RANCANG BANGUN POMPA HIDRAM DAN PENGUJIAN PENGARUH VARIASI TINGGI TABUNG UDARA DAN PANJANG PIPA PEMASUKAN TERHADAP UNJUK KERJA POMPA HIDRAM Daniel Ortega Panjaitan 1, Tekad Sitepu 2. Email: panjaitandanielortega@yahoo.com 1,2, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln.Almamater Kampus USU Medan 2155 Medan Indonesia Abstrak Saat ini teknologi untuk menyuplai air masih kebanyakan menggunakan pompa dengan penggerak motor listrik sebagian besar pompa tersebut memiliki ketergantungan akan energi listrik atau bahan bakar minyak sebagai energi penggerak pompa. Salah satu teknologi yang mulai dikembangkan adalah pompa hydraulic ram. Pompa hidram bekerja berdasarkan prinsip palu air. Ketika aliran fluida dihentikan secara tiba-tiba maka perubahan momentum massa fluida tersebut akan meningkatkan tekanan secara tiba-tiba. Peningkatan tekanan ini digunakan untuk mengangkat sebagian air ke tempat yang lebih tinggi. Maka dirancanglah pompa hidram yang menggunakan energi potensial air sebagai penggeraknya.dalam perancangan pompa hidram yang penulis lakukan, menggunakan variasi tinggi tabung udara dengan tinggi 4 cm dan 6 cm dengan diameter 6.35 cm dan variasi panjang pipa pemasukan dengan panjang 8 m, 1 m dan 12 m. Tinggi saluran suplai 2,3 meter dan tinggi saluran tekan 8 m. Dari perhitungan di dapat kapasitas pompa maksimum sebesar.346666 m 3 /s. Efesiensi maksimum pompa hidram 29,55 % pada tinggi tabung 6 cm dan panjang pipa masuk 1 m. Kata kunci : Pompa hidram, palu air, tabung udara, panjang pipa pemasukan, Efisiensi 1. Pendahuluan Air merupakan salah satu faktor yang sangat penting dan dibutuhkan dalam kehidupan makhluk hidup. Selain untuk pengembangan fisologis makhluk hidup, air juga menjadi input bagi beragam upaya atau kegiatan makhluk hidup dalam rangka menghasilkan sesuatu untuk kelangsungan hidupnya. Munculnya permasalahan yang menyangkut air yang disebabkan oleh peningkatan beragam kebutuhan dan kepentingan kehidupan makhluk hidup, pada gilirannya berdampak terhadap terganggunya kondisi permintaan dan penyediaan air [1]. Masyarakat membutuhkan air dalam jumlah besar, baik yang berasal dari sumber air permukaan maupun air tanah, memanfaatkan beragam teknologi yang mampu mengangkat dan mengalirkan air dari sumbernya ke lahanlahan pertanian serta hunian penduduk. 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 masyarakat dalam melakukan kegiatan usahanya. Salah satu teknologi irigasi yang mulai dikembangkan adalah pompa hydraulic ram atau lazim disebut pompa hidram [1]. Dalam perancangan pompa hidram yang agar mempunyai efisiensi sebaik mungkin di perlukan penelitian terhahap komponen komponen utama pada pompa hidram. Dalam pebelitian ini dilakukan pengujian penggunaan variasi tabung udara dan panjang pipa masuk untuk mendapatkan ukuran volume tabung udara dan panjang pipa pemasukan yang mempunyai efisiensi yang paling baik dan mengetahui pengaruh tabung udara dan panjang pipa pemasukan terhadap kapasitas dan kinerja dari pompa hidram. 1
2. Landasan Teori 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 [2]. Pompa hidram 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 yaitu karena adanya tinggi air jatuh yang digunakan untuk menekan katup pada pompa hidram dan mengakibatkan water hammerketika air dihentikan secara tiba-tiba, maka perubahan momentum massa fluida tersebt akan meningkatkan tekanan secara tiba tiba pula. Peningkatan tekanan fluida ini digunakan untuk mengangkat sebagian fluida tersebut ke tempat yang lebih tinggi [3]. a.komponen Pompa Hidram Beberapa komponen utama sebuah pompa hidram dijelaskan pada uraian di bawah ini [4] : 1. Katup Limbah (Waste Valve). 2. Katup Penghantar (Delivery Valve) 3. Udara (Air Chamber) 4. Katup Udara (Air Valve) 5. Pipa Masuk (Driven Pipe) Keterngan gambar: 1) Tee, 2)Badan pompa, 3) Pipa masuk, 4) Double neple saluran katup limbah, 5) Rumah katup limbah, 6)Elbow, 7) Double neple saluran katup penghantar, 8) Katup hantar, 9) Penyangga pompa, 1) Plat pengikta katu hantar, 11) Plat pengikta rumah katup limbah, 12) Ktup limbah, 13) As katup limbah, 14) udara. b.prinsip Kerja Pompa Hidram 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 [5]: Periode 1.Akir 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 imbah yang terbuka dan tekanan dalm pipa-pipa masuk juga bertambah secara bertahap. Periode 3.Katup limbah mulai menutup dengan demikan meynebabkan naiknya tekanan dalam ram. Kecepatan aliaran dalampipa pemasukan telah mencapai maksimum. 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 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. Gambar 1 bagian-bagian pompa hidram Dalam lima periode pompa hidram bekerja dalam satu siklus waktu yang diperlukan untuk satu siklus pompa hidram 2
tergantung dari panjang langkah katup dan beban dari katup limbah. A = Luas Permukaan (m 2 ) 3.Gerak Fluida dan Laju aliran Dua jenis aliran utama pada fluida yaitu lurus atau laminar dan aliran turbulen.untuk mementukan jenis aliran ditentukan terlebih dulu bilngan Reynoldnya dengan persamaan [6] : Re=. (3) 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) Aliran akan laminar jika bilangan Reynoldkurang dari 23 dan akan turbulen jikabilangan Reynold lebih besar dari 4.Jika bilangan Reynold terletak antara 23 4 maka disebut aliran transisi [6]. 4. Kerugian Head (Head Losses) Gambar 2 diagram satu siklus kerja pompa hidram. c.persamaan Yang Digunakan 1. Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang incompressible, menurut yaitu [6] : Q= A.v (1) Dimana : Q = laju aliran fluida (m 3 /s) A = luas penampang aliran (m 2 ) v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s) 2.Tekanan Pada Fluida Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, di mana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A [6] : Tekanan = P = (2) Keterangan : P = Tekanan (Pa) F = Gaya (N) 1. Mayor losses ` Dihitung dengan menggunakan salah satu dari dua rumus Persamaan Darcy Weisbach, yaitu [6]: hf = f....(4) Dimana : Hf = kerugian head karena gesekan (m) f = faktor gesekan d = diameter dalam pipa (m) L = panjang pipa (m) V = kecepatan aliran rata-rata fluida dalam pipa (m/s) g = percepatan gravitasi (m/ s 2 ). 2.Minor losses Besarnya kerugian minor akibat adanya kelengkapan pipa, dirumuskan sebagai [6]: hm = n. k..... (5) Dimana : n = jumlah kelengkapan pipa 3
k v = koefisien kerugian ( dari lampiran koefisien minor losses peralatan pipa) = kecepatan aliran fluida dalam pipa. e. Energi yang dibangkitkan oleh pompa hidram dengan persamaan Bernoulli [6]. Gambar 3. Skema Instalasi Pompa Hidram + + + z = + z hl...(6) dengan : P = tekanan pada titik N/m 2 P 3 = tekanan pada katup buang, N/m² V = kecepatan aliran air pada titik pada bak pemasok V 3 = kecepatan aliran air pada katub buang [= ] karena aliran air terhenti seiring menutupnya katub limbah, m/s Z = ketinggian titik dari datum, (m) Z 3 = ketinggian pada katup buang () karena diasumsikan segaris datum (m) H L = head losses,( m) ρ = massa jenis fluida, untuk air = 1, kg/m 3 g = percepatan gravitasi (= 9,81), m/s 2. f.peningkatan tekanan pada pompa hidram akibat peristiwa palu air Besarnya kenaikan head tekanan dapat dihitung dengan persamaan seperti di bawah ini [7].: ΔH = ( ).. (7) dengan: ΔHp c = kenaikan head tekanan, m = kecepatan gelombang suara dalam air, m/s V 1 = kecepatan air sebelum valve menutup, m/s V 2 = kecepatan air sesudah valve menutup, m/s g = percepatan gravitasi, m/s 2 g. Efisiensi Pompa Hidram. Ada dua metode dalam perhitungan efisiensi hidram, yaitu [8]: 1.Menurut D Aubuisson. η =...(8) () dengan : η A = efisiensi hidram menurut D Aubuisson q = debit hasil, m 3 /s Q = debit limbah, m 3 /s h = head keluar, m H = head masuk, m 2.Menurut Rankine : () η =......(9) (). dengan : η R = efisiensi hidram menurut Rankine q = debit hasil, m 3 /s Q = debit limbah, m 3 /s h = head keluar, m H = head masuk, m 3 Metode Penelitian 1.Tempat penelitian Penelitian ini dilakukan di lantai empat Departemen Teknik Mesin USU dengan memasang instalasi yang terlihat seperti gambar 4. 4
2. Bahan Penelitian Penelitian ini menggunakan pompa hidraulik ram dengan diameter pipa masuk 1,5 inchi dan pipa keluar,5 volume tabung 1266.1265 cm 3 Udara 2 diameter tabung 6.35 Cm dengantinggi tabung 6 cm maka Volume tabung 1899.18975 cm 3 Panjang pipa masuk 8m,1 dan 12 m Sedangkan parameter yang ditetapkan adalah sebagai berikut: 1.Tinggi datum : 2.3 m 2.Diameter pipa masuk : 3,81 3.cm Diameter pipa keluar : 1.27 cm 4.Hasil pengujian dan Analisa 1.Kapasitas Aktual Pada Pipa Pemasukan Gambar 4 Prototype pompa hidram 3. Skema penelitian Tabel 1 Kapasitas aktual untuk berbagai variasi tinggi tabung dan panjang pipa pemasukan No. Panjang pipa pemasukan ( m) Q( m s) 1 tinggi 4 cm 8,4473 1,432 12,39166 Gambar 4 Skema penelitian pompa hidram Keterangan gambar: 1) Tangki pemasukan, 2) Pipa sirkulasi, 3) Katup limbah, 4) udara, 5) Pipa discharge, 6) Katup pengantar, 7) Tangki penampung, 8) Dudukan pompa, 9) Pipa pemasukan, 1) Katup pemasukan, M) Manometer, FM= Flow Meter, H=Head statis, H = Head pemompaan. 3 Pelaksanaan Pengujian Adapun volume tabung udara dan panjang pipa pemasukan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Udara 1 diameter tabung 6.35 cm dengan Tinggi tabung 4 cm maka 2 tinggi 6 cm 8,428 1,424666 12,411666 5
Kapasitas aktual pipa pemasukan (m3/s) Gambar 5 Grafik kapasitas aktual pipa pemasukan vs panjang pipa Dari gambar grafik diatas dapat No. 1 tinggi 4 cm 2 tinggi 6 cm.46.45.44.43.42.41.4.39.38 Panjang pipa pemasukan (m) dilihat untuk kedua tinggi tabung udara bahwa semakin panjang pipa pemasukan maka kapasitas pipa pemasukan mengalami penurunan hal itu disebabkan karena semakin panjang pipa maka semakin bnayak kehilnagan tekanan akiabat losis yang terjadi pada pipa dan berkurangnya kecepatan sehingga aliran makin lambat. 2 Kapasitas untuk pipa discharge Panjang Q 2 (m 3 /s) pipa pemasukan ( m) 8,15666 1,336666 12,235 8,24666 1,34666 12,26833 Tabel 4.3 kapasitas pipa discharge untuk variasi tinggi tabung udara dan panjang pipa pemasukan Kapasitas pipa discharge (m3/s).4.35.3.25.2.15.1.5 Panjang pipa Pemasukan Gambar 6 Grafik kapasitas pipa discharge vs Panajng pipa pemasukan. Dari gambar grafik diatas dimana panjang pipa pemasukan yang digunakan 8 meter, 1 meter dan 12 meter, dapat dilihat bahawa untuk tiap panjang pipa yang sama untuk kedua tabung udara debit hasil pemompaan yang paling besar oleh tabung kedua pada tinggi tabung 6 cm pada jarak pipa pemasukan 1 meter,hal itu disebabkan karena volume tabung udara yang semakin besar yang menyebabkan tekanan air untuk membuka katup penghantar lebih cepat sehingga air lebih banyak mengalir melalui katup penghantar. 3.Peningkatan Tekanan Akibat Palu Air Kenaikan head tekan (m) 4 35 3 25 2 15 1 5 panjang pipa pemasukan (m) Gambar 7 Gafik kenaikan head tekan vs panjang pipa pemasukan 6
.6 3 kenaiak head tekan secara gradual (m).5.4.3.2.1 Panjang pipa pemasukan (m) Daya pompa(w) 2.5 2 1.5 1.5 Panjang pipa pemasuksn Gambar 8 Grafik kenaikan head tekan secara gradual vs panjang pipa pemasukan Untuk gambar 7 grafik kenaikan head tekan vs panjang pipa pemasukan dimana head tekan maksimum terjadi pada tinggi tabung udara 6 cm dan panjang pipa masuk 1 meter karena pada kondisi ini tekanan yang terjadi pada pompa juga maksimum. Pada gambar 8 grafik kenaikan head tekan secara gradual vs panjang pipa pemasukan diatas terlihat bahwa untuk kedua tabung udara semakin panjang pipa pemasukan maka kenaikan head tekan akiabt peristiwa palu air juga mengalami kenaikan karena semakin panjang pipa pemasukan tekanan yang diakibatkan oleh peistiwa palu air mengalami peningkatan untuk kedua tabung kenaiakn head tekannya maksimum pada pipa 12 meter yaitu tabung 1 sebesar.489 m dan tabung 2 sebesar.482 m. 4.Daya Pompa Gambar 9 Grafik daya pompa vs panjang pipa pemasukan Dari gambar 9 Grafik daya pompa vs panjang pipa pemasukan dapat dilihat bahwa daya pompa maksimum terjadi pada tabung udara ke dua yaitu dengan tinggi tabung udara 6 cm dan panjang pipa pemasukan 1 meter dimana pada kondisi ini debit yang dihasilkan oleh pompa adalah yang paling banyak dibandingkan dengan ukuran tinggi tabung udara dan panjang pipa pemasukan yang lainnya dimana pada kondisi ini kinerja dari pompa hidram juga maksimum sehingga daya yang diperlukan juga maksimum. 5.Efisiensi pompa hidram 1. menurut teori D Aubuisson effisiensi menurut D'Aubuisson (%) 35 3 25 2 15 1 5 dengan tinggi 4 cm tinggi 6 cm Panjang pipa pemasukan (m) 7
Gambar 1 Grafik effisiensi menurut teori D Aubuissonvspanjang pip untuk variasi tinggi tabung udara.s 2. Menurut teori Rankine Effisiensi menurut Rankine (%) 25 2 15 1 5 Panjang pipa pemasukan (m) Gambar 4.14 Grafik effisiensi menurut Rankine vs panjang pipa pemasukan untuk variasi tinggi tabung udara. Dari garafik diatas dapat dilihat penambahan tinggi tabung udara yang juga penambhan volume udara terlihat pada grafik effisiensi maksimum terjadi pada tinggi tabung udara 6 cm, 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 discharge. Pada saat meningkatnya volume tabung udara, akan memperkecil head output pompa hidram, yang diikuti naiknya nilai debit hasil. Akan tetapi, jika sudah melewati nilai maksimumnya, peningkatan debit hasil yang terjadi tidak akan lebih signifikan dari pada penurunan head output yang terjadi, sehingga efisiensi pompa akan berkurang. Dari grafik diatas dapat dilihat pengaruh panjang pipa pemasukan terhadap efisiensi pompa dimana untuk kedua tabung efisiensi maksimum terjadi untuk panjang pipa pemasukan 1 meter hal itu disebabkan karena debit hasil pemompaan maksimum karena tekanan air melalui katup penghantar seimbang dengan tekanan tabung udara sehingga debit pemompaan lebih konstan. 5.Kesimpulan dan Saran Dari hasil pengujian yang dilakukan untuk variasi tinggi tabung udara dan panjang pipa pemasukan effisiensi maksimum diperoleh 29.55% pada tinggi tabung udara 6 cm dan panjang pipa pemasukan 1 meter dengan kapasitas aktual pipa pemasukan,424666 (m 3 /s), kapasitas pipa discharge,355 (m 3 /s), tekanan pada pipa discharge,66 bar da tekanan pada tabung udara,62 bar. Penggunaan tabung udara brerdasarkan pengujian yang dilakukan, bahwa tinggi tabung udara dan panjang pipa pemasukan pada pompa hidram berpengaruh pada kapasitas pemompaan dan kinerja dari pompa hidram. Untuk penelitian pompa hidram berikutnya di harapkan melakukan penelitian terhadap volume tabung udara yang lebih akurat dengan membandingkan data yang di hasilkan dengan mengunakan 3 sampai 5 variasi tinggi tabung udara dan penggunaan alat ukur yang lebih akurat. Daftar Pustaka [1] Suarda Made,28, Kajian eksperimental pengaruh tabung udara pada head pompa Hidram,Jurnal ilmiah Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayan, Bali. [2] Bruce R. Munson, Donald F. Young Mekanika Fluida.PT Gelora Aksara Pratama.Jakarta :24 [3] International Development Research Centre,25, Designing a Hydraulic Ram Pump, USA [4] Taye, T., 1998, Hydraulic Ram Pump, Journal of the ESME, Vol II, [5] Hanafie Jahja, 1979, Teknologi PompaHidraulik Ram,Bandung, Pusat Teknologi Pembangunan Institut Teknologi Bandung. 8
[6] L.Streeter, Victor. 1992. Mekanika Fluida jilid 1. Erlangga. Jakarta. [7] Torishima.,1968, Torishima Pump Hand Book,Penerbit Toridhima Pump. MFG [8] P.dejong consumers guide HYDRAULIC RAMS delft university of technology centre for international cooperation and technology. 9