Prediksi Head Pompa Hydraulic Ram pada Sistem Instalasi

Transkripsi

1 Prediksi Head Pompa Hydraulic Ram pada Sistem Instalasi Halomoan P. Siregar Balai Besar Pengembangan Teknologi Tepat Guna LIPI Jl. Ks. Tubun 5 Subang 4113, Telp. (060) , Fax halomoan001@yahoo.com Abstrak Energi air merupakan energi alternatif yang pada dasarnya dapat dikatakan sebagai sumber energi yang murah dan dapat diperbaharui, walaupun pada beberapa dekade belakangan ini oleh karena kerusakan lingkungan yang semakin parah akibat ulah manusia, sepertinya sumber air itu sudah semakin menurun dan sulit ditemukan. Pompa hydraulic ram disingkat hydram adalah suatu pompa yang digerakkan oleh energi air. Teknologi pompa hydram ini sudah lama ditinggalkan oleh negara negara Barat, tetapi untuk negara sedang berkembang seperti Indonesia dan lainnya masih berguna terutama untuk daerah terpencil di mana energi listrik belum dapat menjangkau. Umumnya digunakan untuk pengadaan air bersih di pedesaan dan dapat juga digunakan untuk sistem irigasi lahan sempit dan sebagainya. Spesifikasi pompa dinyatakan dengan besaran diameter pipa penggerak dan diameter pipa keluaran. Lembaga Swadaya Masyarakat, Perguruan Tinggi, Lembaga-Lembaga Penelitian dan Pengembangan Pemerintah relatif sudah banyak melakukan kegiatan bantuan kepada masyarakat melalui kegiatan peng-instalasi-an unit pompa hydram di desa-desa yang membutuhkannya. Permasalahan dalam peng-instalasi-an ini dapat timbul apabila menghadapi suatu sistem di luar kondisi lapangan yang belum pernah dihadapi, ataupun dalam menentukan head dan keluaran pompa yang akan dicapai pada suatu instalasi pompa hydram, sehingga sistem instalasi dan operasional pompa optimal. Pemilihan spesifikasi pompa yang tepat untuk kondisi sistem jaringan pemipaan di lapangan akan menentukan hasil pencapaian operasional pompa. BPTTG LIPI telah mengembangkan pompa hydram dengan spesifikasi inchi x (0,5 1,0) inchi dan tabung udara 4 inchi x (80 100) cm. Dalam tulisan ini akan dipaparkan analisis prediksi kemampuan head pada sistem instalasi pompa di lapangan. Abstract Water energy is an alternative energy that basicly can be said as a cheap energy source and renewable, eventhough nowadays in several decade lately there was many great spoiling of the environment because of mankind doing, since the water resources likely decrease and more difficult to find. Hydraulic ram shortly said as hydram is a pump that drived by the water energy. Hydram technology has been long time left by the Western country, but for the developing countries like Indonesia etc., is still useful mainly for remote areas where it is not covered by electric grid. These kind of pumps is generally used for pumping drinking water and also can be used for small irrigation and etc. The spesification of these pump is stated as the dimension of drive pipe and discharge/supply pipe diameter. Social Private Institution, University, Research and Development Institution and also Government Institution have been much to do the aid program of hydram pump installation to the rural people. Installation prolems can be arise if to install the pump on the the extreme rural field condition that never found the same condition before, or predicting of the head that will be achieved later or to determine the discharge capacity in order to yield the optimal system installation and pump operational. The selection of the proper pump spesification for the field piping system, will determine the operational performance of the pump. BPTTG LIPI has been developed hydram pump of the inchi x (0,5 1,0) inchi and the air chamber of 4 inchi x (80 100) cm. This paper will describe the analysis of the predicting of the head of the pump above on the field system. 1

2 1. Pendahuluan Energi air merupakan energi alternatif yang dapat diperbaharui (renewable energy) dengan persyaratan kondisi lingkungan yang baik dimana kondisi luasan hutan yang cukup dan terpelihara. Tetapi seperti diketahui bahwa dengan kondisi sekarang ini dimana kondisi dan luasan lingkungan hutan yang sudah semakin rusak serta semakin menipis, maka tak lama lagi untuk mendapatkan sumber air akan semakin sulit dan mahal. Oleh karena itu harus dilakukan usaha perbaikan lingkungan agar pemanfaatan teknologi energi air ini dapat berlangsung dan berkembang. Pompa hydraulic ram disingkat dengan hydram merupakan suatu teknologi pompa yang menggunakan energi air sebagai energi penggerak. Walaupun teknologi ini sudah lama ditinggalkan oleh negara-negara maju, tetapi untuk negara-negara yang sedang berkembang seperti Indonesia dan lainnya, masih relevan untuk dikembangkan dan dimanfaatkan dalam pengadaan air bagi penduduk pedesaan khususnya untuk daerah terpencil yang jauh dari jangkauan jaringan listrik PLN. Pemaanfaatan pompa hydram dalam pengadaan air bersih telah banyak dilakukan oleh LSM (Lembaga-Lembaga Swadaya Masyarakat), Perguruan Tinggi, LIPI dan sebagainya. Tetapi informasi tentang permasalahan dalam implementasi pompa ini di lapangan masih jarang ditemukan, sehingga masih sering terjadi kegagalan dalam implementasi maupun hasil kondisi penginstalasian tidak optimal beroperasi. Permasalahan tersebut diatas dapat dikurangi atau dihilangkan apabila perencanaan instalasi dan pemilihan pompa yang tepat. Permasalahan implementasi pompa di lapangan umumnya bagaimana menaikkan air ke suatu head dengan ketinggian yang dibutuhkan, dalam arti segera setelah pompa diuji operasi, maka air dapat mengucur dari pipa keluaran, karena biasanya masyarakat menunggu hasil pemompaan air tersebut untuk segera dapat dinikmati oleh masyarakat, sedangkan besaran debit air mungkin dapat dikatakan masalah kedua yang dapat diatur distribusinya oleh masyarakat. Selanjutnya kapasitas pompa yang akan dihasilkan akan bergantung pada ketersediaan sumber air. Apabila besaran sumber air cukup tersedia, maka untuk memperbesar debit air dihasilkan pompa dapat dilakukan dengan memparalelkan beberapa unit pompa ataupun menggunakan satu unit pompa dengan memperbesar spesifikasi pompa. Pemilihan di antara kedua jenis instalasi tersebut akan bergantung pada pertimbangan teknis dan ekonomi. Dalam tulisan ini akan dipaparkan tentang hal memprediksi head yang akan dihasilkan oleh suatu pompa hydram pada suatu kondisi lapangan. LIPI telah mengembangkan pompa hydram dengan spesifikasi inchi x (0,5 1,0) inchi, artinya diameter pipa masuk atau pipa penggerak pompa (drive pipe pump),0 inchi dan diameter pipa suplai (discharge pipe) 0,5 1,0 inchi. Prediksi head pompa hydram buatan LIPI ini akan dianalisis dengan pendekatan teoritis pada beberapa sistem instalasi.. Spesifikasi Pompa Hydram dan Konstruksi Pompa hydram yang sudah dikembangkan LIPI dengan spesifikasi rinci berikut, Diameter pipa penggerak : inchi Diameter pipa keluaran : 0,5 1,0 inchi Dimensi tabung udara : ф 4 inchi x (80 100) cm Berat bandul katup limbah : ( ) gram Konstruksi pompa hydram dikembangkan gambar 1, Gambar 1. Skema konstruksi pompa hydram buatan LIPI

3 1 Qp 7 Hp 8 3 Hd Qp Gambar. Skematik komponen instalasi pompa hydram Kedudukan katup limbah (gambar ) pada kondisi normal terbuka, sedangkan katup hantar tertutup. Apabila keran 7 (stop valve) dibuka, maka air akan mengalir dari sumber air menuju pompa dan pada saat tertentu dimana kecepatan kapasitas air yang mengalir mencukupi akan dapat mengangkat katup limbah yang terbuka tiba-tiba tertutup. Bersamaan dengan tertutupnya katup limbah secara tiba-tiba, maka terjadi tumbukan air yang mengakibatkan katup hantar akan terbuka dan seterusnya air masuk ke dalam tabung udara sekaligus menekan udara di dalam tabung. Tekanan yang terjadi relatif cukup tinggi kemudian menekan balik katup hantar sehingga tertutup dan air di dalam tabung akan terdesak keluar menuju pipa keluaran.bersamaan dengan itu pula katup limbah terbuka kembali karena tekanan air di dalam pompa menurun dan siklus operasi pompa berulang kembali pada siklus pertama. 3. Parameter Pompa Hydram Pendekatan prediksi head pompa hydram dilakukan melalui rumusan matematik parameter pompa hydram antara lain, Berat maksimun katup limbah Wmaks, (1) W maks = AsHsγAs dimana, As : luasan dudukan katup, H head penggerak, γ unit berat air, C total koefisien drag dan loss drive line termasuk katup limbah. gh V = Vst tanh () LVst Energi suplai dari tangki sumber air secara teotitis sama dengan energi suplai ke tangki penampungan oleh pompa. Tetapi karena ada kehilangan energi baik pada pipa maupun pada katup dan sebagainya, maka efisiensi pompa η dinyatakan sebagai, Qd x Hd = Qp x Hp x η (3) Qd Hd η = (4) Qp Hp dimana η = 0,66 (untuk hydram buatan pabrik dan 0,33 untuk buatan home made). 1) Qp (vol)p = (5) Qd (vol)d dimana Qd kapasitas pompa, Qp aliran suplai air masuk pompa, Hd head pompa. Peristiwa palu air (water hammer) terjadi pada pompa hydram, karena tertutupnya katup limbah secara tiba-tiba. L dv H Hloss = (6) g dt 3

4 CdV L dv H = (7) g g dt Pada saat air mengalir mengalami percepatan pada pipa suplai dan mempunyai cukup energi tekanan untuk menutup katup buang secara tiba-tiba, maka terjadi drag dan head suplai sama dengan berat katup buang. Maka gaya drag Fd dapat diperoleh dengan rumusan berikut, V Fd = CdAvρ g (8) Dimana, Fd : gaya drag pada katup buang, N Av : penampang luas katup buang, m ρ : densiti fluida air, 1000 kg/m 3 Cd : koefisien drag Koefisien drag tergantung pada Reynold Number aliran dan bentuk pipa, untuk bentuk bulat Cd = 1,1. Tekanan palu air p, merupakan tekanan teoritis maksimum, tetapi karena adanya kehilangan energi pada katup, perpipaan, fitting dan sebagainya maka, tekanan yang dicapai pada tabung udara akan lebih kecil dari tekanan palu air. P = u ρk (9) Dimana, u : kecepatan liran air pada pipa penggerak ρ : densiti air K : modulus elastisitas air Panjang pipa penggerak Lp, Lp : (4 6) Hp (10) Diameter pipa Dp, Ld Dd = ( ) (11) 4. Hasil dan Pembahasan Hasil prediksi head pompa hydram buatan BPTTG LIPI ditabelkan pada tabel 1, berdasarkan rumusan matematik parameter dari pompa hydram disebut diatas. Tabel 1. Prediksi Head (m) Pompa Hydram (Pipa Penggerak Diameter inchi) Head Penggerak (m) Keluaran ½ inchi Keluaran ¾ inchi Keluaran 1,0 inchi,0 17,0 5,0-3,0 5,0 7,0-4,0 34,0 9,5-5,0 43,0 11,0-6,0 51,0 14,0-7,0 60,0 16,0-8,0 68,0 19,0-9,0 77,0 1,0-10,0 85,0 3,0 - Pada tabel 1 menggunakan besaran efisiensi 0,66, panjang pipa keluaran masing-masing untuk pipa diameter ½ dan ¾ inch adalah 1,5 dan 19 m. Apabila menggunakan angka-angka tersebut diatas pada instalasi di lapangan, maka debit air dipastikan akan keluar dari ujung pipa keluaran. Tetapi apabila masih terdapat penambahan panjang pipa keluaran melebihi angka tersebut tetapi dalam batas-batas tidak terlalu ekstrim 4

5 penambahannya, maka debit air keluaran masih akan tetap keluar dengan pengurangan relatif kecil. Panjang pipa penggerak/suplai ke pompa kurang lebih 10 m, dan apabila panjang pipa kurang atau lebih dari angka tersebut antara 1 m, pompa masih tetap dapat beroperasi. Pada pipa keluaran menggunakan ukuran 1,0 inchi, maka pompa tidak dapat berfungsi, karena energi air penggerak pada pipa suplai tidak cukup untuk menaikkan air pada pipa keluaran. Dengan tinggi head m dapat menaikkan air setinggi 17 m kurang lebih 8 kali lipat dari head tinggi air jatuh., kemudian pada tinggi head air jatuh 10 m dapat menaikkan air setinggi 85 m, juga kurang lebih 8 kali lipat. Sebenarnya tekanan air yang ditimbulkan oleh palu air cukup besar secara teoritis dapat menaikkan air lebih tinggi dari angka-angka hasil hitungan head pada tabel 1 diatas, tetapi karena adanya headlosses dan dibutuhkannya debit air pada besaran yang relatif layak, maka angka head yang dipakai untuk operasional pompa adalah angka-angka tabel 1 tersebut diatas. Apabila kondisi lapangan diluar dari angka head tabel 1, maka perlu mengdunakan pompa dengan pipa penggerak/suplai lebih besar misalnya ukuran 3 inchi dan seterusnya. 5. Kesimpulan Prediksi head penting dalam perencanaan instalasi pompa agar hasil instalasi dapat berfungsi baik dan handal dalam jangka waktu lama, serta menyangkut sisi pembiayaan/investasi. Kenaikan head operasional pompa rata-rata 8 kali lipat dari tinggi head sumber air, jadi relatif cukup tinggi. Instalasi pompa cocok di-implementasikan pada kondisi lapangan berbukit-bukit di pedesaan dimana sumber air berada di lembah, sedangkan pemukiman berada diatasnya. Daftar Pustaka 1. Hydram Pump Calculation, opened 11/15/04.. HydraulicRamPumps, ITDG, opened 11/05/ Hydram Pump Calculation, opened 11/15/ Lewitt, E.H Hydraulics and Fluid Mechanics, London, ELBS and Sir Isaac Pitman & Sons Ltd. 5. Martosudirdjo A.W, Pengembangan Implemen Teknologi Pedesaan (Hidram) Laporan Teknik Penelitian dan Pengembangan Teknologi Tepat Guna, Lembaga Fisika Nasional LIPI. 6. Molyneux F., 1963, The Hydraulic Ram Pump for Rural Water Supply, Journal Chemical Plant Design I, ButterWorths, London, p Siregar H.P.1994, Rancang bangun dan Penerapan Teknologi Pompa Hidram dan Pemipil Jagung di Kabupaten Rejang-Lebong Bengkulu, Prosiding Seminar Ilmiah Puslitbang Fisika Terapan LIPI, P3FT- LIPI, Subang, hal Siregar H.P. 001, Rancangan Hidrolik Ram untuk Irigasi Lahan Sempit dengan Sumber Air Deras, Prosiding Seminar Nasional Air, Lahan dan Pangan, Volume I, Pusat Penelitian Manajemen Air dan Lahan, Program Studi Ilmu Tanaman Program Pasca Sarjana UNSRI Palembang, hal.a.14.1 s/d A Siregar H.P.004, Evaluasi Kinerja Pompa Hydraulic Ram Buatan BPTTG-LIPI, Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Tjipto Utomo ITENAS Bandung, hal. D-1 s/d D Slack D.C., Eshenaur W.C., Berkas T.H., 1984, Predicting the Performance of A Water Pumping Hydraulic Ram, International Journal for Development Technology, Vol., p USAID For The World, Designing a Hydraulic Ram Pump, 1997, http// PO.Box 3131 San Luis Obispo, CA USA. 1. Wylie E.B. 1978, Fluid Transients, New York, McGraw-Hill International Book Co. 5