Analisa Pengaruh Variasi Volume Tabung Udara Dan Variasi Beban Katup Limbah Terhadap Performa Pompa Hidram
Analisa Pengaruh Variasi Volume Tabung Udara Dan
Variasi Beban Katup Limbah Terhadap Performa Pompa
Hidram
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ANDREA SEBASTIAN GINTING
NIM : 09421043
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
D E P A R T E M E N T E K N I K M E S I N
F A K U L T A S T E K N I KUNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmatnya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “Analisa Pengaruh Variasi Tabung Udara Dan Variasi Beban Katup Limbah Terhadap Performa 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 nasehat, semangat, dan motivasi dari berbagai pihak, penulis dapat menyelesaikannya. Secara khusus penulis mengucapkan terima kasih yang sebanyak-banyaknya kepada :
1. Bapak Ir. M. Syahril Gultom selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
3. Orang tua penulis J. Andarmida br Sukatendel yang memberikan dukungan moral dan materi kepada penulis
4. Kedua adik penulis Andri Dwi Pranata Ginting dan Rizky Ananta Ginting yang selalu memberi dukungan dan semangat.
5. Teman-teman penulis Thomas Yovial Sebayang, Sahala Hadi Putra Silaban, Albert ”Pak Horbo” Marganda Rumahorbo, Hanna Sabarina Surbakti, Ristawati Hasuma Sembiring, Elisa Kaban, Peppong Sinuhaji, Mega Ginting, Jusak Natardika Tarigan.
6. Teman-teman ekstensi teknik mesin 2009 serta abang senior dan semua rekan mahasiswa teknik mesin yang membantu dalam penyelesaian skripsi ini.
7. Kepada pihak-pihak lain yang belum disebutkan namanya.
Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis sangat membutuhkan saran 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, 20 Mei 2013 Andrea Sebastian G
ABSTRAK
Pada masyarakat yang bertempat tinggal jauh dari jangkauan sumber energi listrik terdapat kendala untuk memindahkan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah dengan pompa hydraulic ram yang energi atau tenaga penggeraknya berasal dari tekanan atau hantaman air yang masuk ke dalam pompa melalui pipa. Skripsi ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh faktor volume tabung udara, beban katup limbah dan
head supply terhadap efisiensi pompa hidram. Dari hasil percobaan dan analisa
diperoleh bahwa faktor volume tabung udara, beban katup limbah dan head supply berpengaruh pada efisiensi pompa hidram. Kata kunci : Pompa Hydraulic Ram, Tabung udara, beban katup limbah, Efisiensi
ABSTRACT
For many people that staying away from electric energy resourch there issome obstacle to move the water from down area to high area. One of the method
that can be used is hydram pump that the energy or the power is from water
hammer that move into pump through the pipe. This minithesis have purpose to
know the influence of air vessel factor, waste valve load and head supply toward
hydram pump efficiency. Keyword : Hydramp pump, air vessel, waste valve load, efficiency.DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ........................................................................................ i ABSTRAK ........................................................................................................ ii DAFTAR ISI .................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... vii DAFTAR TABEL ............................................................................................. x DAFTAR SIMBOL ......................................................................................... xii
2.2.3 Palu air (Water hammer) .....................................................................14
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ........................................................ 24
2.4.2 Gerak Fluida dan Laju aliran ..................................................... 22
2.4.1 Tekanan Pada Fluida ................................................................. 21
2.4 Tinjauan Mekanika Fluida ................................................................ 21
2.3.3 Efisiensi Pompa Hidram .....................................................................20
2.3.2 Peningkatan Tekanan Pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air .19
2.3.1 Energi Yang Dibangkitkan Pada Pompa Hidram ................................16
2.3 Persamaan Energi Pada Pompa Hidram.......................................................16
2.2.2 Sistem Operasi Pompa Hidram ...........................................................12
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................. 1
2.2.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya ................................ 9
2.2 Pompa Hidram .................................................................................... 7
2.1 Pompa ................................................................................................ 6
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................... 6
1.5 Sistematika Penulisan ........................................................................... 4
1.4 Manfaat Penelitian ............................................................................... 4
1.3 Batasan Masalah .................................................................................. 3
1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................. 3
1.1 Latar Belakang ..................................................................................... 1
3.1 Peralatan Pengujian .......................................................................... 24
3.2 Alat Ukur Yang Digunakan .............................................................. 32
4.1.4 Kecepatan Aliran pada Pipa Keluaran ........................................ 48
5.1 Kesimpulan ...................................................................................... 82
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................... 82
4.7 Efisiensi pompa hidram .................................................................... 76
4.6 Menghitung daya pompa ................................................................... 74
4.5 Mengitung peningkatan tekanan akibat palu air......................... ........70
4.4 Menghitung energi yang dibangkitkan oleh pompa hidram akibat palu air .................................................................................................... 68
4.3 Besar gaya yang terjadi pada pompa hidram ..................................... 60
4.2.4 Kerugian head minor ( minor losses ) dalam pipa keluaran.........58
4.2.3 Kerugian head mayor ( mayor losses ) dalam pipa keluaran........55
4.2.2 Kerugian head minor ( minor losses ) dalam pipa pemasukan.....53
4.2.1 Kerugian head mayor (mayor losses) dalam pipa pemasukan......49
4.2 Faktor Kerugian ................................................................................ 49
4.1.3 Kapasitas Untuk Pipa Keluaran ................................................. 46
3.2.1 Manometer ................................................................................ 32
4.1.2 Kecepatan Aliran Dalam Pipa Pemasukan ................................. 44
4.1.1 Kapasitas Aktual Pada Pipa Pemasukan ..................................... 43
4.1 Perhitungan Aliran Air Pada Pompa Hidram ..................................... 43
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA ............................................. 43
3.6 Prosedur Pengujian ........................................................................... 41
3.5 Langkah Penelitian ........................................................................... 30
3.4 Variabel Yang Diamati ..................................................................... 39
3.3 Skema Penelitian .............................................................................. 36
3.2.5 Timbangan ................................................................................ 36
3.2.4 Alat Ukur Jarak ......................................................................... 35
3.2.3 Alat Ukut Waktu ....................................................................... 34
3.2.2 Alat Ukur Debit Aliran .............................................................. 33
5.2 Saran ............................................................................................... 83 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output........... .........8 Gambar 2.2. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram. ...........8 Gambar 2.3. Jenis-jenis Desain Katup Limbah ....................................................
9 Gambar 2.4. Bagian – Bagian Katup Limbah. ...................................................
10 Gambar 2.5. Instalasi Pengujian Pompa Hidram ...............................................
12 Gambar 2.6 Siklus Pemompaan Pompa Hidram ................................................
13 Gambar 2.7. Instalasi Pengujian Pompa Hidram ...............................................
16 Gambar 2.8 Aliran Fluida Melalui Pipa yang Diameternya Berubah-ubah ........
22 Gambar 3.1 Prototype pompa hidram ................................................................
24 Gambar 3.2 Badan Pompa ................................................................................
25 Gambar 3.3 Katup Limbah ................................................................................
25 Gambar 3.4 Badan Katup Limbah .....................................................................
26 Gambar 3.5 As Katup Limbah ............................................................................
26 Gambar 3.6 O - Ring .........................................................................................
27 Gambar 3.7 Plat Katup ......................................................................................
27 Gambar 3.8 Mur ................................................................................................
28 Gambar 3.9 Beban katup limbah...........................................................................28 Gambar 3.10 Katup Hantar ...............................................................................
29 Gambar 3.11 Tabung Udara ..............................................................................
29 Gambar 3.12 Bak penyuplai ............................................................................... 30 Gambar 3.13 Bak penampung ............................................................................
30 Gambar 3.14 Pompa Sirkulasi ...........................................................................
31 Gambar 3.15 Landasan Pompa ..........................................................................
32 Gambar 3.16 manometer ...................................................................................
33
Gambar 3.17 flow meter 2 inci ..........................................................................51 Gambar 4.6 Grafik head losses mayor (hf) vs beban katup limbah .....................
68 Gambar 4.15 Grafik energi vs beban katup limbah ............................................
66 Gambar 4.14 Grafik gaya pada pipa masuk saat katup terbuka vs beban katup limbah ...............................................................................................................
65 Gambar 4.13 Grafik gaya pada pipa keluaran vs beban katup limbah ...............
63 Gambar 4.12 Grafik gaya max pada tabung udara vs beban katup limbah .........
62 Gambar 4.11 Grafik gaya pada tabung udara vs beban katup limbah ................
60 Gambar 4.10 Grafik gaya pada pipa masuk saat katup tertutup vs beban katup limbah ...............................................................................................................
58 Gambar 4.9 grafik head losses minor vs beban katup limbah .............................
55 Gambar 4.8 grafik head losses mayor vs beban katup limbah ............................
53 Gambar 4.7 Grafik head losses minor (hm) vs beban katup limbah ....................
49 Gambar 4.5 Grafik Bilangan Reynold pipa masuk vs beban katup limbah ..........
33 Gambar 3.18 flow meter 1 inci ...........................................................................
47 Gambar 4.4 Grafik kecepatan aliran pipa keluaran vs beban katup limbah ......
46 Gambar 4.3 Grafik kapasitas pipa keluaran vs beban katup limbah ...................
44 Gambar 4.2 Grafik kecepatan aliran pipa vs beban katup limbah ......................
42 Gambar 4.1 Grafik kapasitas aktual pipa pemasukan vs beban katup limbah .....
39 Gambar 3.25 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir .....................................
Gambar 3.23 Skema penelitian pompa hidram.....................................................38 Gambar 3.24.Susunan alat ukur .........................................................................Gambar 3.22. Timbangan digital ..........................................................................3635 Gambar 3.21 Mistar Ukur ................................................................................. 36
34 Gambar 3.20 Meteran ukur ...............................................................................
34 Gambar 3.19 Stopwatch .....................................................................................
70
Gambar 4.16 Grafik kenaikan head tekanan vs beban katup limbah ..................72 Gambar 4.17 Grafik kenaikan head tekanan secara gradual vs beban katup limbah ...............................................................................................................
74 Gambar 4.18 Daya pompa vs beban katup limbah .............................................
75 Gambar 4.20 Grafik efisiensi D’Aubuisson vs beban katup limbah ....................
77 Gambar 4.22 Grafik efisiensi Rankine vs beban katup limbah ............................
78
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Kapasitas aktual untuk variasi beban katup limbah dan tabung udaradengan head supply 3,3 meter.………………………………………….……43 Kecepatan aliran pipa masuk untuk variasi beban katup limbah dan
Tabel 4.2
tabung udara dengan head supply 3,3Meter………………...……………45
Tabel 4.3 Kapasitas pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah dan tabungudara dengan head supply 3,3 meter……….…..………………………….47
Tabel 4.4 Kecepatan pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah dan tabungudara dengan head supply 3,3 meter...……...……………………………48
Tabel 4.5 Bilangan Re untuk variasi beban katup limbah dan tabung udaradengan head supply 3,3 meter.....................…………………..………….50
Tabel 4.6 Head losses mayor untuk variasi beban katup limbah dan tabungudara dengan Head supply 3,3 meter……...………………………….…..52
Tabel 4.7 Koefisien kerugian pada pipa pemasukan…………..…………………….54Tabel 4.8 Head losses minor untuk variasi beban katup limbah dan tabungudara dengan Head supply 3,3 meter...…………………………………...54
Tabel 4.9 Bilangan Re pipa keluaran untuk variasi beban katup limbah danTabung udara.......................………………..…………………………….56
Tabel 4.10 head losses mayor pipa keluaran untuk variasi beban katuplimbah dan tabung udara .........................………………..................57
Tabel 4.11 Koefisien kerugian untuk pipa discharge……………………….………59Tabel 4.12 head losses minor pipa keluaran untuk variasi beban katup limbahdan tinggi tabung udara ....................…………………………...……….59
Tabel 4.13 Besar gaya pada pipa masuk saat katup menutup untuk variasibeban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter ……………….……...............................................................61
Tabel 4.14 Besar gaya pada tabung udara untuk variasi beban katup limbahΔHp untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter .....…..…………………………………..72
Tabel 4.23 efisiensi menurut Rankine untuk variasi beban katup limbahdan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter ......…………………76
Tabel 4.22 efisiensi menurut D’ Aubuisson untuk variasi beban katup limbahdan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter ..…….........………..75
Tabel 4.21 Besar gaya pada tabung udara untuk variasi beban katup limbahBesar Δh untuk variasi beban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter ..………………….......…………………73
Tabel 4.20
Tabel 4.19 Besardan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter .....…………….……63
udara dengan Head supply 3,3 meter …………………...…...…….......69
Tabel 4.18 Besar energi untuk variasi beban katup limbah dan tabungbeban katup limbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter ....…….................................................................................67
Tabel 4.17 Besar gaya pada pipa masuk saat katup terbuka untuk variasidan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter .... ………………....66
Tabel 4.16 Besar gaya pada pipa keluaran untuk variasi beban katup limbahlimbah dan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter.…………….64
Tabel 4.15 Besar gaya maximum pada tabung udara untuk variasi beban katupdan tabung udara dengan Head supply 3,3 meter................................78
DAFTAR SIMBOL Simbol Arti Satuan
2
a percepatan fluida yang mengalir m/s
2 A Luas penampang pipa masuk m
2 A Luas penampang katup limbah m w
K Koefisien kekasaran pipa Hazen-Williams c Kecepatan gelombang suara dalam fluida m/s d
1 Diameter pipa masuk M
d
2 Diameter pipa discharge M
E Energi hidram Joule E Energi kinetik dalam aliran pipa masuk Joule
k
E p Energi potensial Joule
9 E v Modulus bulk untuk air 2,07 x 10
N/m² f Faktor gesekan bahan pipa F Gaya fluida yang mengalir N
2
g Percepatan gravitasi 9.81 m/s H L Head losses
M h f Kerugian head mayor M h m Kerugian head minor M
H Head suplay M h Head Pemompaan M
Hd Head Total M
L Panjang pipa M m Massa air yang mengalir dalam pipa Kg
N Jumlah ketukan P Daya pompa
Watt
P Tekanan statis fluida Bar
P Tekanan pada tiitk 0 (tekanan atmosfer) Bar P Tekanan pada tabung Bar
1 P Max Tekanan Maksimum tabung Bar
1
P
2 Tekanan pada pipa keluaran Bar
P
3 Tekanan pada badan pompa Bar
3 Q
1 Kapasitas actual pipa masuk m /s
3 Q
2 Kapasitas pipa keluaran m /s
3 d
Q m /s
3 ebit air yang keluar melalui katup limbah
3 d
Q w m /s ebit air yang keluar melalui katup limbah
Re Bilangan Reynold M S Panjang langkah katup limbah M t Waktu penutupan katup limbah S
2 v Viskositas kinematik fluida m /s
3 V Volume air
m
3 V Volume tabung udara 1 m
1
3 V
2 Volume tabung udara 2 m
3 V
3 Volume tabung udara 3 m
v Kecepatan aliran pada pipa keluaran m/s
2
v Kecepatan aliran pada titik 0 m/s v
1 Kecepatan aliran sebelum katup menutup m/s
v
2 Kecepatan aliran sesudah katup menutup m/s
v
3 Kecepatan aliran pada katup buang m/s
Z Ketinggian titik 0 dari datum M Z
3 ketinggian titik 3 dari datum m
Kekasaran pipa
3 Berat jenis air KN/m
3 Massa jenis air Kg/m
2 Viskositas dinamis fluida N s/m
efisiensi hidram menurut D’Aubuisson % efisiensi hidram menurut Rankine % M
ΔHp Kenaikan head tekanan
Kenaikan tekanan akibat palu air M
Δh