Pengujian Pengaruh Variasi Head Supply Dan Panjang Langkah Katup Limbah Terhadap Unjuk Kerja Pompa Hidram

PENGUJIAN PENGARUH VARIASI

HEAD SUPPLY

DAN PANJANG LANGKAH KATUP LIMBAH

TERHADAP UNJUK KERJA POMPA HIDRAM

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

FRANCISCUS M. SITOMPUL

NIM. 080401071

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-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul

“PENGUJIAN PENGARUH VARIASI HEAD SUPPLY DAN PANJANG LANGKAH KATUP LIMBAH TERHADAP UNJUK KERJA POMPA HIDRAM” ini dengan baik.

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 tidak lupa penulis mengucapkan terimakasih kepada :

1. Bapak Ir.Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing, yang dengan

penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera dan juga sebagai dosen pembanding dan Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT sebagai dosen pembanding yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyusunan 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. Orang tua penulis J.Sitompul dan T. Br. Panggabean yang memberikan

dukungan moril dan materil, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang

telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

7. Rekan satu tim skripsi, Herto M. Marbun dan Uccok Prans Sinaga yang

8. Teman - teman penulis yaitu seluruh rekan mahasiswa angkatan 2008, para abang dan kakak senior, serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberi dukungan dan semangat kepada penulis.

9. Kepada pihak-pihak lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.

Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.

Medan, Mei 2013

ABSTRAK

Pada tugas akhir ini dilakukan pengujian pengaruh variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah terhadap unjuk kerja pompa hidram. Dalam

penelitian pompa hidram yang penulis lakukan, menggunakan variasi head supply

2,3 m, 2,8 m dan 3,3 m dan variasi panjang langkah katup limbah 15 mm, 20 mm dan 25 mm. Tabung udara dengan volume 0,006153 m³ dan panjang pipa

pemasukan 15 m. Dari hasil pengujian dan perhitungan diperoleh bahwa head

supply berpengaruh terhadap tekanan yang diakibatkan oleh palu air dan panjang langkah katup limbah berpengaruh terhadap debit dan kecepatan aliran. Head

tekanan gradual maksimum sebesar 0,6076 m yang terhubung paralel head supply

3,3 m dan panjang langkah katup limbah 25 mm. Efisiensi maksimum pompa

hidram sebesar 43,14 % yang terhubung paralel dengan head supply 2,3 m dan

panjang langkah katup limbah 15 mm pada efisiensi D’Aubuisson.

ABSTRACT

This study aims to test the influence of variations in head supply and length of waste valve stroke on the hydram pump performance. In research of hydraulic ram which is writer do, using variation of head supply 2.3 m, 2.8 m and 3.3 m and length of waste valve stroke 15 mm, 20 mm and 25 mm. Volume of an air chamber 0.006153 m³ and length of inlet pipe 15 m. From the result of testing and calculation found that the variation of head supply effect on pressure caused water hammer and length of waste valve stroke effect on capacity and velocity of flow. Maximum gradual pressure head 0,6076 m connected in parallel with head supply 3,3 m and length of waste valve stroke 25 mm. Maximum efficiency of hydram pump 43.14% connected in parallel with head supply 2.3 m and length of waste valve stroke 15 mm in efficiency D’Aubuisson.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... x

DAFTAR SIMBOL ... xiii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 3

1.4 Batasan Masalah...4

1.5 Manfaat Penelitian ... 4

1.6 Sistematika Penulisan ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6

2.1 Pompa ... 6

2.2 Pompa Hidram ... 7

2.2.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya ... 7

2.2.2 Sistem Operasi Pompa Hidram ... 11

2.3 Tinjauan Mekanika Fluida ... 16

2.3.1 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida ... 16

2.3.2 Tekanan Pada Fluida ... 17

2.3.3 Gerak Fluida dan Laju Aliran... 18

2.3.4 Energi dan Head... 19

2.3.5 Persamaan Bernoulli... 21

2.3.6 Aliran Laminer dan Turbulen... 22

2.3.7 Kerugian Head (Head Losses)... . 23

2.4 Dasar Perencanaan Pompa ... 27

2.4.2 Head Pompa ... 27

2.4.3 Sifat Zat Cair ... 28

2.5 Persamaan Energi Pada Pompa Hidram ... 29

2.5.1 Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram ... 29

2.5.2 Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air ... 33

2.5.3 Efisiensi Pompa Hidram... 33

2.6 Analisis Ketidakpastian... 34

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 36

3.1 Peralatan Yang Pengujian ... 36

3.2 Alat Ukur Yang Digunakan ... 43

3.2.1 Manometer... 43

3.2.2 Alat Ukur Debit Aliran... 44

3.2.3 Alat Ukur Waktu... 46

3.2.4 Alat Ukur Panjang... . 46

3.3 Skema Penelitian ... 47

3.4 Variabel Yang Diamati ... 49

3.5 Langkah Penelitian... ... 50

3.6 Prosedur Pengujian... ... 51

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA ... 54

4.1 Perhitungan Aliran Air Pada Pompa Hidram ... 54

4.1.1 Kapasitas Aliran Dalam Pipa Pemasukan ... 54

4.1.2 Kecepatan Aliran Dalam Pipa Pemasukan ... 55

4.1.3 Kapasitas Aliran Dalam Pipa Discharge... 57

4.1.4 Kecepatan Aliran Dalam Pipa Discharge... 58

4.2 Faktor Kerugian ... 60

4.2.1 Kerugian head mayor (mayor losses) dalam pipa pemasukan ... 60

4.2.3 Kerugian head mayor (mayor losses) dalam pipa

discharge... ... 65

4.2.4 Kerugian head minor (minor losses) dalam pipa discharge... ... 68

4.3 Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Palu Air... 70

4.4 Menghitung Energi Yang Dibangkitkan Oleh Pompa Hidram Akibat Palu Air... 71

4.5 Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Gradual... ... 74

4.6 Menghitung Daya Pompa... 76

4.7 Efisiensi Pompa Hidram... 79

4.8 Grafik Satu Siklus Kerja Pompa Hidram... 83

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 85

5.1 Kesimpulan ... 85

5.2 Saran ... 86

DAFTAR PUSTAKA ... 87

LAMPIRAN A Hasil percobaan dan ketidakpastian B Data sheet pengujian

C Gambar rancangan pompa hidram

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1a Katup kerdam sederhana……….………...….…………. 8

Gambar 2.1b Katup kerdam berpegas………..……….……... 8

Gambar 2.1c Katup karet lentur ………... 8

Gambar 2.2 Bagian – bagian katup limbah……….……...………….……... 9

Gambar 2.3 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk…...…... 11

Gambar 2.4 Skema pompa hidram pada kondisi A………..………... 12

Gambar 2.5 Skema pompa hidram pada kondisi B…………..….……..…...…... 13

Gambar 2.6 Skema pompa hidram pada kondisi C………...…..…...……... 13

Gambar 2.7 Skema pompa hidram pada kondisi D…………....…..……...…..… 14

Gambar 2.8 Diagram satu siklus kerja pompa hidram... 15

Gambar 2.9 Profil kecepatan pada saluran tertutup... 16

Gambar 2.10 Profil kecepatan pada saluran terbuka..…...……….…... 16

Gambar 2.11 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah..…... 18

Gambar 2.12 Ilustrasi persamaan Bernoulli……….. 22

Gambar 2.13 Diagram Moody ……….. 24

Gambar 2.14 Skema instalasi pompa hidram..………..……….……... 29

Gambar 3.1 Prototype pompa hidram..………...………... 36

Gambar 3.2 Badan pompa.………..……….………...….... 37

Gambar 3.3 Katup limbah... 37

Gambar 3.4 Badan katup... 38

Gambar 3.5 As katup limbah... 38

Gambar 3.6 O – ring... 39

Gambar 3.8 Mur... 40

Gambar 3.9 Katup penghantar………...………... 40

Gambar 3.10 Tabung udara... 41

Gambar 3.11 Bak penyuplai...…….…....………... 41

Gambar 3.12 Bak penampung.……….……… 42

Gambar 3.13 Pompa sirkulasi...…….………..………. 42

Gambar 3.14 Landasan pompa... 43

Gambar 3.15 Manometer...………...……….. 44

Gambar 3.16 Flow meter 2 inch... 45

Gambar 3.17 Flow meter 1 inch... 45

Gambar 3.18 Stopwatch... 46

Gambar 3.19 Meteran ukur... 46

Gambar 3.20 Jangka sorong... 47

Gambar 3.21 Skema penelitian pompa hidram... 48

Gambar 3.22 Susunan alat ukur... 50

Gambar 3.23 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir..………..………… 53

Gambar 4.1 Grafik kapasitas aliran pipa pemasukan vs panjang langkah katup limbah...……...…...….. 55

Gambar 4.2 Grafik kecepatan aliran pipa pemasukan vs panjang langkah katup limbah... 56

Gambar 4.3 Grafik kapasitas aliran pipa discharge vs panjang langkah katup limbah... 58

Gambar 4.5 Grafik tekanan pipa discharge vs head supply... 71

Gambar 4.6 Grafik energi vs panjang langkah katup limbah... 74

Gambar 4.7 Grafik kenaikan head tekanan gradual vs panjang langkah katup

limbah... 76

Gambar 4.8 Grafik daya pompa vs panjang langkah katup limbah... 78

Gambar 4.9 Instalasi pompa hidram menurut D’Aubuisson ... 79

Gambar 4.10 Grafik efisiensi D’Aubuisson vs panjang langkah katup limbah.... 80

Gambar 4.11 Instalasi pompa hidram menurut Rankine... 81

Gambar 4.12 Grafik efisiensi Rankine vs panjang langkah katup limbah... 82

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Nilai kekasaran dinding untuk berbagai pipa komersil……....……….24

Tabel 4.1 Kapasitas aliran pipa pemasukan untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah...54

Tabel 4.2 Kecepatan aliran pipa pemasukan untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah...56

Tabel 4.3 Kapasitas aliran pipa discharge untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah...…...57

Tabel 4.4 Kecepatan aliran pipa discharge untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah...………59

Tabel 4.5 Bilangan Re pipa pemasukan untuk variasi head supply dan panjang

langkah katup limbah ...61

Tabel 4.6 Faktor gesekan pipa pemasukan untuk variasi head supply dan panjang

langkah katup limbah...62

Tabel 4.7 Head losses mayor pipa pemasukan untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah... 63

Tabel 4.8 Koefisien kerugian untuk pipa pemasukan... 64

Tabel 4.9 Head losses minor pipa pemasukan untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah... 65

Tabel 4.10 Bilangan Re pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang

langkah katup limbah... 66

Tabel 4.11 Faktor gesekan pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang

Tabel 4.12 Head losses mayor pipa discharge untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah... 68

Tabel 4.13 Koefisien kerugian untuk pipa discharge... 69

Tabel 4.14 Head losses minor pipa discharge untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah... 69

Tabel 4.15 Tekanan pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang

langkah katup limbah... 70

Tabel 4.16 Kecepatan aliran katup limbah untuk variasi head supply dan panjang

langkah katup limbah... 72

Tabel 4.17 Besar energi untuk variasi head supply dan panjang langkah katup

limbah... 73

Tabel 4.18 Besar peningkatan tekanan gradual untuk variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah... 75

Tabel 4.19 Head delivery untuk variasi head supply dan panjang langkah katup

limbah... 77

Tabel 4.20 Besar daya pompa untuk variasi head supply dan panjang langkah

katup limbah... 78

Tabel 4.21 Efisiensi menurut D’Aubuisson untuk variasi head supply dan panjang

langkah katup limbah... 80

Tabel 4.22 Efisiensi menurut Rankine untuk variasi head supply dan panjang

DAFTAR SIMBOL

Simbol Arti Satuan

A1 Luas penampang pipa pemasukan m2

A2

A3

Luas penampang pipa discharge

Luas penampang katup limbah

m2

m2

Awaste

C

Luas penampang katup limbah

Koefisien kekasaran pipa Hazen-Williams

m2

D

d

Diameter pipa pemasukan

Diameter pipa discharge

m

m

d1 Diameter penampang pipa pemasukan m

d2 Diameter penampang pipa discharge m

d3 Diameter penampang katup limbah m

E Ef Energi hidram Energi Tekan Joule Joule Ek Ep Ev

Energi kinetik dalam aliran pipa masuk

Energi potensial

Modulus bulk untuk air

Joule

Joule

2,07 x 109

N/m²

f Faktor gesekan bahan pipa

F Gaya fluida yang mengalir N

g Percepatan gravitasi 9.81 m/s2

HL Head losses m

hf Kerugian head mayor m

hm Kerugian head minor m

H Head supply m

h Head output m

L Panjang pipa M

m Massa air yang mengalir dalam pipa Kg

n

P

Jumlah ketukan

Daya pompa Watt

P Tekanan statis fluida Pa

P0 Tekanan pada tiitk 0 (tekanan atmosfer) bar

P1 Tekanan pada pipa pemasukan bar

P2 Tekanan pada pipa discharge bar

P3

Ptu

Tekanan pada katup limbah

Tekanan pada tabung udara

bar

bar

Q1 Kapasitas aliran pipa pemasukan m3/s

Q2 Kapasitas aliran pipa discharge m3/s

Q3 Debit air yang melalui katup limbah m3/s

Q Debit limbah m3_/s

q Debit hasil pemompaan m3_/s

t Waktu untuk 1 ketukan s

vt Kecepatan aliran keluar bak penyuplai m/s

v0 Kecepatan aliran pada titik 0 (bak penyuplai) m/s

v1 Kecepatan aliran pada pipa pemasukan m/s

v2 Kecepatan aliran pada pipa discharge m/s

v3

W

Kecepatan aliran pada katup limbah

Ketidakpastian

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

ABSTRAK

Pada tugas akhir ini dilakukan pengujian pengaruh variasi head supply dan

panjang langkah katup limbah terhadap unjuk kerja pompa hidram. Dalam

penelitian pompa hidram yang penulis lakukan, menggunakan variasi head supply

2,3 m, 2,8 m dan 3,3 m dan variasi panjang langkah katup limbah 15 mm, 20 mm dan 25 mm. Tabung udara dengan volume 0,006153 m³ dan panjang pipa

pemasukan 15 m. Dari hasil pengujian dan perhitungan diperoleh bahwa head

supply berpengaruh terhadap tekanan yang diakibatkan oleh palu air dan panjang langkah katup limbah berpengaruh terhadap debit dan kecepatan aliran. Head

tekanan gradual maksimum sebesar 0,6076 m yang terhubung paralel head supply

3,3 m dan panjang langkah katup limbah 25 mm. Efisiensi maksimum pompa

hidram sebesar 43,14 % yang terhubung paralel dengan head supply 2,3 m dan

panjang langkah katup limbah 15 mm pada efisiensi D’Aubuisson.

ABSTRACT

This study aims to test the influence of variations in head supply and length of waste valve stroke on the hydram pump performance. In research of hydraulic ram which is writer do, using variation of head supply 2.3 m, 2.8 m and 3.3 m and length of waste valve stroke 15 mm, 20 mm and 25 mm. Volume of an air chamber 0.006153 m³ and length of inlet pipe 15 m. From the result of testing and calculation found that the variation of head supply effect on pressure caused water hammer and length of waste valve stroke effect on capacity and velocity of flow. Maximum gradual pressure head 0,6076 m connected in parallel with head supply 3,3 m and length of waste valve stroke 25 mm. Maximum efficiency of hydram pump 43.14% connected in parallel with head supply 2.3 m and length of waste valve stroke 15 mm in efficiency D’Aubuisson.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pompa hidram pertama kali dibuat oleh John Whitehurst dari Cheshire, Inggris pada tahun 1772, yang dikendalikan secara manual. Untuk pertama kalinya dipasang di Oulton, Cheshire untuk menaikkan air sampai ketinggian 16 kaki (4,9 meter). Pompa hidram otomatis pertama kali dibuat oleh seorang ilmuwan Prancis bernama Joseph Michel Montgolfier pada tahun 1796 untuk menaikkan air di sebuah pabrik kertas di daerah Voiron. Satu tahun kemudian, Matthew Boulton, memperoleh hak paten atas pompa tersebut di Inggris. Anak dari Montgolfier memperoleh hak paten di Inggris untuk versi perbaikannya pada tahun 1816 bersamaan dengan desain Whitehurst pada tahun 1820 melalui Josiah Easton, seorang insinyur kelahiran Somerset.

Usaha Easton diwarisi oleh putranya, James (1796-1871) yang berkembang pada abad ke sembilan belas menjadi salah satu manufaktur terpenting di Inggris. Mereka mengkhususkan usahanya di bidang pengairan dan sistem drainase. Easton mengembangkan pompa hidram hingga menjadi usaha terbaik dalam penyediaan air bersih untuk keperluan rumah tangga, peternakan masyarakat desa, dan sejumlah instalasi Easton masih bertahan hingga tahun 2004. Perusahaan ini akhirnya ditutup pada tahun 1909. Pada tahun 1929, usaha Easton ini diakuisisi oleh Green and Carter, dari Winchester, Hampshire, yang terlibat dalam pembuatan dan instalasi pompa hidram Vulcan dan Vacher. Di Benua Amerika, hak paten hidram pertama kali di pegang oleh J. Cernau dan SS Hallet pada tahun 1809. Menjelang akhir abad ke sembilan belas, kepopuleran pompa hidram mulai berkurang, seiring berkembangnya penggunaan pompa elektrik secara luas.

atas karya mereka mengembangkan pompa hidram yang dapat dipelihara dengan mudah untuk digunakan di desa - desa terpencil.

Air merupakan sumber daya yang sangat diperlukan oleh makhluk hidup baik untuk memenuhi kebutuhannya maupun menopang hidupnya secara alami, disamping itu juga merupakan sumber tenaga yang disediakan oleh alam sebagai pembangkit tenaga mekanis. Beragam aktifitas masyarakat senantiasa berhubungan dengan air dalam kehidupan sehari - hari. Dengan jumlah air yang tersedia relatif tetap, sementara kebutuhan air semakin meningkat, maka air dari sisi ketersedian dan permintaannya perlu diatur dan dikelola sedemikian rupa, sehingga air dapat disimpan jika berlebihan dan selanjutnya dipergunakan dan didistribusikan jika diperlukan.

Kebutuhan akan air semakin lama semakin meningkat sejalan dengan meningkatnya kebutuhan hidup manusia, baik di daerah perkotaan maupun daerah pedesaan. Peningkatan tersebut dilihat dari dua hal yang saling tergantung satu sama lain yaitu sisi kualitas dan kuantitas. Di sisi lain, jumlah air relatif tidak berubah dari waktu ke waktu. Pertumbuhan penduduk yang pesat banyak membawa pengaruh negatif terhadap sumber daya air, baik kuantitas maupun kualitasnya. Sementara itu, ada sebagian penduduk kurang mendapatkan pelayanan air, tetapi di sisi lain terdapat aktifitas dan kegiatan penduduk yang menggunakan air secara berlebihan dan cenderung memerlukan pemborosan air.

Negara – negara di Asia Tenggara sebagai bagian dari komunitas masyarakat dunia juga ikut berperan dalam upaya pelestarian sumber daya air. Di kawasan ini, sumber daya air menjadi bagian yang tak terpisahkan dari kehidupan sehari – hari karena sistem pertanian yang dijalankan di wilayah pedesaan sangat bergantung pada ketersedian dan pengelolaan sumber daya air. Kondisi geografis negara – negara di Asia Tenggara khususnya Indonesia, sebagian besar berupa daerah berbukit – bukit dan pegunungan terkadang menjadi kendala untuk memenuhi suplai air bagi pertanian di daerah hulu. Daerah yang permukaan tanahnya lebih tinggi daripada sumber air dan daerah yang bergelombang, akan mengalami kesulitan mendapatkan pasokan air secara kontinyu.

beragam teknologi yang mampu mengangkat dan mengalirkan air dari sumbernya ke lahan – lahan pertanian. Penggunaan pompa air yang digerakkan oleh tenaga listrik menjadi pilihan utama saat ini karena paling cepat dan mudah dilakukan. Akan tetapi, ketersediaan pasokan listrik dan bahan bakar juga biaya operasional menjadi kendala.

Oleh karena itu, perlu dicari dan dikembangkan suatu model teknologi irigasi yang memadai, menggunakan teknologi tepat guna, efisien, dan ekonomis sehingga dalam pengelolaannya tidak tergantung pada tenaga listrik atau bahan bakar lainnya, sebuah teknologi yang membutuhkan biaya operasional yang murah dan tidak membebani petani dalam melakukan kegiatan usaha taninya.

Salah satu teknologi irigasi yang mulai dikembangkan adalah pompa hydraulic

ramatau lazim disebut pompa hidram.

Meskipun pada pengembangannya membutuhkan investasi yang tidak sedikit, setidaknya untuk ukuran petani, namun dengan sistem swadaya masih relatif terjangkau dan dengan perhitungan dan penentuan disain yang akurat, operasional dan pemeliharan yang tepat, maka keuntungan dan keberlanjutan usaha tani dapat dicapai serta kebutuhan air konsumsi dapat terpenuhi.

1.2 Perumusan Masalah

Dalam perencanaan pompa hidram , ditemui beberapa hal – hal yang timbul untuk dianalisa, yaitu:

1. Bagaimana menghitung besarnya head tekanan gradual yang diakibatkan palu

air.

2. Bagaimana pengaruh head supply terhadap tekanan yang diakibatkan palu

air.

3. Bagaimana pengaruh panjang langkah katup limbah terhadap kerja sebuah

pompa hidram.

1.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian pompa hidram ini sebagai berikut.

2. Mengetahui pengaruh head supply terhadap tekanan yang diakibatkan palu air.

3. Mengetahui pengaruh panjang langkah katup limbah terhadap kinerja 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 kerja yang digunakan dalam penelitian ini adalah air.

2. Variabel yang digunakan dalam penelitian adalah head supply 2,3 m, 2,8 m

dan 3,3 m, panjang langkah katup limbah 15 mm, 20 mm, dan 25 mm.

3. Pengukuran tekanan dilakukan pada badan pompa, pipa discharge dan tabung

udara.

4. Pengukuran debit air yang masuk melalui pipa pemasukan dan pipa

discharge untuk mengetahui besar efisiensi pompa.

5. Pengambilan data dilaksanakan pada saat pompa beroperasi. Data – data lain

yang diperlukan dalam perencanaan dan analisa diambil sesuai dengan literatur yang relevan.

1.5 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Dapat mengetahui pengaruh dari komponen – komponen yang ditambahkan

pada pompa hidram.

2. Penelitian ini di harapkan dapat menjadi salah satu usaha mensosialisasikan

teknologi hydraulic ram sebagai solusi dalam penyediaan air bersih bagi

masyarakat.

3. Penelitian ini memberikan referensi bagi para pembuat pompa hidram agar

dapat membuat dengan perhitungan konstruksi lebih baik.

4. Mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan energi listrik dan bahan

1.6 Sistematika Penulisan

Laporan tugas akhir ini disusun dalam lima bab, masing-masing adalah pendahuluan; tinjauan pustaka; metodologi penelitian; hasil perancangan dan simulasi; dan kesimpulan dan saran. Bab I memberikan gambaran menyeluruh mengenai Tugas Akhir yang meliputi pembahasan tentang latar belakang, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. Bab II berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan 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. Bab

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pompa

Pompa adalah peralatan mekanis untuk mengubah energi mekanik dari mesin penggerak pompa menjadi energi tekan fluida yang dapat membantu memindahkan fluida ke tempat yang lebih tinggi elevasinya. Selain itu, pompa juga dapat digunakan untuk memindahkan fluida ke tempat dengan tekanan yang lebih tinggi atau memindahkan fluida ke tempat lain dengan jarak tertentu. Pompa dapat diklasifikasikan dalam dua macam, yaitu :

1. Pompa Perpindahan Positif (Positive Displacement Pump)

Pada pompa perpindahan positif energi ditambahkan ke dalam fluida kerja secara periodik oleh suatu daya yang dikenakan pada satu atau lebih batas (boundary) sistem yang dapat bergerak. Pompa perpindahan positif dapat dibagi menjadi :

a. Pompa Torak (Reciprocating Pump)

b. Pompa Putar (Rotary Pump)

c. Pompa Diafragma (Diaphragm Pump)

2. Pompa Dinamik (Dynamic Pump)

Pada pompa dinamik proses penambahan energi ke dalam fluida kerja dilakukan secara kontinyu untuk menaikkan kecepatan fluida di sisi isap. Kemudian dilakukan penurunan kecepatan fluida dibagian sisi keluar pompa untuk mendapatkan energi tekan. Pompa dinamik dapat dibagi menjadi :

a. Pompa Sentrifugal (Centrifugal Pump)

• Pompa aliran radial (radial flow)

• Pompa aliran aksial (axial flow)

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.

2.2 Pompa Hidram

Pompa hidram merupakan salah satu alat yang digunakan untuk menaikkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi secara otomatis dengan energi yang berasal dari air itu sendiri. Prinsip kerja hidram merupakan proses perubahan energi kinetis aliran air menjadi tekanan dinamik dan sebagai akibatnya

menimbulkan palu air (water hammer), sehingga terjadi tekanan tinggi dalam

pipa. Dengan mengusahakan supaya katup limbah (waste valve) dan katup

pengantar (delivery valve) terbuka dan tertutup secara bergantian, maka tekanan

dinamik diteruskan sehingga tekanan inersia yang terjadi dalam pipa pemasukan memaksa air naik ke pipa penghantar. [19]

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)

pemasukan menjadi energi tekanan dinamis fluida yang akan menaikkan fluida kerja menuju tabung udara.

Beberapa desain katup limbah yang sering digunakan diantaranya :

Gambar 2.1a Katup kerdam sederhana Gambar 2.1b Katup kerdam berpegas

[image:34.595.147.506.171.323.2]

Gambar 2.1c Katup karet lentur [4]

[image:35.595.211.413.83.283.2]

Gambar 2.2 Bagian – bagian katup limbah

Keterangan gambar : 1) Badan katup limbah 2) As katup limbah 3) Plat katup 4) Mur penjepit

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. [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 penghantar secara kontinyu. Jika tabung

1

2

udara penuh terisi air, tabung udara akan bergetar hebat, dapat menyebabkan tabung udara pecah. Jika terjadi kasus demikian, ram harus segera dihentikan. Pendapat dari beberapa ahli, untuk menghindari hal – hal di atas, volume tabung udara harus dibuat sama dengan volume dari pipa penghantar.

4. Katup Udara (Air valve)

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

5. Pipa Masuk (Driven pipe)

Pipa masuk adalah bagian yang sangat penting dari sebuah pompa hidram. Dimensi pipa masuk harus diperhitungan dengan cermat, karena sebuah pipa masuk harus dapat menahan tekanan tinggi yang disebabkan oleh menutupnya katup limbah secara tiba-tiba. Untuk menentukan panjang sebuah pipa masuk, bisa digunakan referensi yang telah tersedia seperti di bawah ini:

6H < L < 12H (Eropa dan Amerika Utara) L = h + 0.3 (h/H) (Eytelwein)

L = 900 H/(n2*D) (Rusia) L = 150 < L/D < 1000 (Calvert) Dengan:

L = Panjang pipa masuk

H = Head supply

D = Diameter pipa masuk

n = Jumlah ketukan katup limbah per menit

Menurut beberapa penelitian seperti yang telah dilakukan Teferi Taye (1998), referensi perhitungan panjang pipa masuk oleh Calvert memberikan hasil yang lebih baik.

2.2.2 Sistem Operasi Pompa Hidram

[image:37.595.121.508.341.494.2]

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 2.3 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk [15]

Penjelasan gambar 2.3 :

A.Katup limbah terbuka dan air mulai mengalir melalui pipa masuk,

memenuhi badan hidram dan keluar melalui katup limbah. Karena

pengaruh ketinggian supply tank, air yang mengalir tersebut mengalami

percepatan sampai kecepatannya mencapai Vo. Posisi delivery valve

masih tertutup. Pada kondisi awal seperti ini, tidak ada tekanan dalam

tabung udara dan belum ada air yang keluar melalui delivery pipe.

[image:38.595.205.419.83.281.2]

Gambar 2.4 Skema pompa hidram pada kondisi A

Keterangan:

A: Pipa pemasukan B: Katup buang C: Katup hantar D: Udara pada tabung

E: Pipa discharge

B.Air telah memenuhi badan hidram, ketika tekanan air telah mencapai

nilai tertentu, katup limbah mulai menutup. Pada pompa hidram yang baik, proses menutupnya katup limbah terjadi sangat cepat.

E D

B C

[image:39.595.202.423.82.279.2]

Gambar 2.5 Skema pompa hidram pada kondisi B

C.Katup limbah masih tertutup. Penutupan katup yang dengan tiba-tiba

tersebut menciptakan tekanan yang sangat besar dan melebihi tekanan statis pipa masuk. Kemudian dengan cepat katup penghantar terbuka , sebagian air terpompa masuk ke tabung udara. Udara pada tabung udara mulai mengembang untuk menyeimbangkan tekanan, dan mendorong

air keluar melalui delivery pipe.

.

Gambar 2.6 Skema pompa hidram pada kondisi C

D

E

B A

C

D

E C

A

[image:39.595.206.422.475.674.2]

D.Katup penghantar tertutup. Tekanan di dekat katup penghantar masih lebih besar dari pada tekanan statis pipa masuk, sehingga aliran berbalik

arah dari bodi hidram menuju supply tank. Peristiwa inilah yang disebut

dengan recoil. Recoil menyebabkan terjadinya kevakuman pada bodi

hidram, yang mengakibatkan masuknya sejumlah udara dari luar masuk

ke bodi hidram melalui katup pernapasan (air valve). Tekanan di sisi

bawah katup limbah juga berkurang, dan juga karena berat katup limbah itu sendiri, maka katup limbah kembali terbuka. Tekanan air pada pipa kembali ke tekanan statis sebelum siklus berikutnya terjadi lagi.

Gambar 2.7 Skema pompa hidram pada kondisi D

Secara sederhana bentuk ideal dari tekanan dan kecepatan aliran pada ujung pipa pemasukan dan kedudukan katup limbah selama satu siklus kerja pompa hidram terjadi dalam lima periode yaitu:

Periode 1. Akhir siklus yang sebelumnya, kecepatan air melalui ram mulai

bertambah, air melalui katup limbah yang sedang terbuka timbul tekanan negatif yang kecil dalam ram.

Periode 2. Aliran bertambah sampai maksimum melalui katup limbah yang

terbuka dan tekanan dalam pipa-pipa masuk juga bertambah secara bertahap.

D

E

B A

[image:40.595.204.419.291.487.2]

Periode 3. Katup limbah mulai menutup dengan demikan menyebabkan naiknya tekanan dalam ram. Kecepatan aliran dalam pipa pemasukan telah mencapai maksimum.

Periode 4. Katup limbah tertutup, menyebabkan terjadinya water hammer

yang mendorong air melalui katup penghantar. Kecepatan dalam pipa pemasukan berkurang dengan cepat.

Periode 5. Denyut tekanan terpukul kedalam pipa pemasukan, menyebabkan

[image:41.595.124.504.308.705.2]

timbulnya hisapan kecil dalam ram. Katup limbah terbuka karena hisapan dan beban dari katup limbah. Air mulai mengalir lagi melalui katup limbah dan siklus hidraulik ram terulang lagi.

2.3 Tinjauan Mekanika Fluida

2.3.1 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida

[image:42.595.142.475.386.685.2]

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 2.9 Profil kecepatan pada saluran tertutup

Gambar 2.10 Profil kecepatan pada saluran terbuka [22]

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, menurut [1] yaitu:

Q = A . v ………(2.1)

Dimana : Q = laju aliran fluida (m3_/s)

A = luas penampang aliran (m2₎

v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)

Laju aliran berat fluida (W), menurut [2] dirumuskan sebagai :

W = A . γ ………..………(2.2)

Dimana : W = laju aliran berat fluida (N/s)

γ = berat jenis fluida (N/m3₎

Laju aliran fluida massa (M), menurut [3] dinyatakan sebagai :

M = A . ρ ……....………..(2.3)

Dimana : M = laju aliran massa fluida (kg/s)

ρ = massa jenis fluida (kg/ m3)

2.3.2 Tekanan Pada Fluida

Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F

dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A.

=

…………...…………(2.4)

Keterangan:

P = Tekanan

F = Gaya

Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2. Satuan ini mempunyai nama resmi

pascal (Pa). Karena Pa sangat kecil, satuan tekanan sering dinyatakan dengan

MPa atau bar dimana 1 MPa = 106 _{Pa atau 1 bar = 10}5 _Pa.

2.3.3 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 2.10 volume fluida yang melewati titik 1 (yaitu, melalui luas A1)

dalam waktu Δt adalah A1Δl1, di mana Δl1 adalah jarak yang dilalui fluida

dalam waktu Δt. Karena kecepatan fluida yang melewati titik 1 adalah v1 =

Δl1/Δt, laju aliran massa Δm/Δt melalui luas A1adalah:

Ä_Ä = 1_∆∆ 1 = ∆

∆ = ……...(2.5)

Gambar 2.11 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah – ubah [21]

Di mana ∆ = ∆ adalah volume dengan massa Δ dan

adalah massa jenis fluida. Dengan cara yang sama, pada titik 2 (melalui

luas A2), laju alir adalah . Karena tidak ada aliran fluida yang masuk

atau keluar dari sisi-sisi, laju aliran melalui A1 dan A2harus sama.

∆_∆

=

∆_∆

………...…………..…….(2.6)

Maka

=

…….…….…...(2.7)

Persamaan ini disebut persamaan kontinuitas. Jika fluida tersebut tidak

dapat ditekan (ρ tidak berubah terhadap tekanan), yang merupakan

pendekatan yang baik untuk zat cair dalam sebagian besar kondisi (dan

kadang-kadang juga untuk gas), maka = , dan persamaan kontinuitas

menjadi:

=

[

ρ = konstan]…..………….(2.8)

Persamaan ini menyatakan bahwa di mana luas penampang lintang besar, kecepatan kecil, dan di mana luas penampang kecil, kecepatan besar. Untuk mendapatkan kalor yang maksimal maka luas penampang dibuat besar dan debit air yang digunakan kecil.

2.3.4 Energi dan Head

Energi pada umumnya didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Kerja merupakan hasil pemanfaatan dari sebuah gaya yang melewati suatu jarak dan umumnya didefenisikan secara matematika sebagai hasil perkalian dari gaya dan jarak yang dilewati pada arah gaya yang diterapkan tersebut. Energi dan kerja dinyatakan dalam satuan N.m (Joule). Setiap fluida yang sedang bergerak selalu mempunyai energi. Dalam menganalisa masalah aliran fluida yang harus dipertimbangkan adalah mengenai energi potensial, energi kinetik dan energi tekanan. Energi potensial menunjukkan energi yang dimiliki fluida dengan tempat jatuhnya.

Energi potensial (Ep), dirumuskan sebagai:

Ep = W . z [J] ………...…(2.9)

z = beda ketinggian (m)

Energi kinetik menunjukkan energi yang dimiliki oleh fluida karena pengaruh kecepatan yang dimilikinya. Energi kinetik, dirumuskan sebagai :

EK = [J] ………….………...(2.10)

Dimana : m = massa fluida (kg)

v = kecepatan aliran fluida (m/s)

Energi tekanan disebut juga dengan energi aliran adalah jumlah kerja yang dibutuhkan untuk memaksa elemen fluida bergerak menyilang pada jarak tertentu dan berlawanan dengan tekanan fluida. Besarnya energi tekanan (EF), dirumuskan sebagai:

EF = p . A . L [J] ………...….(2.11)

Dimana : p = tekanan yang dialami oleh fluida (N/m2₎

A = luas penampang aliran (m2₎

L = panjang pipa (m)

Besarnya energi tekanan dapat juga dirumuskan sebagai berikut :

=

………….……….(2.12)

Dimana : γ = berat jenis fluida (N/m3)

Total energi yang terjadi merupakan penjumlahan dari ketiga macam energi diatas, dirumuskan sebagai:

Persamaan ini dapat dimodifikasi untuk menyatakan total energi dengan head (H) dengan membagi masing-masing variabel di sebelah kanan persamaan dengan W ( berat fluida), menurut dirumuskan sebagai:

= + + ( ) …...…………...(2.14)

Dimana : z = Head ketinggian

= Head kecepatan

= Head tekanan

2.3.5 Persamaan Bernoulli

Hukum kekekalan energi menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain. Energi yang ditunjukkan dari persamaan energi total di atas, atau dikenal sebagai head pada suatu titik dalam aliran steady adalah sama dengan total energi pada titik lain sepanjang aliran fluida tersebut. Hal ini berlaku selama tidak ada energi yang ditambahkan ke fluida atau yang diambil dari fluida.

Konsep ini dinyatakan ke dalam bentuk persamaan yang disebut dengan persamaan Bernoulli, yaitu :

+ + = + +

……...…....……….(2.15)

Dimana : p1dan p2= tekanan pada titik 1 dan 2

v1dan v2= kecepatan aliran pada titik 1 dan 2

z1 dan z2= ketinggian titik 1 dan titik 2 di ukur dari bidang

γ = berat jenis fluida

g = percepatan gravitasi = 9,8 m/s2

Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya

diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan.

Jika head losses dinotasikan dengan “hl” maka persamaan Bernoulli di atas

dapat ditulis menjadi persamaan baru, dirumuskan sebagai:

+ + = + + + ℎ

……...…(2.16)

[image:48.595.120.508.368.593.2]

Persamaan di atas digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan tipe aliran, biasanya untuk fluia 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 peralatan lainnya.

Gambar 2.12 Ilustrasi persamaan Bernoulli

2.3.6 Aliran Laminar dan Turbulen

tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya gerakan rata-ratanya saja yang mengikuti sumbu pipa. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa koefisien gesekan untuk pipa silindris merupakan fungsi dari bilangan Reynold (Re). Besarnya Reynold (Re), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

=

………...……(2.17)

Dimana : 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 (v) maka bilangan Reynold, dapat juga dinyatakan :

=

...…(2.18)

Sehingga

=

…...…….………….…………....…(2.19)

Aliran akan laminar jika bilangan Reynold kurang dari 2000 dan akan turbulen jika bilangan Reynold lebih besar dari 4000. Jika bilangan Reynold terletak antara 2000 – 4000 maka disebut aliran transisi.

2.3.7 Kerugian Head (Head Losses) A. Kerugian Head Mayor

Aliran fluida yang melalui pipa akan selalu mengalami kerugian head. Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida (kerugian kecil). Kerugian head akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan salah satu dari dua rumus berikut, yaitu :

1. Persamaan Darcy – Weisbach, yaitu :

ℎ =

………...….(2.20)

Dimana : hf = kerugian head karena gesekan (m)

f = faktor gesekan

L = panjang pipa (m)

v = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s)

g = percepatan gravitasi (m/s2₎

Dimana faktor gesekan (f) dapat dicari dengan menggunakan diagram Moody.

Gambar 2.13 Diagram Moody [1]

[image:50.595.117.522.161.566.2]

Dimana nilai kekasaran untuk berbagai jenis pipa disajikan dalam Tabel 2.1. Tabel 2.1 Nilai kekasaran dinding untuk berbagai pipa komersil [3]

Bahan Kekasaran

ft M

Riveted 0.003- 0.03 0.0009- 0.009

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”

2. Persamaan Hazen – Williams

Rumus ini pada umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. Bentuk umum persamaan Hazen – Williams, yaitu:

ℎ =

,_{, ,}, ………...….(2.21)

Dimana : hf = kerugian gesekan dalam pipa (m)

Q = laju aliran dalam pipa (m³/s)

L = panjang pipa (m)

C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams

d = diameter dalam pipa (m)

Diagram Moody telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida di dalam pipa dengan menggunakan faktor gesekan pipa (f) dari rumus Darcy – Weisbach. Untuk aliran laminar dimana bilangan Reynold kurang dari 2300, faktor gesekan dihubungkan dengan bilangan Reynold, dinyatakan dengan rumus :

=

..………...………(2.22)

Untuk aliran turbulen dimana bilangan Reynold lebih besar dari 4000, maka hubungan antara bilangan Reynold, faktor gesekan dan kekasaran relatif menjadi lebih kompleks. Faktor gesekan untuk aliran turbulen dalam pipa didapatkan dari hasil eksperimen, antara lain:

1. Untuk daerah complete roughness, rough pipes yaitu :

= 2,0

_∈⁄, …………..….(2.23)

Dimana : f = faktor gesekan

ε = kekasaran (m)

2. Untuk pipa sangat halus seperti glass dan plastik, hubungan antara

bilangan Reynold dan faktor gesekan, dirumuskan sebagai : a.Blasius

f

= , _,

……....……...…....……(2.24)

Untuk Re = 3000 - 100.000

b.Von karman

= 2,0

_,

……...…....….(2.25)

Untuk Re sampai dengan 3.106

3. Untuk pipa kasar, yaitu :

Von Karman

= 2,0

_∈

+ 1,74

……...……….…….(2.26)

Dimana harga f tidak tergantung pada bilangan Reynold.

4. Untuk pipa antara kasar dan halus atau dikenal dengan daerah transisi,

yaitu :

B. Kerugian Head Minor

Selain kerugian yang disebabkan oleh gesekan, pada suatu jalur pipa juga terjadi kerugian karena kelengkapan pipa seperti belokan, siku,

sambungan, katup dan sebagainya yang disebut dengan kerugian kecil (minor

losses). Besarnya kerugian minor akibat adanya kelengkapan pipa,

dirumuskan sebagai :

ℎ =

. .

…….……...…………(2.28)

Dimana : n = jumlah kelengkapan pipa

k = koefisien kerugian (dari lampiran koefisien minor losses

peralatan pipa)

v = kecepatan aliran fluida dalam pipa

Menurut persamaan diatas, yaitu untuk pipa yang panjang (L/d > 1000),

minor losses dapat diabaikan tanpa kesalahan yang cukup berarti tetapi menjadi penting pada pipa yang pendek.

2.4 Dasar Perencanaan Pompa

Dalam perancangan pompa untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat yang lain dengan head tertentu diperlukan beberapa syarat utama, yaitu:

2.4.1 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.

2.4.2 Head pompa

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:

………....…………..………....…….(2.29)

c. Head tekanan

Head tekanan adalah energi yang dikandung fluida akibat tekanannya

dan dinyatakan dengan . Head total dari pompa diperoleh dengan menjumlahkan head yang disebut di atas dengan kerugian-kerugian yang

timbul dalam instalasi pompa (head mayor dan head minor).

2.4.3 Sifat zat cair

Sifat-sifat fluida kerja sangat penting untuk diketahui sebelum perencanaan pompa. Pada perencanaan ini, temperatur air dianggap sama dengan temperatur kamar.

Untuk mencari head pompa dapat digunakan persamaan Bernoulli, yaitu :

+ + +

= + + +

……...…...(2.30)

Atau :

=

+

+( − ) +

…...….(2.31)

adalah perbedaan head kecepatan

−

adalah perbedaan head statis

adalah head losses total

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 dari gambar

berikut ini.

[image:55.595.121.514.334.634.2]

Gambar 2.14 Skema Instalasi Pompa Hidram [4]

+

−

=

+ +

……...…………...…..(2.32)

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 katup limbah = 0 karena aliran air terhenti

seiring menutupnya katup limbah, m/s

Z0 = ketinggian titik 0 dari datum, (m)

Z3 = ketinggian pada katup limbah = 0 karena diasumsikan segaris datum,

(m)

HL = head losses, (m)

ρ = massa jenis fluida, untuk air = 1000 , kg/m3

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

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

−

=

……...…...……(2.33)

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 = m.a ………...….(2.34)

dengan:

F = gaya fluida yang mengalir, N

a = percepatan fluida yang mengalir, m/s² = dt/dv

=

...(2.35)

dengan:

ρ = massa jenis fluida untuk air = 1000 kg/m³

A = luas penampang pipa pemasukan, m²

L = panjang pipa pemasukan, m

Tekanan di titik 3 dapat dicari dengan cara membagi gaya pada titik 3

(gaya akibat percepatan air) dengan luas penampang pipa pemasukan (A).

= =

….…...……...…...…..(2.36)

Karena,

=

………...…...…….(2.37)

Maka

−

=

….……...……...……...(2.38)

Dengan HL adalah head losses pada pipa, yang besarnya ditentukan dengan

persamaan di bawah ini:

=

+ (

)

……...…...…(2.39)

dengan:

HL = head losses, m

f = faktor gesekan bahan pipa pemasukan

L = panjang pipa pemasukan, m

D = diameter pipa pemasukan, m

Untuk menghitung besarnya energi yang dibangkitkan pada pompa hidram, kita tinjau kondisi di masing – masing titik saat awal pengoperasian pompa hidram, dimana pada kondisi demikian air yang masuk ke badan

hidran langsung keluar melalui katup limbah dengan kecepatan tertentu (V3),

dan tekanan pada katup limbah, p3, akan sama dengan atmosfer = 0 karena

katup limbah dalam keadaan terbuka penuh. Sehingga persamaan Bernoulli akan menjadi:

−

=

……...…..……..………..(2.40)

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:

=

………..…...….(2.41)

dengan:

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

v3 = kecepatan air di titik 3 (yang melalui katup limbah), m/s

Awaste = luas penampang lubang katup limbah, m2

Setelah nilai v3 didapatkan, maka kita dapat menghitung energi yang

dibangkitkan hidram, dengan rumus:

=

………….………...…..(2.42)

dengan:

E = energi hidram, J

m = massa fluida yang mengalir, kg

= massa fluida yang mengalir melalui pipa pemasukan = L.A .ρ

v3 = kecepatan massa fluida yang mengalir, m/s

L = panjang pipa pemasukan, m

A = luas penampang pipa pemasukan, m²

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

∆ℎ =

…………...…………....……(2.43)

dengan:

Δh = kenaikan tekanan akibat palu air, m

v = kecepatan aliran, m/s

L = panjang pipa pemasukan, m

g = percepatan gravitasi, m/s2

t = waktu penutupan katup limbah, s

2.5.3 Efisiensi Pompa Hidram

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

=

₍ . ₎

………..…...…....……….(2.44)

dengan :

ηA = efisiensi hidram menurut D’Aubuisson

q = debit hasil, m3_/s

Q = debit limbah, m3_/s

h = head keluar, m

H = head masuk, m

2.Menurut Rankine :

dengan :

ηR = efisiensi hidram menurut Rankine

q = debit hasil, m3_/s

Q = debit limbah, m3_/s

h = head keluar, m

H = head masuk, m

2.6Analisis Ketidakpastian

Suatu cara atau metode untuk menaksir ketidakpastian dalam hasil-hasil eksperimen telah dikemukakan oleh Kline dan McClintock. Metode ini didasarkan atas spesifikasi yang teliti ketidakpastian dalam berbagai pengukuran primer eksperimen. Umpamanya, suatu bacaan tekanan tertentu mungkin dinyatakan sebagai:

P = 100 kN/m2 _{± 1 kN/m}2

Bila tanda plus atau minus itu digunakan untuk menyatakan katidakpastian, orang yang membuat penandaan itu sebenarnya menyatakan berapa menurut pendapatnya derajat ketelitian pengukuran yang dilakukannya itu. Perlu dicatat bahwa spesifikasi itu sendiri tidak pasti, karena pelaku eksperimen itu tentunya tidak pasti mengenai ketelitian dalam pengukurannya.

Bila instrumen itu baru saja dikalibrasi secara seksama, dengan tingkat presisi yang tinggi, eksperimentalis itu mungkin dapat memberikan tingkat ketidakpastian pengukuran yang lebih baik dari bila pengukuran dilakukan dengan pengukur atau instrumen lain yang riwayat kalibrasinya tidak diketahui. Sebagai cara yang lebih baik dalam memberikan spesifikasi ketidakpastian suatu pengukuran, Kline dan McClintock menyarankan agar pelaku eksperimen menyatakan taruhan (kemungkinan) ketidakpastian itu. Jadi, persamaan diatas tadi dapat ditulis:

P = 100 kN/m2 _{± 1 kN/m}2 _{( 20 banding 1)}

Dengan kata lain, pelaku eksperimen berani bertaruh dengan kemungkinan

spesifikasi taruhannya itu hanya bisa dilakukan eksperimentalis itu atas dasar pengalaman laboratorium keseluruhan.

Umpamakan seperangkat pengukuran dilakukan dimana ketidakpastian masing-masing pengukuran dapat dinyatakan dengan taruhan yang sama. Perangkat pengukuran ini lalu digunakan untuk menghitung hasil eksperimen yang dikehendaki. Kita ingin menaksir ketidakpastian dalam perhitungan atas

dasar ketidakpastian dalam pengukuran-pengukuran primer. Hasil R ialah suatu

fungsi dari variabel tak tergantung atau (independent) x1, x2, x3,...xn. jadi,

R = R (x1, x2, x3,...xn)

Umpamakan WR ialah ketidakpastian dalam hasil w1, w2,...wn

ketidakpastian dalam variabel tak-tergantung itu mempunyai taruhan yang sama, maka ketidakpastian dalam hasil yang mempunyai taruhan itu diberikan rujukan sebagai berikut: [5]

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Dalam bab ini dibahas langkah pengukuran kapasitas dari prototype

pompa hidramyang telah dirancang.

3.1 Peralatan Pengujian

Peralatan yang digunakan dalam pengujian ini adalah :

1. Prototype pompa hidram

[image:62.595.222.404.262.498.2]

Gambar 3.1 Prototype pompa hidram

Spesifikasi pompa hidram:

a. Badan pompa

Badan pompa merupakan tempat terjadinya proses pemompaan. Bagian ini sebagai tempat untuk landasan katup limbah dan katup penghantar. Bahan dari badan pompa ini adalah sebagai berikut:

1. Pipa galvanis diameter 3 inch dan 4 inch

2. Concentric reducer carbon steel 2 inch x 4 inch 3. Plat besi 8 mm dan 5 mm

[image:63.595.254.370.419.601.2]

Gambar 3.2 Badan pompa

b. Katup limbah

Katup limbah merupakan katup pembuangan air sisa (limbah) yang berfungsi memancing gerakan air yang berasal dari bak mata air, sehingga dapat menimbulkan aliran air yang bekerja sebagai sumber tenaga pompa.

Gambar 3.3 Katup limbah

Bagian dari katup limbah adalah sebagai berikut:

 Badan katup

- Plat besi 8 mm, 5 mm dan 4 mm

- Baut M8, ring dan mur

Gambar 3.4 Badan katup

 As katup limbah

[image:64.595.242.384.142.353.2]

As ini sebagai pegangan untuk mur, beban katup, baut katup dan plat katup. Salah satu ujungnya dibuat ulir untuk mur M8 dengan panjang 10 cm dari ujung as, fungsinya untuk mengatur panjang langkah katup dan mengatur tempat tambahan beban katup limbah.

Gambar 3.5 As katup limbah Spesifikasi :

 O - Ring

[image:65.595.216.404.455.607.2]

Berfungsi untuk menghindari kontak langsung antara plat katup dengan badan katup supaya tidak terjadi keausan pada plat katup. Ukurannya disesuaikan dengan ukuran plat katup. O – Ring terbuat dari karet.

Gambar 3.6 O - Ring Spesifikasi:

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

 Plat katup

Berfungsi untuk menutup katup limbah yang akan mengakibatkan water

hammer. Bahan dari plat katup yaitu plat besi 8 mm.

Gambar 3.7 Plat katup Spesifikasi :

 Mur

Mur berfungsi untuk mengatur panjang langkah katup limbah dan mengikat beban katup.

Gambar 3.8 Mur

c. Katup penghantar

Katup ini menghantarkan air dan pompa ke tabung udara serta menahan air

yang telah masuk agar tidak kembali ke badan pompa. Katup penghantar ini

terbuat dari cast iron.

Gambar 3.9 Katup penghantar

d. Tabung udara

Tabung udara berfungsi meneruskan dan melipatgandakan tenaga pernompaan, sehingga air yang masuk ke tabung kompresor dapat dipompa naik. Bahan dari tabung udara adalah sebagai berikut:

- Pipa galvanis 4 inch

- Concentric reducercarbon steel 3 inch x 4 inch

[image:67.595.231.395.86.383.2]

Gambar 3.10 Tabung udara Spesifikasi :

- Diameter 114,3 mm - Tinggi 0,6 m

2. Bak penyuplai dan penampung

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

[image:67.595.211.408.559.714.2]

Spesifikasi :

- Dimensi : panjang x lebar x tinggi: 1 m x 0,8 m x 0,6 m - Bahan fiber

Gambar 3.12 Bak penampung Spesifikasi bak penampung :

- Dimensi: panjang x lebar x tinggi: 1 m x 1 m x 0,3 m - Bahan fiber

3. Pompa sirkulasi

[image:68.595.214.407.158.340.2]

Berfungsi untuk mensirkulasikan air yang keluar dari katup limbah di bak penampung untuk disalurkan kembali ke bak penyuplai.

Spesifikasi :

- 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

4. Landasan pompa

[image:69.595.226.396.335.475.2]

Berfungsi sebagai dudukan pompa agar dapat berdiri tegak dan kokoh.

Gambar 3.14 Landasan pompa Spesifikasi:

- Tinggi 0,2 m

3.2 Alat Ukur Yang Digunakan

Untuk pengujian digunakan beberapa alat ukur guna mengukur beberapa

variabel yang dibutuhkan, diantaranya :

3.2.1 Manometer

Manometerdalam penelitian ini digunakan untuk mengukur tekanan

pada sisi masuk pompa hidram dan tekanan pada sisi keluar pompa hidram, sehingga akan didapatkan data mengenai perubahan tekanan air

Untuk mengukur tekanan masuk pompa hidram, manometer

diletakkan pada ujung pipa masuk (driven pipe), karena yang akan diukur

adalah tekanan air akibat adanya perbedaan ketinggian water source tank

dan badan pompa hidram. Sedangkan untuk mengukur tekanan pada sisi keluar hidram, manometer diletakkan pada sisi atas tabung udara dan pada

pipa penghantar, manometer diletakkan pada bagian atas tee setelah pipa

keluaran dari tabung udara.

[image:70.595.218.402.247.435.2]

Gambar 3.15 Manometer Spesifikasi :

- Merk Tekiro

- Ketelitian (akurasi) : ± 5 % - Satuan dalam bar

- Tekanan maksimum 2,5 bar

3.2.2 Alat Ukur Debit Aliran

Untuk mengetahui berapa debit aliran yang dihasilkan oleh pompa pada pipa pemasukan dan pipa penghantar, alat ukur yang digunakan

adalah flow meter. Flow meter yang digunakan ada 2 jenis, ukuran 2 inch

[image:71.595.225.401.85.237.2]

Gambar 3.16 Flow meter 2 inch

Spesifikasi flow meter 2 inch :

- Merk BR (Bopp & Reuther) - Ketelitian (akurasi) : ± 5 % - Diameter 50 mm

- Temperatur air : 30° C

- Tekanan air : < 1 MPa

Gambar 3.17 Flow meter 1 inch

Spesifikasi flow meter 1 inch :

- Merk BR (Bopp & Reuther) - Ketelitian (akurasi) : ± 5 % - Diameter 25 mm

- Temperatur air