Rancang Bangun Dan Uji Eksperimental Pengaruh Variasi Panjang Driven Pipe Dan Diameter Air Chamber Terhadap Efisiensi Pompa Hidram

RANCANG BANGUN DAN UJI EKSPERIMENTAL

PENGARUH VARIASI PANJANG DRIVEN PIPE DAN

DIAMETER AIR CHAMBER TERHADAP

EFISIENSI POMPA HIDRAM

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

PARULIAN SIAHAAN

NIM. 080401066

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul

“RANCANG BANGUN DAN UJI EKSPERIMENTAL PENGARUH VARIASI PANJANG DRIVEN PIPE DAN DIAMETER AIR CHAMBER

TERHADAP EFISIENSI POMPA HIDRAM”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

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 sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :

1. Bapak Ir. Tekad Sitepu selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis. 2. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT sebagai dosen pembanding I dan bapak

Tulus Burhanuddin Sitorus, ST. MT sebagai dosen pembanding II yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Prof. Dr. Ir. Farel H. Napitupulu, DEA selaku dosen wali.

5. Kedua orang tua penulis, Bongguk Pahala Siahaan dan Lisnen Manik yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

6. Kakak penulis Manotar Martha Rosniati Siahaan S.Pd dan adik-adik penulis, Pardomuan Siahaan, Marianthi Misaria Siahaan, Talpas Pardamean Siahaan, dan Jesaya Marlina Siahaan yang saling memberi motivasi dalam mencapai cita-cita.

7. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

8. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku kepala laboratorium Mesin Fluida Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara beserta para staf. 9. Rekan-rekan satu tim kerja Daniel Panjaitan, Ekawira Napitupulu, dan

Andinata Sitepu yang meluangkan waktunya untuk memberikan kritik dan saran.

10.Rekan mahasiswa angkatan 2008, Ferdinan Lubis, Michael Hasibuan, Fernando Siagian yang telah bersama-sama penulis menyelesaikan masa kerja praktek di PT. Pertamina RU II Dumai.

11.Juhari Malau, Efrata Sianturi, Rahman, Sarjana ST, yang saling memberikan semangat.

12.Rekan alumni SMAN 2 Balige yang sama-sama menuntut ilmu di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, Munawir Siregar dan Ferdy Marpaung.

13.Rekan mahasiswa 2010, Budiman, Raymon, Nugraha, Andrey, dan Kevin. 14.Seluruh rekan mahasiswa yang tidak mungkin untuk disebutkan satu

persatu dan terkhusus kepada Litha Rohana Damanik yang selalu memberikan solusi terbaik kepada penulis.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima kritik dan saran yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.

Medan, November 2012

ABSTRAK

Air adalah sumber kehidupan bagi makhluk hidup. Daerah yang jauh dari sumber air membutuhkan sebuah pompa untuk memindahkannya. Pada umumnya, digunakan pompa sentrifugal untuk mengatasinya, tetapi pompa ini membutuhkan energi listrik atau bahan bakar untuk mengoperasikannya, dan energi listrik atau bahan bakar ini terkadang menjadi sebuah kendala. Pompa hidram adalah solusi dari permasalahan ini karena tidak menggunakan energi listrik maupun bahan bakar, dapat beroperasi 24 jam, harganya murah, dan mudah untuk dibuat. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi panjang driven pipe

dan diameter air chamber terhadap efisiensi pompa hidram. Pompa hidram yang digunakan dalam penelitian ini memiliki diameter driven pipe 1,5 inch dan diameter delivery pipe 0,5 inch. Variasi panjang driven pipe yang dilakukan adalah 8 m , 10 m , dan 12 m. Sedangkan variasi diameter air chamber yang dilakukan adalah 3 inch , dan 4 inch. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi maksimum diperoleh pada variasi panjang driven pipe 8 m dan diameter

air chamber 3 inch, yaitu sebesar 37%.

ABSTRACT

Water is a source of life for living things. Place that far away for the water sources require pumps to move it. In general, centrifugal pumps are used to it, but these pumps require electricity or fuel to operate, and electrical energy or fuel, it can sometimes be an obstacle. The hydraulic ram pump is the solution of this problem because it doesn't use electricity or fuel, can operate 24 hours, it's cheap and easy to made. This research is done to know influence variation long driven pipe and diameter of air chamber against efficiency of hydraulic ram pump. The hydraulic ram pump used on this experiment has 1,5 inch inlet pipe and 0,5 inch outlet pipe. The variations of the driven pipe are 8 m , 10 m , and 12 m. The variations of the diameter of air chamber are 3 inch and 4 inch. The result shows that the maximum efficiency obtained at variations long driven pipe 8 m and diameter air chamber 3 inch, is equal to 37%.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR SIMBOL ... xi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Manfaat Penelitian ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Pompa ... 5

2.2 Tinjauan Mekanika Fluida ... 6

2.2.1 Sifat Dasar Fluida ... 6

2.2.2 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida ... 9

2.2.3 Gerak Fluida dan Laju Aliran ... 11

2.2.4 Energi dan Head ... 12

2.2.5 Persamaan Bernoulli ... 14

2.2.6 Aliran Laminar dan Turbulen ... 15

2.2.7 Kerugian Head (Head Losses) ... 16

2.3 Dasar Perencanaan Pompa ... 21

2.3.1 Kapasitas ... 21

2.3.2 Head Pompa ... 21

2.3.3 Sifat Zat Cair ... 22

2.4 Pompa Hidram ... 22

2.4.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya... 23

2.5 Persamaan Energi pada Pompa Hidram ... 31

2.5.1 Energi yang Dibangkitkan pada Pompa Hidram ... 31

2.5.2 Peningkatan Tekanan pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air ... 34

2.5.3 Daya Pompa Hidram ... 35

2.5.4 Efisiensi Pompa Hidram ... 36

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 38

3.1 Waktu dan Tempat Pengujian ... 38

3.2 Peralatan Pengujian ... 38

3.3 Alat Ukur yang Digunakan ... 45

3.3.1 Pressure Gauge ... 45

3.3.2 Flow Meter ... 46

3.3.3 Stopwatch ... 46

3.3.4 Meteran ... 47

3.3 Prosedur Perancangan Pompa Hidram ... 47

3.2.1 Pembuatan Rumah Pompa ... 48

3.2.2 Pembuatan Katup Limbah ... 48

3.2.3 Pembuatan Katup Hantar ... 49

3.2.4 Pembuatan Tabung Udara ... 50

3.4 Skema Penelitian ... 50

3.5 Variabel yang Diamati ... 52

3.6 Langkah Penelitian ... 52

3.7 Prosedur Pengujian ... 54

BAB IV ANALISA DATA ... 57

4.1 Perhitungan Head Loses ... 57

4.1.1 Head Mayor Loses ... 57

4.1.2 Head Minor Loses ... 59

4.2 Perhitungan Head Total ... 61

4.3 Perhitungan Gaya Fluida ... 63

4.3.1 Gaya Fluida yang Bekerja di Titik 1 ... 64

4.3.2 Gaya Fluida yang Bekerja di Titik 2 ... 67

4.4 Perhitungan Energi yang Dibangkitkan Hidram ... 70

4.5 Perhitungan Peningkatan Head Tekanan ... 72

4.6 Perhitungan Kenaikan Tekanan akibat Palu Air ... 74

4.7 Perhitungan Daya Pompa Hidram ... 76

4.8 Perhitungan Efisiensi Pompa Hidram ... 78

4.8.1 Menurut D’Aubuisson ... 78

4.8.2 Menurut Rankine ... 81

4.9 Siklus Kerja Hidram ... 83

4.10 Diskusi ... 85

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 86

5.1 Kesimpulan ... 86

5.2 Saran ... 87

DAFTAR PUSTAKA ... 88

LAMPIRAN A ... 90

LAMPIRAN B ... 94

LAMPIRAN C ... 96

LAMPIRAN D ... 97

LAMPIRAN E ... 100

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams ... 17

Tabel 2.2 Nilai kekasaran (�) dinding untuk berbagai pipa komersil ... 20

Tabel 4.1 Total loses mayor ... 58

Tabel 4.2 Head loses minor pada pipa masuk ... 59

Tabel 4.3 Head loses minor pada pipa keluar ... 59

Tabel 4.4 Total loses minor ... 61

Tabel 4.5 Head total ... 62

Tabel 4.6 Gaya fluida yang bekerja di titik 1 ... 65

Tabel 4.7 Gaya fluida yang bekerja di titik 2 ... 66

Tabel 4.8 Gaya fluida yang bekerja di titik 3 ... 68

Tabel 4.9 Gaya fluida yang bekerja di titik 4 ... 69

Tabel 4.10 Energi yang dibangkitkan hidram ... 71

Tabel 4.11 Kenaikan head tekanan ... 73

Tabel 4.12 Kenaikan tekanan akibat palu air ... 75

Tabel 4.13 Daya pompa hidram ... 77

Tabel 4.14 Efisiensi hidram menurut D’Aubuisson ... 80

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pengukuran tekanan ... 8

Gambar 2.2 Profil kecepatan pada saluran tertutup ... 9

Gambar 2.3 Profil kecepatan pada saluran terbuka ... 10

Gambar 2.4 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah ... 11

Gambar 2.5 Ilustrasi persamaan Bernoulli ... 15

Gambar 2.6 Diagram Moody ... 19

Gambar 2.7 Contoh desain katup limbah ... 24

Gambar 2.8 Bagian-bagian katup limbah ... 24

Gambar 2.9 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk ... 27

Gambar 2.10 Skema pompa hidram pada kondisi A ... 27

Gambar 2.11 Skema pompa hidram pada kondisi B ... 28

Gambar 2.12 Skema pompa hidram pada kondisi C ... 28

Gambar 2.13 Skema pompa hidram pada kondisi D ... 29

Gambar 2.14 Diagram satu siklus kerja hidram ... 30

Gambar 2.15 Skema instalasi pompa hidram ... 31

Gambar 2.16 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut D’ Aubuisson ... 36

Gambar 2. 17 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut Rankine ... 37

Gambar 3.1 Prototype pompa hidram ... 38

Gambar 3.2 Badan pompa ... 39

Gambar 3.3 Katup limbah ... 39

Gambar 3.4 Badan katup limbah ... 40

Gambar 3.5 Poros katup limbah ... 40

Gambar 3.6 Karet katup ... 41

Gambar 3.7 Plat katup ... 41

Gambar 3.8 Mur ... 42

Gambar 3.9 Katup hantar ... 42

Gambar 3.10 Tabung udara ... 43

Gambar 3.11 Bak penyuplai dan bak penampung ... 43

Gambar 3.12 Pompa sirkulasi ... 44

Gambar 3.14 Pressure gauge ... 45

Gambar 3.15 Flow meter ... 46

Gambar 3.16 Stopwatch ... 46

Gambar 3.17 Meteran ukur dan mistar ukur ... 47

Gambar 3.18 Skema penelitian pompa hidram ... 51

Gambar 3.19 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir ... 56

Gambar 4.1 Grafik total loses mayor ... 59

Gambar 4.2 Grafik total loses minor ... 61

Gambar 4.3 Grafik head total ... 63

Gambar 4.4 Pengukuran tekanan yang dilakukan di beberapa titik ... 63

Gambar 4.5 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 1 (katup limbah terbuka) ... 65

Gambar 4.6 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 1 (katup limbah tertutup) ... 67

Gambar 4.7 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 2 ... 68

Gambar 4.8 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 3 ... 70

Gambar 4.9 Grafik energi yang dibangkitkan hidram ... 72

Gambar 4.10 Grafik kenaikan head tekanan ... 74

Gambar 4.11 Grafik kenaikan tekanan akibat palu air ... 76

Gambar 4.12 Grafik daya pompa hidram ... 78

Gambar 4.13 Menentukan nilai h dan H pada efisiensi menurut D’Aubuisson ... 79

Gambar 4.14 Grafik efisiensi menurut D’ Aubuisson ... 80

Gambar 4.15 Menentukan nilai h dan H pada efisiensi menurut Rankine ... 81

Gambar 4.16 Grafik efisiensi menurut Rankine ... 83

Gambar 4.17 Diagram satu siklus kerja hidram ... 84

DAFTAR SIMBOL

Simbol Keterangan Satuan

a Percepatan fluida yang mengalir � �⁄ 2

A Luas penampang �2

c Kecepatan gelombang suara dalam fluida � �⁄

C Koefisien kekasaran William-Hazen -

D Diameter �

E Energi hidram �

EF Energi tekanan �

EK Energi kinetik �

EP Energi potensial �

�� Modulus Bulk � �⁄ 2

f Faktor gesekan -

F Gaya �

g Percepatan gravitasi � �⁄ 2

h Head output �

ℎ� Kerugian head karena gesekan �

ℎ� Head loses �

H Head supply �

k Koefisien kerugian -

K Faktor kontraksi -

L Panjang pipa �

m Massa fluida yang mengalir ��

�̇ Laju aliran massa fluida �� �⁄

N Jumlah ketukan katup limbah per menit 1⁄�����

n Koefisien kekasaran pipa Manning -

p Tekanan pada fluida � �⁄ 2

P Daya pompa hidram W

Q Debit �3⁄�

R Jari-jari hidrolik �

s Slope dari gradien energi -

SG Specific Gravity -

t Waktu penutupan katup s

v Kecepatan aliran fluida � �⁄

W Berat fluida �

�̇ Laju aliran berat fuida � �⁄

Z beda ketinggian �

∆ℎ Kenaikan tekanan akibat palu air �

∆�� Kenaikan head tekanan �

� Berat jenis fluida � �⁄ 3

� Kekasaran �

�� Efisiensi D’Aubuisson %

�� Efisiensi Rankine %

� Koefisien kekentalan ��.�

ABSTRAK

Air adalah sumber kehidupan bagi makhluk hidup. Daerah yang jauh dari sumber air membutuhkan sebuah pompa untuk memindahkannya. Pada umumnya, digunakan pompa sentrifugal untuk mengatasinya, tetapi pompa ini membutuhkan energi listrik atau bahan bakar untuk mengoperasikannya, dan energi listrik atau bahan bakar ini terkadang menjadi sebuah kendala. Pompa hidram adalah solusi dari permasalahan ini karena tidak menggunakan energi listrik maupun bahan bakar, dapat beroperasi 24 jam, harganya murah, dan mudah untuk dibuat. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh variasi panjang driven pipe

dan diameter air chamber terhadap efisiensi pompa hidram. Pompa hidram yang digunakan dalam penelitian ini memiliki diameter driven pipe 1,5 inch dan diameter delivery pipe 0,5 inch. Variasi panjang driven pipe yang dilakukan adalah 8 m , 10 m , dan 12 m. Sedangkan variasi diameter air chamber yang dilakukan adalah 3 inch , dan 4 inch. Hasil penelitian menunjukkan bahwa efisiensi maksimum diperoleh pada variasi panjang driven pipe 8 m dan diameter

air chamber 3 inch, yaitu sebesar 37%.

ABSTRACT

Water is a source of life for living things. Place that far away for the water sources require pumps to move it. In general, centrifugal pumps are used to it, but these pumps require electricity or fuel to operate, and electrical energy or fuel, it can sometimes be an obstacle. The hydraulic ram pump is the solution of this problem because it doesn't use electricity or fuel, can operate 24 hours, it's cheap and easy to made. This research is done to know influence variation long driven pipe and diameter of air chamber against efficiency of hydraulic ram pump. The hydraulic ram pump used on this experiment has 1,5 inch inlet pipe and 0,5 inch outlet pipe. The variations of the driven pipe are 8 m , 10 m , and 12 m. The variations of the diameter of air chamber are 3 inch and 4 inch. The result shows that the maximum efficiency obtained at variations long driven pipe 8 m and diameter air chamber 3 inch, is equal to 37%.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Air adalah sumber kehidupan bagi makhluk hidup. Dalam semua aspek kehidupan, air merupakan komponen yang mutlak harus tersedia baik sebagai komponen utama maupun sebagai komponen pendukung. Usaha pemenuhan kebutuhan air dalam kehidupan sehari – hari dapat dilakukan dengan memanfaatkan kondisi alam dan hukum dasar fisika ataupun dengan memanfaatkan peralatan mekanis hasil karya manusia.

Masyarakat yang berdomisili pada daerah di bawah sumber air tidak perlu bersusah payah menyediakan air untuk kehidupan mereka sehari – hari, karena sesuai dengan hukum fisika, air akan mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Jadi bagi yang tinggal di daerah seperti itu, dapat membuat jalur – jalur perpipaan untuk mengalirkan air ke rumah – rumah. Sedangkan bagi masyarakat yang berada jauh dari sumber air atau berada pada daerah yang lebih tinggi dari pada sumber air, dapat menggunakan peralatan mekanis untuk membantu dalam penyediaan air. Pompa adalah peralatan mekanis yang telah digunakan dari generasi ke generasi untuk membantu memindahkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang lebih tinggi atau dari satu tempat ke tempat lain dengan jarak tertentu.

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. Selain itu, pompa juga dapat digunakan untuk memindahkan fluida ke tempat dengan tekanan yang lebih tinggi atau memindahkan fluida ke tempat lain dengan jarak tertentu.

Penggunaan pompa untuk pemenuhan kebutuhan air memang sebuah solusi tepat dan telah terbukti sukses digunakan dari generasi ke generasi. Namun jika dicermati lebih mendalam, ternyata masih ada kendala yang dihadapi ketika dihadapkan pada kebutuhan energi sebagai sumber tenaga penggerak utama

(prime mover) pompa. Pada umumnya, penggerak utama pompa yang digunakan

penggerak. Masalahnya, tidak semua daerah telah mendapatkan aliran listrik, masih banyak daerah yang belum dapat menikmati listrik dalam kesehariannya.

Sementara itu, jika kebutuhan energi untuk penggerak utama dipenuhi dengan menggunakan mesin diesel, akan dihadapkan pada masalah finansial dan daya beli masyarakat yang masih rendah.

Untuk menyelesaikan problem tersebut dapat digunakan pompa yang tidak memerlukan energi luar sebagai sumber tenaga penggerak utama. Pompa

Hydraulic Ram (Hidram) adalah sebuah pompa yang tidak memerlukan energi

luar sebagai sumber tenaga penggerak utama. Selain tidak memerlukan energi luar sebagai sumber tenaga penggerak utama, pompa hidram juga memiliki kelebihan lain, yaitu:

• Konstruksinya sederhana • Tidak memerlukan pelumasan

• Dapat bekerja kontinyu selama 24 jam tanpa berhenti • Pengoperasiannya mudah

• Biaya pembuatan dan perawatan murah

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini antara lain:

1. Mendapatkan sebuah rancangan pompa hidram dengan efisiensi yang baik. 2. Mengetahui besarnya tekanan yang terjadi akibat proses palu air.

3. Mengetahui pengaruh diameter tabung udara terhadap efisiensi pompa hidram. 4. Mengetahui pengaruh panjang pipa pemasukan terhadap efisiensi pompa

hidram.

1.3 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini antara lain:

1. Mengurangi penggunaan energi fosil dalam bidang penyediaan air bagi kebutuhan masyarakat.

2. Memberikan sumbangan yang berarti bagi perkembangan teknologi energi terbarukan di Indonesia.

3. Turut berpartisipasi dalam mengurangi efek pemanasan global dengan menggunakan sumber energi yang ramah lingkungan.

4. Membantu kebutuhan masyarakat dengan peralatan yang lebih ekonomis.

5. Memberikan bahan bacaan yang dapat digunakan sebagai referensi untuk penelitian lebih lanjut tentang pompa hidram.

1.4 Batasan Masalah

Untuk memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji dalam penulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikan batasan masalah sebagai berikut :

1. Fluida yang digunakan adalah air.

2. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini adalah variasi panjang pipa pemasukan dan variasi diameter tabung udara.

3. Pengujian dilakukan di lantai empat gedung Departemen Teknik Mesin USU. 4. Pengukuran tekanan dilakukan pada pipa pemasukan, pipa pengantar, katup

limbah, dan tabung udara.

5. Pengukuran debit air dilakukan pada katup limbah dan pipa pengantar.

6. Pengambilan data dilakukan pada saat pompa beroperasi. Data-data lain yang diperlukan dalam perencanaan dan analisa diambil dari literatur relevan yang sesuai.

1.5 Sistematika Penulisan

Hasil akhir dari penelitian ini akan dibukukan dalam bentuk buku skripsi dengan sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I : PENDAHULUAN

Berisi latar belakang, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Berisi tentang teori dasar pompa hidram, tinjauan mekanika fluida mengenai aliran dalam pipa, dan dasar perencanaan pompa. Dasar teori didapatkan dari berbagai sumber, diantaranya berasal dari buku - buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-mail, e-book, dan e-news.

BAB III: METODOLOGI

Pada bab ini akan dibahas mengenai metode yang akan digunakan untuk menyelesaikan penulisan skripsi. Pada bab ini juga akan dibahas mengenai langkah-langkah penelitian, pengolahan dan analisa data yang akan digunakan untuk menyelesaikan permasalahan dari topik yang diangkat.

BAB IV: ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini akan dianalisa dan dibahas mengenai data-data yang telah diperoleh dari hasil penelitian yang telah dilakukan.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Pada bab ini berisi kesimpulan dari penulisan tugas akhir dan saran-saran untuk kemajuan penelitian selanjutnya.

BAB II

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. Selain itu, pompa juga dapat digunakan untuk memindahkan fluida ke tempat dengan tekanan yang lebih tinggi atau memindahkan fluida ke tempat lain dengan jarak tertentu.

Pompa beroperasi dengan prinsip membuat perbedaan tekanan antara bagian masuk (suction) dengan bagian keluar (discharge). Dengan kata lain, pompa berfungsi mengubah tenaga mekanis dari suatu sumber tenaga (penggerak) menjadi tenaga kinetis (kecepatan), dimana tenaga ini digunakan untuk mengalirkan cairan dan melawan hambatan yang ada sepanjang aliran fluida. Jadi pompa dalam industri biasanya digunakan untuk transportasi fluida, dimana kerja dari pompa tersebut tergantung dari sifat dan jenis fluida.

Pompa dapat diklasifikasikan dalam dua macam, yaitu: 1. Pompa Perpindahan Positif (Positive Displacement Pump)

Pada pompa perpindahan positif energi ditambahkan ke dalam fluida kerja secara periodik oleh suatu daya yang dikenakan pada satu atau lebih batas

(boundary) sistem yang dapat bergerak. Pompa perpindahan positif dapat dibagi

menjadi :

a. Pompa Torak (Reciprocating Pump) b. Pompa Putar (Rotary Pump)

c. Pompa Diafragma (Diaphragm Pump)

2. Pompa Dinamik (Dynamic Pump)

Pada pompa dinamik proses penambahan energi ke dalam fluida kerja dilakukan secara kontinyu untuk menaikkan kecepatan fluida di sisi isap. Kemudian dilakukan penurunan kecepatan fluida dibagian sisi keluar pompa untuk mendapatkan energi tekan. Pompa dinamik dapat dibagi menjadi :

a. Pompa Sentrifugal (Centrifugal Pump)

• Pompa aliran radial (radial flow) • Pompa aliran aksial (axial flow) • Pompa aliran campuran (mixed flow) b. Pompa Jenis Khusus (Special Pump)

• Jet Pump

• Pompa Gas Lift (Gas Lift Pump) • Pompa Hydraulic Ram (Hidram)

2.2 Tinjauan Mekanika Fluida 2.2.1Sifat Dasar Fluida

Cairan dan gas disebut fluida, sebab zat cair tersebut dapat mengalir. Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui beberapa sifat dasar fluida. Adapun sifat – sifat dasar fluida yaitu; kerapatan (density), berat jenis (specific

gravity), tekanan (pressure), kekentalan (viscosity).

a. Kerapatan (density)

Kerapatan dinyatakan dengan � (� adalah huruf Yunani yang dibaca “rho”), didefenisikan sebagai massa per satuan volume.

�= �

� ... (2.1)

Dimana:

�= kerapatan (�� �⁄ 3)

m = massa (kg) V = volume (�3)

Kerapatan adalah suatu sifat karakteristik setiap bahan murni. Benda tersusun atas bahan murni, misalnya emas murni, yang dapat memiliki berbagai ukuran ataupun massa, tetapi kerapatannya akan sama untuk semuanya.

Satuan SI untuk kerapatan adalah �� �⁄ 3. Kadang kerapatan diberikan dalam � ��⁄ 3. Dengan catatan bahwa jika �� �⁄ 3 = 1000 �⁄(100 ��)3, kemudian kerapatan yang diberikan dalam � ��⁄ 3 harus dikalikan dengan

1000 untuk memberikan hasil dalam �� �⁄ 3. Dengan demikian kerapatan air adalah 1,00 � ��⁄ 3, akan sama dengan 1000 �� �⁄ 3.

b. Berat jenis spesifik (specific gravity)

Berat jenis spesifik suatu bahan didefinikan sebagai perbandingan kerapatan bahan terhadap kerapatan air. Berat jenis (specific gravity disingkat SG) adalah besaran murni tanpa dimensi maupun satuan, dinyatakan pada persamaan sebagai berikut :

Untuk fluida cair:

��� =_��_�� ... (2.2)

Untuk fluida gas:

��� =�_��_� ... (2.3)

dimana:

�� = massa jenis cairan (� ��⁄ 3)

��= massa jenis air (� ��⁄ 3)

��= massa jenis gas (� ��⁄ 3)

��= massa jenis udara (� ��⁄ 3)

c. Tekanan (pressure)

Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas, dengan gaya F

dianggap bekerja secara tegak lurus terhadap luas permukaan A, maka :

�= �_� ... (2.4) dimana:

p = tekanan (� �⁄ 2)

F = gaya (N)

A = luas permukaan (�2)

Satuan SI untuk tekanan adalah N/m2. Satuan ini mempunyai nama resmi pascal (Pa). Karena satuan Pa sangat kecil, satuan tekanan sering dinyatakan dalam MPa atau Bar. Dimana 1 MPa = 106 Pa, dan 1 Bar = 105

Dalam termodinamika, tekanan secara umum dinyatakan dalam harga absolutnya. Tekanan absolut tergantung pada tekanan pengukuran sistem, bisa dijelaskan sebagai berikut :

1. Bila tekanan pengukuran sistem diatas tekanan atmosfer, maka : tekanan absolut = tekanan pengukuran + tekanan atmosfer

����= ������+���� ... (2.5)

2. Bila tekanan pengukuran dibawah tekanan atmosfer, maka :

tekanan absolut = tekanan atmosfer – tekanan pengukuran

����= ����− ������ ... (2.6) 1 standar atmosfer = 1,01324 × 106dyne cm⁄ 3

= 14,6959 lb in⁄ 2 = 10332 kg m⁄ 2 = 1,01 × 105N m⁄ 2

Gambar 2.1 Pengukuran Tekanan [2]

d. Kekentalan (viscosity)

Kekentalan didefinisikan sebagai gesekan internal atau gesekan fluida terhadap wadah dimana fluida itu mengalir. Ini ada dalam cairan atau gas, dan pada dasarnya adalah gesekan antar lapisan fluida yang berdekatan ketika bergerak melintasi satu sama lain atau gesekan antara fluida dengan wadah tempat ia mengalir. Dalam cairan, kekentalan disebabkan oleh gaya kohesif antara molekul-molekulnya sedangkan gas, berasal tumbukan diantara molekul-molekul tersebut.

Untuk fluida yang berbeda, fluida yang kental, diperlukan gaya yang lebih besar. Tetapan kesebandingan untuk persamaan ini didefinisikan sebagai

koefisien kekentalan :

�= ��

�� ... (2.7)

dimana :

� = koefisien kekentalan (��.�) F = gaya (�)

A = luasan fluida yang bersinggungan dengan setiap lempengan (�2) v = kecepatan fluida (� �⁄ )

L = jarak lempengannya (�)

2.2.2 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida

Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada suatu penampang memungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran sehingga pengukuran kecepatan merupakan fase yang sangat penting dalam menganalisa suatu aliran fluida. Kecepatan dapat diperoleh dengan melakukan pengukuran terhadap waktu yang dibutuhkan suatu partikel yang dikenali untuk bergerak sepanjang jarak yang telah ditentukan.

Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol pada dinding pipa dan mencapai maksimum pada tengah-tengah pipa. Kecepatan biasanya sudah cukup untuk menempatkan kekeliruan yang tidak serius dalam masalah aliran fluida sehingga penggunaan kecepatan sesungguhnya adalah pada penampang aliran. Bentuk kecepatan yang digunakan pada aliran fluida umumnya menunjukkan kecepatan yang sebenarnya jika tidak ada keterangan lain yang disebutkan.

Gambar 2.3 Profil kecepatan pada saluran terbuka [5]

Besarnya kecepatan akan mempengaruhi besarnya fluida yang mengalir dalam suatu pipa. Jumlah dari aliran fluida mungkin dinyatakan sebagai volume, berat atau massa fluida dengan masing-masing laju aliran ditunjukkan sebagai laju aliran volume (m3/s), laju aliran berat (N/s) dan laju aliran massa (kg/s).

Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang incompressible, yaitu :

Q = A . v ... (2.8)

Dimana :

Q = laju aliran fluida (m3/s)

A = luas penampang aliran (m2)

v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s)

Laju aliran berat fluida (�̇) dirumuskan sebagai :

�̇ = A .v . γ ... (2.9)

Dimana :

�̇= laju aliran berat fluida (N/s)

A = luas penampang aliran (m2)

v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s) γ = berat jenis fluida (N/m3

)

Laju aliran fluida massa (�̇), dinyatakan sebagai :

�̇ = A .v . ρ ... (2.10)

Dimana :

�̇= laju aliran massa fluida (kg/s)

A = luas penampang aliran (m2)

v = kecepatan rata-rata aliran fluida (m/s) ρ = massa jenis fluida (kg/m3)

2.2.3 Gerak Fluida dan Laju Aliran

Dua jenis aliran utama pada fluida yaitu lurus atau laminar dan aliran

turbulen. Aliran lurus atau laminar adalah jika aliran tersebut mulus, yaitu

lapisan-lapisan yang bersebelahan meluncur satu sama lain dengan mulus. Sedangkan aliran turbulen ditandai dengan lingkaran-lingkaran tak menentu, kecil dan menyerupai pusaran yang disebut sebagai arus eddy.

Laju aliran massa didefinisikan sebagai massa Δm dari fluida yang melewati titik tertentu persatuan waktu Δt; laju aliran massa = Δm/Δt. Pada gambar 2.4 volume fluida yang melewati titik 1 (yaitu, melalui luas A1) dalam

waktu Δt adalah A1Δl1, di mana Δl1adalah jarak yang dilalui fluida dalam waktu

Δt. Karena kecepatan fluida yang melewati titik 1 adalah v1 = Δl1/Δt, laju aliran

massa Δm/Δt melalui luas A1adalah:

�̈�1 �̈� =

�1∆�1 ∆� =

�1�1∆�1

∆� =�1�1�1 ... (2.11)

Gambar 2.4 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah [11]

Di mana ��₁ = �₁∆_�1adalah volume dengan massa Δ�₁dan �₁ adalah massa jenis fluida. Dengan cara yang sama, pada titik 2 (melalui luas A2), laju alir

adalah �₂�₂�₂. Karena tidak ada aliran fluida yang masuk atau keluar dari sisi-sisi, laju aliran melalui A1 dan A2harus sama.

Dengan demikian, karena:

∆�1 ∆� =

∆�2

∆� ... (2.12)

Maka:

�1�1�1 =�2�2�2 ... (2.13)

Persamaan ini disebut persamaan kontinuitas. Jika fluida tersebut tidak dapat ditekan (ρ tidak berubah terhadap tekanan), yang merupakan pendekatan yang baik untuk zat cair dalam sebagian besar kondisi (dan kadang-kadang juga untuk gas), maka �₁ = �₂, dan persamaan kontinuitas menjadi:

�1�1 =�2�2 [ρ = konstan] ... (2.14)

Persamaan ini menyatakan bahwa di mana luas penampang lintang besar, kecepatan kecil, dan di mana luas penampang kecil, kecepatan besar. Untuk mendapatkan kalor yang maksimal maka luas penampang dibuat besar dan debit air yang digunakan kecil.

2.2.4 Energi dan Head

Energi pada umumnya didefenisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Kerja merupakan hasil pemanfaatan dari sebuah gaya yang melewati suatu jarak dan umumnya didefenisikan secara matematika sebagai hasil perkalian dari gaya dan jarak yang dilewati pada arah gaya yang diterapkan tersebut. Energi dan kerja dinyatakan dalam satuan N.m (Joule). Setiap fluida yang sedang bergerak selalu mempunyai energi. Dalam menganalisa masalah aliran fluida yang harus dipertimbangkan adalah mengenai energi potensial, energi kinetik dan energi tekanan. Energi potensial menunjukkan energi yang dimiliki fluida dengan tempat jatuhnya. Energi potensial (Ep),dirumuskan sebagai :

�� =�.� ... (2.15) Dimana :

EP = energi potensial (J) W = berat fluida (N) z = beda ketinggian (m)

Energi kinetik menunjukkan energi yang dimiliki oleh fluida karena pengaruh kecepatan yang dimilikinya. Energi kinetik, dirumuskan sebagai :

��= 1

2��2 ... (2.16)

Dimana :

EK = energi kinetik (J) m = massa fluida (kg)

v = kecepatan aliran fluida (m/s)

Energi tekanan disebut juga dengan energi aliran adalah jumlah kerja yang dibutuhkan untuk memaksa elemen fluida bergerak menyilang pada jarak tertentu

dan berlawanan dengan tekanan fluida. Besarnya energi tekanan (EF), dirumuskan sebagai :

EF = p . A . L ... (2.17)

Dimana :

EF = energi tekanan (J)

p = tekanan yang dialami oleh fluida (N/m2) A = luas penampang aliran (m2)

L = panjang pipa (m)

Besarnya energi tekanan, dapat juga dirumuskan sebagai berikut :

�� =��

� ... (2.18)

Dimana :

EF = energi tekanan (J)

p = tekanan yang dialami oleh fluida (N/m2) W = berat fluida (N)

γ = berat jenis fluida (N/�3₎

Total energi yang terjadi merupakan penjumlahan dari ketiga macam energi diatas, dirumuskan sebagai :

� =�.�+1 2

�.�2 � +

�.�

� ... (2.19)

Persamaan ini dapat dimodifikasi untuk menyatakan total energi dengan head (H) dengan membagi masing-masing variabel di sebelah kanan persamaan denganW ( berat fluida), dirumuskan sebagai :

� =�+�2 2�+

�

� ... (2.20)

Dimana : H = head (m)

z = Head ketinggian (m)

�2

2�= head kecepatan (m) �

2.2.5 Persamaan Bernoulli

Hukum kekekalan energi menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain. Energi yang ditunjukkan dari persamaan energi total di atas, atau dikenal sebagai head pada suatu titik dalam aliran steady adalah sama dengan total energi pada titik lain sepanjang aliran fluida tersebut. Hal ini berlaku selama tidak ada energi yang ditambahkan ke fluida atau yang diambil dari fluida.

Konsep ini dinyatakan ke dalam bentuk persamaan yang disebut dengan persamaan Bernoulli, yaitu [1] :

�1 � +

�12

2� +�1 = �2

� + �22

2� +�2 ... (2.21)

Dimana :

�1 dan �2= tekanan pada titik 1 dan 2

�1 dan �2 = kecepatan aliran pada titik 1 dan 2

�1 dan �2 = ketinggian titik1 dan 2 diukur dari bidang referensi

γ = berat jenis fluida

g = percepatan gravitasi = 9,81 m/s2

Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses terjadi diantara dua titik. Jika head losses tidak diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan. Jika head losses dinotasikan dengan “hl” maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi persamaan baru, dirumuskan sebagai:

�1 � +

�12

2� +�1 = �2

� + �22

2�+�2+ℎ� ... (2.22)

Persamaan di atas digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan tipe aliran, biasanya untuk fluida inkompressibel tanpa adanya penambahan panas atau energi yang diambil dari fluida. Namun, persamaan ini tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan aliran fluida yang mengalami penambahan energi untuk menggerakkan fluida oleh peralatan mekanik, misalnya pompa, turbin dan peralatan lainnya.

Gambar 2.5 Ilustrasi persamaan Bernoulli [1]

2.2.6 Aliran Laminar dan Turbulen

Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau aliran turbulen. Osborne Reynolds (1842-1912), ilmuwan dan ahli matematika Inggris, adalah orang yang pertama kali membedakan dua klasifikasi aliran ini dengan menggunakan sebuah peralatan sederhana.

Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang bergerak mengikuti garis lurus yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran disebut turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya gerakan rata-ratanya saja yang mengikuti sumbu pipa.

Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa koefisien gesekan untuk pipa silindris merupakan fungsi dari bilangan Reynold (Re). Dalam menganalisa aliran di dalam saluran tertutup, sangatlah penting untuk mengetahui tipe aliran yang mengalir dalam pipa tersebut. Untuk itu harus dihitung besarnya bilangan Reynold dengan mengetahui parameter-parameter yang diketahui besarnya. Besarnya Reynold (Re), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :

�� = ���_� ... (2.23)

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)

Karena viskositas dinamik dibagi dengan massa jenis fluida merupakan viskositas kinematik (�) maka bilangan Reynold, dapat juga dinyatakan :

�= �

� ... (2.24)

Sehingga:

�� =��

� ... (2.25)

Aliran akan laminar jika bilangan Reynold kurang dari 2000 dan akan turbulen jika bilangan Reynold lebih besar dari 4000. Jika bilangan Reynold terletak antara 2000 – 4000 maka disebut aliran transisi.

2.2.7 Kerugian Head (Head Losses)

Kerugian head terdiri atas kerugian gesek di dalam pipa-pipa, dan kerugian head di dalam belokan-belokan, reduser, katup-katup, dan sebagainya.

a. Kerugian Head Mayor

Aliran fluida yang melalui pipa akan selalu mengalami kerugian head. Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida (kerugian kecil).

Selanjutnya, untuk aliran yang laminar dan yang turbulen, terdapat rumus yang berbeda. Sebagai patokan apakah suatu aliran itu laminar atau turbulen, dipakai bilangan Reynolds.

1. Aliran Laminar

Dalam hal aliran laminar, koefisien kerugian gesek untuk pipa (f) dihitung dengan rumus:

�= 64_�

2. Aliran Turbulen

Untuk menghitung kerugian gesek dalam pipa pada aliran turbulen terdapat berbagai rumus empiris. Di bawah ini diberikan cara perhitungan dengan rumus dan Hazen-Williams dan Darcy – Weisbach.

 Rumus Hazen-Williams

Rumus ini pada umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatif sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. Bentuk umum persamaan Hazen – Williams, yaitu:

ℎ� =10.666� 1.85

�1.85_�4.85 � ... (2.27)

Dimana :

hf = kerugian gesekan dalam pipa (m) Q = laju aliran dalam pipa (�3/s) L = panjang pipa (m)

C = koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams d = diameter dalam pipa (m)

Untuk nilai C dapat dilihat pada tabel berikut ini:

Tabel 2.1 Koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams [17]

Material C Factor

Low

C Factor High

Asbestos-cement 140 140

Cast Iron 100 140

Cement-Mortar Lined Ductile Iron Pipe 140 140

Concrete 100 140

Copper 130 140

Steel 90 110

Galvanized iron 120 120

Polyethylene 140 140

Polyvinyl chloride (PVC) 130 130

 Formula Darcy – Weisbach

Dengan cara Darcy, koefisien kerugian gesek (f) dihitung menurut rumus:

�= 0,020 +0,0005

� ... (2.28)

Dimana D adalah diameter dalam pipa (m). Rumus ini berlaku untuk pipa baru dari besi cor. Jika pipa telah dipakai selama bertahun-tahun, hargga f akan menjadi 1,5 sampai 2,0 kali harga barunya.

Kerugian head akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut, yaitu :

ℎ� =��_�� 2

2� ... (2.29)

Dimana :

hf = kerugian head karena gesekan (m)

f = faktor gesekan (dapat dicari dengan diagram Moody)

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)

Diagram Moody telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida di dalam pipa dengan menggunakan faktor gesekan pipa (f) dari rumus Darcy – Weisbach.

Dimana nilai kekasaran untuk beberapa jenis pipa disajikan dalam tabel berikut ini:

Tabel 2.2 Nilai kekasaran (�) dinding untuk berbagai pipa komersil [9]

Bahan Kekasaran ft m

Riveted 0.003- 0.03 0.0009- 0.009

Concrete 0.001 – 0.01 0.0003- 0.003

Wood Stave 0.0006- 0.003 0.0002- 0.009

Cast Iron 0.00085 0.00026

Galvanized Iron 0,0005 0,00015

Asphalted Cast Iron 0,0004 0,0001

Commercial Steel or Wrought Iron 0,00015 0,000046 Drawn Brass or Copper Tubing 0,000005 0,0000015

Glass and Plastic “smooth” “smooth”

b. Kerugian Head Minor

Selain kerugian yang disebabkan oleh gesekan, pada suatu jalur pipa juga terjadi kerugian karena kelengkapan pipa seperti belokan, siku, sambungan, katup dan sebagainya yang disebut dengan kerugian kecil (minor losses). Besarnya kerugian minor akibat adanya kelengkapan pipa, dirumuskan sebagai :

ℎ� =∑ �.�._2��2 ... (2.30) Dimana :

n = jumlah kelengkapan pipa

k = koefisien kerugian (dari lampiran koefisien minor losses peralatan pipa)

v = kecepatan aliran fluida dalam pipa.

Menurut persamaan diatas yaitu untuk pipa yang panjang (L/d >>> 1000), minor losses dapat diabaikan tanpa kesalahan yang cukup berarti tetapi menjadi penting pada pipa yang pendek.

2.3 Dasar Perencanaan Pompa

Dalam perancangan pompa untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat yang lain dengan head tertentu diperlukan beberapa syarat utama, yaitu:

2.3.1 Kapasitas

Kapasitas pompa adalah jumlah fluida yang dialirkan oleh pompa per satuan waktu. Kapasitas pompa ini tergantung pada kebutuhan yang harus dipenuhi sesuai dengan fungsi pompa yang direncanakan.

2.3.2 Head pompa

Head pompa adalah ketinggian dimana kolom fluida harus naik untuk memperoleh jumlah yang sama dengan yang dikandung oleh satuan bobot fluida pada kondisi yang sama. Head ini ada dalam tiga bentuk, yaitu :

a. Head potensial

Didasarkan pada ketinggian fluida di atas bidang banding (datum plane). Jadi suatu kolom air setinggi Z mengandung sejumlah energi yang disebabkan oleh posisinya atau disebut fluida mempunyai head sebesar Z kolom air.

b. Head kecepatan

Head kecepatan atau head kinetik yaitu suatu ukuran energi kinetik yang dikandung fluida yang disebabkan oleh kecepatannya dan dinyatakan dengan persamaan: �2

2�.

c. Head tekanan

Head tekanan adalah energi yang dikandung fluida akibat tekanannya dan dinyatakan dengan � �⁄ . Head total dari pompa diperoleh dengan menjumlahkan head yang disebut di atas dengan kerugian-kerugian yang timbul dalam instalasi pompa (head mayor dan head minor).

Persamaan Bernoulli

Untuk mencari head pompa dapat digunakan persamaan Bernoulli, yaitu :

�1 � +

�12

2� +�1+�� = �2

� + �22

2� +�2+�� ... (2.31)

atau:

��= �2−�1 � +

�22−�12

dimana :

�22−�12

� : adalah perbedaan head tekanan �22−�12

2� : adalah perbedaan head kecepatan

�2 − �1 : adalah perbedaan head statis

�� : adalah head losses total. 2.3.3 Sifat zat cair

Sifat-sifat fluida kerja sangat penting untuk diketahui sebelum perencanaan pompa. Pada perencanaan ini, temperatur air dianggap sama dengan temperatur kamar.

2.4 Pompa Hidram

Pompa hidram pertama kali dibuat oleh John Whitehurst seorang peneliti asal Inggris pada tahun 1772. Pompa hidram buatan Whitehurst masih berupa hidram manual, di mana katup limbah masih digerakkan secara manual. Pompa ini pertama kali digunakan untuk menaikkan air sampai ketinggian 4,9 meter (16 kaki). Pada tahun 1783, Whitehusrt memasang pompa sejenis ini di Irlandia untuk keperluan air bersih sehari - hari.

Pompa hidram otomatis pertama kali dibuat oleh seorang ilmuwan Prancis bernama Joseph Michel Montgolfier pada tahun 1796. Desain pompa buatan Montgolfier sudah menggunakan 2 buah katup (waste valve dan delivery valve) yang bergerak secara bergantian. Pompa ini kemudian digunakan untuk menaikkan air untuk sebuah pabrik kertas di daerah Voiron. Satu tahun kemudian, Matius Boulton, memperoleh hak paten atas pompa tersebut di Inggris.

Pada tahun 1820, melalui Easton’s Firma yang mengkhususkan usahanya di bidang air dan sistem drainase, Josiah Easton mengembangkan hidram hingga menjadi usaha ram terbaik dalam penyediaan air bersih untuk keperluan rumah tangga, peternakan dan masyarakat desa. Pada tahun 1929, usaha Eastons ini dibeli oleh Green and Carter, yang kemudian meneruskan manufaktur ram tersebut.

Di Benua Amerika, hak paten hidram pertama kali di pegang oleh J. Cernau dan SS Hallet, di New York. Pompa tersebut sebagian besar digunakan di derah pertanian dan peternakan. Memasuki periode berikutnya, kepopuleran hidram mulai berkurang, seiring berkembangnya pompa elektrik.

Di kawasan Asia, pompa hidram mulai dioperasikan di Taj Mahal, Agra, India pada tahun 1900. Pompa hidram yang di pasang di daerah tersebut adalah

Black’s Hydram yang dibuat oleh John Black Ltd., sebuah perusahaan asal

Inggris. Black’s Hydram digunakan untuk memompa air dengan debit 31,5 liter per detik. Selain di Agra, Black’s Hydram juga dipasang di daerah Risalpur, Pakistan, pada tahun 1925. Ditempat itu, Black’s Hydram berhasil memompa air hingga ketinggian 18,3 m dengan debit mencapai 56,5 Liter/detik.

Pada akhir abad 20, penggunaan pompa hidram kembali digalakkan lagi, karena kebutuhan pembangunan teknologi di negara – negara berkembang, dan juga karena isu konservasi energi dalam mengembangkan perlindungan ozon. Contoh pengembang pompa hidram yang baik adalah AID Foundation di Filipina. Mereka mengembangkan pompa hidram untuk digunakan di desa – desa terpencil. Oleh sebab itu mereka meraih Penghargaan Ashden.

2.4.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya

Beberapa komponen utama sebuah pompa hidram dijelaskan pada uraian di bawah ini:

1. Katup Limbah (Waste Valve)

Katup limbah merupakan salah satu komponen terpenting pompa hidram, oleh sebab itu katup limbah harus dirancang dengan baik sehingga berat dan gerakannya dapat disesuaikan.

Katup limbah sendiri berfungsi untuk mengubah energi kinetik fluida kerja yang mengalir melalui pipa pemasukan menjadi energi tekanan dinamis fluida yang akan menaikkan fluida kerja menuju tabung udara.

Beberapa desain katup limbah yang sering digunakan diantaranya:

(a) (b)

(c)

Gambar 2.7 Contoh desain katup limbah. (a) katup kerdam sederhana; (b) katup karet lentur; (c) katup kerdam berpegas. [4]

Adapun bagian – bagian sebuah katup limbah dapat dilihat dari gambar dibawah ini:

Gambar 2.8 Bagian – bagian katup limbah. [4]

keterangan gambar : 1) Tangkai katup

2) Mur penjepit atas 3) Karet katup 4) Plat katup

5) Mur penjepit bawah

Katup limbah dengan beban yang berat dan panjang langkah yang cukup jauh memungkinkan fluida mengalir lebih cepat, sehingga saat katup limbah menutup, akan terjadi lonjakan tekanan yang cukup tinggi, yang dapat mengakibatkan fluida kerja terangkat menuju tabung udara. Sedangkan katup limbah dengan beban ringan dan panjang langkah lebih pendek, memungkinkan terjadinya denyutan yang lebih cepat sehingga debit air yang terangkat akan lebih besar dengan lonjakan tekanan yang lebih kecil.

2. Katup Pengantar (Delivery Valve)

Katup pengantar adalah sebuah katup satu arah yang berfungsi untuk menghantarkan air dari badan hidram menuju tabung udara untuk selanjutnya dinaikkan menuju tangki penampungan. Katup pengantar harus dibuat satu arah agar air yang telah masuk ke dalam tabung udara tidak dapat kembali lagi ke dalam badan hidram. Katup pengantar harus mempunyai lubang yang besar sehingga memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa hambatan pada aliran [4].

3. Tabung Udara (Air Chamber)

Tabung udara harus dibuat dengan perhitungan yang tepat, karena tabung udara digunakan untuk memampatkan udara di dalamnya dan untuk menahan tekanan dari siklus ram. Selain itu, dengan adanya tabung udara memungkinkan air melewati pipa pengantar secara kontinyu. Jika tabung udara penuh terisi air, tabung udara akan bergetar hebat, dapat menyebabkan tabung udara pecah. Jika terjadi kasus demikian, ram harus segera dihentikan.

Pendapat dari beberapa ahli, untuk menghindari hal – hal di atas, volume tabung udara harus dibuat sama dengan volume dari pipa pengantar.

4. Katup Udara (Air Valve)

Udara dalam tabung udara, secara perlahan – lahan akan ikut terbawa ke dalam pipa pengantar karena pengaruh turbulensi air. Akibatnya, udara dalam pipa perlu diganti dengan udara baru melalui katup udara.

Ukuran katup udara harus disesuaikan sehingga hanya mengeluarkan semprotan air yang kecil setiap kali langkah kompresi. Jika katup udara terlalu besar, udara yang masuk akan terlampau banyak dan ram hanya akan memompa udara. Namun jika katup udara kurang besar, udara yang masuk terlampau sedikit, ram akan bergetar hebat, memungkinkan tabung udara pecah. Oleh karena itu, katup udara harus memiliki ukuran yang tepat.

5. Pipa Masuk (Driven Pipe)

Pipa masuk adalah bagian yang sangat penting dari sebuah pompa hidram. Dimensi pipa masuk harus diperhitungan dengan cermat, karena sebuah pipa masuk harus dapat menahan tekanan tinggi yang disebabkan oleh menutupnya katup limbah secara tiba-tiba. Untuk menentukan panjang sebuah pipa masuk, bisa digunakan referensi yang telah tersedia seperti di bawah ini:

6H < L < 12H (Eropa dan Amerika Utara) L = h + 0.3 (h/H) (Eytelwein)

L = 900 H/(N2*D) (Rusia) L = 150 < L/D < 1000 (Calvert)

dengan :

L = Panjang pipa masuk H = Head supply

h = Head output

D = Diameter pipa masuk

N = Jumlah ketukan katup limbah per menit

Menurut beberapa penelitian yang telah dilakukan, referensi perhitungan panjang pipa masuk oleh Calvert memberikan hasil yang lebih baik.

Berdasarkan posisi katup limbah dan variasi kecepatan fluida terhadap waktu, sistem operasi sebuah pompa hidram dapat dibagi menjadi 4 periode, seperti yang digambarkan pada diagram di bawah ini:

Gambar 2.9 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk [7]

Penjelasan gambar 2.9 :

A. Katup limbah terbuka dan air mulai mengalir melalui pipa masuk, memenuhi badan hidram dan keluar melalui katup limbah. Karena pengaruh ketinggian

supply tank, air yang mengalir tersebut mengalami percepatan sampai

kecepatannya mencapai vo. Posisi delivery valve masih tertutup. Pada kondisi awal seperti ini, tidak ada tekanan dalam tabung udara dan belum ada air yang keluar melalui delivery pipe.

Gambar 2.10 Skema pompa hidram pada kondisi A. [7]

B. Air telah memenuhi badan hidram, ketika tekanan air telah mencapai nilai tertentu, katup limbah mulai menutup. Pada pompa hidram yang baik, proses menutupnya katup limbah terjadi sangat cepat.

Gambar 2.11 Skema pompa hidram pada kondisi B. [7]

C. Katup limbah masih tertutup. Penutupan katup yang dengan tiba-tiba tersebut menciptakan tekanan yang sangat besar dan melebihi tekanan statis pipa masuk. Kemudian dengan cepat katup pengantar terbuka , sebagian air terpompa masuk ke tabung udara. Udara pada tabung udara mulai mengembang untuk menyeimbangkan tekanan , dan mendorong air keluar melalui delivery pipe.

Gambar 2.12 Skema pompa hidram pada kondisi C. [7]

D. Katup pengantar tertutup. Tekanan di dekat katup pengantar masih lebih besar dari pada tekanan statis pipa masuk, sehingga aliran berbalik arah dari bodi hidram menuju supply tank. Peristiwa inilah yang disebut dengan recoil. Recoil

menyebabkan terjadinya kevakuman pada bodi hidram, yang mengakibatkan masuknya sejumlah udara dari luar masuk ke bodi hidram melalui katup

pernapasan (air valve). Tekanan di sisi bawah katup limbah juga berkurang, dan juga karena berat katup limbah itu sendiri, maka katup limbah kembali terbuka. Tekanan air pada pipa kembali ke tekanan statis sebelum siklus berikutnya terjadi lagi.

Gambar 2.13 Skema pompa hidram pada kondisi D. [7]

Bentuk ideal dari tekanan dan kecepatan aliran pada ujung pipa pemasukan dan kedudukan katup limbah selama satu siklus kerja hidram, diperlihatkan dengan sangat sederhana dalam gambar 2.14.

Gambar 2.14 Diagram satu siklus kerja hidram [4]

Keterangan gambar 2.14:

Periode 1 : Akhir siklus yang sebelumnya, kecepatan air melalui ram bertambah, air melalui katup limbah yang sedang terbuka, timbul tekanan negatif yang kecil dalam hidram.

Periode 2 : Aliran bertambah sampai maksimum melalui katup limbah yang terbuka dan tekanan dalam pipa pemasukan juga bertambah secara bertahap.

Periode 3 : Katup limbah mulai menutup dengan demikian menyebabkan naiknya tekanan dalam hidram, kecepatan aliran dalam pipa pemasukan telah mencapai maksimum.

Periode 4 : Katup limbah tertutup, menyebabkan terjadinya palu air (water

hammer) yang mendorong air melalui katup pengantar. Kecepatan

aliran pipa pemasukan berkurang dengan cepat.

Periode 5 : Denyut tekanan terpukul ke dalam pipa pemasukan, menyebabkan timbulnya hisapan kecil dalam hidram. Katup limbah terbuka karena hisapan tersebut dan juga karena beratnya sendiri. Air mulai mengalir lagi melalui katup limbah dan siklus hidram terulang kembali.

2.5 Persamaan Energi Pada Pompa Hidram

2.5.1 Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram

Energi yang dibangkitkan (bisa juga disebut energi yang dibutuhkan) pada pompa hidram berasal dari energi fluida itu sendiri. Air yang mengalir melalui pipa masuk dari ketinggian H (ketinggian permukaan air dalam supply tank), mengalami percepatan. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada gambar 2.15.

Gambar 2.15 Skema instalasi pompa hidram [8]

Berdasarkan gambar di atas, dapat dituliskan persamaan Bernoulli sebagai berikut:

�0 ��+

�02

2� +�0− �� = �3 ��+

�32

dengan:

�0 = tekanan pada titik 0 yaitu tekanan atmosfer [= 0], (� �⁄ 2)

�3 = tekanan pada titik 3, (� �⁄ 2)

�0 = kecepatan aliran air pada titik 0 [= 0] karena debit konstan, (m/s)

�3 = kecepatan aliran air pada titik 3 [= 0] karena aliran air terhenti seiring

menutupnya katup limbah, (m/s)

�0 = ketinggian titik 0 dari datum, (m)

�3 = ketinggian titik 3 [= 0] karena diasumsikan segaris datum, (m)

�� = head losses, (m)

� = massa jenis fluida, untuk air = 1000 , (�� �⁄ 3) g = percepatan gravitasi (= 9,81) ,( � �⁄ 2)

Jika dimasukkan harga – harga yang telah ditentukan, maka persamaan Bernoulli di atas menjadi:

� − �� = _���3 ... (2.34)

Dengan HLatau Head Loss terdiri dari Major Head Loss dan Minor Head Loss. Karena air mengalir dari supply tank yang memiliki ketinggian tertentu, maka akan timbul gaya yang disebabkan percepatan yang dialami air, yang besarnya sama dengan hasil kali massa fluida yang mengalir dan percepatan yang dialami fluida (Hukum Newton). Seperti di bawah ini:

� =�� ... (2.35) dengan:

F = gaya fluida yang mengalir, (N) m = massa fluida yang mengalir, (kg)

� =���

� = percepatan fluida yang mengalir, (� �⁄ 2)

� =��

��

�= massa jenis fluida, untuk air = 1000 �� �⁄ 3 A = luas penampang pipa masuk,( �2)

L = panjang pipa masuk, (m)

Tekanan di titik 3 dapat dicari dengan cara membagi gaya pada titik 3 (gaya akibat percepatan air) dengan luas penampang pipa masuk (A).

�3 =�_� =����_�� ... (2.36)

karena,

�3 ��=

� �

��

�� ... (2.37)

Dengan HL adalah head losses pada pipa, yang besarnya ditentukan dengan persamaan di bawah ini:

�� = �_��� 2

2�+∑ �� �2

2�� ... (2.38)

dengan:

�� = head losses, (m)

F = faktor gesekan bahan pipa masuk L = panjang pipa masuk, (m)

D = diameter pipa masuk, (m) K = faktor kontraksi

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 (�₃), dan tekanan di titik 3, �₃, akan sama dengan atmosfer (= 0) karena katup limbah dalam keadaan terbuka penuh. Sehingga persamaan Bernoulli akan menjadi:

� − �� = �3 2

2� ... (2.39)

Kecepatan v3 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan kontinuitas, dimana harga debit (Q) bernilai konstan (kondisi awal semua fluida yang masuk langsung keluar melalui katup limbah). Sehingga:

� =�₃×�_{�����} ... (2.40) dengan:

� = debit air yang keluar melalui katup limbah, (�3⁄�)

�3 = kecepatan air di titik 3 (yang melalui katup limbah), (m/s)

������ = luas penampang lubang katup limbah,( �2)

Setelah nilai �₃ didapatkan, maka kita dapat menghitung energi yang dibangkitkan hidram, dengan rumus:

� =1₂��₃2 ... (2.41) dengan:

E = energi hidram, (J)

m = massa fluida yang mengalir, (kg)

= massa fluida yang mengalir melalui pipa masuk = ���

�3 = kecepatan massa fluida yang mengalir, (m/s)

L = panjang pipa masuk, (m)

A = luas penampang pipa masuk, (�2)

� = massa jenis air, (=1000), (�� �⁄ 3)

2.5.2 Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air

Prinsip kerja pompa hidram adalah membuat air yang mengalir melalui pipa masuk berhenti secara tiba – tiba, yang akan mengakibatkan terjadinya kenaikan head tekanan pada air. Besarnya kenaikan head tekanan dapat dihitung dengan persamaan Joukowsky, seperti di bawah ini:

∆�� =�(�1_�−�2) ... (2.42)

dengan:

∆�� = kenaikan head tekanan, (m)

c = kecepatan gelombang suara dalam air,(m/s)

�1 = kecepatan air sebelum valve menutup, (m/s)

�2 = kecepatan air sesudah valve menutup, (m/s)

Menurut David dan Edward, kecepatan gelombang suara di dalam air didefinisikan dengan persamaan:

� = ��� ��

1 2⁄

... (2.43) dengan:

�� = Modulus bulk, yang menyatakan kompresibilitas dari suatu fluida. Untuk

air �_� = 2,07 × 109� �⁄ 2

� = massa jenis fluida, untuk air = 1000 �� �⁄ 3

c = kecepatan gelombang suara, dari nilai di atas, �_��� = 1440 �/�

Untuk peningkatan tekanan akibat penutupan katup secara gradual, dapat dihitung menggunakan rumus:

∆ℎ= ��_�� ... (2.44) dengan:

∆ℎ = kenaikan tekanan akibat palu air, (m) v = kecepatan aliran, (m/s)

L = panjang pipa, (m)

g = percepatan gravitasi, (� �⁄ 2) t = waktu penutupan katup, (s)

2.5.3 Daya Pompa Hidram

Untuk menghitung daya yang dihemat oleh pompa hidram digunakan rumus [7]:

� =���ℎ_� ... (2.45) dimana:

P = daya yang dihemat (W)

� = massa jenis air (kg m⁄ 3) g = percepatan gravitasi (m s⁄ 2) Q = debit limbah (m3/s)

2.5.4 Efisiensi Daya Pompa Hidram

Ada dua metode dalam perhitungan efisiensi daya pompa hidram, yaitu :  Menurut D’ Aubuisson :

Menurut D’ Aubuisson, katup limbah digunakan sebagai datum. Untuk lebih memahami, dapat dilihat pada gambar 2.16.

Gambar 2.16 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut D’Aubuisson

Sehingga dapat dirumuskan [3]:

�� =₍�_�+�(�+ℎ_)�) ... (2.46)

dimana:

�� = efisiensi daya pompa hidram menurut D’ Aubuisson

q = debit hasil, (�3⁄�) Q = debit limbah, (�3⁄�) h = head keluar, (m) H = head masuk, (m)

 Menurut Rankine :

Menurut Rankine, permukaan air pada tangki pemasukan digunakan sebagai datum. Untuk lebih memahami, dapat dilihat pada gambar 2.17.

Gambar 2.17 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut Rankine

Sehingga dapat dirumuskan [3]:

�� =_���ℎ ... (2.47)

dimana:

�� = efisiensi hidram menurut Rankine

q = debit hasil, (�3⁄�) Q = debit limbah, (�3⁄�) h = head keluar, (m) H = head masuk, (m)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian skripsi ini dilakukan pada bulan Oktober 2012 dan penelitian dilakukan di lantai 4 gedung Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3.2 Peralatan Pengujian

Peralatan yang digunakan dalam pengujian ini adalah :

1. Prototype pompa hidram

Gambar 3.1 Prototype pompa hidram

Spesifikasi prototype pompa hidram: 1. Badan pompa

Badan pompa merupakan tempat terjadinya proses pemompaan. Bagian ini sebagai tempat untuk landasan katup limbah dan katup hantar dan bagian ini sebagai tempat dudukan pompa agar dapat berdiri tegak dan kokoh.bahan dari badan pompa ini adalah sebagai berikut:

- Elbow 1,5 inci : 1 buah - Tee 1,5 inci : 1 buah - Double nipple 1,5 inci : 2 buah

Gambar 3.2 badan pompa

2. Katup limbah

Katup limbah merupakan katup pembuangan air (limbah) yang berfungsi memancing gerakan air yang berasal dari bak sumber air, sehingga dapat menimbulkan aliran air yang bekerja sebagai sumber tenaga pompa.

Gambar 3.3 katup limbah

Bagian dari katub limbah adalah sebagai berikut: a. Badan katup

Berfungsi sebagai landasan bagi katup limbah dan penghubung antara katup limbah dengan badan pompa. Bahan dari badan katup ini sebagai berikut:

- Tee 1,5 inci : 1 buah - Verlop ring 0,75 x 0,5 inci : 1 buah

- Klem : 2 buah ( diameter luar masing 10 cm, diameter dalam klem pertama 3,81 cm dan diameter dalam klem kedua 2,5 cm )

- Baut 10 dan mur 10 : 8 buah

Gambar 3.4 badan katup limbah

b. Poros katup limbah

Poros ini sebagai pegangan untuk mur, karet katup, plat katup. Kedua ujung nya dibuat ulir untuk mur 16 dengan panjang masing-masing 10 cm dari ujung as, fungsinya untuk mengatur panjang langkah katup dan mengatur tempat tambahan beban katup limbah.

Gambar 3.5 Poros katup limbah

Spesifikasi:

- Panjang poros : 30 cm - Diameter : 12 mm

c. Karet katup.

Berfungsi untuk menghindari kontak langsung antara plat katup dengan badan katup supaya tidak terjadi keausan plat katup. Ukurannya disesuaikan dengan ukuran plat katup..

Gambar 3.6 karet katup Spesifikasi:

- Diameter luar : 20 mm - Diameter dalam : 10 mm

d. Plat katup

Berfungsi untuk menutup katup limbah yang akan mengakibatkan water hammer.

Gambar 3.7 plat katup

Spesifikasi :

- diameter luar : 20 mm - diameter dalam : 12 mm

e. Mur

Mur bawah berfungsi untuk mengikat plat katup dan mur atas untuk mengatur panjang langkah katup limbah. Mur yang digunakan adalah mur 10.

Gambar 3.8 Mur

3. Katup hantar

Katup ini menghantarkan air dari pompa ke tabung udara serta menahan air yang telah masuk agar tidak kembali ke rumah pompa. Katup hantar ini terbuat dari check valve. Katup hantar ini terdiri dari:

- Double nipple 1,5 inci : 1 buah

- Klem : 2 buah

- Plat sebagai check valve : 1 buah - Baut dan mur 10 : 1 buah

Gambar 3.9 katup hantar

4. Tabung udara

Tabung udara berfungsi meneruskan dan melipatgandakan tenaga pemompaan, sehingga air yang masuk ke tabung kompresor dapat dipompa naik.

(a) (b) Gambar 3.10 tabung udara Spesifikasi :

- Tinggi 40 cm

- Diameter 76,2 mm (a) dan 101,6 mm (b)

5. Bak penyuplai dan penampung

Berfungsi untuk menyuplai air ke pompa dan menampung air yang keluar dari katup limbah.

(a) (b)

Spesifikasi bak penyuplai : - Panjang : 100 cm - Lebar : 80 cm - Tinggi : 60 cm

Spesifikasi bak penampung : - Panjang : 100 cm - Lebar : 100 cm - Tinggi : 30 cm

6. Pompa sentrifugal

Berfungsi untuk mensirkulasikan air yang keluar dari katup limbah untuk disalurkan kembali ke bak penyuplai.

Gambar 3.12 pompa sirkulasi Spesifikasi pompa:

- Merek : Dapproco

- Tegangan : 220 V - Frekuensi : 50 Hz - Daya masukan : 230 watt - Daya keluaran : 125 watt - Kapasitas : 41 liter/menit - Tinggi dorong : 28 meter - Tinggi isap : 9 meter

7. Landasan pompa

Gambar 3.13 landasan pompa Spesifikasi:

- Tinggi 30 cm

3.3 Alat Ukur Yang Digunakan

Untuk pengujian digunakan beberapa alat ukur guna mengukur beberapa variabel yang dibutuhkan, diantaranya :

3.3.1 Pressure Gauge

Pressure gauge dalam penelitian ini digunakan untuk mengukur tekanan

pada sisi inlet pompa hidram dan tekanan pada sisi keluar pompa hidram, sehingga akan didapatkan data mengenai perubahan tekanan air pada pompa hidram yang diakibatkan proses water hammer.

Untuk mengukur tekanan inlet pompa hidram, pressure gauge diletakkan pada ujung pipa masuk (drive pipe), karena yang akan diukur adalah tekanan air akibat adanya perbedaan ketinggian water source tank dan badan hidram.

Sedangkan untuk mengukur tekanan pada sisi keluar hidram, pressure gauge

diletakkan pada sisi atas tabung udara, dan untuk rangkaian hidram tanpa tabung udara, pressure gauge diletakkan pada bagian setelah katup limbah, setelah air keluar dari T-junction.

Spesifikasi :

- Merek : australia

- Satuan : bar

- Tekanan maksimum : 2,5 bar

3.3.2 Flow Meter

Untuk mengetahui berapa debit aliran yang dihasilkan oleh pompa pada pipa pengantar dan debit aliran yang keluar dari katup limbah, alat yang digunakan adalah flow meter.

Gambar 3.15 flow meter

Spesifikasi :

- Kapasitas 3,5 �3⁄ℎ - Ukuran 1 inci

3.3.3 Stopwatch

Untuk pengukuran waktu digunakan stopwatch. Berikut adalah alat ukur waktu yang digunakan dalam pengujian.

Gambar 3.16Stopwatch

Spesifikasi :

- Water-resistant structure

- 50 lap and split memory with 1/100sec - 3.0V lithium battery CR2032

3.3.4 Meteran

Meteran yang digunakan adalah meteran ukur dan mistar ukur. Meteran ukur digunakan untuk mengukur tinggi head pompa dan panjang pipa pemasukan, mistar ukur ini digunakan untuk mengukur panjang ukuran-ukuran bagian pompa.

(a) (b)

Gambar 3.17 Meteran Ukur (a) dan Mistar Ukur (b) Spesifikasi meteran ukur :

- panjang : 5 meter - ukuran : mm, cm, inchi Spesifikasi mistar ukur:

- panjang : 1 meter - ukuran : mm, cm, inchi

3.3 Prosedur Perancangan Pompa hidram

Langkah-langkah yang dilakukan dalam perancangan pompa hidram adalah sebagai berikut :

1. Menentukan head masuk pompa.

Untuk penelitian ini, head masuk merupakan variabel yang ditentukan yaitu tinggi tempat tangki water source adalah 2 meter dan tinggi dari bak

water source adalah 0,6 meter dalam instalasi tinggi dudukan pompa 0,3

meter, maka tinggi total head masuk adalah 2,3 meter. 2. Menentukan diameter pipa masuk.

Dalam penelitian ini diameter pipa masuk disesuaikan dengan diameter badan pompa yaitu 1,5 inci.

3. Menentukan diameter pipa keluar

Dalam penelitian ini diameter pipa keluar adalah 0,5 inci. 4. Menentukan panjang pipa masuk

Dalam penelitian panjang pipa masuk divariasikan yaitu 8 meter, 10 meter dan 12 meter.

5. Menentukan bahan pipa

Bahan pipa masuk adalah dari PVC dan bahan dari pipa keluar adalah pipa galvanis.

6. Perancangan Prototype pompa

Pembuatan pompa hidram terdiri atas empat bagian pekerjaan, yakni pembuatan rumah pompa, katup limbah,katup hantar dan tabung kompresor pompa.

3.3.1 Pembuatan rumah pompa

Langkah pembuatan rumah pompa:

1. Persiapan bahan yang meliputi: elbow, T-junction, double nipple yang masing-masing berukuran 1,5 inci dan 2 buah besi siku berukuran 5 cm x 5,9 cm. 2. digabungkan elbow, T-junction, dan double nipple, secara berurutan dengan

arah mendatar untuk merakit rumah pompa.

3.3.2 Pembuatan katup limbah

Langkah pembuatan katup limbah:

1. Dipersiapkan bahan yang terdiri dari : double nipple 1,5 inci ; 2 buah plat 5 mm ukuran 10 cm x 10 cm dan ukuran 3 cm x 3 cm 1 buah ; T-junction 1,5 inci ; verlop ring 1,5 x 0,75 ; baut berdiameter 12 mm, panjang 30 cm dengan 3 buah mur.

2. Plat pertama ukuran 10 cm x 10 cm dibulatkan. Selanjutnya, di tengah-tengahnya dibuat lubang berdiameter sama dengan diameter double nipple sebelah luar sekitar 3,7 cm.

3. Plat kedua yang berukuran 10 cm x 10 cm, diameter luarnya disesuaikan dengan plat pertama dan diameter dalamnya dibuat 2,5 cm.

4. Kedua plat digabungkan untuk membuat lubang tempat baut sebanyak 8 lubang.

5. Plat pertama dipasangkan pada salah satu ujung double nipple dengan las, pengelasan dilakukan dan sisi luar, dilas rapat.

6. Plat kedua dipasangkan pada salah satu ujung T-junction 1,5 inci dipasang tegak lurus pada plat dengan dilas. Ujung T-junction sebelah atas ditutup dengan verlop ring 1,5 x 3/4.

7. Digabungkan hasil pekerjaan no.5 dan no.6 tersebut di atas dengan baut 10 (6 mm) sehingga terbentuk rumah katup limbah. Untuk menghindari kebocoran digunakan seal dari karet bentuknya disesuaikan dengan kedua plat.

8. Plat ketiga dibulatkan sedemikian rupa dengan diameter 2 cm, bor pada titik pusatnya sehingga diperoleh lubang berdiameter sesuai dengan ukuran baut yang akan digunakan sebagai poros katup kemudian buat bulatan berbahan dasar karet dengan diameter yang sama dengan plat ketiga yang befungsi untuk peredam suara ketukan dan menghindari kontak langsung antra poros katup dengan dinding plat kedua.

9. Poros katup limbah dari besi 12 mm, sepanjang 30 cm. Kedua ujungnya sepanjang 10 cm dibuat ulir, masing-masing diberi ring per dan mur. Pada salah satu ujungnya dipasangkan plat ketiga dan bulatan berbahan dasar karet dan dikunci dengan mur.

3.3.3 Pembuatan Katup Hantar

Langkah pembuatan katup hantar:

1. Persiapan bahan pembuatan katup pengantar adalah double nipple 1,5 inci, karet, plat 5 mm berukuran 10cm x 10cm, sebanyak 3 buah; baut ukuran 10(6mm) lengkap dengan ring dan mur.

2. Ketiga plat besi 5mm, 10cm x 10cm bentuknya dibulatkan dan disamakan agar serasi dan dibuat lobang sebanyak delapan buah sebagai tempat baut . 3. Plat pertama di tengahnya dibuat lubang berdiameter 5,0 cm dan dan plat

kedua 7,5 cm. Plat pertama disatukan dengan double nipple, plat keduanya dengan tabung kompresor, dengan pengelasan yang rapat.

4. Plat ketiga dipergunakan untuk landasan katup, yaitu dengan membuat lubang 6 mm sesuai ukuran baut no. 10 di bagian tengahnya dengan alat bor. Selanjutnya, di sekitar lubang pada radius 5 cm dan lubang tersebut dibuat lubang-lubang berderet melingkar dengan jarak tidak terlalu rapat, sekitar 3 mm karena plat ini akan menahan tekanan yang cukup besar dan ruang kompresi seberat beban air yang dinaikkan.

5. Dibuat lingkaran berbahan dasar karet yang lentur tapi kuat berdiameter 6 cm, 5 cm, 4 cm, dan 3 cm. Pada titik tengahnya buat lubang sesuai dengan ukuran baut no. 10. Selanjutnya, disusun berurutan mulai dari yang paling kecil, yang besar di bawah.

6. Dibuat ring dan plat 3 mm dengan diameter 6 cm, kemudian dibentuk seperti mangkok.

7. Dipasang lingkaran berbahan dasar karet dalam ring pada plat ketiga.

8. Digabungkan plat pertama, kedua, dan ketiga dengan posisi plat ketiga ditengah antara plat pertama dan plat kedua dengan posisi katup hantar membuka kearah tabung kompresi. Untuk menghindari kebocoran gunakan seal dari bahan karet.

3.3.4 Pembuatan Tabung Udara

Tabung kompresi ini berupa pipa air berukuran 3 inci dan 4 inci dengan tinggi yang sama yaitu 40 cm. Salah satu sisi tabung ditutup rapat dengan plat besi, urutan pembuatannya sebagai berikut:

1. Ambil pipa 3 inci dan 4 inci sepanjang 40 cm, ditutup salah satu ujungnya dengan plat besi 5 mm berukuran 10 cm x 10 cm menggunakan las dan ditengahnya dibuat lubang berulir dengan diameter 1,25 cm tempat pressure

gauge.

2. Pada jarak 10 cm dan ujung yang lain dipasang sok 0,5 inci, pengelasan harus betul-betul rapat, dilengkapi dengan elbow 0,5 inci.

3.4 Skema Penelitian

Rancangan penelitian adalah gambaran mengenai rangkaian alat yang akan di teliti. Dalam penelitian kali ini, ada 6 (enam) macam rangkaian alat, yaitu:

1. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter 76,2 mm dengan tinggi 40 cm dengan panjang pipa masuk 8 m.

2. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter 76,2 mm dengan tinggi 40 cm dengan panjang pipa masuk 10 m.

3. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter 76,2 mm dengan tinggi 40 cm dengan panjang pipa masuk 12 m.

4. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter 101,6 mm dengan tinggi 40 cm dengan panjang pipa masuk 8 m.

5. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter 101,6 mm dengan tinggi 40 cm dengan panjang pipa masuk 10 m .

6. Rangkaian pompa hidram dengan menggunakan tabung udara diameter 101,6 mm dengan tinggi 40 cm dengan panjang pipa masuk 12 m .

Hal ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh adanya tabung udara terhadap perubahan tekanan air yang diakibatkan oleh water hammer, atau dengan kata lain penelitian ini dilakukan untuk mengetahui fungsi tabung udara dalam kaitannya dengan perubahan tekanan air akibat water hammer. Untuk mengetahui tentang fungsi tabung udara pada pompa hidram dan ukuran tabung udara yang tepat untuk sebuah pompa hidram, paada rangkaian pompa hidram menggunakan tabung udara akan digunakan tabung udara dengan 2 variasi volume tabung dan 3 variasi panjang pipa pemasukan.

Gambar 3.18 Skema Penelitian Pompa Hidram Keterangan:

1 : Tangki pemasukan 2 : Pipa sirkulasi 3 : Katup limbah 4 : Tabung udara 5 : Pipa pengantar 6 : Katup pengantar 7 : Tangki penampung 8 : Dudukan pompa 9 : Pipa pemasukan 10 : Katup pemasukan FM : Flowmeter PG : Pressure gauge

P : Pompa sirkulasi

3.5 Variabel Yang Diamati

Adapun variabel yang diamati pada penelitian kali ini adalah: 1. Tekanan pada sisi masuk badan hidram

3. Tekanan pada pipa pengantar

4. Debit air yang keluar dari waste valve 5. Debit air yang keluar dari delivery valve.

3.6 Langkah Penelitian

1. Persiapan

Pengujian diawali dengan mempersiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan, kemudian dirakit sesuai dengan instalasi yang dibutuhkan untuk pengujian. Setelah perakitan selesai dilakukan pengecekan kebocoran pada instalasi.

2. Simulasi Percobaan

Sebelum melakukan penelitian, dilakukan terlebih dahulu simulasi penelitian. Simulasi dalam penelitian ini meliputi simulasi performa pompa hidram, simulasi kesesuaian alat ukur, dan simulasi metode pengambilan data. 3. Pelaksanaan Pengujian

Sesuai dengan tujuan penelitian kali ini, yakni untuk mengetahui fungsi sebuah tabung udara pada pompa hidram dan pengaruh panjang pipa pemasukan, maka variasi yang digunakan adalah variasi volume tabung udara dan variasi panjang pipa pemasukan. Adapun volume tabung udara dan panjang pipa pemasukan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

• Tabung Udara 1

Diameter tabung = 76,2 mm Tinggi tabung = 400 mm

Ukuran reducer = 76,2 mm × 63,5 mm Tinggi reducer = 100 mm

Volume tabung 1 = 1.835.883,425 ��3 ≈ 0,0018 �3 • Tabung Udara 2

Diameter tabung = 101,6 mm Tinggi tabung = 400 mm

Tinggi reducer = 100 mm

Volume tabung 2 = 3.355.235.225 ��3 ≈ 0,0034 �3 • Pipa Pemasukan 1

Panjang = 8 m

Diameter = 38,1 mm • Pipa Pemasukan 2

Panjang = 10 m

Diameter = 38,1 mm • Pipa Pemasukan 3

Panjang = 12 m Diameter = 38,1 mm

Sedangkan parameter yang ditetapkan adalah sebagai berikut: Tinggi air jatuh : 2,3 m

Diameter pipa masuk : 38,1 mm Diameter pipa keluar : 12,7 mm Parameter yang diukur sebagai berikut:

- Debit limbah - Debit hasil

- Tekanan pada pipa masuk - Tekanan pada tabung udara - Tekanan pada pipa keluar - Tekanan pada katup limbah Parameter yang dihitung:

- Efisiensi pompa hidram (η)

3.7 Prosedur Pengujian

Adapun prosedur pengujian yang akan dilakukan adalah :

1. Menyiapkan Prototype hidram dan seluruh instalasinya pada tempat pengujian.

2. Memasang bak penyuplai pada tempat head pemasukan.

4. Memasang pipa masuk dengan panjang sesui dengan pengujian yang akan dilakukan.

5. Memasang pipa keluar dengan panjang sesui head yang akan di capai.

6. Memasang semua alat ukur yang digunakan , yaitu pressure gauge 1 (P1) pada pipa pemasukan, pressure gauge 2 (P2) pada pipa keluar , Pressure

gauge 3 (P3) pada tabung udara, pressure gauge 4 (P4) pada katup limbah,

flowmeter 1 pada pipa keluar dan flow meter 2 di katup limbah.

7. Memasang instalasi pompa air untuk mensirkulasikan air yang keluar dari katup limbah dikembalikan lagi ke bak penyuplai.

8. Memasang ball valve pada pipa pemasukan untuk membuka dan menutup pipa pemasukan.

9. Memasang tabung udara dengan volume tabung yang sudah ditentukan. 10.Memastikan semua instalasi telah terpasang dengan baik dan memastikan

tidak ada kebocoran.

11.Untuk pengujian pertama digunakan tabung dengan diameter 76,2 mm, tinggi tabung 40 cm dan panjang pipa masuk 8 m.

12.Menjalankan sistem dan melakukan pengujian yaitu dengan mencatat tekanan pada pipa masuk (P1) , tekanan pada pipa keluar (P2),tekanan pada tabung udara (P3), tekanan pada katup limbah (P4), debit air hasil (Q2), debit limbah (Q3). Pengukuran debit dengan menggunakan flow meter dan stopwatch.

13.Lakukan prosedur 12 ini sampai lima kali percobaan dengan selang waktu 5 menit untuk mendapatkan data yang akurat .

14.Untuk pengujian kedua digunakan tabung kedua dengan diameter 101,6 mm, tinggi tabung 40 cm dan panjang pipa 8 m dan lakukan kembali prosedur 12 dan 13.

15.Untuk pengujian ketiga digunakan tabung kedua dengan diameter 76,2 mm, tinggi tabung 40 cm dan panjang pipa 10 m dan lakukan kembali prosedur 12 dan 13.

16.Untuk pengujian keempat digunakan tabung kedua dengan diameter 101,6 mm, tinggi tabung 40 cm dan panjang pipa 10 m dan lakukan kembali prosedur 12 dan 13.

17.Untuk pengujian kelima digunakan tabung kedua dengan diameter 76,2 mm, tinggi tabung 40 cm dan panjang pipa 12 m dan lakukan kembali prosedur 12 dan 13.

18.Untuk pengujian keenam digunakan tabung kedua dengan diameter 101,6 mm, tinggi tabung 40 cm dan panjang pipa 12 m dan lakukan kembali prosedur 12 dan 13.

Gambar 3.19 Flowchart Proses Pengerjaan Tugas Akhir Studi Literatur

Perencanaan Dimensi Pompa Hidram

Perakitan Pompa Hidram

Test Performansi Pompa Hidram

Pengambilan Data

-Variasi Diameter Tabung Udara -Variasi Panjang pipa Pemasukan

Perhitungan dan Analisa Ya

Tidak Start

Kesimpulan dan Saran

BAB IV ANALISA DATA

4.1 Perhitungan Head Loses 4.1.1 Head Loses Mayor

Menurut Persamaan Umum Hazen William, head loses mayor dapat dihitung dengan rumus:

ℎ� =

10,666.�1,85

�1,85_.�4,85 �

Dimana:

Q = debit aliran, (�3⁄�)

c = koefisien kekasaran pipa d = diameter pipa, (m) L = panjang pipa, (m) a. Tabung Pertama

 Percobaan 1 (Panjang pipa pemasukan = 8 m) 1.) Pipa Masuk

� =�₂+�₃ = (0,000017333 + 0,00041)�3⁄�

= 0,000427333 �3⁄�

� = 130

� = 38,1 �� = 0,0381 �

�= 8 �

Maka:

ℎ� =10,666.� 1,85

�1,85_.�4,85 �

ℎ� =

(10,666)(0,000427333 �3⁄�)1,85

(130)1,85(0,0381 �)4,85 × (8 �)

ℎ� = 0,046744 �

2.) Pipa Hantar

� = 120

� = 12,7 �� = 0,0127 �

�= 8 �

Maka:

ℎ� =

10,666.�1,85

�1,85_.�4,85 �

ℎ� =

(10,666)(1,7333 × 10−5 �3⁄�)1,85

(120)1,85_{(0,0127 �)}4,85 × (8 �)

ℎ� = 0,029723 �

Sehingga total loses mayor untuk percobaan dengan menggunakan tabung 1 dan panjang pipa pemasukan 8 meter adalah:

ℎ������ =ℎ����������+ℎ�����ℎ�����

ℎ������ = 0,046744 � + 0,029723 �

ℎ������ = 0,076467 �

Dengan menggunakan cara yang sama seperti yang diatas, nilai total loses mayor untuk semua percobaan disajikan dalam bentuk tabel berikut ini:

Tabel 4.1 Total loses mayor

Nomor Tabung Panjang Pipa Pemasukan (m)

Total Loses Mayor (m)

Tabung Pertama

8 0,076467

10 0,094955

12 0,225861

Tabung Kedua

8 0,086551

10 0,123342

12 0,257912

Gambar 4.1 Grafik total loses mayor

4.1.2 Head Loses Minor

Berikut ini adalah tabel koefisien kerugian untuk komponen pipa: Tabel 4.2 Head loses minor pada pipa masuk

Pada pipa masuk n K n × K

sisi masuk 1 0,20 0,20

katup bola 1 0,05 0,05

belokan 2 0,13 0,26

sambungan 1 0,08 0,08

tee joint 1 0,9 0,9

ΣK 1,49

Tabel 4.3 Head loses minor pada pipa keluar

Pada pipa keluar n K n.K

sisi masuk 1 0,50 0,50

tee joint 1 0,50 0,50

elbow 1 1,1 1,1

ΣK 2,1

a. Tabung Pertama

 Percobaan 1 (Panjang pipa pemasukan = 8 m)

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

0 5 10 15

T ot a l Los e s M a y or ( m)

Panjang Pipa Pemasukan (m)

Tabung Pertama Tabung Kedua

2. Assembling Pompa Hidram

3. Tabung Udara

4. Badan Pompa

5. Katup Limbah

4. Katup Hantar

LAMPIRAN F

Komponen Jumlah yang

dibutuhkan Harga

Elbow 90� 1,5 inchi 1 Rp 15.000,00

Double nipple 1,5 inchi 4 Rp 40.000,00

Tee joint 1,5 inchi 2 Rp 30.000,00

Verlop ring 1,5×1 inchi 2 Rp 18.000,00

Pipa 3 inchi dengan panjang 40 cm 1 Rp 28.000,00 Plat besi 5 mm ukuran 10×10 cm 6 Rp 30.000,00 Besi diameter 12 mm dengan

panjang 30 cm 1 Rp 10.000,00

Baut ukuran 6 mm 16 Rp 15.000,00

Plat besi 3 mm ukuran 5×5 cm 1 Rp 5.000,00

Ban dalam 1 Rp 2.000,00

Pipa 0,5 inchi dengan panjang 10 cm 1 Rp 5.000,00

Biaya bengkel 1 Rp 200.000,00

TOTAL Rp 398.000,00