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 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 Parulian Siahaan
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%.
Kata kunci : Pompa hidram, driven pipe, delivery pipe, air chamber.
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, itcan 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 cheapand 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. Thehydraulic 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 showsthat the maximum efficiency obtained at variations long driven pipe 8 m and
diameter air chamber 3 inch, is equal to 37%.Keyword : Hydraulic ram pump, driven pipe , delivery pipe, air chamber.
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
2.4.2 Sistem Operasi Pompa Hidram ....................................... 27
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
4.3.3 Gaya Fluida yang Bekerja di Titik 3 ............................... 69
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 LAMPIRAN F .............................................................................................. 106
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Koefisien kekasaran pipa Hazen – Williams .................................. 17Tabel 2.2 Nilai kekasaran () dinding untuk berbagai pipa komersil ............ 20
Tabel 4.1 Total loses mayor ........................................................................... 58Tabel 4.2 Head loses minor pada pipa masuk ................................................ 59Tabel 4.3 Head loses minor pada pipa keluar ................................................ 59Tabel 4.4 Total loses minor ............................................................................ 61Tabel 4.5 Head total ....................................................................................... 62Tabel 4.6 Gaya fluida yang bekerja di titik 1 ................................................. 65Tabel 4.7 Gaya fluida yang bekerja di titik 2 ................................................. 66Tabel 4.8 Gaya fluida yang bekerja di titik 3 ................................................. 68Tabel 4.9 Gaya fluida yang bekerja di titik 4 ................................................. 69Tabel 4.10 Energi yang dibangkitkan hidram ................................................. 71Tabel 4.11 Kenaikan head tekanan ................................................................. 73Tabel 4.12 Kenaikan tekanan akibat palu air .................................................. 75Tabel 4.13 Daya pompa hidram ...................................................................... 77Tabel 4.14 Efisiensi hidram menurut D’Aubuisson ........................................ 80Tabel 4.15 Efisiensi hidram menurut Rankine ................................................ 82DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pengukuran tekanan .................................................................... 8Gambar 2.2 Profil kecepatan pada saluran tertutup ........................................ 9Gambar 2.3 Profil kecepatan pada saluran terbuka ....................................... 10Gambar 2.4 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah ..... 11Gambar 2.5 Ilustrasi persamaan Bernoulli .................................................... 15Gambar 2.6 Diagram Moody ........................................................................ 19Gambar 2.7 Contoh desain katup limbah ...................................................... 24Gambar 2.8 Bagian-bagian katup limbah ...................................................... 24Gambar 2.9 Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk ............ 27Gambar 2.10 Skema pompa hidram pada kondisi A ....................................... 27Gambar 2.11 Skema pompa hidram pada kondisi B ....................................... 28Gambar 2.12 Skema pompa hidram pada kondisi C ....................................... 28Gambar 2.13 Skema pompa hidram pada kondisi D ....................................... 29Gambar 2.14 Diagram satu siklus kerja hidram ............................................... 30Gambar 2.15 Skema instalasi pompa hidram .................................................. 31Gambar 2.16 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut D’ Aubuisson ...... 36Gambar 2. 17 Datum dalam perhitungan efisiensi menurut Rankine .............. 37
Gambar 3.1 Prototype pompa hidram ........................................................... 38Gambar 3.2 Badan pompa ............................................................................. 39Gambar 3.3 Katup limbah ............................................................................. 39Gambar 3.4 Badan katup limbah ................................................................... 40Gambar 3.5 Poros katup limbah .................................................................... 40Gambar 3.6 Karet katup ................................................................................ 41Gambar 3.7 Plat katup ................................................................................... 41Gambar 3.8 Mur ............................................................................................ 42Gambar 3.9 Katup hantar .............................................................................. 42Gambar 3.10 Tabung udara ............................................................................. 43Gambar 3.11 Bak penyuplai dan bak penampung .......................................... 43Gambar 3.12 Pompa sirkulasi ......................................................................... 44Gambar 3.13 Landasan pompa ........................................................................ 45Gambar 3.14 Pressure gauge ........................................................................... 45Gambar 3.15 Flow meter ................................................................................. 46Gambar 3.16 Stopwatch .................................................................................. 46Gambar 3.17 Meteran ukur dan mistar ukur ................................................... 47Gambar 3.18 Skema penelitian pompa hidram ............................................... 51Gambar 3.19 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir .................................. 56Gambar 4.1 Grafik total loses mayor ............................................................ 59Gambar 4.2 Grafik total loses minor ............................................................. 61Gambar 4.3 Grafik head total ........................................................................ 63Gambar 4.4 Pengukuran tekanan yang dilakukan di beberapa titik .............. 63Gambar 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 ................................. 68Gambar 4.8 Grafik gaya fluida yang bekerja di titik 3 ................................. 70Gambar 4.9 Grafik energi yang dibangkitkan hidram .................................. 72Gambar 4.10 Grafik kenaikan head tekanan ................................................... 74Gambar 4.11 Grafik kenaikan tekanan akibat palu air .................................... 76Gambar 4.12 Grafik daya pompa hidram ........................................................ 78Gambar 4.13 Menentukan nilai h dan H pada efisiensi menurutD’Aubuisson ........................................................................... 79
Gambar 4.14 Grafik efisiensi menurut D’ Aubuisson .................................... 80Gambar 4.15 Menentukan nilai h dan H pada efisiensi menurut Rankine ....... 81Gambar 4.16 Grafik efisiensi menurut Rankine .............................................. 83Gambar 4.17 Diagram satu siklus kerja hidram ............................................... 84Gambar 4.18 Variasi panjang pipa pemasukan ................................................ 85DAFTAR SIMBOL Simbol Keterangan Satuan
⁄ h Head output ℎ
3
⁄ P Daya pompa hidram W Q Debit
2
1 ⁄ n Koefisien kekasaran pipa Manning - p Tekanan pada fluida
N Jumlah ketukan katup limbah per menit
Laju aliran massa fluida ⁄
Head loses H Head supply k Koefisien kerugian - K Faktor kontraksi - L Panjang pipa m Massa fluida yang mengalir ̇
Kerugian head karena gesekan ℎ
2
a Percepatan fluida yang mengalir
⁄ f Faktor gesekan - F Gaya g Percepatan gravitasi
2
Modulus Bulk
C Koefisien kekasaran William-Hazen - D Diameter E Energi hidram EF Energi tekanan EK Energi kinetik EP Energi potensial
c Kecepatan gelombang suara dalam fluida ⁄
2
⁄ A Luas penampang
2
⁄ R Jari-jari hidrolik Re Bilangan Reynolds -
- 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
Kenaikan tekanan akibat palu air ∆ℎ
Kenaikan head tekanan ∆
3 Berat jenis fluida
⁄ Kekasaran
% Efisiensi D’Aubuisson
% Efisiensi Rankine Koefisien kekentalan .
3 Massa jenis fluida
⁄