PENGUJIAN PENGARUH VARIASI HEAD SUPPLY DAN PANJANG LANGKAH KATUP LIMBAH TERHADAP UNJUK KERJA POMPA HIDRAM Franciscus Manuel Sitompul 1,Mulfi Hazwi 2 Email:manuel_fransiskus@yahoo.co.id 1,2, Departemen Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia ABSTRAK Pada tugas akhir ini dilakukan pengujian pengaruh variasi head supply dan panjang langkah katup limbah terhadap unjuk kerja pompa hidram. Dalam penelitian pompa hidram yang penulis lakukan, menggunakan variasi head supply 2,3 m, 2,8 m dan 3,3 m dan variasi panjang langkah katup limbah 15 mm, 20 mm dan 25 mm. Tabung udara dengan volume 0,006153 m³ dan panjang pipa pemasukan 15 m. Dari hasil pengujian dan perhitungan diperoleh bahwa head supply berpengaruh terhadap tekanan yang diakibatkan oleh palu air dan panjang langkah katup limbah berpengaruh terhadap debit dan kecepatan aliran. Head tekanan gradual maksimum sebesar 0,6076 m yang terhubung paralel head supply 3,3 m dan panjang langkah katup limbah 25 mm. Efisiensi maksimum pompa hidram sebesar 43,14 % yang terhubung paralel dengan head supply 2,3 m dan panjang langkah katup limbah 15 mm pada efisiensi D Aubuisson. Kata kunci : pompa, pengujian, head supply, katup limbah, efisiensi ABSTRACT This study aims to test the influence of variations in head supply and length of waste valve stroke on the hydram pump performance. In research of hydraulic ram which is writer do, using variation of head supply 2.3 m, 2.8 m and 3.3 m and length of waste valve stroke 15 mm, 20 mm and 25 mm. Volume of an air chamber 0.006153 m³ and length of inlet pipe 15 m. From the result of testing and calculation found that the variation of head supply effect on pressure caused water hammer and length of waste valve stroke effect on capacity and velocity of flow. Maximum gradual pressure head 0,6076 m connected in parallel with head supply 3,3 m and length of waste valve stroke 25 mm. Maximum efficiency of hydram pump 43.14% connected in parallel with head supply 2.3 m and length of waste valve stroke 15 mm in efficiency D Aubuisson. Keyword: pump, testing, head supply, waste valve, efficiency 1. Pendahuluan Kebutuhan akan air semakin lama semakin meningkat sejalan dengan meningkatnya kebutuhan hidup manusia, baik di daerah perkotaan maupun daerah pedesaan. Peningkatan tersebut dilihat dari dua hal yang saling tergantung satu sama lain yaitu sisi kualitas dan kuantitas. Di sisi lain, jumlah air relatif tidak berubah dari waktu ke waktu. Pertumbuhan penduduk yang pesat banyak membawa pengaruh negatif terhadap sumber daya air, baik kuantitas maupun kualitasnya. Sementara itu, ada sebagian penduduk kurang mendapatkan pelayanan air, tetapi di sisi lain terdapat aktifitas dan kegiatan penduduk yang menggunakan air secara berlebihan dan cenderung memerlukan pemborosan air [1]. 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 224
membebani petani dalam melakukan kegiatan usaha taninya. Salah satu teknologi irigasi yang mulai dikembangkan adalah pompa hydraulic ram atau lazim disebut pompa hidram [1]. Dalam penelitian ini dilakukan pengujian penggunaan variasi head supply dan panjang langkah katup limbah untuk mengetahui pengaruh head supply dan panjang langkah katup limbah terhadap unjuk kerja pompa hidram. 2. Tinjauan Pustaka 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 salah satu alat yang digunakan untuk menaikkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi secara otomatis dengan energi yang berasal dari air itu sendiri. Prinsip kerja hidram merupakan proses perubahan energi kinetis aliran air menjadi tekanan dinamik dan sebagai akibatnya menimbulkan palu air (water hammer), sehingga terjadi tekanan tinggi dalam pipa. Dengan mengusahakan supaya katup limbah (waste valve) dan katup pengantar (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 [3]. 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. Akhir 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 limbah yang terbuka dan tekanan dalam pipa-pipa masuk juga bertambah secara bertahap. Periode 3. Katup limbah mulai menutup dengan demikan menyebabkan naiknya tekanan dalam ram. Kecepatan aliran dalam pipa pemasukan telah mencapai maksimum. Periode 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. a. Komponen Pompa Hidram Beberapa komponen utama pompa hidram dijelaskan pada uraian di bawah ini [4]: 1. Katup limbah (Waste valve) 2. Katup penghantar (Delivery valve) 3. Tabung udara (Air chamber) 4. Katup udara (Air valve) 5. Pipa masuk (Driven pipe) b. Prinsip Kerja Pompa Hidram 225
Reynold dengan menggunakan persamaan [6]: 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) Gambar 2.1 Diagram satu siklus kerja pompa hidram c. Persamaan Yang Digunakan 1. Kapasitas aliran (Q) untuk aliran fluida yang incompressible, yaitu: [1] Q = A.v 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, dimana gaya F dipahami bekerja tegak lurus terhadap permukaan A [6] : Keterangan : P = tekanan (Pa) F = gaya (N) A = luas permukaan (m 2 ) 4. Kerugian Head (Head Losses) a. Kerugian Head Mayor (Major Losses) Dihitung dengan menggunakan persamaan Darcy Weisbach, yaitu [6] : 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 ) b. Kerugian Head Minor (Minor Losses) Besarnya kerugian minor akibat adanya kelengkapan pipa, dirumuskan sebagai [6]: n k v = jumlah kelengkapan pipa = koefisien kerugian (dari lampiran koefisien minor losses peralatan pipa) = kecepatan aliran fluida dalam pipa 5. Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram 3. Gerak Fluida Dan Laju Aliran Dua jenis aliran utama pada fluida yaitu aliran lurus atau laminar dan aliran turbulen. Untuk menentukan jenis aliran terlebih dahulu dihitung bilangan 226
t = waktu penutupan katup limbah, s 7. Efisiensi Pompa Hidram Ada dua metode dalam perhitungan efisiensi hidram, yaitu : a. Menurut D Aubuisson : Gambar 2.2 Skema instalasi pompa hidram P 0 = tekanan pada titik 0 yaitu tekanan atmosfer pada bak pemasok air = 0, N/m 2 P 3 = tekanan pada katup buang, N/m² V 0 = kecepatan aliran air pada titik 0 pada bak pemasok = 0 karena debit konstan, m/s V 3 Z 0 = kecepatan aliran air pada katup limbah = 0 karena aliran air terhenti seiring menutupnya katup limbah, m/s = ketinggian titik 0 dari datum, (m) Z 3 = ketinggian pada katup limbah = 0 karena diasumsikan segaris datum, (m) H L = head losses, (m) ρ = massa jenis fluida, untuk air = 1000, kg/m 3 g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s 2 6. Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan [7] : h = kenaikan tekanan akibat palu air, m v = kecepatan aliran, m/s L = panjang pipa pemasukan, m g = percepatan gravitasi, m/s 2 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 b. Menurut Rankine : 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. Metodologi Penelitian a. Skema penelitian Gambar 3.1 Skema penelitian pompa hidram Keterangan gambar : 1) Bak pemasukan, 2) Pipa sirkulasi, 3) Flowmeter 2 inch, 4) Manometer 1, 5) Tabung udara, 6) Manometer 3, 7) Manometer 2, 8) Globe valve 1 inch, 9) Flow meter 1 inch, 10) Katup penghantar, 11) Bak penampung, 12) Katup limbah, 13) Badan pompa, 14) Landasan pompa, 15) Pompa sirkulasi, 227
16) Pipa pemasukan 2 inch, 17) Globe valve 2 inch, H. Head supply. b. Pelaksanaan Pengujian Adapun head supply dan panjang langkah katup limbah yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: Head supply tinggi 2,3 m, 2,8 m dan 3,3 m Panjang langkah katup limbah 15 mm, 20 mm dan 25 mm Sedangkan parameter yang ditetapkan adalah sebagai berikut: Panjang pipa pemasukan : 15 m Diameter pipa pemasukan : 50,8 mm Volume tabung udara : 0,006153 m³ 4. Hasil Pengujian dan Analisa 1. Kapasitas aliran dalam pipa pemasukan 2. Kapasitas aliran dalam pipa discharge Gambar 4.2 Grafik kapasitas aliran pipa discharge vs panjang langkah katup limbah Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa kapasitas aliran pipa discharge tiap head mengalami peningkatan. Semakin panjang langkah katup limbah maka semakin sedikit jumlah ketukan, semakin lama waktu yang dibutuhkan dalam 1 ketukan sehingga kapasitas aliran yang masuk pipa discharge semakin besar. Kapasitas aliran pipa pemasukan maksimum pada panjang langkah katup limbah 25 mm yaitu head 3 sebesar 0,000091 m 3 /s. 3. Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Palu Air Gambar 4.1 Grafik kapasitas aliran pipa pemasukan vs panjang langkah katup limbah bahwa kapasitas aliran pipa pemasukan tiap head mengalami peningkatan. Semakin panjang langkah katup limbah maka semakin sedikit jumlah ketukan, semakin lama waktu yang dibutuhkan dalam 1 ketukan sehingga kapasitas aliran yang masuk pipa pemasukan semakin besar. Kapasitas aliran pipa pemasukan maksimum pada panjang langkah katup limbah 25 mm yaitu head 3 sebesar 0,002125 m 3 /s. Gambar 4.3 Grafik tekanan pipa discharge (P 2 ) vs head supply bahwa tekanan pada pipa discharge mengalami peningkatan. Semakin tinggi head supply maka tekanan yang diakibatkan oleh palu air semakin besar. Tekanan maksimum pada head 3 yaitu panjang langkah katup limbah 25 mm sebesar 1,35 bar. 228
4. Energi Yang Dibangkitkan Oleh Pompa Hidram Akibat Palu Air 6. Daya Pompa Gambar 4.4 Grafik energi vs panjang langkah katup limbah bahwa energi tiap pompa hidram mengalami peningkatan. Semakin panjang langkah katup limbah, maka kecepatan aliran pada katup limbah semakin tinggi sehingga energi yang dibangkitkan oleh pompa hidram semakin besar. Energi maksimum pada panjang langkah katup limbah 25 mm yaitu head 3 sebesar 44,9757 J. Gambar 4.6 Grafik daya pompa vs panjang langkah katup limbah bahwa daya pompa maksimum terjadi pada head supply 3,3 m dan panjang langkah 25 mm. Hal ini disebabkan karena debit yang dihasilkan dan head delivery pada kondisi tersebut adalah maksimum sehingga daya yang diperlukan juga maksimum. 7. Efisiensi Pompa Hidram a. Menurut teori D Aubuisson 5. Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Gradual Gambar 4.5 Grafik kenaikan head tekanan gradual vs panjang langkah katup limbah bahwa head supply berpengaruh terhadap peningkatan head tekanan secara gradual. Semakin tinggi head supply maka peningkatan tekanan akibat peristiwa palu air semakin besar. Head tekanan gradual minimum pada head 1 dan panjang langkah katup limbah 15 mm sebesar 0,2559 m dan maksimum pada head 3 dan panjang langkah katup limbah 25 mm sebesar 0,6076 m. Gambar 4.7 Grafik efisiensi D Aubuisson vs panjang langkah katup limbah b. Menurut teori Rankine Gambar 4.8 Grafik efisiensi Rankine vs panjang langkah katup limbah Dari kedua grafik di atas, terlihat bahwa peningkatan head supply dan panjang langkah katup limbah memiliki pengaruh yang sangat signifikan terhadap efisiensi. Efisiensi maksimum 229
terjadi pada head supply 2,3 m dan panjang langkah katup limbah 15 mm sedangkan efisiensi minimum terjadi pada head supply 3,3 m dan panjang langkah katup limbah 25 mm. Semakin tinggi head supply, maka tekanan yang diakibatkan oleh peristiwa palu air semakin tinggi sehingga head delivery yang mampu dicapai semakin tinggi. Sementara, semakin panjang langkah katup limbah, maka semakin lama waktu yang dibutuhkan selama 1 ketukan sehingga debit pemasukan, debit pemompaan dan debit limbah semakin besar. Semakin besar debit pemompaan dan debit limbah, maka efisiensi semakin menurun. [4] Taye,T. 1998. Hydraulic Ram Pump, Journal of the ESME,Vol II, No. 1 [5] Hanafie,J., de Long,H. 1979. Teknologi Pompa Hidraulik Ram. Bandung: Pusat Teknologi Pembangunan Institut Teknologi Bandung [6] L.Streeter, Victor. 1992. Mekanika Fluida jilid 1. Jakarta: Erlangga [7] P.dejong. consumers guide Hydraulic RAMS delft university of technology centre for international cooperation and appropiate technology 5. Kesimpulan dan Saran Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah, didapat kesimpulan bahwa head supply berpengaruh terhadap tekanan yang diakibatkan oleh palu air, panjang langkah katup limbah berpengaruh terhadap debit dan kecepatan aliran, head tekanan gradual maksimum pada head supply 3,3 meter dan panjang langkah katup limbah 25 mm sebesar 0,6076. Untuk penelitian berikutnya di harapkan melakukan penelitian terhadap head supply dan panjang langkah katup limbah yang lebih akurat. Misalnya dengan membandingkan data yang di hasilkan dengan mengunakan 5 sampai dengan 7 variasi head supply dan panjang langkah katup limbah. Daftar Pustaka [1] Suarda Made, 2008. Kajian Eksperimental Pengaruh Tabung Udara Pada Head Pompa Hidram. Bali: Jurnal ilmiah Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana [2] Bruce R. Munson, Donald F. Young. 2004. Mekanika Fluida. Jakarta: PT Gelora Aksara Pratama [3] International Development Research Centre. 2005. Designing a Hydraulic Ram Pump. USA 230