Pengaruh Variasi Ukuran Tabung Udara Terhadap Kinerja Pompa Hidram
TINJAUAN PUSTAKA
Penelitian Terdahulu
Berdasarkan penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Siregar (2016),
yang berjudul rancang bangun dan kajian pengaruh ketinggian sumber air
terhadap kinerja pompa hidram yang menggunakan tabung udara berdiameter 5
inci dan volume tabung 2494,64 cm3, serta perlakuan ketinggian sumber air 55
cm, 45 cm, dan 35 cm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai debit output
tertinggi didapat pada ketinggian sumber air 55 cm yaitu 0,285 L/s sedangkan
nilai debit input tertinggi pada ketinggian sumber air 55 cm juga yaitu 1,042 L/s.
Dan nilai efisiensi pompa tertinggi didapat pada ketinggian sumber air 55 cm
yaitu sebesar 27,35 %.
Penelitian yang dilakukan oleh Dinar, Hari, dan Latifah (2013), dengan
judul uji efisiensi pompa hidram dengan variasi volume tabung udara, bahwa
pengaruh volume tabung udara terhadap efisiensi relatif tidak signifikan. Hal ini
dilihat dari perbedaan efisiensi terbesar yang dihasilkan oleh masing-masing
tabung memiliki simpangan baku 1,3 %. Nilai ini relatif kecil dibandingkan
dengan variasi volume-volume tabung yang digunakan.
Shodiqin (2015), dalam penelitiannya yang berjudul pengaruh variasi
tabung tekan terhadap efisiensi pada pompa hidram menggunakan pompa hidram
dengan tinggi permukaan reservoir tetap 3 m, panjang pipa inlet 4 m dengan
diameter 0,0635 m (2,5 inci), badan pompa berdiameter 1,5 inci, dan pipa
penghantar berdiameter 0,5 inci dan tinggi 6 m. Dengan variasi volume tabung
tekan dengan volume 4866,35 cm3, 5677,41 cm3, dan 6488,47 cm3. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa variasi volume tabung tekan berpengaruh terhadap
4
Universitas Sumatera Utara
debit dan efisiensi pompa. Pada variasi volume tabung tekan 4866,35 cm3
menghasilkan debit 0,0355 liter / detik dan efisiensi pompa 10,625 %, pada
variasi volume tabung tekan 5677,41 cm3 menghasilkan debit 0,068 liter / detik
dan efisiensi pompa 24,64 %, dan pada variasi volume tabung tekan 6488,47 cm3
menghasilkan debit 0,072 liter / detik dan efisiensi pompa 28,32 %.
Penelitian yang dilakukan oleh Suarda (2008) dengan judul kajian
eksperimental pengaruh tabung udara pada head tekanan pompa hidram,
dilakukan pada sistem pompa hidram dengan ketinggian sumber air 1 m, panjang
pipa penghantar 6 m, ketinggian pemompaan 10 m, diameter pipa drive 1 inci,
diameter badan pompa 3 inci, panjang pipa penyalur 10 m. Dan hasil dari
penelitian didapatkan dengan pemakaian tabung udara, terjadi penurunan
perubahan head tekan dalam pipa penghantar pada instalasi pompa hidram. Head
tekanan balik berkurang dari 103,87 m tanpa menggunakan tabung udara menjadi
37,85 m dengan tabung udara. Namun dalam pipa penyalur head tekanan
meningkat dari 0,29 m. Hal ini mengakibatkan peningkatan debit air dalam pipa
penyalur dengan menggunkan tabung udara. Sehingga pemasangan tabung udara
dapat meningkatkan efisiensi pompa hidram secara signifikan dari 0,72 % tanpa
tabung udara menjadi 19,45 % dengan tabung udara. Jadi tabung udara
mempunyai pengaruh yang besar terhadap peningkatan kerja pompa hidram.
Penelitian yang dilakukan oleh Ginting dan Gultom (2014), yang berjudul
analisa pengaruh variasi volume tabung udara dan variasi beban katup limbah
terhadap peforma pompa hidram, dapat diambil kesimpulan bahwa
hasil
pengujian yang dilakukan untuk variasi tabung udara dan beban katup limbah
5
Universitas Sumatera Utara
dengan head supply 3,3 m yaitu, variasi volume tabung sangat berpengaruh
terhadap kinerja pompa hidram. Hal ini terbukti dari 3 variasi
tabung udara yaitu dengan tinggi 100 cm, 80 cm, dan 60 cm. Efisiensi maksimum
yang didapat dari pompa hidram ini adalah pada tabung 3 dengan tinggi 60
cm dengan beban katup limbah 500 gram, dan variasi beban katup limbah juga
berpengaruh pada efisiensi pompa hidram.
Penelitian yang dilakukan oleh Hartono (2009), yang berjudul pengaruh
variasi tabung udara terhadap debit pemompaan pompa hidram, dengan
pengamatan pengaruh 3 variasi tabung udara yaitu 2 inci, 3 inci, 4 inci. Dengan
diameter pipa inlet 2 inci terhadap debit pemompaan pompa hidram, mendapatkan
kesimpulan, yaitu penggunaan tabung udara dapat memperbesar headoutput
pompa hidram, dimana tabung udara dengan volume 0,0008 m3 mampu
menghasilkan head output sebesar 1 bar, penggunaan tabung udara juga mampu
memperbesar efisiensi pompa hidram, dengan menggunakan tabung udara yang
lebih besar maka debit air yang dihasilkan bisa lebih besar, dan besarnya tekanan
pada waste valve sangat berpengaruh pada ketinggian yang dicapai dan debit air
yang dihasilkan tapi dengan catatan keseimbangan saat penekanan harus sama
dengan penutupan valve (waste valve naik).
Berdasarkan beberapa penelitian di atas, maka masih perlu dikembangkan
penelitian lanjutan tentang pengaruh variasi ukuran tabung udara yang memiliki
volume sama namun diameter dan tinggi tabung berbeda terhadap kinerja pompa
yang berparameter menghitung efisiensi pompa, debit aliran air masuk dan keluar
pompa, serta menghitung tinggi pengangkatan air.
6
Universitas Sumatera Utara
Penelitian tersebut didasari bahwa untuk mendapatkan kinerja pompa
hidram yang optimal dapat dilakukan dengan kesesuaian perbandingan antara
udara dan air di tabung udara yang akan berimplikasi. Untuk tekanan pada tabung
udara apabila udara terlalu banyak di dalam tabung udara, pompa akan memompa
udara, sedangkan kalau air yang masuk ke tabung udara penuh terisi air, tabung
udara akan bergetar hebat dan akan menyebabkan tabung udara pecah.
Oleh karena itu dengan membuat tabung yang berbeda, namun dengan
volume tabung sama bisa diperoleh gambaran peningkatan kinerja pompa hidram.
Pompa Hidram
Pompa hidram atau singkatan dari hydraulic ram berasal dari kata hydro
(air) dan ram (hantaman / pukulan) sehingga dapat diartikan menjadi tekanan air,
pompa yang bekerja mengandalkan hentakan dari sistem hidrolika. Pompa
hidram bekerja dengan cara memanfaatkan energi potensial pada air dalam pipa
lurus kemudian menjadi tekanan dinamis yang berakibat tercipta hantaman
air sehingga terjadi tekanan tinggi dalam pompa. Dengan tekanan tinggi tersebut,
maka air dapat dihantarkarkan ke permukaan yang lebih tinggi. Pompa tersebut
bekerja tanpa digerakkan oleh manusia dan tidak membutuhkan energi listrik
maupun bahan bakar minyak begitu pula dengan perawatannya yang sangat
sederhana dan juga mampu beroperasi selama 24 jam (Ismanto, dkk., 2008).
Pompa hidram merupakan alat untuk menaikkan air ke tempat yang
lebih tinggi atau pompa energi yang penggeraknya tidak menggunakan bahan
bakar minyak ataupun listrik,tetapi secara otomatis dengan energi kinetik yang
berasal dari air itu sendiri. Dengan demikian air dialirkan dari sumber atau suatu
7
Universitas Sumatera Utara
tampungan kedalam pompa hidram melalui pipa suplay dengan posisi pompa
yang lebih rendah dari sumber air tampungan (Taye, 1998).
Dalam operasinya, pompa hidram mempunyai banyak keuntungan
dibandingkan dengan jenis pompa lainnya, yaitu tidak membutuhkan sumber
tenaga tambahan, biaya operasional murah, tidak memerlukan pelumasan, sangat
kecil kemungkinan terjadinya keausan karena hanya mempunyai 2 bagian
yang bergerak, perawatan sederhana dan dapat bekerja secara efisien pada kondisi
yang sesuai serta dapat dibuat dengan peralatan yang sederhana, sehingga alat ini
sering dianggap sebagai pompa yang ekonomis (Sularso dan Haruo, 2004).
Penggunaan
pompa
hidram
dapat
memberikan
banyak
manfaat,
diantaranya:
a. Untuk mengairi sawah dan ladang ataupun areal perkebunan yang
membutuhkan pasokan air secara kontinyu. Hal ini cocok diterapkan di
daerah pertanian dan persawahan tadah hujan yang tidak terjangkau oleh
jaringan irigasi dan terletak di tempat yang lebih tinggi daripada sumber
air, karena pompa hidram dapat memompa air dari bawah ke tempat yang
lebih tinggi dalam jumlah yang memadai.
b. Untuk mengairi kolam dalam usaha perikanan.
c. Mampu menyediakan air untuk usaha peternakan.
d. Mampu memberi pasokan air untuk kebutuhan industri atau pabrik-pabrik
pengolahan.
e. Air yang dihasilkan mampu menggerakan turbin yang berputar karena
kekuatan air yang masuk dari pompa hidram, sehingga dapat
8
Universitas Sumatera Utara
menghasilkan
listrik
bila
dihubungkan
dengan
generator
(Ismanto, dkk., 2008).
Sejarah 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 m (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
(Santoso, 2005).
Prinsip Kerja Pompa Hidram
Pompa hidram bekerja secara otomatis dengan memanfaatkan sejumlah
besar tenaga air yang jatuh dari ketinggian tertentu dan yang disalurkan ke dalam
pipa, sehingga terjadi tekanan dinamik dalam badan pompa hidram. Tekanan
tersebut selanjutnya mendorong sejumlah air ketempat yang lebih tinggi.
9
Universitas Sumatera Utara
Prinsipnya adalah merupakan proses merubah energi genetis aliran air dengan
kecepatan tertentu sebagai akibat adanya selisih tinggi, sehingga menjadi tekanan
dinamik. Tekanan dinamik ini menyebabkan timbulnya "palu air" sehingga terjadi
tekanan tinggi dalam pompa. Dengan menutup dan membukanya katup limbah
dan katup pengantar secara bergantian, maka tekanan dinamik tersebut diteruskan
sehingga memaksa air naik ke pipa pengantar (Hanafie, 1979).
Pemanfaatan gravitasi di mana akan menciptakan energi dari hantaman air
yang menabrak fraksi air lainnya untuk mendorong ke tempat yang lebih tinggi.
Untuk mendapatkan energi potensial dari hantaman air diperlukan syarat utama
yaitu harus ada terjunan air yang dialirkan melalui pipa dengan beda tinggi elevasi
dengan pompa hidram minimal 1 m (Leonardo, 2002).
Bagian kunci dari hidram adalah dua buah klep, yaitu klep pembuangan
dan klep penghisap. Pada volume tertentu pengisian air dalam tabung kompresi
optimal, massa air dan udara dalam tabung kompresi akan menekan klep
penghisap untuk menutup kembali, pada saat yang bersamaan sebagian air keluar
melalui pipa B. Dengan tertutupnya kedua klep, maka aliran air dalam rumah
pompa berbalik berlawanan dengan aliran air masuk, diikuti dengan turunnya klep
pembuangan karena arah tekanan air tidak lagi ke klep pembuangan tetapi
berbalik ke arah pipa input A (Santoso, 2005).
Secara umum prinsip kerja pompa hidram dapat dilihat pada skema
berikut:
10
Universitas Sumatera Utara
Air pada reservoir
Air mengalir melalui pipa
penghantar
Sebagian air memasuki
tabung
Sebagian air naik ke pipa
masukan
Sebagian air terbuang
melalui katup limbah
Air masuk ke bak
penampungan
Air kembali ke reservoir
Gambar 1. Skema Prinsip Kerja Pompa Hidram
Komponen Pompa Hidram
Menurut Perry (1976) pompa hidram terdiri dari beberapa komponen yang
membentuk suatu sistem, yang meliputi:
Gambar 2. Kompnen Pompa Hidram (Hanafie, 1979)
1. Klep Buang
Klep buang merupakan salah satu komponen terpenting pompa hidram,
oleh sebab itu klep buang harus dirancang dengan baik sehingga berat dan
gerakannya dapat disesuaikan. Fungsi klep buang sendiri untuk mengubah energi
11
Universitas Sumatera Utara
kinetik fluida kerja yang mengalir melalui pipa pemasukan menjadi energi
tekanan dinamis fluida yang akan menaikkan fluida kerja menuju tabung udara.
Klep buang dengan beban yang berat dan panjang langkah yang cukup jauh
memungkinkan fluida mengalir lebih cepat, sehingga saat klep buang menutup,
akan terjadi lonjakan tekanan yang cukup tinggi, yang dapat mengakibatkan fluida
kerja terangkat menuju tabung udara. Sedangkan klep buang 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.
1. Klep Tekan
Klep tekan adalah sebuah katup satu arah yang berfungsi untuk
menghantarkan air dari badan hidram menuju tabung udara untuk selanjutnya
dinaikkan menuju tangki penampungan. Klep tekan harus dibuat satu arah agar air
yang telah masuk ke dalam tabung udara tidak dapat kembali lagi ke dalam badan
hidram. Selain itu, klep tekan juga harus mempunyai lubang yang besar sehingga
memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa hambatan pada
aliran.
2. Tabung Udara
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 kontiniu. Jika tabung udara penuh terisi air,
tabung udara akan bergetar hebat dan dapat menyebabkan tabung udara pecah.
Jika terjadi kasus demikian, maka ram harus segera dihentikan. Untuk
12
Universitas Sumatera Utara
menghindari hal-hal tersebut, para ahli berpendapat bahwa volume tabung udara
harus dibuat sama dengan volume dari pipa penyalur.
Penggunaan tabung udara dapat memperbesar head output pompa hidram.
Hal itu cukup beralasan, karena dengan penggunaan tabung udara, air bertekanan
hasil water hammer lebih dulu diakumulasi di dalam tabung udara sebelum
dialirkan menuju delivery pipe. Penambahan volume tabung udara berbanding
lurus dengan head output. Hal itu disebabkan karena rongga udara yang besar
menambah tekanan udara untuk mendorong air menuju titik yang lebih tinggi,
dorongan air dari pipa inlet yang kontiniu dan ketukan air dari katup limbah yang
menambah masukan air di dalam tabung udara sehingga tekanan udara di dalam
tabung semakin besar.
Menurut Hanafie (1976) Penggunaan tabung udara juga berpengaruh
terhadap ketukan katup limbah pompa hidram. Dimana setiap bertambahnya
volume tabung udara, ketukan katup limbah semakin sedikit. Hal itu terjadi
karena dengan bertambahnya volume tabung udara, pada saat awal siklus pompa,
tekanan dibalik katup penghantar semakin kecil, sehingga sebagian air yang
mengalir ke dalam badan pompa dapat mendorong katup limbah dan masuk ke
dalam tabung udara. Oleh karena itu, air yang mengalir menuju katup limbah
lebih sedikit, sehingga menyebabkan berkurangnya jumlah ketukan katup limbah.
Berdasarkan peneltian-penelitian yang dilakukan sebelumnya yang
menggunakan variasi volume tabung berbeda, dapat disimpulkan bahwa jika
semakin besar volume tabung udara, maka debit air pompa yang akan dihasilkan
juga semakin besar. Begitu pula dengan efesiensinya yang semakin besar apabila
volume tabung udaranya semakin besar.
13
Universitas Sumatera Utara
Oleh karena itu masih perlu dikembangkan penelitian lanjutan tentang
pengaruh variasi ukuran tabung udara yang memiliki volume sama, namun
diameter dan tinggi tabung udaranya berbeda. Variasi ukuran tabung tersebut,
akan menyebabkan bervariasinya pada rongga udara dalam tabung yang akan
berpengaruh terhadap tekanan udara yang mendorong air dan pada gilirannya
akan mempengaruhi kinerja pompa yang dihasilkan (output).
3. Katup Udara
Udara dalam tabung udara secara perlahan-lahan akan ikut terbawa ke
dalam pipa penyalur 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. Beberapa versi menyebutkan bahwa katup udara diperlukan
keberadaannya dalam pompa hidram, namun banyak versi lainnya mengatakan
katup udara ini tidak harus ada dalam pompa hidram, sehingga penggunaannya
tergantung pada masing-masing individu yang membuat.
4. Pipa Masuk / Penghantar
Pipa masuk atau biasa disebut pipa penghantar adalah bagian yang sangat
penting
dari
sebuah
pompa
hidram.
Dimensi
pipa
penghantar
harus
diperhitungkan dengan cermat, karena sebuah pipa penghantar harus dapat
menahan tekanan tinggi yang disebabkan oleh menutupnya klep buang secara
14
Universitas Sumatera Utara
tiba-tiba. Selain itu, pipa penghantar harus terbuat dari bahan yang tidak fleksibel
untuk menghasilkan efisiensi yang maksimal. Biasanya pipa penghantar ini
menggunakan pipa besi yang digalvanisir, tetapi bisa juga menggunakan bahan
yang dibungkus dengan beton.
5.
Pipa Keluar / Penyalur
Pipa keluar atau biasa disebut pipa penyalur merupakan pipa yang
berfungsi untuk mengalirkan air hasil pemompaan yang berasal dari tabung udara.
Ukuran diameter pipa penyalur biasanya lebih kecil dari ukuran diameter pipa
penghantar, sedangkan ukuran panjangnya disesuaikan dengan ketinggian yang
dibutuhkan.
6. Sumber Air
Air yang masuk ke saluran pipa penghantar harus bebas dari sampah dan
pasir maupun kerikil agar pompa tidak macet, karena sampah dan pasir yang ikut
terbawa oleh air dapat menyumbat atau menahan klep. Jika air yang mengalir dari
sumber air tidak bersih dari sampah dan kerikil maka mulut pipa penghantar di
ujung sumber air harus dipasang saringan. Jika sumber air terlalu jauh dari pompa
hidram, maka saluran air agar bisa mencapai pipa penghantarnya harus dirancang
sedemikian rupa agar air bisa mencapai pipa penghantar tersebut. Saluran pipa ke
arah pipa penghantar, diameternya paling tidak dua kali lebih besar dari pipa
penghantar.
7. Tandon Air
Tandon air dipasang di tempat di mana air dibutuhkan. Fungsi dari tendon
adalah untuk menampung air yang telah dipompa naik oleh pompa hidram.
Ukuran tandon tergantung dari kapasitas yang dibutuhkan.
15
Universitas Sumatera Utara
Sistem Operasi Pompa Hidram
Menurut Taye (1998) posisi klep buang 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 4. Perubahan Kecepatan Terhadap Waktu Pada Pipa Masuk
Penjelasan Gambar 2. :
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
percepata 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 5. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi A.
(Mohammed, 2007)
16
Universitas Sumatera Utara
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 6. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi B.
(Mohammed, 2007)
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 penghantar 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 7. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi C.
(Mohammed, 2007)
d. Katup penghantar tertutup. Tekanan di dekat katup penghantar masih
lebih besar dari pada tekanan statis pipa masuk, sehingga aliran berbalik
17
Universitas Sumatera Utara
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
kebodi 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 8. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi D.
(Mohammed, 2007)
Faktor Penting dalam Membuat Pompa Hidram
Dalam pengoperasian pompa hidram sering ditemukan beberapa kendala,
yang paling banyak dijumpai adalah klep buang yang tidak berfungsi dengan baik,
misalnya:
a. Tidak dapat naik / menutup, disebabkan beban klep terlalu berat atau
kurangnya debit air yang masuk pompa. Hal ini dapat diatasi dengan
mengurangi beban atau memperpendek langkah klep buang.
b. Klep tidak turun / membuka, disebabkan karena beban klep terlalu ringan,
sehingga dapat diatasi dengan menambah beban atau memperpanjang
langkah klep buang.
18
Universitas Sumatera Utara
Agar pompa hidram dapat bekerja sesuai dengan yang direncanakan, maka
dalam proses pembuatannya harus memperhatikan beberapa faktor penting,
diantaranya:
a. Diameter pipa pemasukan / penghantar supaya ditentukan dan dihitung
sehingga tidak dapat menyerap seluruh debit air dari sumber air yang
digunakan, dalam artian masih ada air yang melimpah dari tempat sumber
air selama pemompaan bekerja. Hal ini bertujuan untuk menjaga
kestabilan tinggi jatuh air dari sumber ke pompa.
b. Diameter pipa untuk badan pompa supaya dibuat lebih besar dari pada
diameter pipa pemasukan / penghantar. Hal ini berarti besar / kecilnya
badan pompa ditentukan oleh besar / kecilnya diameter pipa pemasukan /
penghantar.
c. Diameter pipa untuk tabung udara sebaiknya dibuat lebih besar dari pada
diameter badan pompa.
d. Diameter lubang klep buang dan lubang klep tekan sebaiknya dibuat lebih
besar dari pada diameter pipa pemasukan / penghantar.
e. Sudut miring pipa pemasukan / penghantar dibuat antara 7o– 12odengan
panjang pipa dibuat 5 – 8 kali tinggi jatuh air.
f. Selama pompa bekerja supaya tinggi angkat klep dan pemberat klep buang
diatur sehingga klep dapat terangkat dan tertutup sebanyak 50 – 60 kali
setiap menit (Sinaga, 2009).
Karakteristik Pompa Hidram
Karakteristik pompa hidrolik ram atau hidram yang bekerja pada keadaan
tertentu dimana jarak antara lubang dan katup limbah konstan, tinggi vertikal
19
Universitas Sumatera Utara
tangki pemasukan tetap tinggi, sedangkan tinggi pemompaan berubah-ubah,
ternyata menunjukkan bahwa jumlah denyutan katup limbah tiap menit bertambah
pada setiap penambahan tinggi pemompaan. Pompa hidrolik ram yang dirancang
dengan baik dapat bekerja baik pada semua keadaan dengan pemeliharaan yang
minimum (Sularso dan Haruo, 2004).
Kinerja Pompa Hidram
Kinerja mempunyai makna lebih luas, bukan hanya menyatakan sebagai
hasil kerja, tetapi juga bagaimana proses kerja berlangsung. Kinerja adalah
tentang melakukan pekerjaan dan hasil yang dicapai dari pekerjaan tersebut.
Kinerja pompa hidram tercermin dari kemampuannya untuk mendukung
kebutuhan air di lokasi yang posisinya lebih tinggi dari sumber air di
daerah-daerah pedesaan atau di daerah terpencil yang tidak ada sumber daya
listrik (Sinaga, 2009).
Kinerja pompa hidram akan optimal jika memenuhi prosedur yang
ditetapkan. Beberapa permasalahan yang mungkin timbul dalam pengoperasian
pompa hidram anatara lain: klep pembuangan tidak dapat naik atau menutup,
disebabkan beban klep terlalu berat atau debit air yang masuk pompa kurang.
Klep pembuangan tidak mau turun atau membuka, karena beban klep terlalu
ringan. Kinerja pompa hidram akan optimal jika dilakukan perawatan rutin yaitu
menjaga agar saringan air yang masuk ke pipa masukan tidak rusak, sehingga
tidak ada sampah yang masuk ke pompa. Selain harus menjaga air yang mengalir
terbebas kotoran / sampah dengan cara membuat saringan, dipakainya sumber air
umum tersebut membuat debit air berubah-ubah, fluktuatif, yang bisa
menyebabkan
klep
pembuangan
berhenti
bekerja
membuka-menutup
(Saputra, 2013).
20
Universitas Sumatera Utara
Debit Aliran Air
Debit aliran adalah volume air yang mengalir per satuan waktu yang
melewati suatu penampang melintang tertentu (sungai, pipa, dan sebagainnya).
Data debit diperlukan unntuk menentukan volume aliran atau perubahanperubahannya dalam suatu sistem DAS. Data debit diperoleh dari pengukuran
secara langsung maupun secara tidak langsung. Debit aliran air digunakan untuk
mengetahui sejauh mana pengaruh debit aliran terhadap tenaga aliran yang timbul
dalam pipa pemasukan dalam hubungannya untuk penyediaan energi tekanan
dinamis untuk mendorong air ke pipa keluaran. Debit aliran dapat di hitung
dengan persamaan :
�
Q = ........................................................................................... (1)
Dimana :
�
Q = debit aliran (m3/s)
V = volume air yang tertampung (m3)
t = waktu (s)
(Merle dan Wiggert, 2011).
Koefisien Debit
Koefisien debit menyatakan perbandingan debit aliran aktual yang keluar
(tertampung) dari bejana dengan debit teoritis sebagai berikut:
Cd =
��
��
=
��
�
��2�ℎ
................................................................. ..(2)
atau perbandingan Persamaan (2) dengan Persamaan (1).
Dimana:
Cd = Koefisien Debit
21
Universitas Sumatera Utara
Qa = Debit Aktual (L/s)
Qt = Debit Teoritis (L/s)
V = Volume air yang tertampung (m3)
t = Waktu pengangkatan volume air yang tertampung (s)
A = Luas penampang pipa penyaluran (m2)
g = Gaya gravitasi (m/s2)
h = Tinggi sumber air (m)
Efisiensi Pompa Hidram
Efisiensi sebuah instalasi sebuah pompa hidram ditentukan oleh berbagai
faktor, selain dimensi dan bahan yang digunakan untuk membuat pompa, juga
tergantung dari karakteristik instalasi pompa hidram yang berbeda pada masingmasing lokasi pemasangan. Untuk mengetahui efisiensi pompa hidram, dalam
penelitian ini digunakan dua persamaan efisiensi yaitu efisiensi D’Aubuissondan
efisiensi Rankine.
a. Menurut D’Aubuisson
Menurut D’Aubuisson, perhitungan efisiensi pompa hidram berpatokan
pada klep buang untuk digunakan sebagai datum. Efisiensi D’Aubuission dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan :
ƞ=
� (�+ℎ)
(�+�)�
................................................................................... (3)
Dimana:
Ƞ = efisiensi pompa hidram (%)
q = debit hasil, (m3/s)
Q = debit limbah, (m3/s)
h = head keluar, (m)
22
Universitas Sumatera Utara
H = head masuk, (m)
(Michael and Kheepar,1997).
b. Menurut Rankine
Efisiensi menurut Rankinemerupakan perbandingan antara selisih tinggi
tekan isap dan sisi buang dikali kapasitas pengisapan, dengan tinggi tekan isap
dikalikan kapasitas air yang dipindahkan. Efisiensi Rankine dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Ƞ=
�ℎ
��
.................................................................................................... (4)
Dimana:
Ƞ = efisiensi pompa hidram
q = debit hasil, (m3/s)
Q = debit limbah, (m3/s)
h = head keluar, (m)
H = head masuk, (m)
(Michael dan Kheepar,1997)
Selain menggunakan rumus / persamaan efisiensi menurut metode
D’Aubuission dan Rankine, efisiensi pompa hidram dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Ƞ=
Dimana :
Ƞ
����
���
....................................................................................... (5)
= efisiensi pompa hidram (%)
Qout = debit air yang keluar / dihasilkan (liter / menit)
Qin = debit air yang masuk (liter / menit)
(Suroso, dkk., 2012).
23
Universitas Sumatera Utara
Dasar Perencanaan Pompa
Dalam perancangan pompa untuk memindahkan fluida dari suatu tempat
ke tempat yang lain dengan head tertentu diperlukan beberapa syarat utama, yaitu:
a. Kapasitas
Kapasitas pompa adalah jumlah fluida yang dialirkan oleh pompa
persatuan waktu. Kapasitas pompa ini tergantung pada kebutuhan yang harus
dipenuhi sesuai dengan fungsi pompa yang direncanakan.
b. 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 3 bentuk, yaitu :
1. Head Potensial
Didasarkan pada ketinggian fluida di atas bidang banding (datum plane).
Jadi suatu kolom air setinggi Z mengandung sejumlah energi yangdisebabkan oleh
posisinya atau disebut fluida mempunyai head sebesar Zkolom air.
2. Head Kecepatan
Head kecepatan atau head kinetik yaitu suatu ukuran energi kinetik yang
dikandung fluida yang disebabkan oleh kecepatannya.
3. 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 mayordan head minor) (Suroso, dkk., 2012).
24
Universitas Sumatera Utara
Sifat Zat Cair
Sifat-sifat fluida kerja sangat penting untuk diketahui sebelum
perencanaan pompa. Pada perencanaan pompa ini, temperatur air dianggap sama
dengan temperatur di dalam kamar / ruangan.
Aliran Fluida
Dalam suatu aliran yang melewati sistem atau instalasi pipa maka terjadi
suatu hambatan aliran, hambatan tersebut disebabkan oleh faktor-faktor bentuk
instalasi. Hambatan tersebut dapat menyebabkan turunnya energi dari fluida
tersebut yang sering disebut dengan kerugian tinggi tekanan (head loss) atau
penurunan tekanan (pressure drop) yang disebabkan oleh pengaruh gesekan fluida
(friction losses) dan perubahan pola aliran terjadi karena fluida harus mengikuti
bentuk dari dindingnya (Munson, dkk., 2004).
Energi dan Head
Energi pada umumnya didefinisikan 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 :
Ep = W . z ..................................................................................... (6)
25
Universitas Sumatera Utara
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
EK = m.v 2 .................................................................................... (7)
2
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 ................................................................................ (8)
Dimana :
Ef= energi tekanan (J)
p = tekanan yang dialami oleh fluida (N/m2)
A = luas penampang aliran (m2)
L = panjang pipa (m)
(Sitompul, 2013).
26
Universitas Sumatera Utara
Penelitian Terdahulu
Berdasarkan penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Siregar (2016),
yang berjudul rancang bangun dan kajian pengaruh ketinggian sumber air
terhadap kinerja pompa hidram yang menggunakan tabung udara berdiameter 5
inci dan volume tabung 2494,64 cm3, serta perlakuan ketinggian sumber air 55
cm, 45 cm, dan 35 cm. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai debit output
tertinggi didapat pada ketinggian sumber air 55 cm yaitu 0,285 L/s sedangkan
nilai debit input tertinggi pada ketinggian sumber air 55 cm juga yaitu 1,042 L/s.
Dan nilai efisiensi pompa tertinggi didapat pada ketinggian sumber air 55 cm
yaitu sebesar 27,35 %.
Penelitian yang dilakukan oleh Dinar, Hari, dan Latifah (2013), dengan
judul uji efisiensi pompa hidram dengan variasi volume tabung udara, bahwa
pengaruh volume tabung udara terhadap efisiensi relatif tidak signifikan. Hal ini
dilihat dari perbedaan efisiensi terbesar yang dihasilkan oleh masing-masing
tabung memiliki simpangan baku 1,3 %. Nilai ini relatif kecil dibandingkan
dengan variasi volume-volume tabung yang digunakan.
Shodiqin (2015), dalam penelitiannya yang berjudul pengaruh variasi
tabung tekan terhadap efisiensi pada pompa hidram menggunakan pompa hidram
dengan tinggi permukaan reservoir tetap 3 m, panjang pipa inlet 4 m dengan
diameter 0,0635 m (2,5 inci), badan pompa berdiameter 1,5 inci, dan pipa
penghantar berdiameter 0,5 inci dan tinggi 6 m. Dengan variasi volume tabung
tekan dengan volume 4866,35 cm3, 5677,41 cm3, dan 6488,47 cm3. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa variasi volume tabung tekan berpengaruh terhadap
4
Universitas Sumatera Utara
debit dan efisiensi pompa. Pada variasi volume tabung tekan 4866,35 cm3
menghasilkan debit 0,0355 liter / detik dan efisiensi pompa 10,625 %, pada
variasi volume tabung tekan 5677,41 cm3 menghasilkan debit 0,068 liter / detik
dan efisiensi pompa 24,64 %, dan pada variasi volume tabung tekan 6488,47 cm3
menghasilkan debit 0,072 liter / detik dan efisiensi pompa 28,32 %.
Penelitian yang dilakukan oleh Suarda (2008) dengan judul kajian
eksperimental pengaruh tabung udara pada head tekanan pompa hidram,
dilakukan pada sistem pompa hidram dengan ketinggian sumber air 1 m, panjang
pipa penghantar 6 m, ketinggian pemompaan 10 m, diameter pipa drive 1 inci,
diameter badan pompa 3 inci, panjang pipa penyalur 10 m. Dan hasil dari
penelitian didapatkan dengan pemakaian tabung udara, terjadi penurunan
perubahan head tekan dalam pipa penghantar pada instalasi pompa hidram. Head
tekanan balik berkurang dari 103,87 m tanpa menggunakan tabung udara menjadi
37,85 m dengan tabung udara. Namun dalam pipa penyalur head tekanan
meningkat dari 0,29 m. Hal ini mengakibatkan peningkatan debit air dalam pipa
penyalur dengan menggunkan tabung udara. Sehingga pemasangan tabung udara
dapat meningkatkan efisiensi pompa hidram secara signifikan dari 0,72 % tanpa
tabung udara menjadi 19,45 % dengan tabung udara. Jadi tabung udara
mempunyai pengaruh yang besar terhadap peningkatan kerja pompa hidram.
Penelitian yang dilakukan oleh Ginting dan Gultom (2014), yang berjudul
analisa pengaruh variasi volume tabung udara dan variasi beban katup limbah
terhadap peforma pompa hidram, dapat diambil kesimpulan bahwa
hasil
pengujian yang dilakukan untuk variasi tabung udara dan beban katup limbah
5
Universitas Sumatera Utara
dengan head supply 3,3 m yaitu, variasi volume tabung sangat berpengaruh
terhadap kinerja pompa hidram. Hal ini terbukti dari 3 variasi
tabung udara yaitu dengan tinggi 100 cm, 80 cm, dan 60 cm. Efisiensi maksimum
yang didapat dari pompa hidram ini adalah pada tabung 3 dengan tinggi 60
cm dengan beban katup limbah 500 gram, dan variasi beban katup limbah juga
berpengaruh pada efisiensi pompa hidram.
Penelitian yang dilakukan oleh Hartono (2009), yang berjudul pengaruh
variasi tabung udara terhadap debit pemompaan pompa hidram, dengan
pengamatan pengaruh 3 variasi tabung udara yaitu 2 inci, 3 inci, 4 inci. Dengan
diameter pipa inlet 2 inci terhadap debit pemompaan pompa hidram, mendapatkan
kesimpulan, yaitu penggunaan tabung udara dapat memperbesar headoutput
pompa hidram, dimana tabung udara dengan volume 0,0008 m3 mampu
menghasilkan head output sebesar 1 bar, penggunaan tabung udara juga mampu
memperbesar efisiensi pompa hidram, dengan menggunakan tabung udara yang
lebih besar maka debit air yang dihasilkan bisa lebih besar, dan besarnya tekanan
pada waste valve sangat berpengaruh pada ketinggian yang dicapai dan debit air
yang dihasilkan tapi dengan catatan keseimbangan saat penekanan harus sama
dengan penutupan valve (waste valve naik).
Berdasarkan beberapa penelitian di atas, maka masih perlu dikembangkan
penelitian lanjutan tentang pengaruh variasi ukuran tabung udara yang memiliki
volume sama namun diameter dan tinggi tabung berbeda terhadap kinerja pompa
yang berparameter menghitung efisiensi pompa, debit aliran air masuk dan keluar
pompa, serta menghitung tinggi pengangkatan air.
6
Universitas Sumatera Utara
Penelitian tersebut didasari bahwa untuk mendapatkan kinerja pompa
hidram yang optimal dapat dilakukan dengan kesesuaian perbandingan antara
udara dan air di tabung udara yang akan berimplikasi. Untuk tekanan pada tabung
udara apabila udara terlalu banyak di dalam tabung udara, pompa akan memompa
udara, sedangkan kalau air yang masuk ke tabung udara penuh terisi air, tabung
udara akan bergetar hebat dan akan menyebabkan tabung udara pecah.
Oleh karena itu dengan membuat tabung yang berbeda, namun dengan
volume tabung sama bisa diperoleh gambaran peningkatan kinerja pompa hidram.
Pompa Hidram
Pompa hidram atau singkatan dari hydraulic ram berasal dari kata hydro
(air) dan ram (hantaman / pukulan) sehingga dapat diartikan menjadi tekanan air,
pompa yang bekerja mengandalkan hentakan dari sistem hidrolika. Pompa
hidram bekerja dengan cara memanfaatkan energi potensial pada air dalam pipa
lurus kemudian menjadi tekanan dinamis yang berakibat tercipta hantaman
air sehingga terjadi tekanan tinggi dalam pompa. Dengan tekanan tinggi tersebut,
maka air dapat dihantarkarkan ke permukaan yang lebih tinggi. Pompa tersebut
bekerja tanpa digerakkan oleh manusia dan tidak membutuhkan energi listrik
maupun bahan bakar minyak begitu pula dengan perawatannya yang sangat
sederhana dan juga mampu beroperasi selama 24 jam (Ismanto, dkk., 2008).
Pompa hidram merupakan alat untuk menaikkan air ke tempat yang
lebih tinggi atau pompa energi yang penggeraknya tidak menggunakan bahan
bakar minyak ataupun listrik,tetapi secara otomatis dengan energi kinetik yang
berasal dari air itu sendiri. Dengan demikian air dialirkan dari sumber atau suatu
7
Universitas Sumatera Utara
tampungan kedalam pompa hidram melalui pipa suplay dengan posisi pompa
yang lebih rendah dari sumber air tampungan (Taye, 1998).
Dalam operasinya, pompa hidram mempunyai banyak keuntungan
dibandingkan dengan jenis pompa lainnya, yaitu tidak membutuhkan sumber
tenaga tambahan, biaya operasional murah, tidak memerlukan pelumasan, sangat
kecil kemungkinan terjadinya keausan karena hanya mempunyai 2 bagian
yang bergerak, perawatan sederhana dan dapat bekerja secara efisien pada kondisi
yang sesuai serta dapat dibuat dengan peralatan yang sederhana, sehingga alat ini
sering dianggap sebagai pompa yang ekonomis (Sularso dan Haruo, 2004).
Penggunaan
pompa
hidram
dapat
memberikan
banyak
manfaat,
diantaranya:
a. Untuk mengairi sawah dan ladang ataupun areal perkebunan yang
membutuhkan pasokan air secara kontinyu. Hal ini cocok diterapkan di
daerah pertanian dan persawahan tadah hujan yang tidak terjangkau oleh
jaringan irigasi dan terletak di tempat yang lebih tinggi daripada sumber
air, karena pompa hidram dapat memompa air dari bawah ke tempat yang
lebih tinggi dalam jumlah yang memadai.
b. Untuk mengairi kolam dalam usaha perikanan.
c. Mampu menyediakan air untuk usaha peternakan.
d. Mampu memberi pasokan air untuk kebutuhan industri atau pabrik-pabrik
pengolahan.
e. Air yang dihasilkan mampu menggerakan turbin yang berputar karena
kekuatan air yang masuk dari pompa hidram, sehingga dapat
8
Universitas Sumatera Utara
menghasilkan
listrik
bila
dihubungkan
dengan
generator
(Ismanto, dkk., 2008).
Sejarah 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 m (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
(Santoso, 2005).
Prinsip Kerja Pompa Hidram
Pompa hidram bekerja secara otomatis dengan memanfaatkan sejumlah
besar tenaga air yang jatuh dari ketinggian tertentu dan yang disalurkan ke dalam
pipa, sehingga terjadi tekanan dinamik dalam badan pompa hidram. Tekanan
tersebut selanjutnya mendorong sejumlah air ketempat yang lebih tinggi.
9
Universitas Sumatera Utara
Prinsipnya adalah merupakan proses merubah energi genetis aliran air dengan
kecepatan tertentu sebagai akibat adanya selisih tinggi, sehingga menjadi tekanan
dinamik. Tekanan dinamik ini menyebabkan timbulnya "palu air" sehingga terjadi
tekanan tinggi dalam pompa. Dengan menutup dan membukanya katup limbah
dan katup pengantar secara bergantian, maka tekanan dinamik tersebut diteruskan
sehingga memaksa air naik ke pipa pengantar (Hanafie, 1979).
Pemanfaatan gravitasi di mana akan menciptakan energi dari hantaman air
yang menabrak fraksi air lainnya untuk mendorong ke tempat yang lebih tinggi.
Untuk mendapatkan energi potensial dari hantaman air diperlukan syarat utama
yaitu harus ada terjunan air yang dialirkan melalui pipa dengan beda tinggi elevasi
dengan pompa hidram minimal 1 m (Leonardo, 2002).
Bagian kunci dari hidram adalah dua buah klep, yaitu klep pembuangan
dan klep penghisap. Pada volume tertentu pengisian air dalam tabung kompresi
optimal, massa air dan udara dalam tabung kompresi akan menekan klep
penghisap untuk menutup kembali, pada saat yang bersamaan sebagian air keluar
melalui pipa B. Dengan tertutupnya kedua klep, maka aliran air dalam rumah
pompa berbalik berlawanan dengan aliran air masuk, diikuti dengan turunnya klep
pembuangan karena arah tekanan air tidak lagi ke klep pembuangan tetapi
berbalik ke arah pipa input A (Santoso, 2005).
Secara umum prinsip kerja pompa hidram dapat dilihat pada skema
berikut:
10
Universitas Sumatera Utara
Air pada reservoir
Air mengalir melalui pipa
penghantar
Sebagian air memasuki
tabung
Sebagian air naik ke pipa
masukan
Sebagian air terbuang
melalui katup limbah
Air masuk ke bak
penampungan
Air kembali ke reservoir
Gambar 1. Skema Prinsip Kerja Pompa Hidram
Komponen Pompa Hidram
Menurut Perry (1976) pompa hidram terdiri dari beberapa komponen yang
membentuk suatu sistem, yang meliputi:
Gambar 2. Kompnen Pompa Hidram (Hanafie, 1979)
1. Klep Buang
Klep buang merupakan salah satu komponen terpenting pompa hidram,
oleh sebab itu klep buang harus dirancang dengan baik sehingga berat dan
gerakannya dapat disesuaikan. Fungsi klep buang sendiri untuk mengubah energi
11
Universitas Sumatera Utara
kinetik fluida kerja yang mengalir melalui pipa pemasukan menjadi energi
tekanan dinamis fluida yang akan menaikkan fluida kerja menuju tabung udara.
Klep buang dengan beban yang berat dan panjang langkah yang cukup jauh
memungkinkan fluida mengalir lebih cepat, sehingga saat klep buang menutup,
akan terjadi lonjakan tekanan yang cukup tinggi, yang dapat mengakibatkan fluida
kerja terangkat menuju tabung udara. Sedangkan klep buang 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.
1. Klep Tekan
Klep tekan adalah sebuah katup satu arah yang berfungsi untuk
menghantarkan air dari badan hidram menuju tabung udara untuk selanjutnya
dinaikkan menuju tangki penampungan. Klep tekan harus dibuat satu arah agar air
yang telah masuk ke dalam tabung udara tidak dapat kembali lagi ke dalam badan
hidram. Selain itu, klep tekan juga harus mempunyai lubang yang besar sehingga
memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa hambatan pada
aliran.
2. Tabung Udara
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 kontiniu. Jika tabung udara penuh terisi air,
tabung udara akan bergetar hebat dan dapat menyebabkan tabung udara pecah.
Jika terjadi kasus demikian, maka ram harus segera dihentikan. Untuk
12
Universitas Sumatera Utara
menghindari hal-hal tersebut, para ahli berpendapat bahwa volume tabung udara
harus dibuat sama dengan volume dari pipa penyalur.
Penggunaan tabung udara dapat memperbesar head output pompa hidram.
Hal itu cukup beralasan, karena dengan penggunaan tabung udara, air bertekanan
hasil water hammer lebih dulu diakumulasi di dalam tabung udara sebelum
dialirkan menuju delivery pipe. Penambahan volume tabung udara berbanding
lurus dengan head output. Hal itu disebabkan karena rongga udara yang besar
menambah tekanan udara untuk mendorong air menuju titik yang lebih tinggi,
dorongan air dari pipa inlet yang kontiniu dan ketukan air dari katup limbah yang
menambah masukan air di dalam tabung udara sehingga tekanan udara di dalam
tabung semakin besar.
Menurut Hanafie (1976) Penggunaan tabung udara juga berpengaruh
terhadap ketukan katup limbah pompa hidram. Dimana setiap bertambahnya
volume tabung udara, ketukan katup limbah semakin sedikit. Hal itu terjadi
karena dengan bertambahnya volume tabung udara, pada saat awal siklus pompa,
tekanan dibalik katup penghantar semakin kecil, sehingga sebagian air yang
mengalir ke dalam badan pompa dapat mendorong katup limbah dan masuk ke
dalam tabung udara. Oleh karena itu, air yang mengalir menuju katup limbah
lebih sedikit, sehingga menyebabkan berkurangnya jumlah ketukan katup limbah.
Berdasarkan peneltian-penelitian yang dilakukan sebelumnya yang
menggunakan variasi volume tabung berbeda, dapat disimpulkan bahwa jika
semakin besar volume tabung udara, maka debit air pompa yang akan dihasilkan
juga semakin besar. Begitu pula dengan efesiensinya yang semakin besar apabila
volume tabung udaranya semakin besar.
13
Universitas Sumatera Utara
Oleh karena itu masih perlu dikembangkan penelitian lanjutan tentang
pengaruh variasi ukuran tabung udara yang memiliki volume sama, namun
diameter dan tinggi tabung udaranya berbeda. Variasi ukuran tabung tersebut,
akan menyebabkan bervariasinya pada rongga udara dalam tabung yang akan
berpengaruh terhadap tekanan udara yang mendorong air dan pada gilirannya
akan mempengaruhi kinerja pompa yang dihasilkan (output).
3. Katup Udara
Udara dalam tabung udara secara perlahan-lahan akan ikut terbawa ke
dalam pipa penyalur 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. Beberapa versi menyebutkan bahwa katup udara diperlukan
keberadaannya dalam pompa hidram, namun banyak versi lainnya mengatakan
katup udara ini tidak harus ada dalam pompa hidram, sehingga penggunaannya
tergantung pada masing-masing individu yang membuat.
4. Pipa Masuk / Penghantar
Pipa masuk atau biasa disebut pipa penghantar adalah bagian yang sangat
penting
dari
sebuah
pompa
hidram.
Dimensi
pipa
penghantar
harus
diperhitungkan dengan cermat, karena sebuah pipa penghantar harus dapat
menahan tekanan tinggi yang disebabkan oleh menutupnya klep buang secara
14
Universitas Sumatera Utara
tiba-tiba. Selain itu, pipa penghantar harus terbuat dari bahan yang tidak fleksibel
untuk menghasilkan efisiensi yang maksimal. Biasanya pipa penghantar ini
menggunakan pipa besi yang digalvanisir, tetapi bisa juga menggunakan bahan
yang dibungkus dengan beton.
5.
Pipa Keluar / Penyalur
Pipa keluar atau biasa disebut pipa penyalur merupakan pipa yang
berfungsi untuk mengalirkan air hasil pemompaan yang berasal dari tabung udara.
Ukuran diameter pipa penyalur biasanya lebih kecil dari ukuran diameter pipa
penghantar, sedangkan ukuran panjangnya disesuaikan dengan ketinggian yang
dibutuhkan.
6. Sumber Air
Air yang masuk ke saluran pipa penghantar harus bebas dari sampah dan
pasir maupun kerikil agar pompa tidak macet, karena sampah dan pasir yang ikut
terbawa oleh air dapat menyumbat atau menahan klep. Jika air yang mengalir dari
sumber air tidak bersih dari sampah dan kerikil maka mulut pipa penghantar di
ujung sumber air harus dipasang saringan. Jika sumber air terlalu jauh dari pompa
hidram, maka saluran air agar bisa mencapai pipa penghantarnya harus dirancang
sedemikian rupa agar air bisa mencapai pipa penghantar tersebut. Saluran pipa ke
arah pipa penghantar, diameternya paling tidak dua kali lebih besar dari pipa
penghantar.
7. Tandon Air
Tandon air dipasang di tempat di mana air dibutuhkan. Fungsi dari tendon
adalah untuk menampung air yang telah dipompa naik oleh pompa hidram.
Ukuran tandon tergantung dari kapasitas yang dibutuhkan.
15
Universitas Sumatera Utara
Sistem Operasi Pompa Hidram
Menurut Taye (1998) posisi klep buang 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 4. Perubahan Kecepatan Terhadap Waktu Pada Pipa Masuk
Penjelasan Gambar 2. :
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
percepata 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 5. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi A.
(Mohammed, 2007)
16
Universitas Sumatera Utara
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 6. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi B.
(Mohammed, 2007)
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 penghantar 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 7. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi C.
(Mohammed, 2007)
d. Katup penghantar tertutup. Tekanan di dekat katup penghantar masih
lebih besar dari pada tekanan statis pipa masuk, sehingga aliran berbalik
17
Universitas Sumatera Utara
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
kebodi 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 8. Skema Pompa Hidram Pada Kondisi D.
(Mohammed, 2007)
Faktor Penting dalam Membuat Pompa Hidram
Dalam pengoperasian pompa hidram sering ditemukan beberapa kendala,
yang paling banyak dijumpai adalah klep buang yang tidak berfungsi dengan baik,
misalnya:
a. Tidak dapat naik / menutup, disebabkan beban klep terlalu berat atau
kurangnya debit air yang masuk pompa. Hal ini dapat diatasi dengan
mengurangi beban atau memperpendek langkah klep buang.
b. Klep tidak turun / membuka, disebabkan karena beban klep terlalu ringan,
sehingga dapat diatasi dengan menambah beban atau memperpanjang
langkah klep buang.
18
Universitas Sumatera Utara
Agar pompa hidram dapat bekerja sesuai dengan yang direncanakan, maka
dalam proses pembuatannya harus memperhatikan beberapa faktor penting,
diantaranya:
a. Diameter pipa pemasukan / penghantar supaya ditentukan dan dihitung
sehingga tidak dapat menyerap seluruh debit air dari sumber air yang
digunakan, dalam artian masih ada air yang melimpah dari tempat sumber
air selama pemompaan bekerja. Hal ini bertujuan untuk menjaga
kestabilan tinggi jatuh air dari sumber ke pompa.
b. Diameter pipa untuk badan pompa supaya dibuat lebih besar dari pada
diameter pipa pemasukan / penghantar. Hal ini berarti besar / kecilnya
badan pompa ditentukan oleh besar / kecilnya diameter pipa pemasukan /
penghantar.
c. Diameter pipa untuk tabung udara sebaiknya dibuat lebih besar dari pada
diameter badan pompa.
d. Diameter lubang klep buang dan lubang klep tekan sebaiknya dibuat lebih
besar dari pada diameter pipa pemasukan / penghantar.
e. Sudut miring pipa pemasukan / penghantar dibuat antara 7o– 12odengan
panjang pipa dibuat 5 – 8 kali tinggi jatuh air.
f. Selama pompa bekerja supaya tinggi angkat klep dan pemberat klep buang
diatur sehingga klep dapat terangkat dan tertutup sebanyak 50 – 60 kali
setiap menit (Sinaga, 2009).
Karakteristik Pompa Hidram
Karakteristik pompa hidrolik ram atau hidram yang bekerja pada keadaan
tertentu dimana jarak antara lubang dan katup limbah konstan, tinggi vertikal
19
Universitas Sumatera Utara
tangki pemasukan tetap tinggi, sedangkan tinggi pemompaan berubah-ubah,
ternyata menunjukkan bahwa jumlah denyutan katup limbah tiap menit bertambah
pada setiap penambahan tinggi pemompaan. Pompa hidrolik ram yang dirancang
dengan baik dapat bekerja baik pada semua keadaan dengan pemeliharaan yang
minimum (Sularso dan Haruo, 2004).
Kinerja Pompa Hidram
Kinerja mempunyai makna lebih luas, bukan hanya menyatakan sebagai
hasil kerja, tetapi juga bagaimana proses kerja berlangsung. Kinerja adalah
tentang melakukan pekerjaan dan hasil yang dicapai dari pekerjaan tersebut.
Kinerja pompa hidram tercermin dari kemampuannya untuk mendukung
kebutuhan air di lokasi yang posisinya lebih tinggi dari sumber air di
daerah-daerah pedesaan atau di daerah terpencil yang tidak ada sumber daya
listrik (Sinaga, 2009).
Kinerja pompa hidram akan optimal jika memenuhi prosedur yang
ditetapkan. Beberapa permasalahan yang mungkin timbul dalam pengoperasian
pompa hidram anatara lain: klep pembuangan tidak dapat naik atau menutup,
disebabkan beban klep terlalu berat atau debit air yang masuk pompa kurang.
Klep pembuangan tidak mau turun atau membuka, karena beban klep terlalu
ringan. Kinerja pompa hidram akan optimal jika dilakukan perawatan rutin yaitu
menjaga agar saringan air yang masuk ke pipa masukan tidak rusak, sehingga
tidak ada sampah yang masuk ke pompa. Selain harus menjaga air yang mengalir
terbebas kotoran / sampah dengan cara membuat saringan, dipakainya sumber air
umum tersebut membuat debit air berubah-ubah, fluktuatif, yang bisa
menyebabkan
klep
pembuangan
berhenti
bekerja
membuka-menutup
(Saputra, 2013).
20
Universitas Sumatera Utara
Debit Aliran Air
Debit aliran adalah volume air yang mengalir per satuan waktu yang
melewati suatu penampang melintang tertentu (sungai, pipa, dan sebagainnya).
Data debit diperlukan unntuk menentukan volume aliran atau perubahanperubahannya dalam suatu sistem DAS. Data debit diperoleh dari pengukuran
secara langsung maupun secara tidak langsung. Debit aliran air digunakan untuk
mengetahui sejauh mana pengaruh debit aliran terhadap tenaga aliran yang timbul
dalam pipa pemasukan dalam hubungannya untuk penyediaan energi tekanan
dinamis untuk mendorong air ke pipa keluaran. Debit aliran dapat di hitung
dengan persamaan :
�
Q = ........................................................................................... (1)
Dimana :
�
Q = debit aliran (m3/s)
V = volume air yang tertampung (m3)
t = waktu (s)
(Merle dan Wiggert, 2011).
Koefisien Debit
Koefisien debit menyatakan perbandingan debit aliran aktual yang keluar
(tertampung) dari bejana dengan debit teoritis sebagai berikut:
Cd =
��
��
=
��
�
��2�ℎ
................................................................. ..(2)
atau perbandingan Persamaan (2) dengan Persamaan (1).
Dimana:
Cd = Koefisien Debit
21
Universitas Sumatera Utara
Qa = Debit Aktual (L/s)
Qt = Debit Teoritis (L/s)
V = Volume air yang tertampung (m3)
t = Waktu pengangkatan volume air yang tertampung (s)
A = Luas penampang pipa penyaluran (m2)
g = Gaya gravitasi (m/s2)
h = Tinggi sumber air (m)
Efisiensi Pompa Hidram
Efisiensi sebuah instalasi sebuah pompa hidram ditentukan oleh berbagai
faktor, selain dimensi dan bahan yang digunakan untuk membuat pompa, juga
tergantung dari karakteristik instalasi pompa hidram yang berbeda pada masingmasing lokasi pemasangan. Untuk mengetahui efisiensi pompa hidram, dalam
penelitian ini digunakan dua persamaan efisiensi yaitu efisiensi D’Aubuissondan
efisiensi Rankine.
a. Menurut D’Aubuisson
Menurut D’Aubuisson, perhitungan efisiensi pompa hidram berpatokan
pada klep buang untuk digunakan sebagai datum. Efisiensi D’Aubuission dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan :
ƞ=
� (�+ℎ)
(�+�)�
................................................................................... (3)
Dimana:
Ƞ = efisiensi pompa hidram (%)
q = debit hasil, (m3/s)
Q = debit limbah, (m3/s)
h = head keluar, (m)
22
Universitas Sumatera Utara
H = head masuk, (m)
(Michael and Kheepar,1997).
b. Menurut Rankine
Efisiensi menurut Rankinemerupakan perbandingan antara selisih tinggi
tekan isap dan sisi buang dikali kapasitas pengisapan, dengan tinggi tekan isap
dikalikan kapasitas air yang dipindahkan. Efisiensi Rankine dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Ƞ=
�ℎ
��
.................................................................................................... (4)
Dimana:
Ƞ = efisiensi pompa hidram
q = debit hasil, (m3/s)
Q = debit limbah, (m3/s)
h = head keluar, (m)
H = head masuk, (m)
(Michael dan Kheepar,1997)
Selain menggunakan rumus / persamaan efisiensi menurut metode
D’Aubuission dan Rankine, efisiensi pompa hidram dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan :
Ƞ=
Dimana :
Ƞ
����
���
....................................................................................... (5)
= efisiensi pompa hidram (%)
Qout = debit air yang keluar / dihasilkan (liter / menit)
Qin = debit air yang masuk (liter / menit)
(Suroso, dkk., 2012).
23
Universitas Sumatera Utara
Dasar Perencanaan Pompa
Dalam perancangan pompa untuk memindahkan fluida dari suatu tempat
ke tempat yang lain dengan head tertentu diperlukan beberapa syarat utama, yaitu:
a. Kapasitas
Kapasitas pompa adalah jumlah fluida yang dialirkan oleh pompa
persatuan waktu. Kapasitas pompa ini tergantung pada kebutuhan yang harus
dipenuhi sesuai dengan fungsi pompa yang direncanakan.
b. 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 3 bentuk, yaitu :
1. Head Potensial
Didasarkan pada ketinggian fluida di atas bidang banding (datum plane).
Jadi suatu kolom air setinggi Z mengandung sejumlah energi yangdisebabkan oleh
posisinya atau disebut fluida mempunyai head sebesar Zkolom air.
2. Head Kecepatan
Head kecepatan atau head kinetik yaitu suatu ukuran energi kinetik yang
dikandung fluida yang disebabkan oleh kecepatannya.
3. 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 mayordan head minor) (Suroso, dkk., 2012).
24
Universitas Sumatera Utara
Sifat Zat Cair
Sifat-sifat fluida kerja sangat penting untuk diketahui sebelum
perencanaan pompa. Pada perencanaan pompa ini, temperatur air dianggap sama
dengan temperatur di dalam kamar / ruangan.
Aliran Fluida
Dalam suatu aliran yang melewati sistem atau instalasi pipa maka terjadi
suatu hambatan aliran, hambatan tersebut disebabkan oleh faktor-faktor bentuk
instalasi. Hambatan tersebut dapat menyebabkan turunnya energi dari fluida
tersebut yang sering disebut dengan kerugian tinggi tekanan (head loss) atau
penurunan tekanan (pressure drop) yang disebabkan oleh pengaruh gesekan fluida
(friction losses) dan perubahan pola aliran terjadi karena fluida harus mengikuti
bentuk dari dindingnya (Munson, dkk., 2004).
Energi dan Head
Energi pada umumnya didefinisikan 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 :
Ep = W . z ..................................................................................... (6)
25
Universitas Sumatera Utara
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
EK = m.v 2 .................................................................................... (7)
2
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 ................................................................................ (8)
Dimana :
Ef= energi tekanan (J)
p = tekanan yang dialami oleh fluida (N/m2)
A = luas penampang aliran (m2)
L = panjang pipa (m)
(Sitompul, 2013).
26
Universitas Sumatera Utara