BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pompa - Analisa Pengaruh Variasi Tabung Udara Dan Variasi Beban Katup Limbah Terhadap Performa Pompa Hidram

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)

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

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.

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:

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

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)

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.

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 :

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)

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:

∆𝑃𝑃

=

[(1.015)𝑣𝑣𝑣𝑣]

𝑡𝑡

+ 14.5

𝑃𝑃

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

Gambar 2.7. Instalasi Pengujian Pompa Hidram

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

𝑃𝑃0

𝜌𝜌𝜌𝜌

+

𝑣𝑣02

2𝜌𝜌

+

𝑧𝑧

0

− 𝐻𝐻

𝐿𝐿

=

𝑃𝑃3

𝜌𝜌𝜌𝜌

+

𝑣𝑣32

2𝜌𝜌

+

𝑧𝑧

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:

Dengan HLatau Head Loss terdiri dari Major Head Loss dan Minor Head Loss.

Karena air mengalir dari supply tank yang memiliki ketinggian tertentu, maka akan timbul gaya yang disebabkan percepatan yang dialami air, yang besarnya sama dengan hasil kali massa fluida yang mengalir dan percepatan yang dialami fluida (Hukum Newton). Seperti di bawah ini:

F= ma

Dengan:

F = gaya fluida yang mengalir, (N)

m = massa fluida yang mengalir, (kg)

Tekanan di titik 3 dapat dicari dengan cara membagi gaya pada titik 3 (gaya akibat percepatan air) dengan luas penampang pipa masuk (A)

𝑃𝑃

3

=

Dengan HL adalah head losses pada pipa, yang besarnya ditentukan

………...…(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:

𝐻𝐻 − 𝐻𝐻

𝐿𝐿

=

𝑣𝑣3

2

2𝜌𝜌

...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:

𝑄𝑄= 𝑉𝑉3𝑥𝑥𝐴𝐴𝑤𝑤 ... 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)

𝐸𝐸 =1

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:

∆𝐻𝐻

𝑝𝑝

=

𝑐𝑐(𝑣𝑣1_𝜌𝜌−𝑣𝑣2)

... 2.11

Menurut David dan Edward, kecepatan gelombang suara di dalam air

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:

𝐻𝐻

𝑝𝑝

=

_𝜌𝜌𝑣𝑣.𝑣𝑣_.𝑡𝑡 ... 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 :

𝜂𝜂 = 𝑄𝑄𝑠𝑠.𝐻𝐻𝑑𝑑

(_{𝑄𝑄𝑠𝑠}+𝑄𝑄_𝑤𝑤)_{𝐻𝐻𝑠𝑠} . 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 :

𝜂𝜂

=

𝑄𝑄𝑠𝑠.ℎ

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 𝛥𝛥𝑚𝑚̇ dari fluida yang

melewati titik tertentu persatuan waktu Δt; laju aliran massa = 𝛥𝛥𝑚𝑚/Δt. Pada gambar 2.1 volume fluida yang melewati titik 1 (yaitu, melalui luas A1) dalam

waktu Δt adalah A1Δl1, di mana Δl1adalah 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:

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 A2harus 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]