x 10 cm dan ukuran 3 cm x 3 cm 1 buah ; T-junction 1,5
inci ; verlop ring 1,5 x 0,75 ; baut berdiameter 12 mm, panjang 30 cm dengan
3 buah mur.
2. Plat pertama ukuran 10 cm x 10 cm dibulatkan. Selanjutnya, di
tengah-tengahnya dibuat lubang berdiameter sama dengan diameter double nipple
sebelah luar sekitar 3,7 cm.
3. Plat kedua yang berukuran 10 cm x 10 cm, diameter luarnya disesuaikan
4. Kedua plat digabungkan untuk membuat lubang tempat baut sebanyak 8
lubang.
5. Plat pertama dipasangkan pada salah satu ujung double nipple dengan las,
pengelasan dilakukan dan sisi luar, dilas rapat.
6. Plat kedua dipasangkan pada salah satu ujung T-junction 1,5 inci dipasang
tegak lurus pada plat dengan dilas. Ujung T-junction sebelah atas ditutup
dengan verlop ring 1,5 x 3/4.
7. Digabungkan hasil pekerjaan no.5 dan no.6 tersebut di atas dengan baut 10 (6
mm) sehingga terbentuk rumah katup limbah. Untuk menghindari kebocoran
digunakan seal dari karet bentuknya disesuaikan dengan kedua plat.
8. Plat ketiga dibulatkan sedemikian rupa dengan diameter 2 cm, bor pada titik
pusatnya sehingga diperoleh lubang berdiameter sesuai dengan ukuran baut
yang akan digunakan sebagai poros katup kemudian buat bulatan berbahan
dasar karet dengan diameter yang sama dengan plat ketiga yang befungsi
untuk peredam suara ketukan dan menghindari kontak langsung antra poros
katup dengan dinding plat kedua.
9. Poros katup limbah dari besi 12 mm, sepanjang 30 cm. Kedua ujungnya
sepanjang 10 cm dibuat ulir, masing-masing diberi ring per dan mur. Pada
salah satu ujungnya dipasangkan plat ketiga dan bulatan berbahan dasar karet
dan dikunci dengan mur.
3.3.3 Pembuatan Katup Hantar
Langkah pembuatan katup hantar:
1. Persiapan bahan pembuatan katup pengantar adalah double nipple 1,5 inci,
karet, plat 5 mm berukuran 10cm x 10cm, sebanyak 3 buah; baut ukuran
10(6mm) lengkap dengan ring dan mur.
2. Ketiga plat besi 5mm, 10cm x 10cm bentuknya dibulatkan dan disamakan
agar serasi dan dibuat lobang sebanyak delapan buah sebagai tempat baut .
3. Plat pertama di tengahnya dibuat lubang berdiameter 5,0 cm dan dan plat
kedua 7,5 cm. Plat pertama disatukan dengan double nipple, plat keduanya
