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

Transkripsi

1 Analisa Pengaruh Variasi Volume Tabung Udara Dan Variasi Beban Katup Limbah Terhadap Performa Pompa Hidram Andrea Sebastian Ginting 1, M. Syahril Gultom 2 1,2 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara de.victimz@gmail.com 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. Kata kunci : Pompa Hydraulic Ram, Tabung udara, beban katup limbah, Efisiensi 1.PENDAHULUAN 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 pompapompa bermesin dibutuhkan tenaga operator yang terampil. Disamping itu, alat tersebut harus mempunyai kualitas yang baik dan tersedianya suku cadang yang mudah diperoleh dipasaran bebas.[1]. 2. 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[1]. 2.2.Pompa Hidram Menurut Hanafie dan De Longh[1] Pompa hidraulik ram merupakan suatu alat yang digunakan untuk menaikkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi secara automatik dengan energi yang berasal dari air itu sendiri. 2.3.Persamaan Energi Pada Pompa Hidram 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= ) karena katup limbah dalam keadaan terbuka penuh. Sehingga persamaan Bernoulli akan menjadi: =...[2] 2.4.Tinjauan Mekanika Fluida Laju aliran massa didefinisikan sebagai massa dari fluida yang melewati titik tertentu persatuan waktu t; laju aliran massa = / t. Pada gambar 47

2 volume fluida yang melewati titik 1 (yaitu, melalui luas A 1 ) dalam waktu t adalah A 1 l 1, di mana l 1 adalah jarak yang dilalui fluida dalam waktu t. Karena kecepatan fluida yang melewati titik 1 adalah v 1 = l 1 / t, laju aliran massa m/ t melalui luas A 1 adalah: = ρ = ρ = ρ A v...[2] Gambar 2.1 Aliran Fluida Pipa Dengan Diameter Berubah-ubah. 3.METODE PENELITIAN 3.1.Variabel Yang Diamati Adapun variabel yang diamati pada penelitian kali ini adalah: 1. Tekanan pada sisi masuk badan hidram. 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. 3.2.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 (P 1 ) pada badan pompa, manometer 2 (P out ) pada pipa keluar, manometer 3 (P tu ) 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. 1. Memastikan semua instalasi telah terpasang dengan baik dan memastikan tidak ada kebocoran. 11. Untuk pengujian gunakan tabung dengan diameter 6.35, panjang tabung 6 cm dan panjang pipa masuk 15 m. 12. Menjalankan sistem dan melakukan pengujian yaitu dengan mencatat tekanan pada badan pompa (P 1 ), tekanan pada pipa keluar (P out ), tekanan pada tabung udara (P tu ), debit masuk (Q 1 ), debit air hasil(q 2 ), debit limbah (Q 3 ). Pengukuran debit dengan menggunakan flow meter dan stopwatch. 13. Lakukan prosedur 12 ini sampai tiga kali percobaan dengan selang waktu 2. 48

3 Q 1 aktual m 3 /s Beban Katup Limbah Gambar 4.1 Grafik kapasitas aktual pipa Gambar 3.1 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir 4.HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1.Perhitungan Aliran Air Pada Pompa Hidram 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 = Q 2 + Q 3 (m 3 /s) Q = m 3/ s Q =.1175 (m 3 /s) (dari rata-rata dua kali hasil pengujian untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan head supply 3,3 meter). 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 grafikgrafik berikutnya Kecepatan Aliran Dalam Pipa Pemasukan Kecepatan aliran didalam pipa didapat dengan menggunakan rumus : V 1 = [3] = = x (,277 ) 2 =,2493 m 2 V 1 (m/s) V 1 =, /, =,4877 m/s Beban Katup Limbah Gambar 4.2 Grafik kecepatan aliran pipa vs beban katup limbah 49

4 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 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. Q 2 =,11 m 3 /s Q 2 (m 3 /s) Beban Katup Limbah Gambar 4.3 Grafik kapasitas pipa keluaran vs beban katup limbah. 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 tabung ini debit aliran konstan, sedangkan pada pada tabung lainnya debit aliran tidak konstan Kecepatan Aliran pada Pipa Keluaran Kecepatan aliran pipa discharge didapat dengan menggunkan rumus : Q 2 = V 2 x A 2 A = πr 2 = π x (,14 m) 2 =,61544 m 2 V 2 =,, =,115 m/s V 2 m/s Gambar 4.4 Grafik kecepatan aliran pipa keluaran vs beban katup limbah. bahwa kecepatan aliran berbanding lurus dengan debit aliran. 4.2.Faktor Kerugian 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 = Dimana : d 1 =,554 m ( diameter pipa ) v 1 =,4877 m/s ( kecepatan aliran ) u =1,2 x 1-6 m/s ( viskositas kinematik air diambil 2 o C ).../ Re =. / = 26.91,94 Jenis aliran : Re < 23 laminar 23 < Re < 4 transisi Re > 4 turbulen Bilangan Re Beban Katup Limbah Beban Katup Limbah Gambar 4.5 Grafik Bilangan Reynold pipa masuk vs beban katup limbah 5

5 Dari data diatas dapat dilihat bahwa grafik Re vs berbanding lurus dengan grafik kecepatan masuk vs beban katup limbah. Head losses mayor dihitung menggunakan persamaan Darcy Weisbach, yaitu : hf = f Dimana : f = faktor gesekan Untuk pipa sangat halus seperti glass dan plastik, hubungan antara bilangan Reynold dan faktor gesekan adalah blasius. Untuk Re 3 s/d 1. : f =,, = f =,24672 hf = f,,, f =,245 d 1 =,554 m ( diameter pipa) L 1 =15 m ( panjang pipa ) v 1 =,4877 m/s ( kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa ) g = 9,8 m/ ( percepatan gravitasi ) hf (m) hf =,245 hf =,85 m,,, Gambar 4.6 Grafik head losses mayor (hf) vs beban katup limbah 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 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. h=8,924,, =,146 m hm (m) Beban Katup Limbah Gambar 4.7 Grafik head losses minor (hm) vs beban katup limbah bahwa minor losses berbanding lurus dengan mayor losses. Penjelasannya sama seperti pada penjelasan grafik mayor losses Kerugian head mayor (mayor losses) dalam pipa keluaran Untuk menentukannya dengan mencari bilangan Reynold,dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : Re = Dimana; d 2 = diameter pipa (.28 m) v 2 = Kecepatan aliran (.1781 m/s ) u = Viskositas kinematik air diambil pada suhu 2 C(1.2 x1-6 m 2 /s).../ Re =./ = 4887,8362 Kerugian head akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan salah satu dari dua rumus berikut, yaitu : Persamaan Darcy Weisbach : h= Dimana : hf = kerugian head karena gesekan (m) f = faktor gesekan 51

6 hf (m) =,,, =,, f =,3778 hf =,3778 =,262 m.. (./)./ 4.3.Besar Gaya Yang Terjadi Pada Pompa Hidram Terjadinya gaya karena air mengalir dari supply tank yang memiliki ketinggian tertentu, maka akan timbul gaya yang disebabkan percepatan yang dialami air. P = 4.3.1Pada pipa masuk saat katup tertutup P 3 = F 3 = P 3 x A 3 = 1,3 x 1 5 x,2493 = 313,21 N Gambar 4.8 grafik head losses mayor vs beban katup limbah bahwa loses mayor berbanding lurus dengan kecepatan. Semakin besar kecepatan, losses mayor juga semakin besar Kerugian head minor (minor losses) dalam pipa keluaran Kerugian head minor pada pipa keluaran karena kelengkapan pipa seperti belokan, siku, sambungan, katup. h=.. hm (m) hm=9,18 (./)./ hm =,148 meter. Gambar 4.9 grafik head losses minor vs beban katup limbah bahwa minor losses berbanding lurus dengan mayor losses. Penjelasannya sama seperti pada penjelasan grafik mayor losses. Gaya F 3 (N) Gambar 4.1 Grafik gaya pada pipa masuk saat katup tertutup vs beban katup limbah bahwa gaya pada tabung 2 dan 3 relatif konstan, artinya beban katup limbah tidak mempengaruhi, pada tabung 1 beban katup limbah hanya mempengaruhi sedikit gaya pada pipa masuk Pada pipa tabung udara P 1 = F 1 = P 1 x A 1 = 1,3 x1 5 x,8654 = 1125,2 N Gaya F 1 (N) Gambar 4.11 Grafik gaya pada tabung udara vs beban katup limbah 52

7 bahwa beban katup limbah hampir tidak mempengaruhi gaya pada tabung udara, perbedaan gaya hanya sedikit dan ini bergantung pada kepekaan melihat alat ukur tersebut. Dengan pengujian yang sama juga didapatkan tekanan (P) maximum dari tabung udara. Maka dapat dihitung juga gaya (F) maximum dari tabung udara tersebut yaitu: P 1 Max = F 1 Max = P 1 Max x A 1 = 1,96 x 1 5 x,8654 = 1696,18 N Gambar 4.12 Grafik gaya max pada tabung udara vs beban katup limbah bahwa pengaruh volume tabung dengan gaya yang dihasilkan berbanding lurus, beban katup limbah tidak mempengaruhi gaya yang dihasilkan Pada pipa keluaran P 2 = F 2 = P 2 x A 2 = 1,25 x 1 5 x,61544 = 76,93 N Gaya F 2 (N) Gaya (F) Max (N) Gambar 4.13 Grafik gaya pada pipa keluaran vs beban katup limbah Dari grafik diatas mempunyai penjelasan yang sama seperti pada penjelasan pada grafik sebelumnya. Gaya F 3 (N) Beban katu limbah Gambar 4.14 Grafik gaya pada pipa masuk saat katup terbuka vs beban katup limbah Dari grafik diatas menunjukkan gaya pada tiap tabung sama dikarenakan pada keadaan yang sama yaitu pada saat katup membuka, artinya beban katup limbah dan tabung tidak berpengaruh, jadi besar gayanya sama. 4.4.Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Palu Air Besarnya head tekanan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Joukowsky, seperti di bawah ini : = ( ) [4] Menurut David dan Edward, kecepatan gelombang suara di dalam air didefinisikan dengan persamaan : = / dengan : Ev = Modulus bulk, yang menyatakan kompresibilitas dari suatu fluida. Untuk air, Ev = 2,7 x 1 9 N/m 2 =. / // = 1438,74 m/s Kecepatan air sebelum katup limbah menutup (V 1 ) : V 1 = =,, =,4877 m/s Kecepatan air sesudah katup limbah menutup (V 2 ) V 2 = =,, =,456 m/s Hp = ( ) 53

8 Hp (m) =,(,,), = 64,94 m Gambar 4.15 Grafik kenaikan head tekanan vs beban katup limbah Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan : h= h h=,,, =,385 m Gambar 4.16 Grafik kenaikan head tekanan secara gradual vs beban katup limbah bahwa pengaruh kecepatan sangat berpengaruh terhadap peningkatan head tekanan secarag radual. Semakin besar kecepatan semakin besar juga h, demikian juga dengan sebaliknya. 4.5.Menghitung Daya Pompa Daya yang diperlukan oleh pompa dihitung dengan rumus : P = ρ.g.q.h P=1kg/m 3 x9.8m/s 2 x.71m 3 /s x 15 m = 12,887 W. Daya P (W) Gambar 4.17 Daya pompa vs beban katup limbah bahwa daya pompa maksimum terjadi pada tabung 3 dan beban 1, hal ini disebabkan karena debit yang dihasilkan pada kondisi tersebut adalah maksimum juga sehingga daya yang diperlukan juga maksimum. 4.6.Efisiensi Pompa Hidram Ada 2 metode dalam perhitungan hidram, yaitu : 1. Menurut teori D Aubuisson =. ( ).[5] Efisiensi η (%) =. x1% (.. ),, =, = 33,91 % Gambar 4.18 Grafik efisiensi D Aubuisson vs beban katup limbah 2. Menurut teori Rankine : h = ( + )..11 x (9,7) = ( ) 3.3 =,, = 27,51 % 1% 54

9 Efisiensi η (%) Gambar 4.19 Grafik efisiensi Rankine vs beban katup limbah Dari kedua grafik di atas dapat terlihat bahwa penggunaan tabung udara memiliki pengaruh yang sangat signifikan terhadap efisiensi. Pada pompa hidram dengan tabung udara, air bertekanan akan lebih banyak yang dapat terpompa ke atas karena akibat adanya proses pengumpulan air terlebih dahulu di dalam tabung udara. Namun pada kondisi volume tabung udara hingga melewati titik optimum yang diijinkan justru akan menurunkan efisiensi pompa hidram karena akan membuat rongga udara yang besar pada tabung udara sehingga tekanan udara tidak maksimal untuk menekan air ke pipa keluaran. Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa pengaruh beban katup limbah dan volume tabung udara terhadap efisiensi pompa hidram terjadi pada saat tabung 3 dengan beban 1, hal ini disebabkan karena debit keluaran (hasil pemompaan) pada keadaan tersebut adalah maksimum. Pada saat tabung 2 dengan beban katup limbah 3 minimum diakibatkan karena pada keadaan ini terjadi peristiwa masih terperangkapnya udara pada pipa masuk sehingga mengakibatkan kenaikan tekanan yang lambat dan akhirnya mengakibatkan debit limbah sangat besar sedangkan debit keluaran sangat kecil, sehingga efisiensinya minimum. Dengan melihat grafik yang ada dapat disimpulkan bahwa beban katup limbah tidak berpengaruh terhadap tekanan atau tekanan maksimum pompa, karena berapapun berat katupnya tidak akan berpengaruh karena tekanan pompa dipengaruhi oleh volume tabung udara, beban katup limbah berpengaruh pada debit aliran pompa, berbeda beban katup limbahnya maka berbeda jugalah debit alirannya. 5.KESIMPULAN Dari hasil pengujian yang dilakukan untuk variasi tabung udara dan beban katup limbah dengan head supply 3,3 meter dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Dari pengujian dan analisis yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa variasi volume tabung sangat berpengaruh terhadap kinerja pompa hydram. Hal ini terbukti dari 3 variasi tabung udara yaitu dengan tinggi 1 cm, 8 cm, 6 cm. Efisiensi maksimum yang didapat dari pompa hidram ini adalah pada tabung 3 dengan tinggi 6 cm dengan beban katup limbah 5 gram yaitu dengan data sebagai berikut: a. Efisiensi: 35,99 % b. Debit aktual pipa pemasukan:,1133 m 3 /s c. Debit aktual pipa keluaran:,139 m 3 /s d. Tekanan pada tabung udara: 1,3 x 1 5 Pa e. Tekanan pada pipa keluaran: 1,25 x 1 5 Pa f. Kecepatan aliran pipa pemasukan :,474 m/s g. Kecepatan aliran pipa keluaran:,2254 m/s 2. Dari data hasil pengujian yang diperoleh, didapatkan tekanan pada tabung udara. Tekanan ini sebenarnya bukan tekanan maksimum dari tabung udara tersebut karena tekanan berbanding lurus dengan head ( P = ρ g H ), artinya jika head (H) ditentukan 3,3 meter, dengan mengabaikan losses, maka tekanan (P) yang diberikan tabung udara I adalah. Untuk mendapatkan tekanan maksimum dari tabung udara tersebut ada 2 cara yaitu pertama dengan menambah H setinggi mungkin sehingga ketika pompa berjalan tabung akan memberikan tekanan maksimumnya seiring juga dengan meningkatnya head, kedua dengan menutup tabung udara dengan katup dan 55

10 menjalankan pompa sehingga didapatkan tekanan maksimum tabung udara. Pada pengujian yang dilakukan, penulis menggunakan cara kedua. Adapun data tekanan maksimum tabung udara hasil pengujian adalah sebagai berikut: a. beban katup limbah 1: b. beban katup limbah 2: 1,2 Bar c. beban katup limbah 3: 1,2 Bar d. beban katup limbah 1: e. beban katup limbah 2: f. beban katup limbah 3: g. beban katup limbah 1: h. beban katup limbah 2: i. beban katup limbah 3: DAFTAR PUSTAKA [1]Jahja Hanafie & Hans de longh, 1979, Buku Petunjuk untuk pembuatan dan pemasangan TEKNOLOGI POMPA HIDRAULIK RAM, ITB, Bandung. [2] Dietzel, Fritz TURBIN, POMPA DAN KOMPRESOR. Erlangga: Jakarta. [3]Bruce R. Munson, Donald F. Young & Theodore H. Okiishi. 23. MEKANIKA FLUIDA. Erlangga: Jakarta. [4]Sularso, dan Haruo Tahara, 1987, Pompa & Kompresor, Pradnya Pranita, Edisi ketiga, Jakarta. [5] Prof. Ma Chi & Dipl. Eng. Peter Diemer of BORDA, 22, Hydram Handbook China, Zhejiang Universitiy of Technology, China. 56