PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 182 PENDAHULUAN

Transkripsi

1 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 182 PENGARUH VARIASI TINGGI TABUNG UDARA (AIR CHAMBER) TANPA KONTRAKSI BENTUK PENAMPANG TERHADAP EFISIENSI KERJA HIDRAULIC RAM PUMP Oleh: Raden Haryo Saputra 1), Wawan Sonianto 2), dan Victor Barnabas 3) Sumber energi dari hidraulik ram pump berasal dari proses perubahan energi kinetis aliran air menjadi tekanan dinamik yang menimbulkan efek hentakan air (water hammer) sehingga terjadi perubahan tinggi tekanan dalam pipa. Katup buangan (waste valve) dan katup penghantar (delivery valve) diusahakan terbuka dan tertutup sedemikian rupa secara bergantian, tekanan dinamik diteruskan sehingga tekanan inersia yang terjadi dalam pipa pemasukan memaksa air naik ke pipa penghantar. Kondisi ini menyebabkan adanya gaya tekan dari pipa pemasukan dan memaksa air untuk mengalir ke pipa pengeluaran dengan tekanan tinggi sehingga mampu dialirkan ke lokasi yang lebih tinggi. Kegiatan diawali dengan pembuatan badan pompa dan komponen-komponen lainnya, seperti tabung udara (air chamber) yang sudah dimodifikasi, katup buangan (waste valve), dan katup penghantar (delivery valve). Selanjutnya, proses pengambilan data di Laboratorium Hidrologi dan Hidrolika Fakultas Teknik Universitas Palangka Raya dengan variasi Q input (40 l/mnt, 35 l/mnt, dan 30 l/mnt), ketinggian elevasi debit input Hs atau Z (120 cm, 100 cm, dan 80 cm), serta ketinggian head output Hd atau T (300 cm, 250 cm, dan 200 cm) berdasarkan variasi tinggi tabung udara (35 cm, 50 cm, 70 cm, 90 cm, dan 110 cm). Dari hasil analisis yang telah dilakukan menunjukkan bahwa variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang ternyata berpengaruh terhadap efisiensi kerja pompa hidram dengan trend nonlinier dalam arti ada nilai paling optimal. Dari semua tabung udara (air chamber) yang telah diuji mulai dari tabung STD (A), GSX (B), TBC, TBD, dan TBE hanya tabung GSX dengan tinggi 50 cm, diameter 10,16 cm, ketinggian elevasi debit input (Hs) 80 cm, head output (Hd) 200 cm, debit input (Qs), debit hasil (Qd) 5.86 l/mnt, dan debit waste valve (Qw) 26,47 l/mnt merupakan tabung yang paling optimal dengan efisiensi 11,72%. Kata kunci: Tabung udara, beda elevasi debit input, efisiensi Pompa Hidram. PENDAHULUAN Air merupakan sarana yang penting dalam kehidupan manusia dan hewan maupun tumbuh-tumbuhan. Di samping itu air juga merupakan sumber tenaga yang disediakan sebagai pembangkit tenaga mekanis. Khusus untuk daerah-daerah yang berdekatan dengan sumber air atau lokasinya berada di dekat mata air, kebutuhan air tidak terlalu menjadi masalah. Kenyataan telah menunjukkan bahwa banyak daerah di pedesaan yang mengalami kesulitan penyediaan air, baik untuk kebutuhan rumah tangga maupun 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. Untuk menanggulangi masalah penyediaan air baik untuk kehidupan maupun untuk kegiatan pertanian, peternakan dan perikanan khususnya di daerah pedesaan, maka penggunaan Hydraulic Ram Pump yang sangat sederhana, baik dalam pembuatannya dan juga dalam pemeliharaannya mempunyai prospek yang baik. Sumber energi dari pompa berasal dari proses perubahan energi kinetis aliran air menjadi tekanan dinamik dan sebagai akibatnya menimbulkan water hammer sehingga terjadi tekanan inersia dalam pipa. Dengan mengusahakan supaya katup buangan (waste valve) dan katup penghantar (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. Kondisi ini menyebabkan adanya gaya tekan dari pipa pemasukan dan memaksa air untuk mengalir ke pipa pengeluaran dengan tekanan tinggi 1) Raden Haryo Saputra, S.T. adalah staf pengajar tetap di Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Palangka Raya 2) Wawan Sonianto, S.T. adalah staf pengajar tetap di Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Palangka Raya 3) Victor Barnabas adalah mahasiswa angkatan 2008 di Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Palangka Raya

2 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 183 sehingga mampu dialirkan ke lokasi yang lebih tinggi. Rumusan Masalah Berdasarkan permasalahan di atas yang berkaitan dengan efektifitas kerja alat dapat dirumuskan: 1. Bagaimana pengaruh variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang terhadap efisiensi kerja pompa Hidram? 2. Bagaimana pengaruh variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang terhadap tekanan yang dihasilkan? 3. Bagaimana perbandingan debit yang dihasilkan dari pengaruh variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang? 4. Bagaimana mengetahui tinggi efektif Head output tanpa kontraksi bentuk penampang kerja pompa Hidram secara teoritis? Tujuan Tujuan penelitian ini sebagai berikut: 1. Mengetahui pengaruh dari variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang terhadap efisiensi kerja pompa Hidram. 2. Mengetahui pengaruh dari variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang terhadap tekanan yang dihasilkan. 3. Mengetahui perbandingan debit yang dihasilkan dari pengaruh variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi penampang. 4. Mengetahui tinggi efektif HeadOutput (Hd) tabung udara (air chamber) yang mampu dihasilkan oleh Hidraulic Ram Pump secara teoritis. Batasan Masalah Lingkup masalah dibatasi sebagai berikut: 1. Debit masuk dianggap konstan untuk setiap percobaaan. 2. Angkutan sedimentasi diabaikan. 3. Penelitian efisiensi pompa Hidram hanya terhadap pengaruh variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang. TINJAUAN PUSTAKA Menurut Hanafie dan De Longh (1997), hidraulik ram merupakan suatu alat yang digunakan untuk menaikan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi secara automatik dengan energi yang berasal dari air itu sendiri. Sumber energi dari pompa berasal dari tekanan dinamik atau gaya air yang timbul karena perbedaan ketinggian dari sumber air/asal air ke pompa. Gaya tersebut akan dipergunakan untuk menggerakkan katup sehingga diperoleh gaya yang lebih besar untuk mendorong air ke atas (Atmodjo, 1999). Penggerak mula pompa hidram menggunakan energi akibat dari adanya perbedaan ketinggian permukaan air sumber dengan kedudukan pompa. Manfaat alat ini adalah memompa air ke tempat yang lebih tinggi. Tenaga air maksimum dapat dihasilkan 8 kali air terjunan. Kondisi yang umum digunakan pompa hidram adalah topografi yang sulit, sumber air jauh lebih rendah dari lokasi pemakai. Proses perubahan energi kinetis aliran air menjadi tekanan dinamik atau gaya air yang timbul karena perbedaan ketinggian dari sumber air ke pompa, dan sebagai akibatnya menimbulkan hentakan air atau palu air (water hammer) sehingga terjadi tekanan tinggi dalam pipa tabung. LANDASAN TEORI Pompa hidram adalah suatu alat untuk mengalirkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi secara kontinyu dengan menggunakan energi potensial sumber air yang akan dialirkan sebagai daya penggerak, tanpa menggunakan sumber energi luar. Karena itu, pompa hidram disebut juga pompa hydraulic ram atau motorless pump. Pompa hidram bekerja berdasarkan prinsip water hammer. Menghitung kecepatan rata-rata (v r ) berdasarkan persamaan kontinuitas Q r A r. v r... (1) Jika menggunakan tandon, maka: Q t = Q r dan v t = v r. Persamaan (1) dapat pula ditulis v r Qr Ar... (2)

3 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 184 di mana Q r adalah debit rata-rata sungai atau tandon (m 3 /dtk), A r merupaka luas area tampang sungai atau tampang tandon (m 2 ), dan v r adalah kecepatan air di sungai atau tandon (m/dtk). Kecepatan maksimum (v max ) di pompa Hidram dihitung dengan persamaan: v max 2. g. hs M... (3) di mana v max adalah kecepatan maximum aliran, H s adalah ketinggian air di tandon dari hidram, M adalah Koefisien kehilangan energi (head loss), dan g adalah percepatan gravitasi. tabung udara Standar dan GSX (Saputra, R.H., Nindito, D.A., Putra, Harry Adiguna, 2013). Gambar 1. Desain Pompa Hidram Berdasarkan hubungan empirik antara ketinggian suplai dan panjang suplai, diusulkan: t L 1 v H H g max 1. d s.... (4) t L 2 v H H g max 2. d s.... (5) di mana L 1 adalah anjang suplai berdasarkan tinggi empirik dan panjang suplai (m), L 2 adalah panjang pompa Hidram (m), t 1 adalah waktu untuk katup impuls menutup atau waktu katup penghantar (delivery valve) untuk membuka, t 2 adalah waktu yang diperoleh dari saat katup penghantar (delivery valve) untuk menutup, H s adalah tinggi suplai (ketinggian suplai (h in ) ketinggian dari tandon input ke pompa hidram, H d adalah ketinggian air yang diharapkan (tinggi tangki output dari tandon input). Besarnya efisiensi pompa Hidram dapat dihitung menggunakan persamaan Rankine: Qd. hd Eff.100%... (5) Rankine Q Q. h h d di mana Eff (Rankine) adalah efisiensi pompa Hidram menurut Rankine, Q d adalah kapasitas air hasil pemompaan (m 3 /s), Q w adalah kapasitas air pembuangan (m 3 /s), H s ketinggan air pemompaan (m), H d adalah ketinggian air ke Hidram (m). METODE PENELITIAN w d Penelitian ini merupakan lanjutan dari penelitian sebelumnya yang menggunakan s Gambar 2. Skema Pengujian Pompa Hidram Gambar 3. Bagan Alir Penelitian Variasi running dan parameter untuk meningkatkan efisiensi Hidram telah

4 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 185 ditetapkan sesuai dengan data tabung Standar dan GSX. Penelitian ini memerlukan data untuk menganalisis jumlah debit dan head yang dihasilkan sebuah pompa hidram dengan tambahan modifikasi variasi tinggi tabung udara (air chamber) yaitu, tabung C (tinggi 70 cm), tabung D (tinggi 90 cm), dan tabung E (tinggi 110 cm). Data yang digunakan dalam penelitian ini berupa data primer (data yang didapat melalui hasil pengukuran yang telah dilakukan). Lanjutan Tabel 1 HASIL DAN PEMBAHASAN Penamaan kode running didasarkan pada perbedaan parameter yang digunakan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 4.1. Volume tabung dinotasikan dengan kata TBC, TBD, TBE. Besarnya debit input dinotasikan dengan huruf Q dan angka yang ditunjukkan pada kode ketiga menunjukkan besarnya debit input. Variasi elevasi debit input, dinotasikan dengan huruf Z dan angka yang ditunjukkan pada kode ke lima menunjukan ketinggian elevasi debit input. Sedangkan untuk variasi head output dinotasikan dengan huruf T dan angka yang ditunjukkan pada kode ketujuh menunjukan ketinggian head output. Tabel 2. Perbedaan Tabung Udara (air chamber) Standar dengan Tabung Udara Modifikasi Tabel 1. Berbagai Parameter Utama Berdasarkan Variasi Running Spesifikasi tabung udara Standar dan modifikasi variasi tinggi tabung C (tinggi 70 cm), tabung D (tinggi 90 cm) dan tabung E (tinggi 110 cm) dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Gambar 4. Tabung udara Standar

5 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 186 Gambar 5. Tabung udara (air chamber) GSX Gambar 8. Tabung udara (air chamber) variasi tinggi 110 cm Tabel 3. Percobaan I Gambar 6. Tabung udara (air chamber) variasi tinggi 70 cm Tabel 4. Percobaan II Gambar 7. Tabung udara (air chamber) variasi tinggi 90 cm

6 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 187 Tabel 5. Percobaan III Tabel 6. Percobaan IV Gambar 8. Hubungan Volume Tabung Udara (air chamber) dari Variasi Tinggi Tabung Udara (air chamber) Terhadap Tekanan Gambar 9. Hubungan Volume Tabung Udara (air chamber) dari Variasi Tinggi Tabung Udara (air chamber) Terhadap Debit Hasil Tinggi Efektif Head Output (H d ) Tabung Udara (Air Chamber) Tanpa Kontraksi Bentuk Penampang Kerja Pompa Hidram Secara Teoritis Gambar 7. Hubungan Volume Tabung Udara (air chamber) dari Variasi Tinggi Tabung Udara (air chamber) Terhadap Efisiensi Dari nilai efisiensi pompa Hidram kelima tabung uji diperoleh efisiensi terbesar 11.72% dengan H s = 80 cm, Q w = l/mnt pada tabung udara GSX, sehingga dapat dihitung tinggi efektif Head output (H d ) secara teoritis. Apabila parameter-parameter yang mempengaruhi Efisiensi pompa Hidram dianggap tetap (H d max jika Q w min). Contohnya saja jika minimal Q d ditetapkan

7 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 188 sebagai 250 ml (1 Gelas Air Mineral, dengan asumsi dalam 1 menit dapat menghasilkan debit sebesar 250 ml), maka dapat dihitung H d dengan cara trial dan error (cara cobacoba) berikut. Diketahui: H s = 80 cm Q w = l/mnt Eff = 11,72% Q d = 250 ml = 0,25 Liter (Trial) Ditanya: H d =? H d = H d = Berdasarkan tabel di atas dengan cara trial dan error, ketika Q d = 250 ml nilai H d adalah negatif yang berarti pompa sudah tidak melakukan kerja atau tidak menaikan air ke pipa penghantar (delivery valve) karena debit output terkecil yang dihasilkannya adalah 3515 ml. Ketika Nilai Q d dicoba 3515 ml, Head output (H d ) secara teoritis bernilai 3708,96 m yang berarti pompa masih mampu menaikkan air setinggi itu, sedangkan jika kurang dari 3515 ml maka H d sudah bernilai negatif yang berarti sudah tidak melakukan kerja atau tidak menaikan air ke pipa penghantar (delivery valve). Hasil running berbagai tabung udara (air chamber) didasarkan pada perbedaan parameter yang digunakan seperti pada Tabel 8 dan Tabel 9. Tabel 8. Efisiensi Pompa Hidram dengan Menggunakan Tabung Standar (A), dan Tabung GSX (B) H d = -0,87 m Jadi, nilai Q d = 250 ml = 0,25 l tidak memenuhi tinggi efektif (H d ) secara teoritis (minus). Sehingga untuk nilai Q d yang lain dihitung dengan cara yang sama dan ditabelkan seperti pada Tabel 7. Tabel 7. Tinggi Efektif Head Output (H d ) dengan Cara Trial and Error Q d H d (m) (l/mnt) 0,25-0,87 5 2, ,66 3,7 17,24 3,6 37,19 3,55 88,91 3,52 543,67 3, ,96

8 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) 189 Lanjutan Tabel 8 Sumber: Saputra, R.H., Nindito, D.A., Putra, Harry Adiguna, Tabel 9. Efisiensi Pompa Hidram dengan Menggunakan Tabung Udara C (70 cm), D (90 cm), dan E (110 cm) Sumber: Hasil Analisis PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan pengamatan dan pembahasan yang telah dilakukan, didapatkan kesimpulan sebagai berikut: 1. Variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang ternyata berpengaruh terhadap efisiensi kerja Pompa Hidram. Semakin tinggi tabung udara (air chamber), semakin besar volume tabung udara (air chamber) tersebut. Volume tabung udara (air chamber) inilah yang mempengaruhi debit hasil (Q d ) dan debit waste valve (Q w ). Semakin tinggi tabung udara (air chamber) tidak membuat efisiensi semakin meningkat, tetapi ada nilai optimalnya. Dari kelima tabung udara (air chamber) yang telah diuji coba, tabung udara (air chamber) GSX atau tabung B (tinggi 50 cm, diameter 10,16 cm, ketinggian elevasi debit input (Q s ) = 30 l/mnt, debit hasil (Q d ) = 5,86 l/mnt, dan debit waste valve (Q w ) = 26,47 l/mnt). Merupakan tabung yang menghasilkan efisiensi kerja Pompa Hidram yang paling optimal sebesar 11,72%. 2. Variasi tinggi tabung udara (air chamber) tanpa kontraksi bentuk penampang ternyata berpengaruh terhadap tekanan yang dihasilkan oleh tabung udara (air chamber) tersebut. Semakin tinggi tabung udara (air chamber), tidak membuat tekanan semakin meningkat, tetapi ada nilai optimalnya, jika ruang tabung udara (air chamber) ditinggikan (volume diperbesar) melebihi titik optimalnya maka tekanan yang dihasilkannya justru menurun kembali. 3. Semakin tinggi tabung udara (air chamber) tidak membuat debit hasil (Q d ) semakin besar, karena ada nilai optimalnya. Debit hasil (Q d ) optimal yang terbesar terjadi pada running Q1Z1T3. Debit hasil (Q d ) yang optimal dari masing-masing tabung udara (air chamber), yaitu tabung A (tinggi 35 cm), tabung B (tinggi 50 cm), tabung C (tinggi 70 cm), tabung D (tinggi 90 cm), dan tabung E (tinggi 110 cm) berturutturut sebesar 8,12 l/mnt, 8,32 l/mnt, 4,99 l/mnt, 3,57 l/mnt dan 6,62 l/mnt. Jadi, tabung GSX memberikan debit hasil (Q d ) yang paling tinggi.

9 PROTEKSI (Proyeksi Teknik Sipil) Tinggi efektif Head output (H d ), secara teoritis yang dihasilkan oleh tabung yang efisiensi paling optimal (tabung GSX) setinggi 3708,96 m dengan nilai Q d sebesar 3,515 l/mnt jika dan hanya jika debit waste valve (Q w ) sebesar 26,47 l/mnt sedemikian rupa dapat dijaga tetap. Saran Saran-saran yang dapat diberikan dalam usaha meningkatkan kinerja pompa Hidram pada saat ini: 1. Penelitian dan pengembangan pompa hidram untuk masa yang akan datang sangat diperlukan mengingat masih banyak faktor-faktor yang dapat meningkatkan kinerja pompa Hidram. Misal dengan cara mendesain tabung yang mampu mengatur pola tekanan. 2. Tabung udara (air chamber) dengan variasi tinggi 70 cm, 90 cm dan 110 cm memungkinkan dapat menghasilkan efisiensi kinerja pompa Hidram lebih optimal dibandingkan dengan tabung udara (air chamber) GSX dengan mengatur variasi debit input yang lebih besar, dan tandon suplai dengan kapasitas tampung yang lebih besar dari penelitian sebelumnya. 3. Dalam pengujian kali ini, ditemukan beberapa kendala di antaranya ketersediaan alat pendukung penelitian pressure gauge (manometer) khusus untuk tekanan rendah sehingga bisa membaca data yang lebih akurat. Di masa mendatang perlu untuk diusahakan. DAFTAR PUSTAKA Adelina, N Pengaruh Konfigurasi Bentuk Katup Penghantar (Delivery Valve) Terhadap Efisiensi yang Dihasilkan Pompa Hidraulik. Skripsi, Program Studi Teknik Sipil Universitas Palangka Raya. Arianta, N.A Pengaruh Variasi Ukuran Tabung Udara Terhadap Unjuk Kerja Sebuah Pompa Hidram. Yogyakarta: Universitas Gajah Mada. Atmodjo, Bambang Tri Hidraulika I Edisi ke 2. Yogyakarta: Beta Offset. Balitbang PU Penjelasan Teknologi Pompa Hidram. Jakarta: PT Medias. Hadie, A.A Analisis Pengaruh Karakteristik Katup Buangan Terhadap Efisiensi Kerja Hydraulic Ram Pump. Skripsi, Program Studi Teknik Sipil Universitas Palangka Raya. Hanafie, J., de Longh, H Teknologi Pompa Hidraulik Ram. Bandung: Pusat Teknologi Pembangunan Institut Teknologi Bandung. Linsley, R.K., dan Franzini, J.B Teknik Sumber Daya Air Jilid 1. Jakarta: Erlangga. San, G.S, Santoso, G Studi Karakteristik Volume Tabung Udara dan Beban Katup Limbah Terhadap Efisiensi Pompa Hydraulic Ram. Jurnal Teknik Mesin 4(2), Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri Universitas Kristen Petra Surabaya. Saputra, R.H., Nindito, D.A., Putra, Harry Adiguna Pengaruh Variasi Tabung Udara (Air Chamber) Terhadap Efisiensi Kerja Hydraulic Ram Pump. Jurnal Proteksi (Program Studi Teknik Sipil) VI(1), ISSN Program Studi Teknik Sipil Universitas Palangka Raya. Shuaibu Design and Conservation of a hydraulic Rump Pump Wahyudi Metode Perencanaan Pembebanan dengan Produksi MWh dan LF. Jakarta: P T P LN P3B. Widarto, L., Sudarto, FX Membuat Pompa Hidram Edisi 8. Yogyakarta: Kanisius.