PENGUJIAN PENGARUH VARIASI HEAD SUPPLY DAN PANJANG LANGKAH KATUP LIMBAH TERHADAP UNJUK KERJA POMPA HIDRAM SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik FRANCISCUS M. SITOMPUL NIM. 080401071 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul PENGUJIAN PENGARUH VARIASI HEAD SUPPLY DAN PANJANG LANGKAH KATUP LIMBAH TERHADAP UNJUK KERJA POMPA HIDRAM ini dengan baik. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik,. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materil, moril, maupun spiritual dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu tidak lupa penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Bapak Ir.Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera dan juga sebagai dosen pembanding dan Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT sebagai dosen pembanding yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyusunan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin. 4. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H.Napitupulu, DEA selaku dosen wali. 5. Orang tua penulis J.Sitompul dan T. Br. Panggabean yang memberikan dukungan moril dan materil, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis. 6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah. 7. Rekan satu tim skripsi, Herto M. Marbun dan Uccok Prans Sinaga yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan kritik dan saran.
8. Teman - teman penulis yaitu seluruh rekan mahasiswa angkatan 2008, para abang dan kakak senior, serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah memberi dukungan dan semangat kepada penulis. 9. Kepada pihak-pihak lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih. Medan, Mei 2013 Franciscus M Sitompul
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
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR SIMBOL... xiii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Perumusan Masalah... 3 1.3 Tujuan Penelitian... 3 1.4 Batasan Masalah...4 1.5 Manfaat Penelitian... 4 1.6 Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 6 2.1 Pompa... 6 2.2 Pompa Hidram... 7 2.2.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya... 7 2.2.2 Sistem Operasi Pompa Hidram... 11 2.3 Tinjauan Mekanika Fluida... 16 2.3.1 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida... 16 2.3.2 Tekanan Pada Fluida... 17 2.3.3 Gerak Fluida dan Laju Aliran... 18 2.3.4 Energi dan Head... 19 2.3.5 Persamaan Bernoulli... 21 2.3.6 Aliran Laminer dan Turbulen... 22 2.3.7 Kerugian Head (Head Losses).... 23 2.4 Dasar Perencanaan Pompa... 27 2.4.1 Kapasitas... 27
2.4.2 Head Pompa... 27 2.4.3 Sifat Zat Cair... 28 2.5 Persamaan Energi Pada Pompa Hidram... 29 2.5.1 Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram... 29 2.5.2 Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air... 33 2.5.3 Efisiensi Pompa Hidram... 33 2.6 Analisis Ketidakpastian... 34 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 36 3.1 Peralatan Yang Pengujian... 36 3.2 Alat Ukur Yang Digunakan... 43 3.2.1 Manometer... 43 3.2.2 Alat Ukur Debit Aliran... 44 3.2.3 Alat Ukur Waktu... 46 3.2.4 Alat Ukur Panjang.... 46 3.3 Skema Penelitian... 47 3.4 Variabel Yang Diamati... 49 3.5 Langkah Penelitian...... 50 3.6 Prosedur Pengujian...... 51 BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA... 54 4.1 Perhitungan Aliran Air Pada Pompa Hidram... 54 4.1.1 Kapasitas Aliran Dalam Pipa Pemasukan... 54 4.1.2 Kecepatan Aliran Dalam Pipa Pemasukan... 55 4.1.3 Kapasitas Aliran Dalam Pipa Discharge... 57 4.1.4 Kecepatan Aliran Dalam Pipa Discharge... 58 4.2 Faktor Kerugian... 60 4.2.1 Kerugian head mayor (mayor losses) dalam pipa pemasukan... 60 4.2.2 Kerugian head minor (minor losses) dalam pipa pemasukan... 64
4.2.3 Kerugian head mayor (mayor losses) dalam pipa discharge...... 65 4.2.4 Kerugian head minor (minor losses) dalam pipa discharge...... 68 4.3 Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Palu Air... 70 4.4 Menghitung Energi Yang Dibangkitkan Oleh Pompa Hidram Akibat Palu Air... 71 4.5 Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Penutupan Katup Gradual...... 74 4.6 Menghitung Daya Pompa... 76 4.7 Efisiensi Pompa Hidram... 79 4.8 Grafik Satu Siklus Kerja Pompa Hidram... 83 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 85 5.1 Kesimpulan... 85 5.2 Saran... 86 DAFTAR PUSTAKA... 87 LAMPIRAN A Hasil percobaan dan ketidakpastian B Data sheet pengujian C Gambar rancangan pompa hidram D Lampiran sifat fisik air dan faktor kelengkapan pipa
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1a Katup kerdam sederhana...... 8 Gambar 2.1b Katup kerdam berpegas...... 8 Gambar 2.1c Katup karet lentur... 8 Gambar 2.2 Bagian bagian katup limbah........ 9 Gambar 2.3 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk...... 11 Gambar 2.4 Skema pompa hidram pada kondisi A..... 12 Gambar 2.5 Skema pompa hidram pada kondisi B........... 13 Gambar 2.6 Skema pompa hidram pada kondisi C........... 13 Gambar 2.7 Skema pompa hidram pada kondisi D.......... 14 Gambar 2.8 Diagram satu siklus kerja pompa hidram... 15 Gambar 2.9 Profil kecepatan pada saluran tertutup... 16 Gambar 2.10 Profil kecepatan pada saluran terbuka......... 16 Gambar 2.11 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah..... 18 Gambar 2.12 Ilustrasi persamaan Bernoulli.. 22 Gambar 2.13 Diagram Moody.. 24 Gambar 2.14 Skema instalasi pompa hidram........ 29 Gambar 3.1 Prototype pompa hidram........ 36 Gambar 3.2 Badan pompa.......... 37 Gambar 3.3 Katup limbah... 37 Gambar 3.4 Badan katup... 38 Gambar 3.5 As katup limbah... 38 Gambar 3.6 O ring... 39 Gambar 3.7 Plat katup... 39
Gambar 3.8 Mur... 40 Gambar 3.9 Katup penghantar...... 40 Gambar 3.10 Tabung udara... 41 Gambar 3.11 Bak penyuplai.......... 41 Gambar 3.12 Bak penampung.. 42 Gambar 3.13 Pompa sirkulasi....... 42 Gambar 3.14 Landasan pompa... 43 Gambar 3.15 Manometer........ 44 Gambar 3.16 Flow meter 2 inch... 45 Gambar 3.17 Flow meter 1 inch... 45 Gambar 3.18 Stopwatch... 46 Gambar 3.19 Meteran ukur... 46 Gambar 3.20 Jangka sorong... 47 Gambar 3.21 Skema penelitian pompa hidram... 48 Gambar 3.22 Susunan alat ukur... 50 Gambar 3.23 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir.... 53 Gambar 4.1 Grafik kapasitas aliran pipa pemasukan vs panjang langkah katup limbah........... 55 Gambar 4.2 Grafik kecepatan aliran pipa pemasukan vs panjang langkah katup limbah... 56 Gambar 4.3 Grafik kapasitas aliran pipa discharge vs panjang langkah katup limbah... 58 Gambar 4.4 Grafik kecepatan aliran pipa discharge vs panjang langkah katup limbah........... 60
Gambar 4.5 Grafik tekanan pipa discharge vs head supply... 71 Gambar 4.6 Grafik energi vs panjang langkah katup limbah... 74 Gambar 4.7 Grafik kenaikan head tekanan gradual vs panjang langkah katup limbah... 76 Gambar 4.8 Grafik daya pompa vs panjang langkah katup limbah... 78 Gambar 4.9 Instalasi pompa hidram menurut D Aubuisson... 79 Gambar 4.10 Grafik efisiensi D Aubuisson vs panjang langkah katup limbah... 80 Gambar 4.11 Instalasi pompa hidram menurut Rankine... 81 Gambar 4.12 Grafik efisiensi Rankine vs panjang langkah katup limbah... 82 Gambar 4.13 Diagram satu siklus kerja pompa hidram... 83
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Nilai kekasaran dinding untuk berbagai pipa komersil....24 Tabel 4.1 Kapasitas aliran pipa pemasukan untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah...54 Tabel 4.2 Kecepatan aliran pipa pemasukan untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah...56 Tabel 4.3 Kapasitas aliran pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah......57 Tabel 4.4 Kecepatan aliran pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 59 Tabel 4.5 Bilangan Re pipa pemasukan untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah...61 Tabel 4.6 Faktor gesekan pipa pemasukan untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah...62 Tabel 4.7 Head losses mayor pipa pemasukan untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 63 Tabel 4.8 Koefisien kerugian untuk pipa pemasukan... 64 Tabel 4.9 Head losses minor pipa pemasukan untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 65 Tabel 4.10 Bilangan Re pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 66 Tabel 4.11 Faktor gesekan pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 67
Tabel 4.12 Head losses mayor pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 68 Tabel 4.13 Koefisien kerugian untuk pipa discharge... 69 Tabel 4.14 Head losses minor pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 69 Tabel 4.15 Tekanan pipa discharge untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 70 Tabel 4.16 Kecepatan aliran katup limbah untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 72 Tabel 4.17 Besar energi untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 73 Tabel 4.18 Besar peningkatan tekanan gradual untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 75 Tabel 4.19 Head delivery untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 77 Tabel 4.20 Besar daya pompa untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 78 Tabel 4.21 Efisiensi menurut D Aubuisson untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 80 Tabel 4.22 Efisiensi menurut Rankine untuk variasi head supply dan panjang langkah katup limbah... 82
DAFTAR SIMBOL Simbol Arti Satuan A 1 Luas penampang pipa pemasukan m 2 A 2 Luas penampang pipa discharge m 2 A 3 Luas penampang katup limbah m 2 A waste Luas penampang katup limbah m 2 C D d Koefisien kekasaran pipa Hazen-Williams Diameter pipa pemasukan Diameter pipa discharge m m d 1 Diameter penampang pipa pemasukan m d 2 Diameter penampang pipa discharge m d 3 Diameter penampang katup limbah m E Energi hidram Joule E f Energi Tekan Joule E k Energi kinetik dalam aliran pipa masuk Joule E p Energi potensial Joule E v Modulus bulk untuk air 2,07 x 10 9 N/m² f Faktor gesekan bahan pipa F Gaya fluida yang mengalir N g Percepatan gravitasi 9.81 m/s 2 H d Head delivery m
H L Head losses m h f Kerugian head mayor m h m Kerugian head minor m H Head supply m h Head output m L Panjang pipa M m Massa air yang mengalir dalam pipa Kg n P Jumlah ketukan Daya pompa Watt P Tekanan statis fluida Pa P 0 Tekanan pada tiitk 0 (tekanan atmosfer) bar P 1 Tekanan pada pipa pemasukan bar P 2 Tekanan pada pipa discharge bar P 3 Tekanan pada katup limbah bar Ptu Tekanan pada tabung udara bar Q 1 Kapasitas aliran pipa pemasukan m 3 /s Q 2 Kapasitas aliran pipa discharge m 3 /s Q 3 Debit air yang melalui katup limbah m 3 /s Q Debit limbah m 3 /s q Debit hasil pemompaan m 3 /s Re Bilangan Reynold
t Waktu untuk 1 ketukan s v t Kecepatan aliran keluar bak penyuplai m/s v 0 Kecepatan aliran pada titik 0 (bak penyuplai) m/s v 1 Kecepatan aliran pada pipa pemasukan m/s v 2 Kecepatan aliran pada pipa discharge m/s v 3 Kecepatan aliran pada katup limbah m/s W Ketidakpastian Z 0 Ketinggian titik 0 dari datum m Z 3 Ketinggian titik 3 dari datum m Kekasaran pipa Berat jenis air KN/m 3 Massa jenis air Viskositas dinamis fluida Kg/m 3 N s/m 2 efisiensi hidram menurut D Aubuisson efisiensi hidram menurut Rankine Δh Kenaikan tekanan akibat palu air m