Analisa Pengaruh Variasi Tabung Udara Dan Variasi Beban Katup Limbah Terhadap Performa Pompa Hidram

(1)

Analisa Pengaruh Variasi Volume Tabung Udara Dan

Variasi Beban Katup Limbah Terhadap Performa Pompa

Hidram

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

ANDREA SEBASTIAN GINTING

NIM : 09421043

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

D E P A R T E M E N T E K N I K M E S I N

F A K U L T A S T E K N I K

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmatnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Analisa Pengaruh Variasi Tabung Udara Dan Variasi Beban Katup Limbah Terhadap Performa 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 nasehat, semangat, dan motivasi dari berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikannya. Secara khusus penulis mengucapkan terima kasih yang sebanyak-banyaknya kepada :

1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3. Orang tua penulis J. Andarmida br Sukatendel yang memberikan dukungan moral dan materi kepada penulis

4. Kedua adik penulis Andri Dwi Pranata Ginting dan Rizky Ananta Ginting yang selalu memberi dukungan dan semangat.

5. Teman-teman penulis Thomas Yovial Sebayang, Sahala Hadi Putra Silaban, Albert ”Pak Horbo” Marganda Rumahorbo, Hanna Sabarina Surbakti, Ristawati Hasuma Sembiring, Elisa Kaban, Peppong Sinuhaji, Mega Ginting, Jusak Natardika Tarigan.

6. Teman-teman ekstensi teknik mesin 2009 serta abang senior dan semua rekan mahasiswa teknik mesin yang membantu dalam penyelesaian skripsi ini.

7. Kepada pihak-pihak lain yang belum disebutkan namanya.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis sangat membutuhkan saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.

(9)

ABSTRAK

Pada masyarakat yang bertempat tinggal jauh dari jangkauan sumber energi listrik terdapat kendala untuk memindahkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah dengan pompa hydraulic ram yang energi atau tenaga penggeraknya berasal dari tekanan atau hantaman air yang masuk ke dalam pompa melalui pipa. Skripsi ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh faktor volume tabung udara, beban katup limbah dan head supply terhadap efisiensi pompa hidram. Dari hasil percobaan dan analisa diperoleh bahwa faktor volume tabung udara, beban katup limbah dan head supply berpengaruh pada efisiensi pompa hidram.

(10)

ABSTRACT

For many people that staying away from electric energy resourch there is some obstacle to move the water from down area to high area. One of the method that can be used is hydram pump that the energy or the power is from water hammer that move into pump through the pipe. This minithesis have purpose to know the influence of air vessel factor, waste valve load and head supply toward hydram pump efficiency.

(11)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... ii

DAFTAR ISI ... iv

DAFTAR GAMBAR ... vii

DAFTAR TABEL ... x

DAFTAR SIMBOL ... xii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1Latar Belakang ... 1

1.2Tujuan Penelitian ... 3

1.3Batasan Masalah ... 3

1.4Manfaat Penelitian ... 4

1.5Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1Pompa ... 6

2.2Pompa Hidram ... 7

2.2.1Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya ... 9

2.2.2Sistem Operasi Pompa Hidram ...12

2.2.3Palu air (Water hammer) ...14

2.3Persamaan Energi Pada Pompa Hidram...16

2.3.1Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram ...16

2.3.2Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air .19 2.3.3Efisiensi Pompa Hidram ...20

2.4Tinjauan Mekanika Fluida ... 21

2.4.1 Tekanan Pada Fluida ... 21

2.4.2 Gerak Fluida dan Laju aliran ... 22

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 24

(12)

3.2Alat Ukur Yang Digunakan ... 32

3.2.1Manometer ... 32

3.2.2Alat Ukur Debit Aliran ... 33

3.2.3Alat Ukut Waktu ... 34

3.2.4Alat Ukur Jarak ... 35

3.2.5Timbangan ... 36

3.3Skema Penelitian ... 36

3.4Variabel Yang Diamati ... 39

3.5Langkah Penelitian ... 30

3.6Prosedur Pengujian ... 41

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA ... 43

4.1Perhitungan Aliran Air Pada Pompa Hidram ... 43

4.1.1Kapasitas Aktual Pada Pipa Pemasukan ... 43

4.1.2Kecepatan Aliran Dalam Pipa Pemasukan ... 44

4.1.3Kapasitas Untuk Pipa Keluaran ... 46

4.1.4Kecepatan Aliran pada Pipa Keluaran ... 48

4.2Faktor Kerugian ... 49

4.2.1 Kerugian head mayor (mayor losses) dalam pipa pemasukan...49

4.2.2 Kerugian head minor ( minor losses ) dalam pipa pemasukan...53

4.2.3 Kerugian head mayor ( mayor losses ) dalam pipa keluaran...55

4.2.4 Kerugian head minor ( minor losses ) dalam pipa keluaran...58

4.3Besar gaya yang terjadi pada pompa hidram ... 60

4.4Menghitung energi yang dibangkitkan oleh pompa hidram akibat palu air ... 68

4.5Mengitung peningkatan tekanan akibat palu air... ...70

4.6Menghitung daya pompa ... 74

4.7Efisiensi pompa hidram ... 76

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 82

5.1Kesimpulan ... 82

5.2Saran ... 83 DAFTAR PUSTAKA

(13)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output......8

Gambar 2.2. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram.... 8

Gambar 2.3. Jenis-jenis Desain Katup Limbah... 9

Gambar 2.4. Bagian – Bagian Katup Limbah.... 10

Gambar 2.5. Instalasi Pengujian Pompa Hidram... 12

Gambar 2.6 Siklus Pemompaan Pompa Hidram... 13

Gambar 2.7. Instalasi Pengujian Pompa Hidram... 16

Gambar 2.8 Aliran Fluida Melalui Pipa yang Diameternya Berubah-ubah... 22

Gambar 3.1 Prototype pompa hidram... 24

Gambar 3.2 Badan Pompa... 25

Gambar 3.3 Katup Limbah... 25

Gambar 3.4 Badan Katup Limbah... 26

Gambar 3.5 As Katup Limbah... 26

Gambar 3.6 O - Ring... 27

Gambar 3.7 Plat Katup... 27

Gambar 3.8 Mur... 28

Gambar 3.9 Beban katup limbah...28

Gambar 3.10 Katup Hantar... 29

Gambar 3.11 Tabung Udara... 29

Gambar 3.12 Bak penyuplai... 30

Gambar 3.13 Bak penampung... 30

Gambar 3.14 Pompa Sirkulasi... 31

Gambar 3.15 Landasan Pompa... 32

(14)

Gambar 3.17 flow meter 2 inci... 33

Gambar 3.18 flow meter 1 inci... 34

Gambar 3.19 Stopwatch... 34

Gambar 3.20 Meteran ukur... 35

Gambar 3.21 Mistar Ukur... 36

Gambar 3.22. Timbangan digital ...36

Gambar 3.23 Skema penelitian pompa hidram...38

Gambar 3.24.Susunan alat ukur... 39

Gambar 3.25 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir... 42

Gambar 4.1 Grafik kapasitas aktual pipa pemasukan vs beban katup limbah... 44

Gambar 4.2 Grafik kecepatan aliran pipa vs beban katup limbah... 46

Gambar 4.3 Grafik kapasitas pipa keluaran vs beban katup limbah... 47

Gambar 4.4 Grafik kecepatan aliran pipa keluaran vs beban katup limbah... 49

Gambar 4.5 Grafik Bilangan Reynold pipa masuk vs beban katup limbah... 51

Gambar 4.6 Grafik head losses mayor (hf) vs beban katup limbah... 53

Gambar 4.7 Grafik head losses minor (hm) vs beban katup limbah... 55

Gambar 4.8 grafik head losses mayor vs beban katup limbah... 58

Gambar 4.9 grafik head losses minor vs beban katup limbah... 60

Gambar 4.10 Grafik gaya pada pipa masuk saat katup tertutup vs beban katup limbah... 62

Gambar 4.11 Grafik gaya pada tabung udara vs beban katup limbah... 63

Gambar 4.12 Grafik gaya max pada tabung udara vs beban katup limbah... 65

Gambar 4.13 Grafik gaya pada pipa keluaran vs beban katup limbah... 66

Gambar 4.14 Grafik gaya pada pipa masuk saat katup terbuka vs beban katup limbah... 68

(15)

Gambar 4.16 Grafik kenaikan head tekanan vs beban katup limbah... 72

Gambar 4.17 Grafik kenaikan head tekanan secara gradual vs beban katup limbah... 74

Gambar 4.18 Daya pompa vs beban katup limbah... 75

Gambar 4.20 Grafik efisiensi D’Aubuisson vs beban katup limbah... 77

(16)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Kapasitas aktual untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter.……….……43 Tabel 4.2 Kecepatan aliran pipa masuk untuk variasi beban katup limbah dan

tabung udara dengan head supply 3,3Meter………...………45 Tabel 4.3 Kapasitas pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah dan tabung

udara dengan head supply 3,3 meter……….…..……….47 Tabel 4.4 Kecepatan pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah dan tabung

udara dengan head supply 3,3 meter...……...………48 Tabel 4.5 Bilangan Re untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara

dengan head supply 3,3 meter...………..………….50 Tabel 4.6 Head losses mayor untuk variasi beban katup limbah dan tabung

udara dengan Head supply 3,3 meter……...……….…..52 Tabel 4.7 Koefisien kerugian pada pipa pemasukan…………..……….54

Tabel 4.8 Head losses minor untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter...………...54 Tabel 4.9 Bilangan Re pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah dan

Tabung udara...………..……….56 Tabel 4.10 head losses mayor pipa keluaran untuk variasi beban katup

limbah dan tabung udara ...………...57 Tabel 4.11 Koefisien kerugian untuk pipa discharge……….………59

Tabel 4.12 head losses minor pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah dan tinggi tabung udara ...………...……….59 Tabel 4.13 Besar gaya pada pipa masuk saat katup menutup untuk variasi

beban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply

(17)

Tabel 4.14 Besar gaya pada tabung udara untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter ...……….……63 Tabel 4.15 Besar gaya maximum pada tabung udara untuk variasi beban katup

limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter.……….64 Tabel 4.16 Besar gaya pada pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah

dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter .... ………....66 Tabel 4.17 Besar gaya pada pipa masuk saat katup terbuka untuk variasi

beban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply

3,3 meter ....……...67 Tabel 4.18 Besar energi untuk variasi beban katup limbah dan tabung

udara dengan Head supply 3,3 meter ………...…...……...69 Tabel 4.19 Besar ΔHp untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara

dengan Head supply 3,3 meter ...…..………..72 Tabel 4.20 Besar Δh untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara

dengan Head supply 3,3 meter ..………...………73 Tabel 4.21 Besar gaya pada tabung udara untuk variasi beban katup limbah

dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter ..……...………..75 Tabel 4.22 efisiensi menurut D’ Aubuisson untuk variasi beban katup limbah

dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter ...………76 Tabel 4.23 efisiensi menurut Rankine untuk variasi beban katup limbah

(18)

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

c Kecepatan gelombang suara dalam fluida m/s 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 suplay M

h Hd Head Pemompaan Head Total 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 P1

P1 Max

Tekanan pada tabung Tekanan Maksimum tabung

(19)

P2 Tekanan pada pipa keluaran Bar

P3 Tekanan pada badan pompa Bar

Q1 Kapasitas actual pipa masuk m3/s

Q2 Kapasitas pipa keluaran 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

v2 Kecepatan aliran pada pipa keluaran m/s

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

(20)

ABSTRAK

Pada masyarakat yang bertempat tinggal jauh dari jangkauan sumber energi listrik terdapat kendala untuk memindahkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah dengan pompa hydraulic ram yang energi atau tenaga penggeraknya berasal dari tekanan atau hantaman air yang masuk ke dalam pompa melalui pipa. Skripsi ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh faktor volume tabung udara, beban katup limbah dan head supply terhadap efisiensi pompa hidram. Dari hasil percobaan dan analisa diperoleh bahwa faktor volume tabung udara, beban katup limbah dan head supply berpengaruh pada efisiensi pompa hidram.

(21)

ABSTRACT

For many people that staying away from electric energy resourch there is some obstacle to move the water from down area to high area. One of the method that can be used is hydram pump that the energy or the power is from water hammer that move into pump through the pipe. This minithesis have purpose to know the influence of air vessel factor, waste valve load and head supply toward hydram pump efficiency.

(22)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar 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 daerah pertanian dan peternakan. Memasuki periode berikutnya, kepopuleran hidram mulai berkurang, seiring berkembangnya pompa elektrik.

(23)

Air merupakan sarana yang penting dalam kehidupan manusia dan hewan maupun tumbuh-tumbuhan. Disamping itu juga merupakan sumber tenaga yang disediakan oleh alam sebagai pembangkit tenaga mekanis. Kenyataan telah menunjukkan bahwa ada banyak daerah dipedesaan yang mengalami kesulitan penyediaan air, baik untuk kebutuhan rumah tangga maupun untuk kegiatan pertanian. Sebenarnya untuk mengatasi keadaan tersebut, pemakaian pompa air, baik yang digerakkan oleh tenaga listrik maupun oleh tenaga diesel telah lama dikenal oleh masyarakat desa, tetapi pada kenyataannya masih banyak masyarakat pedesaan yang belum memilikinya. Hal ini disebabkan karena kemampuan daya beli masyarakat desa masih terbatas, dan pada penggunaan suatu unit pompa-pompa bermesin dibutuhkan tenaga operator yang terampil. Disamping itu, alat tersebut harus mempunyai kualitas yang baik dan tersedianya suku cadang yang mudah diperoleh dipasaran bebas.

Untuk menanggulangi masalah-masalah penyediaan air baik untuk kehidupan maupun untuk kegiatan pertanian, peternakan dan perikanan khususnya didaerah pedesaan, maka penggunaan pompa Hidraulik Ram Automatik sangat menguntungkan dalam kehidupan masyarakat di pedesaan.

Pompa hidraulik ram bekerja tanpa menggunakan bahan bakar atau tambahan energi dari luar. Pompa ini memanfaatkan tenaga aliran air yang jatuh dari tempat suatu sumber yang tinggi dan sebagian dari air itu dipompakan dengan pompa hidram ke tempat yang lebih tinggi. Pada berbagai situasi, penggunaan pompa hidraulik ram memiliki keuntungan dibandingkan penggunaan jenis pompa lainnya, yaitu tidak membutuhkan bahan bakar atau tambahan tenaga dari sumber lain, tidak membutuhkan pelumasan, bentuknya sederhana, biaya pembuatan dan pemeliharaannya murah dan tidak membutuhkan keterampilan teknik tinggi untuk membuatnya. Pompa ini bekerja 24 jam per hari.

(24)

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penulisan penelitian ini sebagai berikut. 1. Mengetahui besar efisiensi yang dihasilkan oleh pompa hidram

2. Mengetahui Pengaruh tabung udara dan beban katup limbah terhadap performansi pompa hidram

3. Mengetahui tekanan maksimum yang dihasilkan tiap tabung udara.

1.3 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 kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah air.

2. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah pipa pemasukan, beban pada katup limbah dan penggunaan tabung udara.

3. Pengukuran tekanan dilakukan pada Badan Pompa, Pipa Penghantar dan Tabung Udara.

4. Pengukuran debit air dilakukan pada air yang keluar dari katup limbah, pipa keluaran dan pada pipa masuk untuk mengetahui besar efisiensi pompa. 5. Pengujian dilakukan di lantai empat Departemen Teknik Mesin USU.

6. Pengambilan data dilaksanakan pada saat pompa beroperasi. Data-data yang diambil seperti Debit aliran(Q), Tekanan (P), Jumlah ketukan (n). Data-data lain yang diperlukan dalam perencanaan dan analisa diambil sesuai dengan literatur yang relevan.

1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Dapat mengetahui pengaruh dari komponen-komponen yang ditambahkan pada pompa hidram.

(25)

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.

1.5 Sistematika 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.

Dalam penulisan laporan ini akan dijelaskan secara rinci penjelasan tentang penelitian tersebut yaitu mulai dengan Bab 1 yaitu tentang pendahuluan. Pada bab ini akan dijelaskan penfahuluan mengenai latar belakang judul skripsi tersebut dan juga sejarah dari pompa hidram, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, sistematika penulisan dan metodologi penulisan skripsi. Setelah bab 1 kemudian lanjut dengan bab 2. Pada bab 2 ini menjelaskan tentang tinjauan pustaka yaitu membahas mengenai teori-teori yang berhubungan dengan 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.

(26)

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 :

(27)

b. Pompa Jenis Khusus (Special Pump) • Jet Pump

• Pompa Gas Lift (Gas Lift Pump) • Pompa Hydraulic Ram (Hidram)

Penggunaan pompa untuk pemenuhan kebutuhan air memang sebuah solusi tepat dan telah terbukti sukses digunakan dari generasi ke generasi. Namun jika dicermati lebih mendalam, ternyata masih ada kendala yang dihadapi ketika dihadapkan pada kebutuhan energi sebagai sumber tenaga penggerak utama (prime mover) pompa. Pada 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. Oleh karena itu, sebagai solusinya digunakanlah pompa yang tidak memerlukan listrik atau bahan bakar yaitu Pompa Hidram (Hidraulik Ram).

2.2 Pompa Hidram

(28)

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

Dari diagram yang disajikan di atas, didapatkan rata-rata tinggi tekanan output adalah 7 kali tinggi tekanan input pompa hidram. Pengujian berikutnya dilakukan untuk mendapatkan korelasi antara debit input dan output pompa hidram. Berdasarkan hasil pengujian dan perhitungan yang dilakukan, korelasi antara debit input dan output pompa hidram di sajikan pada diagram di bawah ini.

(29)

2.2.1 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 yang akan menaikkan fluida kerja menuju tabung udara.

Beberapa desain katup limbah yang sering digunakan diantaranya:

(30)

[image:30.595.166.465.131.363.2]

Adapun bagian – bagian sebuah katup limbah dapat dilihat dari gambar dibawah ini:

Gambar 2.4. Bagian – Bagian Katup Limbah.

Keterangan gambar : 1. Tangkai Katup 2. Mur Penjepit Atas 3. Karet Katup 4. Plat 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).

1

2

3

(31)

3. Tabung Udara (Air Chamber)

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

4. Katup Udara (Air Valve)

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

5. Pipa Masuk (Driven Pipe)

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

(32)

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 seperti yang telah dilakukan Teferi Taye (1998) dan yang terakhir baru-baru ni saudara daniel dan parulian (2012), referensi perhitungan panjang pipa masuk oleh Calvert memberikan hasil yang lebih baik dengan efisiensi 30 %.

2.2.2. Sistem Operasi Pompa Hidram

Gambar 2.5 menunjukkan diagram seluruh komponen sistem pompa hydraulic ram pump. Pompa hydraulic ram pump adalah suatu peralatan yang unik dimana peralatan ini menggunakan energi dari aliran air yang memiliki ketinggian jatuh rendah (H) sebagai energi penggerak untuk memompa sebagian air ke tempat yang jauh lebih tinggi dari head sumber air (h). Aliran air yang kontinu mengakibatkan pengeoperasian pompa ini juga kontinu dengan tidak menggunakan sumber energi lain.

(33)

Pompa hydram pump adalah suatu alat yang sederhana dan secara struktur, terdiri atas dua bagian yang bergerak yaitu: katup pembuangan (waste valve), dan katup pengeluaran (delivery valve). Unit ini juga terdiri atas tangki penyimpan udara (air chamber) dan katup udara masuk (snifter valve). Pengoperasian pompa hydram pump adalah intermitent akibat siklus pembukaan dan penutupan dari katup buang dan pengeluaran. Penutupan katup buang yang secara tiba-tiba akan mengakibatkan peningkatan tekanan surge yang tinggi di dalam pipa penggerak (drive pipe) yang dikenal sebagai water hammer. Tangki penyimpan udara dibutuhkan untuk mencegah tekanan yang tinggi ini dan digunakan untuk memompakan air yang mengalir secara intermitent menjadi suatu aliran yang kontinu. Katup udara memberikan udara masuk ke hydram pump menggantikan udara yang diabsorb oleh air akibat tekanan yang tinggi dan percampuran di dalam tangki udara (air chamber).

Siklus pemompaan pompa jenis ini dapat dibagi menjadi empat periode, yang didasarkan pada posisi katup pembuangan seperti yang terlihat dalam gambar berikut ini :

(34)

Dengan urutan penjelasan langkah sebagai berikut :

A.Akselerasi : Katup pembuangan terbuka dan air mulai mengalir dari sumber dan keluar melalui katup pembuangan. Aliran mengalami percepatan akibat pengaruh ketinggian sumber (H), sampai kecepatan nol dicapai di dalam pipa penggerak.

B.Kompresi : Katup pembuangan terus menutup dan akhirnya tertutup penuh. Dan pada saat itu air bergerak sangat cepat dan tiba-tiba kesegala arah yang kemudian mengumpulkan energi gerak yang berubah menjadi energi tekan. C.Delivery : Katup pembuangan tertutup penuh dan tetap tertutup. Penutupan

tiba-tiba mengakibatkan tekanan yang tinggi di dalam hydram dan pada katup kendali (check valve) yang melebihi tekanan penyaluran statis. Katup kendali didorong terbuka dan pemompaan berlangsung sampai kecepatan maksimum dan proses pemompaan berhenti, dibawah pengaruh perlambatan head tekanan penyaluran.

D.Rekoil : Katup penyaluran tertutup. Tekanan dekat tekanan katup kendali jauh lebih tinggi daripada tekanan sumber statis dan aliran balik terhadap sumber aliran. Peristiwa ini disebut kegiatan pembalikan (action recoil). Peristiwa pembalikan mengakibatkan ruang vakum di hydram, secara temporari mendorong sejumlah kecil udara diisap masuk ke dalam hydram melalui katup udara. Tekanan pada bagian bawah katup pembuangan juga terkurangi dan bersamaan dengan pengaruh beratnya sendiri, katup pembuangan membuka secara automatis. Air di dalam pipa penggerak kembali ke tekanan sumber statis sebagaimana sebelumnya dan siklus berikutnya dimulai.

Peristiwa ini secara otomatis diulang pada saat pemompaan.

2.2.3. Palu air (Water hammer)

(35)

berangsur-angsur, perhitungannya dapat dilaksanakan dengan metode lonjakan, dengan memandang cairannya sebagai tak mampu mampat dan konduitnya tegar.

Bila sebuah katup pada jalur pipa ditutup secara cepat pada waktu aliran berlangsung, berkuranglah aliran melalui katup itu. Hal ini meningkatkan tekanan disebelah katup dan menyebabkan merambatnya suatu pulasa tekanan tinggi ke hulu dengan kecepatan gelombang sonik a. Pulsa tekanan ini akan memperkecil kecepatan aliran. Di sebelah hilir katup tekanan berkurang, dan suatu gelombang tekanan merendah melintas ke hilir dengan kecepatan a, yang juga memperkecil kecepatan. Jika penutupannya cukup dan tekanan stedinya cukup rendah, maka dapat terbentuk gelembung uap disebelah hilir katup. Bila hal ini terjadi, ronggs tersebut akhirnya mengempes dan menimbulkan gelombang tekanan tinggi ke hilir.

Secara sederhana berdasarkan hasil penelitian dari PlastOMatics Valves inc (www.plastomatic. Com) perhitungan palu air dapat dinyatakan sebagai berikut:

∆�

=

[(1.015)��]

�

+ 14.5

�

1 ...2.1 Dimana : ∆P = kenaikan tekanan (Bar)

P1 = Tekanan Inlet (Bar) v = Kecepatan aliran (m/s)

t = waktu yang diperlukan dalam penutupan katup secara tiba-tiba (s) L = Panjang pipa (ft)

Persamaan ini digunakan untuk aliran steady dalam pipa, tekanan yang meningkat terjadi akibat penutupan valve secara tiba-tiba.

2.3. Persamaan Energi Pada Pompa Hidram

2.3.1. Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram

(36)

Gambar 2.7. Instalasi Pengujian Pompa Hidram

Berdasarkan gambar di atas, dapat dituliskan persamaan Bernoulli sebagai berikut:

�0 ��

+

�02

2�

+

�

0

− �

�

=

�3 ��

+

�32

2�

+

�

3 ... 2.2 Dengan :

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 HL = Head Losses,( m)

ρ = massa jenis fluida, untuk air, (kg/m30 g = percepatan gravitasi m/s2)

Jika dimasukkan harga – harga yang telah ditentukan, maka persamaan Bernoulli di atas menjadi:

(37)

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 Dengan:

F = gaya fluida yang mengalir, (N) m = massa fluida yang mengalir, (kg)

a = percepatan fluida yang mengalir, (m/s²)

m = ρ.A.L

ρ = massa jenis fluida, untuk air,( 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)

�

3

=

�

=

��

�� ... 2.4

Karena, �3 ��

=

� � ��

�� ... 2.5

Maka :

� − �

�

=

�_��_�� ... 2.6

(38)

………...…(2.7)

Dengan:

HL= Head Losses, (m)

v = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi (m/ s2)

f = faktor gesekan bahan pipa masuk L = panjang pipa masuk (m)

D = diameter pipa masuk, (m)

K = faktor kerugian ( dari lampiran koefisien minor losses peralatan pipa)

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 (v3), dan tekanan pada katup buang, P3, akan sama dengan atmosfer (P3= 0) karena katup limbah dalam keadaan terbuka penuh. Sehingga persamaan Bernoulli akan menjadi:

� − �

�

=

�3 2

2�

...

2.8 Kecepatan V3 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan kontinuitas, dimana harga debit (Q) bernilai konstan (kondisi awal semua fluida yang masuk langsung keluar melalui katup limbah). Sehingga:

�= �3�� ... 2.9 Dengan:

Q = debit air yang keluar melalui katup limbah, (m3/s)

V3 = kecepatan air di titik 3 (yang melalui katup limbah), (m/s) Aw = luas penampang lubang katup limbah, (m2)

(39)

� =1

2��3

2_..._2.10 Dengan:

E = energi hidram, (J)

m = massa fluida yang mengalir, (kg)

v3 = kecepatan massa fluida yang mengalir,(m/s) L = panjang pipa masuk, (m)

A = luas penampang pipa masuk, (m²) Ρ = massa jenis air, (kg/m³)

2.3.2. 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)

... 2.11

Dengan:

ΔHp = kenaikan head tekanan, (m)

c = kecepatan gelombang suara dalam air, (m/s) v1 = kecepatan air sebelum valve menutup, (m/s) v2 = kecepatan air sesudah valve menutup, (m/s) g = percepatan gravitasi, (m/s2)

Menurut David dan Edward, kecepatan gelombang suara di dalam air

didefinisikan dengan persamaan:

�

=

�

��

�

1 2

... 2.12

(40)

Ev = Modulus bulk, yang menyatakan kompresibilitas dari suatu fluida. Untuk air, Ev = 2,07 x 109 N/m2.(dari lampiran)

ρ = massa jenis fluida, untuk air ( kg/m3)

c = kecepatan gelombang suara, dari nilai di atas, cair = 1440 m/s

Besarnya head tekanan yang terjadi dalam instalasi pompa hidram untuk penutupan katup secara gradual adalah:

�

=

_��.�_._� ... 2.13

Dengan:

Hp = kenaikan tekanan akibat palu air, (m) v = kecepatan aliran, (m/s)

L = panjang pipa, (m)

g = percepatan gravitasi, (m/s2) t = waktu penutupan katup, (s)

2.3.3. Efisiensi Pompa Hidram.

Ada dua metode dalam perhitungan efisiensi hidram, yaitu : 1. Menurut D’ Aubuisson :

� = ��.��

(_�_�+�_�)_�_� . 100 % ... 2.14 Dengan :

η = efisiensi pompa hidram

Qs = kapasitas air pemompaan (m3/s) Qw= Kapasitas air katup limbah (m3/s) Hd = ketinggian pemompaan = (Hs + h) (m) Hs = ketiggian suplai air ke katup limbah (m)

2. Menurut Rankine :

�

=

��.ℎ

(41)

Dengan :

η = efisiensi hidram

Qs= kapasitas air pemompaan (m3/s) Qw= Kapasitas air katup limbah (m3/s)

H = ketinggian dari suplai air ke header tank.

2.4 Tinjauan Mekanika Fluida

2.4.1 Tekanan Pada Fluida

Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A:

Keterangan : P = Tekanan F = Gaya

A = Luas Permukaan

Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2. Satuan ini mempunyai nama resmi pascal (Pa).

2.4.2 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 ��̇ dari fluida yang melewati titik tertentu persatuan waktu Δt; laju aliran massa = ��/Δt. Pada gambar 2.1 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 A1 adalah:

(42)

Δm1

Δt =

ρ1ΔV1

Δt =

ρ1A1Δl1

Δt =ρ1A1v1

Gambar 2.8 Aliran Fluida Melalui Pipa yang Diameternya Berubah-ubah

Di mana ΔV₁ = A₁Δl₁ adalah volume dengan massa Δ dan adalah massa jenis fluida. Dengan cara yang sama, pada titik 2 (melalui luas A2), laju aliran adalah . Karena tidak ada aliran fluida yang masuk atau keluar dari sisi-sisi, laju aliran melalui A1 dan A2 harus sama.

Dengan demikian, karena:

Δm1

Δt =

Δm2

Δt

Maka :

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]

(43)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Dalam bab ini dibahas langkah pengukuran kapasitas dari prototype pompa hidram yang 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:

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:

1. Pipa galvanis 4 ½ inci : 1 buah

2. Pipa galvanis 3 ½ inci : 1 buah

3. Diffuser 2 ½ x 3 ½ inci : 1 buah

(44)

Gambar 3.2 Badan Pompa

2. 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.

(45)

Bagian dari katup 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:

- Plat 8 mm ukuran 12,5 x 23,5 cm : 1 buah - Baut M10, ring M10 dan mur M10 : 4 buah

Gambar 3.4 Badan Katup Limbah b. As katup limbah

As ini sebagai pegangan untuk mur, beban katup, baut katup dan plat katup. Salah satu ujungnya dibuat ulir untuk mur 10 dengan panjang masing-masing 10 cm dari ujung as, fungsinya untuk mengatur panjang langkah katup dan mengatur tempat tambahan beban katup limbah.

(46)

Spesifikasi:

- Panjang as 20 cm - Diameter 12 mm c. O - Ring

[image:46.595.216.407.558.722.2]

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 O - Ring Spesifikasi:

- Diameter luar x diameter dalam x tebal : 48 mm x 44 mm x 2 mm

d. Plat katup

Berfungsi untuk menutup katup limbah yang akan mengakibatkan water Hammer.

(47)

Spesifikasi :

- Panjang x lebar 80 mm

e. Mur

Mur bawah berfungsi untuk mengikat plat katup dan mur atas untuk mengatur panjang langkah katup limbah.

Gambar 3.8 mur Spesifikasi :

- Diameter luar 16 mm - Diameter dalam 12 mm

f. Beban katup limbah

Beban katup limbah berfungsi sebagai alat pengujian yang akan divariasikan bebannya.

Gambar 3.9 Beban katup limbah 3. Katup Hantar

Katup ini menghantarkan air dan 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:

(48)

- Baut M16 x 40 : 8 buah

- Baut M8 x 40 : 4 buah

Gambar 3.10 Katup Hantar 4. Tabung Udara.

Tabung udara berfungsi meneruskan dan melipatgandakan tenaga pernompaan, sehingga air yang masuk ke tabung kompresor dapat dipompa naik.

Gambar 3.11 Tabung Udara Spesifikasi :

(49)

2. Bak penyuplai dan penampung

Berfungsi untuk menyuplai air kepompa dan menampung air yang keluar dari katup limbah.

Gambar 3.12 Bak penyuplai Spesifikasi bak penyuplai :

[image:49.595.214.406.150.269.2]

- Panjang 100 cm - Lebar 80 cm - Tinggi 60 cm - Bahan fiber

Gambar 3.13 Bak penampung Spesifikasi bak penampung :

(50)

3. Pompa sentrifugal

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 - Tinggi isap : 9 meter

[image:50.595.183.431.164.581.2]

(51)

4. Landasan pompa

Berfungsi sebagai dudukan pompa agar dapat berdiri tegak dan kokoh.

Gambar 3.15 Landasan Pompa Spesifikasi:

- Tinggi 30 cm

3.2 Alat Ukur Yang Digunakan

Untuk pengujian digunakan beberapa alat ukur guna mengukur beberapa variabel yang dibutuhkan, diantaranya :

3.2.1 Manometer

Manometer dalam penelitian kali ini digunakan untuk mengukur tekanan pada sisi inlet pompa hidram dan tekanan pada sisi keluar pompa hidram, sehingga akan didapatkan data mengenai perubahan tekanan air pada pompa hidram yang diakibatkan proses water hammer.

(52)

Gambar 3.16 manometer Spesifikasi :

- Merek Tekiro - Satuan dalam bar

- Tekanan maksimum 2,5 bar

3.2.2 Alat Ukur Debit Aliran.

[image:52.595.209.426.60.281.2]

Untuk mengetahui berapa debit aliran yang dihasilkan oleh pompa pada pipa masuk dan pipa penghantar, alat yang digunakan adalah flow meter. Flow meter yang digunakan ada 2 jenis, 2 inci dan 1 inci.

Gambar 3.17 flow meter 2 inci

(53)

- Diameter 50 mm

- Temperatur air : 30° C - Tekanan air : < 1 MPa

Gambar 3.18 flow meter 1 inci Spesifikasi flow meter 1 inci :

- Merk BR (Bopp & Reuther) - Diameter 25 mm

- Temperatur air : 30° C - Tekanan air : < 1 Mpa

3.2.3 Alat Ukut Waktu

Untuk pengukuran waktu digunakan stopwatch. Berikut adalah alat ukur waktu yang digunakan dalam pengujian.

Gambar 3.19Stopwatch Spesifikasi : - Merk CASIO

- 7 digits

(54)

- 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.

Gambar 3.20 Meteran ukur Spesifikasi meteran ukur :

- panjang 5 meter - ukuran mm, cm, inchi

Gambar 3.21 Mistar Ukur Spesifikasi mistar ukur:

(55)

3.2.5 Timbangan digital

Alat ukur berat yaitu timbangan digital ini digunakan untuk megukur berat beban katup limbah.

Gambar 3.22. Timbangan digital Spesifikasi timbangan :

- ACIS AD-600 H - Kapasitas 600 gr - Resolusi 0,01 gr - Pan Size 115 mm

3.3 Skema Penelitian

Skema penelitian adalah gambaran mengenai rangkaian alat yang akan di teliti. Dalam penelitian kali ini, ada 9 (sembilan) macam rangkaian alat, yaitu:

1. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter 114.3 mm dengan tinggi tabung 60 cm dengan panjang pipa masuk 15 m dan dengan beban katup limbah 500 gr dan dengan head supply 3 m.

(56)

8. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter 114.3 mm dengan tinggi tabung 100 cm dengan panjang pipa masuk 15 m dan dengan beban katup limbah 550 gr dan dengan head supply 3 m. 9. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter

(57)

[image:57.595.117.512.68.326.2]

Gambar 3.23 Skema penelitian pompa hidram Keterangan gambar :

1. Tangki pemasukan 2. Katup Bola

(58)

3.4 Variabel Yang Diamati

Adapun variabel yang diamati pada penelitian kali ini adalah: 1. Tekanan pada sisi masuk badan hidram

[image:58.595.59.555.295.536.2]

2. Tekanan pada tabung udara 3. Tekanan pada pipa penghantar 4. Debit air yang masuk ke pipa masuk 5. Debit air yang keluar dari pipa keluaran

Gambar 3.24.Susunan alat ukur

3.5 Langkah Penelitian

1. Persiapan

Pengujian diawali dengan mempersiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan, kemudian dirakit sesuai dengan instalasi yang dibutuhkan untuk pengujian. Setelah perakitan selesai dilakukan pengecekan kebocoran pada instalasi.

Manometer untuk mengukur tekanan pada pipa masuk. Manometer untuk mengukur tekanan pada tabung udara

Manometer untuk mengukur tekanan pada pipa keluaran.

(59)

2. Simulasi Percobaan

Sebelum melakukan penelitian, dilakukan terlebih dahulu simulasi percobaan. Simulasi dalam penelitian ini meliputi simulasi performa pompa hidram, simulasi kesesuaian alat ukur, dan simulasi metode pengambilan data. Simulasi ini dilakukan untuk pengecekan lebih lanjut untuk melihat apakah alat bisa beroperasi normal serta melihat bagian-bagian yang masih perlu untuk diperbaiki sebelum pengujian dan pengambilan data.

3. Pelaksanaan Pengujian

Adapun volume tabung udara dan panjang pipa pemasukan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

• Tabung Udara

Diameter tabung : 11.43 cm

Tinggi tabung : 60 cm, 80 cm, 100 cm • Pipa

Panjang : 15 m

Diameter : 50,8 mm

Sedangkan parameter yang ditetapkan adalah sebagai berikut:

• Tinggi datum : 3.3 m

• Diameter pipa masuk : 50,8 mm • Diameter pipa keluar : 25,4 mm

Parameter yang diukur sebagai berikut: • Debit limbah (Q3)

• Debit hasil (Q2)

• Tekanan pada pipa masuk saat katup terbuka (P1) • Tekanan pada tabung udara (Ptu)

• Tekanan pada pipa masuk saat katup tertutup (P2) • Tekanan pada pipa keluar (Pout)

• Jumlah ketukan katup limbah (N) Parameter yang dihitung:

(60)

3.6 Prosedur Pengujian

Adapun prosedur pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut :

1. Menyiapkan prototype hidram dan seluruh instalasinya pada tempat pengujian. 2. Memasang bak penyuplai pada tempat head pemasukan.

3. Memasang bak penampungan dan meletakkan pompa hidram di dalamnya . 4. Memasang pipa masuk dengan panjang sesuai dengan pengujian yang akan dilakukan .

5. Memasang pipa keluar dengan panjang sesuai head yang akan di capai. 6. Memasang semua alat ukur yang digunakan , yaitu manometer 1 (P1) pada

badan pompa, manometer 2 (Pout) pada pipa keluar , manometer 3 (Ptu) pada tabung udara , flow meter 1 pada pipa pemasukan dan flow meter 2 di pipa keluar.

7. Memasang instalasi pompa air untuk mensirkulasikan air yang keluar dari katup limbah dalam bak penampung agar dikembalikan lagi ke bak penyuplai.

8. Memasang gate valve pada pipa pemasukan untuk membuka dan menutup pipa pemasukan.

9. Memasang tabung udara dengan volume tabung yang sudah ditentukan. 10. Memastikan semua instalasi telah terpasang dengan baik dan memastikan tidak ada kebocoran.

11 .Untuk pengujian gunakan tabung dengan diameter 6.35 , panjang tabung 60 cm dan panjang pipa masuk 15 m.

12. Menjalankan sistem dan melakukan pengujian yaitu dengan mencatat

tekanan pada badan pompa (P1) , tekanan pada pipa keluar (Pout), tekanan pada tabung udara (Ptu), debit masuk (Q1), debit air hasil(Q2), debit limbah (Q3).

Pengukuran debit dengan menggunakan flow meter dan stopwatch.

(61)

Gambar 3.25 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir Start

Studi Literatur

Perencanaan Dimensi Pompa Hidram

Perakitan Pompa Hidram

Test performansi pompa hidram ( simulasi percobaan)

Pengambilan Data Hasil

Perhitungan dan Analisa

Kesimpulan dan Saran

Selesai Ya

(62)

BAB IV

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 Perhitungan Aliran Air Pada Pompa Hidram

4.1.1 Kapasitas Aktual Pada Pipa Pemasukan

Pengukuran di lakukan dengan mengunakan alat ukur flow meter dengan mengukur kapasitas pada katup buang dan kapasitas pada pipa discharge, pengukuran dilakukan sebanyak dua kali untuk mendapatkan data yang akurat. Q = Q2 + Q3 (m3/s)

Q = 0.000110 + 0.001065 m3/s

Q = 0.001175 (m3/s) (dari rata-rata dua kali hasil pengujian untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter)

Dengan cara yang sama diperoleh kapasitas aktual untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter dalam tabel berikut: Tabel 4.1 Kapasitas aktual untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter.

No Tabung Beban Katup Limbah

(gram)

Debit ( Q1 ) (m3/s)

500 0,001175

Tabung 1 tinggi 100 cm 550 0,001179

600 0,001158

500 0,001167

600 0,001208

500 0,001133

(63)

[image:63.595.112.515.83.327.2]

Gambar 4.1 Grafik kapasitas aktual pipa pemasukan vs beban katup limbah Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa kebutuhan (kapasitas) air tiap tabung berbeda-beda. Hal ini diakibatkan karena volume tabung yang berbeda. Semakin besar volumenya semakin besar juga kapasitas yang dibutuhkan. Hal ini berbanding terbalik dengan beban katup limbah dikarenakan gaya air yang digunakan untuk menekan katup limbah semakin besar seiring meningkatnya beban katup limbah. Pada saat percobaan ada kejadian masih terperangkapnya udara dalam pipa seperti pada tabung 2 beban 3, hal ini mengakibatkan laju aliran air yang besar demikian juga dengan debitnya. Akibat kejadian ini akan kita lihat pada grafik-grafik berikutnya.

4.1.2 Kecepatan Aliran Dalam Pipa Pemasukan

Kecepatan aliran didalam pipa didapat dengan menggunakan rumus :

V1 = �1 �1

�

=

��

2

=

�

x ( 0,0277 )

2

= 0,0024093 m

2

0.001040 0.001060 0.001080 0.001100 0.001120 0.001140 0.001160 0.001180 0.001200 0.001220

480 500 520 540 560 580 600 620

Q1 ak tu al m 3/s

Beban Katup Limbah (gram)

Tabung 1

Tabung 2

(64)

V

1

=

0,001175 �3/� 0,0024093 m2

= 0,4877 m/s

[image:64.595.106.518.277.514.2]

Dengan cara yang sama akan diperoleh kecepatan aliran untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter dalam tabel berikut :

Tabel 4.2 Kecepatan aliran pipa masuk untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter.

(gram)

Kecepatan ( V1 ) (m/s)

500 0,48769

600 0,48078

500 0,48423

600 0,50153

500 0,4704

(65)

[image:65.595.114.516.82.331.2]

Gambar 4.2 Grafik kecepatan aliran pipa vs beban katup limbah

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa kecepatan meningkat seiring meningkatnya volume tabung. Hal ini berbanding terbalik dengan seiring meningkatnya beban katup limbah, kecepatan aliran akan semakin menurun. Masih terperangkapnya udara didalam pipa seperti dijelaskan pada penjelasan grafik sebelumnya seperti pada tabung 2 beban 3 mengakibatkan kecepatan aliran menjadi besar.

4.1.3 Kapasitas Untuk Pipa Keluaran

Pengukuran dilakukan dengan menggunakan alat ukur flow meter dengan mengukur kapasitas yang keluar dari pipa keluaran, pengukuran dilakukan dengan dua kali untuk mendapatkan data yang akurat.

Q2 = 0,000110 m3/s

Dengan cara yang sama akan diperoleh Q2 untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter dalam tabel berikut :

0.4300 0.4400 0.4500 0.4600 0.4700 0.4800 0.4900 0.5000 0.5100

480 500 520 540 560 580 600 620

V1

(m

/s

)

Beban Katup Limbah (gram)

Tabung 1

Tabung 2

(66)

Tabel 4.3 Kapasitas pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter.

(gram)

Debit keluaran ( Q2 ) (m3/s)

500 0,000110

600 0,000110

500 0,000106

600 0,000077

500 0,000139

[image:66.595.109.519.130.625.2]

600 0,000094

Gambar 4.3 Grafik kapasitas pipa keluaran vs beban katup limbah

Dari grafik diatas dapat dilihat pengaruh bahwa masih terperangkapnya udara didalam seperti yang dijelaskan sebelumnya pipa mengakibatkan tekanan berkurang dan akhirnya menurunkan kapasitas keluaran pada tabung 2 beban 3. Selain itu dapat juga dilihat debit terbesar ada pada tabung 3 dikarenakan pada

0.000000 0.000020 0.000040 0.000060 0.000080 0.000100 0.000120 0.000140 0.000160

480 500 520 540 560 580 600 620

Q2

(m

3/s)

Beban Katup Limbah (gram)

Tabung 1

Tabung 2

(67)

tabung ini debit aliran konstan, sedangkan pada pada tabung lainnya debit aliran tidak konstan.

4.1.4 Kecepatan Aliran pada Pipa Keluaran

Kecepatan aliran pipa discharge didapat dengan menggunkan rumus : Q2 = V2 x A2

A = πr2

= π x ( 0,014 m)2

= 0,00061544 m2

V2 = 0,000110

0,00061544

= 0,0115 m/s [image:67.595.109.519.496.731.2]

Dengan cara yang sama akan diperoleh V2 untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter dalam tabel berikut :

Tabel 4.4 Kecepatan pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter.

(gram)

Kecepatan ( V2 ) (m/s)

500 0,1781

600 0,1781

500 0,1720

600 0,1246

500 0,2254

(68)

[image:68.595.113.515.82.324.2]

Gambar 4.4 Grafik kecepatan aliran pipa keluaran vs beban katup limbah Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa kecepatan aliran berbanding lurus dengan debit aliran.

4.2 Faktor Kerugian

4.2.1 kerugian head mayor (mayor losses) dalam pipa pemasukan

Untuk itu harus dihitung besarnya bilangan Reynold dengan mengetahui parameter-parameter yang diketahui besarnya. Besarnya Reynold (Re), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

Re

=

�1�1

�

Dimana : d1 = 0,0554 m ( diameter pipa ) v1 = 0,4877 m/s ( kecepatan aliran )

u = 1,02 x 10-6 m/s ( viskositas kinematik air diambil 20oC )

Re

=

0.0554 � � 0.4877 �/�

1.02 �10−6 �2/�

=

26.910,94

0.0000 0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500

480 500 520 540 560 580 600 620

V2

m

/s

Tabung 1

Tabung 2

(69)

Jenis aliran : Re < 2300 laminar

2300 < Re < 4000 transisi Re > 4000 turbulen

Dengan cara yang sama akan diperoleh bilangan Re untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter dalam tabel berikut: Tabel 4.5 Bilangan Re untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter.

No Tabung Beban Katup Limbah (gram)

Bilangan Reynold (Re)

500 26910,94

Tabung 1 tinggi 100 550 27006,0063

cm 600 26528,8684

500 26719,7236

Tabung 2 tinggi 80 cm 550 25956,3029

600 27673,9994

500 25956,3029

Tabung 3 tinggi 60 cm 550 25002,0271

(70)

Gambar 4.5 Grafik Bilangan Reynold pipa masuk vs beban katup limbah Dari data diatas dapat dilihat bahwa grafik Re vs Beban katup limbah berbanding lurus dengan grafik kecepatan masuk vs beban katup limbah.

Head losses mayor dihitung menggunakan persamaan Darcy – Weisbach, yaitu :

hf = f

�

� �2

2�

Dimana : f = faktor gesekan

Untuk pipa sangat halus seperti glass dan plastik, hubungan antara bilangan Reynold dan faktor gesekan adalah blasius.

Untuk Re 3000 s/d 100.000

f = 0,316

�� 0,25 =

0,316 26910 ,940,25

f = 0,024672

hf = f

�1

�12

2�

f = 0,0245

d1 = 0,0554 m ( diameter pipa) 24000.0000 24500.0000 25000.0000 25500.0000 26000.0000 26500.0000 27000.0000 27500.0000 28000.0000

480 500 520 540 560 580 600 620

B

il

an

gan

Re

Beban Katup Limbah (gram)

Tabung 1

Tabung 2

(71)

L1 = 15 m ( panjang pipa )

v1 = 0,4877 m/s ( kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa ) g = 9,8 m/�2 ( percepatan gravitasi )

hf

= 0,0245 15

0,0554

0,48772

2 � 9,8

hf

= 0,0805 m [image:71.595.119.518.354.590.2]

Dengan cara yang sama akan diperoleh head losses mayor untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter dalam tabel berikut: Tabel 4.6 Head losses mayor untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter.

Head Losses Mayor (hf) (m)

500 0,080498

Tabung 1 tinggi 100 550 0,081070

cm 600 0,078231

500 0,079360

600 0,085130

500 0,074890

(72)

Gambar 4.6 Grafik head losses mayor (hf) vs beban katup limbah

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa losses mayor terbesar terjadi pada percobaan tabung 2 beban 3. Hal ini dikarenakan seperti yang dijelaskan pada grafik-grafik sebelumnya bahwa akibat udara yang terperangkap mengakibatkan kerja pompa tidak bekerja maksimal, hal ini dibuktikan dengan losses mayor yang besar seperti pada grafik diatas. Sementara losses mayor terkecil ada pada tabung 3 pada beban 3.

4.2.2 Kerugian head minor ( minor losses ) dalam pipa pemasukan

Kerugian head minor pada pipa pemasukan adalah kerugian karena kelengkapan pipa seperti belokan, sambungan, siku, dan katup,reducer dan katup bola.

hm

=

∑

n.k.

�1

2

2�

Dimana : n = jumlah kelengkapan pipa

k = koefisien kerugian (dari lampiran koefisien minor losses pipa)

v1 = 0,4877 m/s ( kecepatan aliran rata-rata dalam pipa )

g = 9,8 m/s2 (percepatan gravitasi ) 0.000000

0.020000 0.040000 0.060000 0.080000 0.100000

450 500 550 600 650

h

f

(m

)

Beban katup limbah (gram)

Tabung 1

Tabung 2

(73)

[image:73.595.110.513.112.374.2]

Tabel 4.7 koefisien kerugian untuk pipa pemasukan

Kelengkapan pipa N k nk

Sisi Masuk 1 0,5 0,5

Reducer 1 0,08 0,08

Socket (sambungan) 3 0,04 0,12

Katup bola 1 0,05 0,05

Belokan 2 0,042 0,084

Union 1 0,04 0,04

Sisi Keluar 1 1,05 1,05

Water Meter 1 7 7

∑K 8.924

ℎ�= 8,924 � 0,4877

2

2 � 9,8 = 0,1046 m

Dengan cara yang sama akan diperoleh head losses minor untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter dalam tabel berikut :

Tabel 4.8 Head losses minor untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter.

(gram)

Head Losses minor (hm) (m)

500 0,1046

600 0,1017

500 0,1032

600 0,1107

500 0,0974

[image:73.595.108.517.523.750.2]

(74)

[image:74.595.109.491.109.320.2]

Gambar 4.7 Grafik head losses minor (hm) vs beban katup limbah

Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa minor losses berbanding lurus dengan mayor losses. Penjelasannya sama seperti pada penjelasan grafik mayor losses.