Topik 8 Kuliah pompa dkk

  Topik 8. Pemanfaatan Airtanah dan Irigasi Pompa Pendahuluan

  Tujuan instruksional khusus: mahasiswa mampu (a) memahami, membuat konstruksi dan pemeliharaan sumur; (b) memahami perhitungan dan penerapan dalam irigasi pompa; (c) memahami perhitungan biaya air pompa dan perencanaan untuk agribisnis tanaman hortikultura beririgasi

  Bahan Ajar

  Bahan Ajar terdiri dari: (1) Irigasi Pompa, (2) Pompa Hidram, (3) Pompa Air Tenaga Angin. Pada File Tambahan Kuliah Topik 8, tercantum naskah dalam bentuk pdf yakni (a). Bahan ajar 3 Pompa Air Tenaga Angin (Kincir Angin), (b) Centrifugal Pump, (c) Pumping Station Design

1. Irigasi Pompa

IRIGASI POMPA

  Oleh: Dedi Kusnadi Kalsim (Ir.,M.Eng.,Dip.HE) Bagian Teknik Tanah dan Air, FATETA IPB;

  E-mail: Sumber: (1) A.M. Michael, 1978. Irrigation: Theory and Practice. (2) Sularso; H. Tahara, 1983. Pompa & Kompresor (3) Kay M.; N. Hatcho, 1992. Small-scale pumped irrigation: energy and cost.

  FAO, Rome, Italy.

1. Konsep Dasar

  SI units (International Metric System) digunakan dalam buku ini. Satuan dasar dalam unit SI adalah sebagai berikut: Pengukuran Unit Simbol

  Panjang Meter m

  3 Volume meter kubik m

  Massa Kilogram kg Gaya Newton N

  1.1. Tekanan Tekanan adalah istilah yang sering digunakan dalam hidrolika yang menggambarkan gaya yang dikeluarkan oleh air pada luasan bidang tertentu dari suatu objek yang tenggelam dalam air. Tekanan umumnya dinyatakan dalam kilo Newton per meter

  2

  persegi (kN/m ). Sebagai alternatif lain sering pula digunakan “bar” dimana 1 bar

  2

  sama dengan 100 kN/m . Tekanan dihitung dengan persamaan sebagai berikut:

  Gaya kN ( ) kN Tekanan ( )

  2 = … /1.1/

  2 m luas m

  ( )

  Suatu tipikal tekanan operasional dalam irigasi curah (sprinkler irrigation) adalah

  2

  2

  sebesar 3 bar (300 kN/m ), hal ini berarti bahwa setiap luasan 1 m pada pipa bagian dalam dan pompa mempunyai gaya seragam sebesar 300 kN yang bekerja padanya. Beberapa satuan yang sering dipakai adalah kilogram gaya per sentimeter persegi

  2

  2

  (kgf/cm ) atau pounds-force per inci persegi atau psi (lbf/in ). Konversi dari satuan- satuan tersebut adalah:

  2

  

2

  2

  1 bar = 14,7 lbf/in = 1 kgf/cm = 100 kN/m … /1.2/

  1.1.1. Pengukuran Tekanan Tekanan air dalam pipa dapat diukur dengan Bourdon Gage (Gambar 1.1). Di dalam alat ini terdapat suatu tabung (tube) berbentuk lengkung yang akan meregang apabila di bawah tekanan. Tabung ini disambungkan dengan penunjuk berskala sehingga besarnya tekanan dapat dibaca. Teknisi biasanya juga mengacu tekanan sebagai tekanan head dalam satuan meter kolom air. Jika pengukur Bourdon digantikan dengan slang vertikal, maka air dalam slang akan naik sampai ketinggian tertentu sesuai dengan besarnya tekanan. Jika tekanannya 1 bar maka air akan naik setinggi sekitar 10 meter.

  2 Head tekanan (m) = 0,1 x tekanan (kN/m ) = 10 x tekanan (bar) …/1.3/

  1.1.2. Tekanan atmosfir Tekanan atmosfir adalah tekanan dari atmosfir udara sekeliling kita, menekan ke bawah tubuh kita pada permukaan bumi.

  Meskipun udara kelihatannya ringan, jika mempunyai kolom udara yang besar pada permukaan bumi akan menghasilkan tekanan

  2

  sekitar 100 kN/m atau ekivalen dengan 1 bar atau 10 m kolom air

  2 Tekanan atmosfir = 100 kN/m = 1 bar = 10 m

  kolom air … /1.4/

Gambar 1.1. Pengukuran tekanan

  1.2. Debit Laju air mengalir per satuan waktu dalam pipa atau saluran disebut dengan kecepatan (velocity) yang dinyatakan dengan satuan m/detik. Debit (discharge) adalah volume air mengalir dalam pipa atau saluran per satuan waktu yang dinyatakan dengan

  3

  m /detik. Sebagai contoh pada Gambar 2 dimana air mengalir dalam pipa berdiameter 100 mm pada kecepatan 1,5 m/detik. Maka dalam 1 detik sejumlah air akan mengalir dalam pipa dengan volume sama dengan yang diarsir pada Gambar 1.2. Volume ini besarnya sama dengan kecepatan dikalikan dengan luas penampang aliran yakni 1,5 x

  3 0,008 = 0,012 m /detik.

  1.2.1. Pengukuran Debit Debit dapat diukur dengan berbagai cara antara lain: (a) flow meter (Gambar 1.3a) dimana jumlah putaran baling-baling per satuan waktu dikonversikan ke penunjuk berskala dalam satuan debit; (b) Dengan secara langsung menggunakan wadah yang diketahui volumenya dan pengukur waktu (stopwatch) yang diperlukan untuk mengisi penuh wadah tersebut (Gambar 1.3b); (c) Di saluran terbuka dapat menggunakan sekat ukur seperti pada Gambar 1.3c.

  3 Debit aliran (m /detik) = luas

  2

  penampang aliran (m ) x Kecepatan (m/detik) … /1.5/

Gambar 1.2. Perhitungan debit

  1.3. Energi Dengan energi kita mampu bekerja. Dalam pemompaan energi diperlukan untuk mengangkat air dengan debit tertentu. Energi air dipasok oleh suatu pompa yang bergerak dengan tenaga manusia atau motor dengan menggunakan tenaga matahari, angin atau bahan bakar.

  1.3.1. Pengukuran energi Energi biasanya diukur dalam satuan Watt-jam atau Watt-hour (Wh atau W-jam). Karena nilai 1 Wh ini sangat kecil maka satuan yang biasanya digunakan adalah kilowatt-jam (kWh) dimana 1 kWh = 1.000 Wh. Beberapa gambaran umum nilai energi yang digunakan untuk pekerjaan tertentu adalah:

  a. Seorang petani bekerja di sawah menggunakan energi sekitar 0,2 – 0,3 kWh setiap hari b. Kipas angin di atas meja menggunakan energi 0,3 kWh setiap jam

  c. AC menggunakan energi sekitar 1 kWh setiap jam Perhatikan bahwa periode waktu selalu diberikan jika menerangkan jumlah energi yang diperlukan. Misalnya petani memerlukan energi 0,2 kWh setiap hari untuk bekerja, energi tersebut dipasok dari makanan yang dimakan setiap hari. Dalam irigasi jumlah energi yang diperlukan ditentukan dalam satuan waktu harian, bulanan atau musiman.

  1.3.2. Sumber energi Energi dapat berasal dari makanan (bagi manusia dan hewan), dari bahan bakar fossil, dari angin dan matahari (untuk mesin dan motor). Tabel 1.1, memberikan gambaran nilai energi untuk makanan, bahan bakar fosil dan sumber energi lainnya.

  Gbr 1.3a Gbr 1.3b Gbr 1.3c

Gambar 1.3. Pengukuran debitTabel 1.1. Kandungan energi bahan bakar dan makanan

  Efisiensi Bahan Energi Keterangan (%) Jagung 1 kWh/kg

  10 Sebagai konsumsi manusia dan hewan Kayu 4 kWh/kg

10 Diesel 11 kWh/liter

  20 Kadang-kadang dinyatakan sebagai konsumsi bahan bakar (0,09 lt/kWh untuk diesel dan 0,11 lt/kWh untuk bensin) Bensin 9 kWh/liter

  10 0,01-41 Angin ²

  20 Untuk kecepatan angin dari 2,5 – 40 m/det kWh/m ₂ Matahari 1 kWh/m

  5 Maksimum energi matahari di permukaan laut

  1.3.3. Perubahan energi

  Aspek penting dalam energi adalah bahwa energi dapat diubah dari suatu bentuk energi ke bentuk lainnya (Gambar 1.4). Manusia dan hewan mengkonversi makanan menjadi energi yang berguna untuk menggerakkan ototnya. Dalam suatu tipikal sistim pompa yang digerakkan oleh mesin diesel, energi diubah beberapa kali sebelum digunakan untuk memompa air. Energi kimia yang dikandung oleh bahan bakar diesel dibakar dalam mesin diesel menghasilkan energi mekanik. Energi ini masuk ke pompa melalui poros putar (drive shaft) dan akhirnya ke air.

Gambar 1.4. Konversi energi, analogi antara manusia (atas) dengan mesin (bawah)

  1.3.4. Perhitungan energi yang diperlukan Jumlah energi yang diperlukan untuk memompa air tergantung pada volume air yang

  

  dipompa dan heang diperlukan dihitung dengan rumus:

  3 Volume air m head m ×

  ( ) ( )

  … /1.6/

  Energi air kWh =

  ( )

  365

  Contoh 1.1:

3 Sejumlah 600 m air dipompa setiap hari ke suatu tangki air yang terletak 10 m di atas

  permukaan tanah. Hitung jumlah energi yang diperlukan? Dengan menggunakan persamaan di atas maka energi air = (600 x 10)/365 = 16,4 kWh setiap hari.

1 Head adalah energi dalam satuan panjang (L)

Gambar 1.5. Ilustrasi pada contoh 1.1

1.4. Tenaga atau Daya (Power)

  Tenaga atau Daya sering membingungkan dalam konteks istilah energi, mereka berhubungan tetapi berbeda arti. Energi adalah kapasitas untuk mengerjakan sesuatu kerja sedangkan tenaga adalah laju dimana energi tersebut digunakan. Tenaga atau Daya adalah laju penggunaan energi yang biasanya diukur dengan satuan kilowatt (kW). Tenaga yang diperlukan untuk memompa air disebut tenaga air yakni:

  

Energi kWh

( )

  Tenaga kW =

  ( ) … /1.7/

waktu jam

  ( )

  Satuan lainnya yang biasa digunakan untuk tenaga adalah Tenaga Kuda (HP) dengan konversi 1 HP = 0,74 kW atau 1 kW = 1,35 HP.

  Contoh 1.2:

  Pada contoh 1.1 di atas telah dihitung bahwa energi diperlukan setiap hari untuk

  3

  mengangkat 600 m air setinggi 10 m adalah 16,4 kWh. Berapa tenaga air yang diperlukan ? Untuk menghitung tenaga air dari energi air diperlukan waktu yang diperlukan untuk pemompaan: a. Jika pemompaan kontinyu selama 24 jam per hari, maka Tenaga Air (kW) adalah 16,4/24 = 0,68 kW = 0,92 HP b. Jika pompa hanya bekerja 12 jam/hari, maka Tenaga Air = 16,4/12 = 1,37 kW

  = 1,85 HP

  c. Jika pemompaan hanya 6 jam/hari, maka Tenaga Air = 16,4/6 = 2,73 kW = 3,68 HP. Catatan: energi yang diperlukan adalah sama untuk ketiga kasus tersebut. Akan tetapi tenaga tergantung pada laju penggunaan energi tersebut. Jumlah tenaga diperlukan lebih besar jika waktu penggunaan energi lebih pendek. Cara lain menghitung tenaga dan energi adalah menggunakan debit air yang dipompa (daripada volume air yang dipompa).

  3

m

Tenaga Air kW

  9 ,

  81 Debit Head m … /1.8/

  = × × ( ) ( )

  ( )

  det Selanjutnya energi air dapat dihitung dari Tenaga air dengan mengalikan dengan waktu operasional,

  Energi Air Tenaga Air kW Waktu operasiona l jam) … /1.9/

  = × ( ) ( )

  1.5. Pompa dan Unit Tenaga Jenis/tipe pompa yang sering digunakan dalam irigasi adalah (a) Pompa aliran Axial (atau tipe propeler), (b) Pompa tipe aliran radial (atau sentrifugal), dan (c) Tipe aliran campur (mixed flow). Suatu indeks yang sering digunakan untuk menentukan tipe pompa adalah kecepatan spesifik (specific speed) yang dihitung dengan rumus sebagai

  1 /

  2 61 .

  65 N q berikut, n dimana n : kecepatan spesifik (rpm), N: _{s =} … /1.10/ s

  3 /

  4 h

  3

  kecepatan putaran (rpm), q: debit (m /det), h: total head (m). Karakteristik dari ketiga tipe pompa berdasarkan nilai n dapat dilihat pada Gambar 1.6.

  s

Gambar 1.6. Hubungan antara kecepatan

  spesifik, bentuk impeller dan tipe pompa

  Pompa tipe aliran axial terdiri dari suatu propeller yang ditempatkan di dalam tabung pipa yang ditempatkan di bawah muka air (Gambar 1.7). Pompa jenis ini mempunyai karakteristik kecepatan spesifik yang besar yakni debit besar tetapi head kecil, sehingga biasanya digunakan untuk irigasi padi sawah atau untuk keperluan drainase.

  Tipe aliran radial biasa disebut juga pompa centrifugal biasanya sering digunakan untuk irigasi, mempunyai karakteristik nilai kecepatan spesifik yang rendah atau head tinggi, tetapi debit kecil. Pompa ini cocok digunakan untuk irigasi curah dan tetes dimana diperlukan head yang cukup tinggi. Prinsip kerja pompa ini adalah gaya centrifugal seperti diilustrasikan pada Gambar 1.8. Jika kita memutar air dalam ember dengan panjang tali tertentu, maka air tetap tertahan dalam ember karena adanya gaya centrifugal. Beberapa ember digantikan dengan suatu impeller dengan beberapa blades atau vanes yang berputar dengan kecepatan tinggi di dalam rumah pompa. Bentuk impeller dapat berupa impeller tertutup, terbuka dan setengah terbuka (semi enclosed). Berdasarkan bentuk rumahnya (casing), pompa centrifugal dapat diklasifikasikan dalam dua tipe yakni tipe volute dan tipe turbin (diffuser). Perbedaan utama adalah tipe turbin mempunyai beberapa diffuser vanes. Pompa jenis centrifugal sering dinyatakan kapasitasnya dengan diameter pipa keluar, misalnya pompa ukuran 50 mm. Tabel 1.2 memberikan suatu petunjuk hubungan antara diameter pipa keluar dengan kapasitas pompa.

Gambar 1.7. Pompa tipe aliran axial

  Pompa centrifugal dirancang dengan bentuk poros putar horizontal dan vertikal dan dengan jumlah impeller dan inlet isap yang berbeda. Inlet isap dapat berbentuk tunggal atau ganda (double). Inlet isap tunggal dan poros horizontal biasanya digunakan untuk tinggi isap tidak lebih dari 4 ~ 6 m. Hampir semua pompa turbin adalah tipe poros vertikal. Pompa ini biasanya mempunyai lebih dari satu impeller sehingga biasa disebut multi-stage pump kadang-kadang disebut juga pompa turbin sumur dalam (deep well turbine pump) (Gambar 1.9) Pompa aliran campur (mixed flow) adalah adalah campuran dari aliran axial dan centrifugal. Pompa aliran campur lebih efisien untuk memompa debit besar daripada pompa centrifugal dan juga lebih efisien untuk memompa pada tekanan tinggi daripada pompa axial. Pompa ini juga dapat beroperasi pada pompa tenggelam (submersible pump) yakni berada di bawah muka air (Gambar 1.10)

Tabel 1.2. Suatu pegangan untuk pemilihan pompa Ukuran pipa keluar Debit (liter/detik)

  (mm) (inchi)

  25 1 0 ~ 5

  50 2 5 ~ 15

  75 3 15 ~ 25 100 4 25 ~ 35 125 5 35 ~ 50

Gambar 1.8. Pompa aliran radial atau Pompa centrifugalGambar 1.9. Pompa turbin sumur dalam

  dengan 2 tingkat impeller Gambar 1.10. Pompa tipe aliran campur

2. TERMINOLOGI

  s

  : Faktor pengaman (biasanya diambil sekitar 0,6 m).

  s

  : Takanan uap air jenuh (m); NPSH : net positive suction head pompa termasuk kehilangan di impeller dan velocity head (m); F

  s

  : Tekanan atmosfir pada permukaan air (meter atau 10,33 m pada permukaan laut); H f : Kehilangan karena gesekan pada saringan, pipa, sambungan dan klep pada pipa isap (m); e

  a

  : maksimum tinggi isap, atau jarak dari pusat pompa ke muka air (meter); H

  s

  … /2.1/ dimana: H

  s

  s

  f

  a

  = H

  H

  2.1 Kapasitas adalah volume air yang keluar dari pompa per satuan waktu. Biasa disebut juga debit aliran, umumnya dinyatakan dalam satuan liter/detik atau liter/menit.

  2.7 Total Head Statik: jarak vertikal dari muka air pada pipa isap ke muka air keluar.

  2.2 Tinggi Isap Statik (Static Suction Lift): Jarak vertikal dari poros pompa ke muka air sumber (Gambar 2.1)

  2.3 Total Tinggi Isap (Total Suction Lift): Jumlah dari tinggi isap statik dengan semua kehilangan energi pada pipa isap (pipa, saringan dan klep kaki) ditambah dengan velocity head pada pipa isap.

  2.4 Tinggi Tekan Statik (Static Discharge Head): jarak vertikal dari poros pompa ke elevasi muka air yang keluar dari pompa (Gambar 2.1)

  2.5 Total Head tekan (Total Discharge Head): jumlah tinggi tekan statik dengan semua kehilangan energi pada pipa tekan (pipa, sambungan) ditambah velocity

  head dan pressure head.

  2.6 Total Head: energi yang diberikan pompa pada air, besarnya merupakan penjumlahan dari Total Head Tekan dengan Total Suction Lift.

  2.8 Friction head: head ekuivalen dinyatakan dalam meter kolom air untuk menanggulangi gesekan aliran dalam pipa

  2.11 Maksimum tinggi isap pompa (maximum practical suction lift). Untuk opersional pompa sentrifugal tanpa cavitasi, tinggi isap ditambah dengan semua kehilangan lainnya harus lebih kecil dari tekanan atmosfir teoritis. Maksimum tinggi isap dihitung dengan persamaan:

  2.9 Pressure head: tekanan dinyatakan dalam meter kolom air dalam ruang tertutup dimana pompa mengisap atau menekan air (Hp=p/

  γ

  ) (Gambar 2.2.)

  2.10 Velocity Head: tekanan air (dinyatakan dalam meter kolom air) yang diperlukan untuk menghasilkan aliran (Hv= v

  2

  /2g)

• H
• e
• NPSH - F

Gambar 2.1. Sistim pemompaan dimana

  sumber air di bawah pusat pompa keluar secara gravitasi Koreksi H a untuk ketinggian tempat adalah sekitar 0,36 m per 300 m tinggi tempat.

  Kehilangan gesekan dan tinggi angkat harus dijaga serendah mungkin. Untuk alasan tersebut umumnya diameter pipa isap lebih besar dari pipa tekan, dan pompa ditempatkan sedekat mungkin dengan muka air sumber air.

Gambar 2.2. Sistim pemompaan dimana

  sumber air di bawah pusat pompa keluar lewat sprinkler bertekanan

  Contoh 2.1: o

  Tentukan maksimum tinggi isap untuk pompa dengan debit 38 lt/detik. Suhu air 20 C. Total hilang gesekan pada pipa diameter 10 cm dan sambungan adalah 1,5 m. Pompa beroperasi pada ketinggian tempat 300 m dpl. NPSH pompa dari pabriknya 4,7 m.

  Penyelesaian:

  o

  e pada 20 C = 0,24 m (dari Tabel 2.1)

  s

  F = 0,6 m. Tekanan atmosfir = 10,33 - 0,36 = 9,97 m

  s H = 9,97 - 1,5 - 0,24 - 4,7 - 0,6 = 2,93 m. s Hubungan antara ketinggian tempat dengan tekanan atmosfir dinyatakan dengan persamaan (atau Tabel 2.2): _{5 , 256}

  

, 0065 h



  P 10 ,

  33

  1 _a =  − … /2.2/  

  

288

  dimana P : tekanan atmosfir (m H O); h: ketinggian tempat di atas muka laut (m). a

  2 Tabel 2.1. Hubungan antara Suhu

  dengan Tekanan Uap Air _o

  Suhu (

  C) Tekanan uap air (m kolom air) 10 0,12 15 0,17 20 0,24 30 0,43 40 0,77 50 1,26 90 7,3 100 10,33

Tabel 2.2. Hubungan antara ketinggian tempat dengan Tekanan Atmosfir

  

Ketinggian di atas Tekanan atmosfir

muka laut (m) (m kolom air)

10,33

250 10,0

  

500 9,75

1.000 9,20

1.500 8,60

2.000 8,10

  2.12 Water Horse Power (WHP): tenaga kuda teoritis yang diperlukan untuk memompa air dengan debit dan tinggi head tertentu. Head dan debit yang dinyatakan dalam daya kuda (horse power). _{Debit lt × Total Head m Debit m × Total Head m 3 WHP}

  ( / det) ( ) ( / det) ( ) .. /2.3/

  = =

75 , 075

  atau

  

3

  1 HP = 75 liter/detik.meter= 0,075 m /detik meter = 0,74 KW … /2.4/

  CATATAN:

• • Berdasarkan sistim Inggris (UK): 1 HP (Horse Power) = 550 ft-lbsf/sec = 550 x

  0,305 x 0,454 m-kgf/sec = 76,2 m-kgf/sec = 76,2 liter air. m/det = 0,746 kW. Air

  o

  pada suhu 20 C, 1 liter = 1 kgf.

• Berdasarkan sistim metrik 1 PS (Pferdestarke, Tenaga Kuda Jerman) = 75 m- kgf/sec = 75 liter air. m/det = 0,74 kW.

  2 Satuan Tekanan: 1 kN/m = 1 k Pa = 0,145 psi; 1 bar = 1 kg/cm = 100 kPa = 10

• 2

  m kolom air = 14,5 psi

  3 Power (Daya/Tenaga) = g Q H = Q H = N/m x m /det x J/N = J/det = Watt; ρ γ

• 3

  3 o

  3 Contoh: Q = 1 m /det, H = 1 m (kolom air); Pada suhu 20

  C, air = 9,789 kN/m ,

  γ

  maka Daya = 9,789 x 1 x 1 = 9,789 kW = 13,2 HP

  2

• 1 atm = 101,3 kPa =101,3 kN/m = (101,3 : 9,789) m kolom air = 10,35 m kolom air Shaft Horse Power adalah tenaga yang diperlukan pada poros pompa.

  WHP SHP =

  … /2.5/

  Efisiensi Pompa 2.13 Efisiensi adalah perbandingan antara tenaga output dengan tenaga input.

  WHP Efisiensi Pompa =

  … /2.6/

  SHP

  2.14 Brake Horse Power adalah aktual tenaga yang diperlukan oleh mesin untuk memompa:

• Apabila digunakan sambungan langsung maka BHP = SHP

  Apabila menggunakan sabuk (belt) atau penghubung lainnya maka:

• WHP BHP

  =

  … /2.7/

  Ef . Pompa Ef . drive

×

  WHP HP input pada Motor Lsitrik =

  …

  Ef . Pompa Ef . drive Ef . motor × ×

  /2.8/

  BHP × ,

  74 Kilowatt input Motor Listrik =

  … /2.9/

  Ef Motor .

3. KURVA KARAKTERISTIK

  Kurva karakteristik pompa biasa disebut juga kurva performansi, menggambarkan hubungan antara kapasitas, head, tenaga dan efisiensi pompa (Gambar 3.1). Pengetahuan kurva karakteristik pompa diperlukan untuk memilih pompa pada kondisi operasional tertentu yang memberikan nilai efisiensi tinggi dan biaya operasional yang rendah. Umumnya Head, input tenaga dan efisiensi disusun sebagai ordinat sedangkan kapasitas sebagai absis pada kecepatan pompa konstan. NPSH apabila ditunjukan juga dipasang pada ordinat. Sekitar 6 - 12 titik digunakan selama uji pompa (pump test). Kurva yang halus dihubungkan pada titik-titik tersebut.

  Kurva Head - Kapasitas memperlihatkan berapa besarnya debit air akan dikeluarkan pada head tertentu. Debit bertambah dengan menurunnya head. Efisiensi yang dihasilkan naik dari nol pada debit nol sampai suatu titik maksimum dan selanjutnya menurun kembali. BHP pada pompa sentrifugal biasanya naik sampai pada suatu selang sebagaimana debit bertambah, mencapai suatu titik maksimum. Kurva ini berubah dengan kecepatan pompa. Maka kecepatan harus dipertimbangkan dalam pemilihan pompa untuk mendapatkan efisiensi maksimum. Masing-masing kurva juga berubah terhadap tipe pompa.

Gambar 3.1. Tipikal Kurva Karakteristik

  Pompa Sentrifugal

  Beberapa kurva menggambarkan kecepatan atau diameter impeller yang berbeda dapat digambarkan pada gambar yang sama. Jenis gambar ini menunjukan sejumlah kurva head-kapasitas untuk satu diameter impeller dan kecepatan berbeda, atau kurva head-kapasitas untuk diameter impeller berbeda tapi pada satu kecepatan. (Gambar 3.2). Kurva jenis ini disebut dengan Kurva Karakteristik Komposit. Cara membaca kurva, misalnya pada Gambar 3.1, diinginkan untuk mendapatkan head, HP dan efisiensi pada kapasitas 10,7 lt/detik. Dengan membaca kurva, pada 10,7 lt/detik pompa akan menghasilkan head 38 m, memerlukan 7,1 BHP dengan efisiensi 75,5%.

  Pembacaan kurva karakteristik komposit seperti pada Gambar 3.2 lebih banyak informasi yang didapatkan. Contohnya, diperlukan untuk memilih pompa dan unit tenaga yang mampu mengalirkan debit 16 lt/det pada head 30 meter. Hal yang penting adalah memilih pompa yang mampu bekerja pada puncak efisiensi. Dari gambar tersebut didapatkan dengan memilih diameter impeller 176 mm, yang akan beroperasi pada efisiensi tertinggi 69%. Untuk menentukan tenaga yang diperlukan antara 5,5 KW dan 7,5 KW, maka kita dapat memilih motor 7,5 KW. Tinggi angkat terbaca 5 m, dan ukuran pipa isap dan pipa hantar sekitar 125 mm.

Gambar 3.2. Kurva Karakteristik

  Komposit Pompa Sentrifugal pada Beberapa Diameter Impeller

4. PEMILIHAN POMPA

  4.1 Kriteria dan Prosedur pemilihan pompa untuk irigasi Faktor utama pemilihan pompa adalah: (1) Keperluan air Irigasi untuk tanaman, (2) Debit sumber air (sungai, kolam, sumur), (3) Ketersediaan dan biaya dari jenis pompa dan energi.

  4.2 Penentuan Kapasitas Debit Pompa Data ketersediaan debit aman dari sumur dan sumber air lainnya, serta debit air irigasi yang diperlukan tanaman harus diduga dengan perhitungan.

  4.2.1 Kapasitas debit pompa berdasarkan kebutuhan tanaman Debit pompa harus mampu memenuhi keperluan puncak tanaman. Debit pompa tergantung pada luas areal pada tanaman yang berbeda, keperluan puncak tanaman, perioda rotasi dan lama operasional pemompaan dalam satu hari. Hubungan tersebut dapat dihitung dengan persamaan:

  1000 A × y A × y q = × =

  

27 ,

78 ×

  … /4.1/

  ∑ ∑ R × T

36 R × T

  dimana: q: debit pompa (liter/detik); A : luas areal tanaman (hektar); y: kedalaman air irigasi (cm); R: perioda rotasi (hari); T: lama pemompaan per hari (jam/hari)

  Contoh 4.1:

  Seorang petani mempunyai lahan seluas 5 hektar yang akan ditanami berbagai jenis tanaman sebagai berikut:

  Jenis Luas areal Jumlah air Perioda Rotasi Jam Kerja Pemompaan Tanaman (hektar) irigasi (cm) (hari) (jam/hari)

1. Padi

  2

  10

  10

  10

  2. Jagung 2 7,5

  15

  10

  3. Sayuran 1 7,5

  10

  10 Debit pompa yang diperlukan :

  2

  10

  2 7 ,

  5

  1 7 ,

  5

  × × ×  

  27 ,

  78 10 ,

  4

  × = liter/detik + +

  10

  10

  15

  10

  10

  10

  × × ×  

  4.3 Kemampuan Sumur Karakteristik surutan-debit dari suatu sumur menentukan pemilihan pompa. Pompa yang cocok akan didapat dengan cara mencocokan karakteristik pompa dengan karakteristik sumur. Hubungan debit pemompaan dengan penurunan muka air di sumur (surutan) adalah merupakan karaktersitik sumur. Hubungan tersebut digambarkan seperti pada Gambar 4.1. Penurunan elevasi muka air tanah dihitung dari permukaan tanah.

  4.4 Penyesuaian antara karakteristik sumur dengan karaktersitik pompa Kurva karakteristik sumur dan pompa dapat digunakan untuk pemilihan pompa yang sesuai dengan sumur tersebut. Karakteristik sumur dan pompa digambar pada skala yang sama pada kertas transparan (Gambar 4.2). Suatu titik perpotongan antara kurva head-kapasitas pompa dan sumur menghasilkan debit 3.150 liter/menit pada total head 13 meter, dengan efisiensi sekitar 65%. Input tenaga yang diperlukan sekitar 12 HP.

  4.5 Kehilangan Head Gesekan pada Sistem Pipa Kehilangan head pada instalasi pipa termasuk energi atau head yang diperlukan untuk menanggulangi gesekan (tahanan) pada pipa dan perlengkapan lainnya (saringan, klep kaki, sambungan, siku, socket dll). Gesekan terjadi baik pada pipa isap dan pipa hantar yang besarnya tergantung pada kecepatan aliran, ukuran pipa, kondisi pipa bagian dalam dan bahan pembuat pipa.

Gambar 4.1. Suatu tipikal Karakteristik Sumur

  Kehilangan energi gesekan pipa umumnya dihitung dengan rumus dari Hazen-

  William: ,

63 ,

  54

v , 849 C R S … /4.2a/

  =

  atau

  

1 ,

  

85

  10 , 684

  Q h L _{f = ×} … /4.2b/ 1 ,

  85 4 ,

  

87

C D dimana: v: kecepatan rata-rata dalam pipa (m/detik); C: koefisien gesekan pipa (Lihat Tabel

4.1); R: jari-jari hidrolik (m); R = D/4 untuk penampang pipa lingkaran; L: panjang pipa (m);

D: diameter dalam pipa (m); S : gradien hidrolik = h /L; h : kehilangan energi (m); Q : debit

_{3 f f} aliran (m /detik).

  Nilai C pada rumus Hazen-William, tergantung pada derajat kehalusan pipa bagian dalam, jenis bahan pembuat pipa dan umur pipa (Tabel 4.1). Sebagai panduan praktis Gambar pada Lampiran 1 sampai dengan 8 dapat digunakan untuk pendugaan kehilangan energi gesekan pada berbagai jenis pipa dengan nilai C tertentu pada berbagai nilai debit aliran dan diameter pipa.

  Contoh 4.2:

  Hitung kehilangan head karena gesekan pada pipa besi (baru) berdiameter 10 cm, panjang 120 m jika air mengalir dengan debit 10 liter/detik. Berdasarkan Gambar dengan C = 130: Kehilangan energi = 20/1000 x 120 m = 2,40 m

Gambar 4.2. Penggabungan Kurva Karaktersitik Sumur dengan Karakteristik Pompa

  1 ,

  85

  10 , 684 ( , 01 )

  h L

  Berdasarkan rumus di atas: f = × = 0,019 x 120 m = 2,3 m

  1 ,

  85 4 ,

  87

  130 ( , 1 )

4.6 Kehilangan energi pada perlengkapan lainnya (minor losses):

  2

  2 v v h K h K

  Saringan pompa: .. /4.3/, Klep kaki: …/4.4/. _{f = s × f = f ×}

  2

  2

  g g K dan K adalah konstanta, umumnya diasumsikan nilai K = 0,95 dan nilai K = 0,80. f s s f

  Head loss dalam klep dan sambungan pipa lainnya ditentukan dengan menggunakan Nomogram pada Gambar 4.3. Sebagai contoh jika terjadi kontraksi tiba-tiba dengan perbandingan diameter kecil (d) dengan diameter besar (D) 1:2, dan nilai d = 80 mm.

  Maka dari titik d = 80 mm ditarik garis ke “sudden contraction” (penyempitan serentak) dengan d/D=1/2, maka kehilangan energi sama (ekivalen) dengan kehilangan energi pada pipa lurus sepanjang 0,9 meter. Kehilangan energi pada klep balik (Reflux Valve) biasanya disamakan dengan untuk klep kaki.

Tabel 4.1. Kondisi pipa dan nilai C (Hazen-William)

  Jenis pipa Koefisien Kehalusan “C” Pipa besi cor, baru 130 Pipa besi cor, tua 100 Pipa baja, baru 120 ~ 130 Pipa baja, tua 80 ~ 100 Pipa dengan lapisan semen 130 ~ 140 Pipa dengan lapisan asphalt 130 ~ 140 Pipa PVC 140 ~ 150 Pipa besi galvanis 110 ~ 120 Pipa beton (baru, bersih) 120 ~ 130 Pipa beton (lama) 105 ~ 110 Alumunium 135 ~ 140 Pipa bambu (betung, wulung, tali) 70 ~ 90

  Untuk jaringan pipa bambu, kehilangan energi karena pelebaran mendadak dapat dihitung dengan persamaan:

  2

2 V

  V −

  1

  2 ( )

h K … /4.5/, dimana K adalah koefisisen losses pada bambu K =

_{f = l l} l

  2 g

  2 V

  2

  1,57. Pada penyempitan mendadak head loss dihitung dengan h K … /4.6/, _{f = l} 2 g dimana K = 0,40. Pada sambungan bambu-bambu nilai K = 1,30.

  l l

  4.7 Rancangan Instalasi Pemompaan

  Contoh 4.3: Suatu pompa diperlukan untuk debit 93.600 liter/jam dengan total head 21 meter.

  Hitung besarnya WHP. Jika pompa mempunyai efisiensi 72%, berapa HP tenaga penggerak diperlukan. Jika motor listrik dengan drive langsung dengan efisiensi 80% digunakan sebagai tenaga penggerak. Hitung biaya energi listrik dalam sebulan 30 hari. Pompa dioperasikan 12 jam/hari untuk 30 hari. Biaya listrik adalah Rp 100/KWH. Penyelesaian:

  ( / det) ( ) 93 . 600

  21 Debit lt Total Head m

  

× ×

WHP

  7 ,

  18

  = = =

  75

  60

  60

  75

  × × WHP 7 ,

  18

9 ,

  98 SHP ; Karena pompa disambung secara = = =

  . ,

72 Ef Pompa

  langsung, maka SHP = BHP

  BHP ,

  74 9 , 98 ,

  74

  × ×

  9 ,

  23 Kilo Watt input pada Motor

  = = = Ef . Motor ,

  80 Total Konsumsi Energi per bulan

  9 ,

  23

  12 30 3322 ,

  8 KWH = × × =

  Biaya per bulan 3322 ,

  8 100 Rp . 332 . 280 ,

  = × = −

  Contoh 4.4:

  Suatu pompa sentrifugal yang digerakkan langsung dengan motor listrik dipasang dalam sumur gali. Debit pompa 18 liter/detik. Efisiensi pompa 67%. Pusat pompa berada 60 cm vertikal di atas muka air statik dan 6,2 meter di atas muka air selama pemompaan berlangsung. Panjang pipa isap 7,5 m dengan diameter 8 cm. Klep kaki dan saringan dipasang pada pipa isap. Pipa isap disambung pada inlet pipa dengan siku (long sweep bend) diameter sama. Air dipompa sampai ke puncak pipa yang disambungkan dengan sistem distribusi pipa dalam tanah. Jarak vertikal dari pusat pompa ke puncak pipa hantar adalah 16 m. Panjang total pipa hantar 24 m berdiameter 7 cm. Sambungan pipa pada pipa hantar adalah 3 buah siku (sweep

  

bend), 1 kran (gate valve) dan 1 reflux valve (disebut juga check valve atau non-

return valve), semuanya dengan diameter pipa sama. Semua pipa terbuat dari pipa

  besi baru. Berdasarkan data tersebut di atas, HITUNG: (a) Total head; (b) WHP; (c) BHP motor penggerak Penyelesaian: _{2 2} d ( .

  08 ) π π ² .

  Luas penampang aliran Pipa Isap = = = , 005 m

  4

  4 Q

  18 / 1000

  Cepat aliran

  3 , 6 m / det

  = = = A , 005

  2

  2 d ( .

  07 )

  π π

  2

  , 0038

  Luas penampang aliran Pipa Hantar m = = =

  4

  4 18 / 1000

  Q

  4 , 74 / det

  Cepat aliran pada pipa hantar m = = =

  , 0038

  A

• Total Head = Total head tinggi isap + Total head tinggi tekan.
• Tinggi Isap Statik = 6,2 m. Head loss pada pipa isap (Q = 18 lt/det, diameter 8 cm, panjang 7,5 m, C = 130) = 0,171 x 7,5 m = 1,28 m (Gunakan rumus).
• Head loss pada siku, diameter 8 cm : Gambar 4.3: panjang ekuivalen = 1,5 m; Head loss = 0,171 x 1,5 m = 0,256 m . Head loss pada saringan = 0,95 x

  2 (3,6) /(2x9,81) = 0,63 m.

• 2

  Head loss pada klep kaki = 0,80 x (3,6) /(2x9,81) = 0,53 m.

  2 Velocity Head pada pipa isap = v 1 /2g = 3,6 /(2x9,8) = 0,66 m.

• 2
• Total Head pada pipa Isap = 6,2 + 1,28 + 0,26 + 0,63 + 0,53 + 0,66 = 9,56 m.
>Tinggi Tekan Statik = 16 m. Head loss pada pipa hantar (diameter 7 cm; panjang 24 m): 0,33 x 24 = 7,9

• • Head loss pada 3 buah siku (diameter 7 cm): 3 x (1,4 x 0,33) = 1,39 m. Head loss

  pada gate valve, diameter 7 cm = 0,55 x 0,33 = 0,18 m. Head loss pada Reflux

2 Gate = 0,8 x (4,74 /2x9,81) = 0,92 m (menggunakan persamaan untuk klep kaki).

• 2 Velocity Head pada outlet = (4,74 /2x9,81) = 1,14 m.
• Total Head pada pipa hantar = 16 + 7,92 + 1,39 + 0,18 + 0,92 + 1,14 m = 27.55 m
• Total Head = 9,56 + 27,55 m = 37,11 m
• WHP = (18 x 37,11)/75 = 8,9 HP
• BHP motor penggerak = 8,9/0,67 = 13,3 HP

  Hitung kembali pertanyaan di atas apabila menggunakan pipa PVC?

Gambar 4.3. Nomogram penentuan kehilangan gesekan pada perlengkapan pipa (minor losses)

5. EKONOMI POMPA

  Pendugaan ekonomi pompa diperlukan untuk membandingkan biaya relatif dari berbagai instalasi pemompaan dan untuk menilai ekonomi irigasi. Biaya pemompaan terdiri dari Biaya Tetap (Fixed Cost) dan Biaya Operasional (variable cost). Biaya tetap adalah besarnya biaya (Rp/tahun) yang tidak merupakan fungsi dari jam pemakaian pompa. Sedangkan Biaya tak-tetap besarnya berubah untuk setiap jam pemakaian pompa.

  5.1 Biaya Tetap

5.1.1 Bunga modal (Interest) dihitung pada nilai rata-rata instalasi yakni (Nilai

  instalasi awal - Nilai akhir) dibagi 2:

  Nilai Instalasi Nilai Akhir Bunga − ×

  ( ) Bunga Modal Tahunan

  =

  … /5.1/

  2

  5.1.2 Penyusutan:

  Nilai Awal Nilai Akhir −

  ( ) Penyusutan Tahunan

  =

  … /5.2/

  Umur Ekonomis (tahun)

  Dugaan umur ekonomi dari pompa dan berbagai peralatannya dapat dilihat pada Tabel 5.1.

  5.2 Biaya Operasional (Biaya Tak Tetap):

  5.2.1 Bahan bakar/konsumsi energi 5.2.1.1 Motor Listrik: Efisiensi motor listrik umumnya 80-90%.

  BHP Konsumsi energi (KW) 0,74 = ×

  … /5.3/

  Ef.Motor

  5.2.1.2 Motor Bakar Konsumsi bahan bakar yang teliti diberikan oleh pabrik pembuatnya. Secara kasar konsumsi bahan bakar mesin diesel adalah 0,23 liter per BHP-jam.

  Biaya per jam operasi = BHP x konsumsi liter/jam x Harga bahan bakar per liter.. /5.4/

  5.2.2 Oli pelumas dan gemuk

  5.2.2.1 Pompa listrik umumnya diabaikan

  5.2.2.2 Mesin diesel dan bensin: 4,5 liter per 1000 HP-jam …. /5.5/

  5.2.3 Pemeliharaan dan perbaikan Pompa Harga Pompa

  Biaya tahunan = Pompa Sentrifugal: … /5.6/ umur pompa

  1,5 Harga Pompa ×

  Biaya tahunan =

  Pompa Turbin: … /5.7/

  umur pompa

  5.2.4 Pemeliharaan dan Perbaikan Mesin Sulit untuk diduga, tapi nilai nominal harus ditambahkan untuk keperluan ini

  0,015 Nilai Awal × =

  Biaya Pemeliharaan dan Perbaikan … /5.8/

  100 jam

Tabel 5.1. Dugaan umur ekonomi

  Perlengkapan Pompa Umur ekonomi Pipa besi 25 tahun Sumur pompa dan casing 20 tahun Pompa Sentrifugal 16 tahun atau 32.000 jam Transmisi Tenaga: Roda gigi (gear head) 15 tahun atau 30.000 jam V-belt 3 tahun atau 6.000 jam Flat belt, karet 5 tahun atau 10.000 jam Flat belt, kulit 10 tahun atau 20.000 jam Motor listrik 25 tahun atau 50.000 jam Mesin diesel 14 tahun atau 28.000 jam

  5.2.5 Gaji operator

  Contoh 5.1: Pompa sentrifugal dipasang pada sumur gali dengan menggunakan motor listrik.

  WHP pompa = 2,3 Hp. Efisiensi pompa dan motor listrik berturutan 68% dan 76%. Pompa dioperasikan dalam setahun selama 210 hari atau 2.600 jam. Duga biaya operasional pompa tahunan. Harga pompa Rp 2 juta dan harga motor Rp 5,5 juta.

  Total biaya pipa isap, hantar, sambungan, saringan dan klep kaki adalah Rp 2,375 juta. Biaya perlengkapan listrik Rp 2 juta. Harga listrik Rp 450/KWH. Bunga modal 8%, Nilai akhir pompa dan motor masing-masing diduga Rp.50.000 dan Rp. 75.000. Nilai akhir alat lainnya diabaikan. Gaji operator Rp 10.000/hari. Penyelesaian: Biaya Tetap:

  1. Bunga Modal Tahunan = (11.875.000-125.000)/2 x 0,08 =470.000

  2. Penyusutan:

  2.1. Pompa = (2.000.000-50.000)/16 = 121.875

  2.2. Motor = (5.500.000-75.000)/25 = 217.000

  2.3. Pipa dll = 2.375.000/25 = 95.000

  2.4. Alat listrik = 2.000.000/25 = 80.000 Total Biaya Tetap (Rp/tahun) = 983.875 Biaya Operasional Tahunan:

  1. Konsumsi energi = 2,3/(0,68 X 0,76) x 0,74 x 2.600 = 8.563 KWH

  2. Biaya energi = 8.563 x Rp.450 = 3.853.212

  3. Pemeliharaan dan Perawatan Pompa = 2.000.000/16 = 125.000

  4. Pemeliharaan dan Perawatan Motor listrik = 5.500.000/25 = 220.000

  5. Gaji Operator = 210 x 10.000 = 2.100.000 Total Biaya Tidak Tetap = 6.298.212 Total Biaya Pemompaan (Rp/tahun) = 7.282.087 Jika Total head = 20 meter, maka Debit pompa = 8,6 liter/detik. Volume air dalam

  3 ³

  setahun = 80.730 m . Biaya Air per m

   = Rp. 90,20

  Cara Perhitungan seperti di atas telah dibuat dalam bentuk Spread Sheet dengan Program Excel, seperti tercantum pada Tabel 5.2 di bawah ini. Dengan memasukan variable DATA, maka perhitungan biaya air langsung dapat diperoleh.

  5.3 Pemilihan Ukuran Pipa yang Ekonomis Pemilihan ukuran pipa untuk instalasi pompa harus dihitung berdasarkan analisis ekonomi. Pipa kecil mungkin memerlukan investasi awal yang rendah akan tetapi head loss gesekan yang dihasilkan akan lebih besar dan mengakibatkan menambah biaya tenaga yang diperlukan untuk pemompaan. Pipa yang lebih besar dalam beberapa kasus akan menghemat biaya tenaga dengan penambahan biaya investasi. Contoh 5.2: Suatu pompa dioperasikan dengan debit 7,5 liter/detik melalui pipa besi sepanjang 300 m. Total efisiensi pompa dan motor sebesar 70%. Biaya tarif listrik Rp.90/KWH. Ukuran pipa yang tersedia di pasaran dengan harganya adalah seperti pada Tabel 5.3. Bunga modal yang berlaku 7%. Pompa akan dioperasikan 2.600 jam per tahun. Pilih ukuran diameter pipa yang paling ekonomis? Analisis biaya dan head loss gesekan dapat dilihat pada Tabel 5.4 di bawah ini.

Tabel 5.2. Analisis ekonomi pompa

  Biaya Tetap DATA HARGA Rp

  1. Bunga tahunan 470,000 Pompa sentrifugal 2,000,000

  2. Penyusutan Motor listrik 5,500,000 a. Pompa 121,875 Pipa dll 2,375,000 b. Motor 217,000 Perlengkapan Listrik 2,000,000 c. Pipa dll 95,000 JUMLAH 11,875,000 d. Alat listrik 80,000

Nilai Akhir Pompa 50,000 Total 983,875

  Nilai Akhir Motor listrik 75,000 Jumlah 125,000 Baya Operasional: WHP

  2.30

  1. Konsumsi energi tahunan 8,563 Efisiensi pompa

  0.68

  2. Biaya listrik 3,853,212 Efisiensi Motor

  0.76

  3. Pemeliharaan dan Perbaikan 125,000

Pompa

Pompa beroperasi 2,600 Jam 4. Pemeliharaan dan Perbaikan 220,000

setahun Motor

  210 Hari 5. Gaji Operator 2,100,000

Harga Listrik/KWH 450 Total 6,298,212

Bunga modal

  0.08 Biaya Total Operasi Tahunan 7,282,087 (Rp/tahun) Gaji operator Rp/hari) 10,000 ₃ Volume air (m /tahun) 80,730 ₃ Total Head (m)

20 Biaya AIR (Rp/m )

  90.20 Debit (liter/detik)

  8.63 Umur ekonomi (tahun): Pompa 16 tahun Motor listrik 25 tahun Pipa 25 tahun Alat listrik 25 tahun

Tabel 5.3. Daftar harga pipa besi

  Diameter (cm)

  5

  6

  7

  8

  10

  12.5 Rp/m 14.600 18.000 21.840 25.210 32.000 40.750

Tabel 5.4. Analisis ekonomi pipa

  PEMILIHAN EKONOMI UKURAN PIPA DATA kolom NILAI Debit pompa (lt/det) (a) 7,5 Panjang pipa hantar (m) (b) 300 Total Efisiensi Pompa dan (c) 0,7 Motor Biaya listrik (Rp/KWH) (d)

  90 Jam operasi (jam/tahun) (e) 2.600 Bunga modal (f) 0,07 Umur ekonomi pipa (tahun) (g)

  25

  

Ukuran Harga Biaya untuk Bunga Penyu- Head Konsumsi Biaya energi Total Biaya

pipa pipa per 300 m Modal sutan Hf/L loss energi karena per tahun

(cm) meter panjang gsekan per gesekan pd tahun