PENGUJIAN PENGARUH VARIASI BEBAN KATUP LIMBAH DAN VARIASI VOLUME TABUNG UDARA DENGAN HEAD
PENGUJIAN PENGARUH VARIASI BEBAN KATUP LIMBAH DAN VARIASI VOLUME TABUNG UDARA DENGAN HEAD
SUPPLY 2,3 METER TERHADAP PERFORMANSI POMPA
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
UCCOK PRANS SINAGA NIM. 080401092 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2013
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul
“PENGUJIAN PENGARUH VARIASI BEBAN KATUP LIMBAH DAN
VARIASI VOLUME TABUNG UDARA DENGAN HEAD SUPPLY 2,3 METER TERHADAP PERFORMANSI 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. Mulfi Hazwi M.Sc selaku Dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan juga sebagai dosen pembanding yang telah memberikan saran dan masukan dalam penyelesaian skripsi ini.
3. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara dan juga sebagai dosen pembanding yang telah memberikan saran dan masukan dalam penyelesaian skripsi ini.
4. Bapak Ir. Zamanhuri, MT selaku dosen wali.
5. Orang tua penulis K Sinaga dan E Silalahi yang memberikan dukungan moril dan materil serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
7. Teman satu team skripsi Herto M Marbun dan Fransciscus M Sitompul.
8. Teman teman lain yaitu seluruh rekan mahasiswa angkatan 2008 , para abang dan kakak senior, serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.
9. Teman-teman turbin angin, pelton, dan vortex.
10. Team HORAS yang telah menyediakan peralatan demi kelancaran skripsi ini
11. Kepada pihak-pihak lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu.
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam skripsi ini yang terjadi diluar kesengajaan kami. Penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membutuhkannya.
Medan, 24 Juli 2013 Uccok Prans Sinaga ABSTRAK Telah dirancang sebuah pompa hidram yang menggunakan energi potensial air sebagai penggeraknya. Dalam perancangan pompa hidram yang penulis lakukan, menggunakan variasi beban katup limbah dengan beban 0,353 kg, 0,388 kg, 0,424 kg dan variasi volume tabung udara dengan volume 0,0061
3
3
3
m , 0,0082 m , 0,0102 m . Tinggi head supply 2,3 m dan panjang pipa pemasukan 15 m. Kemudian dilakukan pengujian pengaruh variasi beban katup limbah dan variasi volume tabung udara dengan head supply 2,3 meter terhadap performansi pompa hidram. Dari perhitungan didapat kapasitas pompa maksimum sebesar
3
3
0.000085 m /s pada volume tabung 0,0061 m dengan beban katup limbah 0,424 kg. Efisiensi maksimum pompa hidram sebesar 46,59 % pada volume tabung
3 0,0061 m dengan beban katup limbah 0424 kg.
Kata kunci : Pompa hidram, beban katup limbah, tabung udara dan efisiensi.
ABSTRACT A hydraulic ram pump has been designed using potential energy of water as movement. In the design of the hidraulic ram which is writer do , using variation weight of waste valve 0,353 kg, 0,388 kg, 0,424 kg and variation of
3
3
3 volume an air chamber 0,0061 m , 0,0082 m , 0,0102 m . Height of head supply 2,3 m and length of inlet pipe 15 m. From calculation in earning maximum pump
3
3
capacity 0.000085 m /s at an air chamber with volume 0,0061 m and weight of
waste valve 0,0424 kg. Maximum efficiency of hydraulic ram pump 46,59% at an3 air chamber with volume 0,0061 m and weight of waste valve 0,424 kg.
Keyword: Hydraulic ram, weight of waste valve, air chamber, efficiency
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR............................................................................................i ABSTRAK ............................................................................................................iii DAFTAR ISI ............................................................................................................ .v
DAFTAR GAMBAR.............................................................................................ix
DAFTAR TABEL......................................................................................... .xii DAFTAR SIMBOL............................................................................................xiv BAB I PENDAHULUAN1.1 Latar Belakang ......................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah................................................................................3
1.3 Tujuan Penelitian....................................................................................3
1.4 Batasan Masalah.....................................................................................3
1.5 Manfaat Penelitian..................................................................................4
1.6 Sistematika Penulisan ............................................................................4
BAB II TINJAUAN PUSATAKA
2.1 Pompa.....................................................................................................6
2.2 Pompa Hidram.......................................................................................7
2.2.1 Komponen Utama Pompa Hidram dan Fungsinya........................9
2.2.2 Sistem Operasi Pompa Hidram...................................................12
2.3 Fluida....................................................................................................18
2.4 Tinjauan Mekanika Fluida...................................................................18
2.4.1 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida......................................19
2.4.2 Tekanan Pada Fluida...................................................................20
2.4.3 Gerak Fluida dan Laju Aliran.....................................................21
2.4.4 Energi dan Head..........................................................................22
2.4.5 Persamaan Bernouli....................................................................24
2.4.6 Aliran Laminar dan Turbulen......................................................25
2.4.7 Kerugian Head (Head Losses)....................................................26
2.4.8 Persamaan Empiris untuk Aliran didalam Pipa..........................30
2.5 Dasar Perencanaan pompa...................................................................33
2.5.1 Kapasitas.....................................................................................33
2.5.2 Head Pompa................................................................................33
2.5.3 Sifat Zat Cair...............................................................................34
2.6 Persamaan Energi pada Pompa Hidram...............................................34
2.6.1 Energi Yang Dibangkitkan pada Pompa Hidram........................34
2.6.2 Peningkatan Tekanan pada Pompa Hidram Akibat Peristiwa Palu Air......................................................................................38
2.6.3 Efisiensi Pompa Hidram.............................................................39
2.7 Analisa Ketidakpastian........................................................................40
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Peralatan Pengujian..............................................................................42
3.2 Alat Ukur yang digunakan...................................................................50
3.2.1 Manometer..................................................................................50
3.2.2 Alat Ukur Debit Aliran...............................................................51
3.2.3 Alat Ukur Waktu.........................................................................53
3.2.4 Alat Ukur Jarak...........................................................................53
3.2.5 Timbangan Digital......................................................................54
3.3 Skema Penelitian..................................................................................55
3.4 Variabel yang Diamati.........................................................................57
3.5 Langkah Penelitian...............................................................................58
3.6 Prosedur Pengujian...............................................................................59
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
4.1 Perhitungan Aliran Air pada Pompa Hidram......................................62
4.1.1 Kapasitas Aktual pada Pipa pemasukan......................................62
4.1.2 Kecepatan Aliran pada Pipa Pemasukan.....................................63
4.1.3 Kapasitas Aliran pada Pipa Discharge........................................65 4.1.4 kecepatan Aliran pada Pipa Discharge.......................................67
4.2 Faktor Kerugian...................................................................................68
4.2.1 Kerugian Head Mayor dalam Pipa Pemasukan...........................68
4.2.2 Kerugian Head Minor pada Pipa Pemasukan..............................71
4.2.3 Kerugian Head Mayor dalam Pipa Discharge............................73
4.2.4 Kerugian Head Minor pada Pipa Discharge...............................76
4.3 Menghitung Energi yang Dibangkitkan oleh Pompa Hidram Akibat Palu Air....................................................................................78
4.4 Menghitung Peningkatan Tekanan Akibat Palu Air............................80
4.5 Menghitung Daya Pomoa.....................................................................82
4.6 Efisiensi Pompa Hidram......................................................................83
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan..........................................................................................89
5.2 Saran.....................................................................................................90
DAFTAR PUSTAKA..........................................................................................91 LAMPIRAN A Hasil percobaan dan ketidakpastian B Data hasil pengujian C Lampiran sifat fisik air dan faktor kelengkpan pipa
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Perbandingan tinggi tekanan input dan tekanan output. .................. 8Gambar 2.2. Korelasi antara debit input dan debit output pompa hidram. ........... 9Gambar 2.3. Jenis-jenis desain katup limbah ....................................................... 9Gambar 2.4. Bagian – bagian katup limbah. ...................................................... 10Gambar 2.5. Perubahan kecepatan terhadap waktu pada pipa masuk. ...................... 13Gambar 2.6 Skema pompa hidram pada kondisi A ............................................ 13Gambar 2.7. Skema pompa hidram pada kondisi B ........................................... 14Gambar 2.8. Skema pompa hidram pada kondisi C ............................................ 15Gambar 2.9. Skema pompa hidram pada kondisi D ............................................ 15Gambar 2.10. Diagram satu siklus pompa hidram ............................................. 17Gambar 2.11. Profil kecepatan pada saluran tertutup……………………………...19Gambar 2.12. Profil kecepatan pada saluran terbuka……………………………...19 Gambar 2. 13 Aliran fluida melalui pipa yang diameternya berubah-ubah……..21Gambar 2.14 Ilustrasi persamaan Bernoulli...………….……………………………25Gambar 2.15 Diagram Moody………………………………………………………….27Gambar 2.16 Skema instalasi pompa hidram……………………………………..….35Gambar 3.1 Prototype pompa hidram ................................................................ 42Gambar 3.2 Badan pompa ................................................................................ 42Gambar 3.3 Katup limbah .................................................................................. 43Gambar 3.4 Beban katup limbah...........................................................................44Gambar 3.5 Badan katup limbah ....................................................................... 44Gambar 3.6 As Katup limbah ............................................................................. 45Gambar 3.7 O - Ring ......................................................................................... 45Gambar 3.8 Plat katup ....................................................................................... 46Gambar 3.9 Mur ................................................................................................ 46Gambar 3.10 Katup hantar ................................................................................ 47Gambar 3.11 Tabung udara ............................................................................... 47Gambar 3.12 Bak penyuplai ............................................................................... 48Gambar 3.13 Bak penampung ............................................................................ 48Gambar 3.14 Pompa sirkulasi ............................................................................ 49Gambar 3.15 Landasan pompa .......................................................................... 50Gambar 3.16 manometer ................................................................................... 51Gambar 3.17 flow meter 2 inch ......................................................................... 51Gambar 3.18 flow meter 1 inch .......................................................................... 52Gambar 3.19 Stopwatch ..................................................................................... 53Gambar 3.20 Meteran ukur ............................................................................... 53Gambar 3.21 Mistar ukur .................................................................................. 54Gambar 3.22 Timbangan digital……………………………………………………….54Gambar 3.23 Skema penelitian pompa hidram ................................................... 56Gambar 3.24 Susunan alat ukur ......................................................................... 58Gambar 3.25 Flowchart proses pengerjaan tugas akhir ..................................... 61Gambar 4.1 Grafik kapasitas aliran pipa pemasukan vs beban katup limbah…..63Gambar 4.2 Grafik kecepatan aliran pipa pemasukan vs beban katup limbah .... 65Gambar 4.3 Grafik kapasitas pipa discharge vs beban katup limbah.................. 66Gambar 4.4 Grafik kecepatan aliran pipa discharge vs beban katup limbah ...... 68Gambar 4.5 Grafik energi vs beban katup limbah .............................................. 79Gambar 4.6 Grafik kenaikan tekanan secara gradual vs beban katup limbah ..... 81Gambar 4.7 Daya pompa vs beban katup limbah ............................................... 83Gambar 4.8. Instalasi Pompa Hidram menurut D’Aubuisson ............................. 84Gambar 4.9. Grafik efisiensi D’Aubuisson vs beban katup limbah ..................... 85Gambar 4.10. Instalasi Pompa Hidram menurut Rankine .................................. 86Gambar 4.11 Grafik efisiensi Rankine vs beban katup limbah ............................ 87
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Nilai kekasaran dinding untuk berbagai pipa komersil………………..27Tabel 2.2 Koefisien kekasaran pipa Hazen - Williams…………………….…….31Tabel 4.1 Kapasitas aliran pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara……………………………………………….62
Tabel 4.2 Kecepatan aliran pada pipa pemasukan untuk variasi beban katuplimbah dan volume tabung udara...……………………………………64
Tabel 4.3 Kapasitas aliran pada pipa discharge untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara...……………………………………………66
Tabel 4.4 Kecepatan aliran pada pipa discharge untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara...........………………………………………67
Tabel 4.5 Bilangan Re pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara……...........……………………………........69
Tabel 4.6 Faktor gesekan pada pipa pemasukan untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara..……………………………………………70
Tabel 4.7 Head losses mayor pada pipa pemasukan untuk variasi beban katuplimbah dan volume tabung udara….....………………....………………...71
Tabel 4.8 Koefisien kerugian untuk pipa pemasukan............................................72Tabel 4.9 Head losses minor pada pipa pemasukan untuk variasi beban katuplimbah dan volume tabung udara……………….........……………….73
Tabel 4.10 Bilangan Re pada pipa discharge untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara….....………………………………………..74
Tabel 4.11 Head delivery pada pipa discharge untuk variasi beban katuplimbah dan volume tabung udara…….……………………...…………...75
Tabel 4.12 Head losses mayor pada pipa discharge untuk variasi beban katuplimbah dan volume tabung udara .............……………………….………76
Tabel 4.13 Koefisien kerugian untuk pipa discharge.…………………………...77Tabel 4.14 Head losses minor pada pipa discharge untuk variasi beban katuplimbah dan volume tabung udara ………………………………......77
Tabel 4.15 Besar energi untuk variasi beban katup limbah dan volume tabungudara………………………………………............................……...79
Tabel 4.16 Besar Δh untuk variasi beban katup limbah dan volume tabungudara…….............................................................................................81
Tabel 4.17 Besar daya pompa untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara… ……………………………………….82
Tabel 4.18 Efisiensi menurut D’ Aubuisson untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara………...................……………………….84
Tabel 4.19 Efisiensi menurut Rankine untuk variasi beban katup limbahdan volume tabung udara………………........………………………86
DAFTAR SIMBOL Simbol Arti Satuan
2
a percepatan fluida yang mengalir m/s
2 A Luas penampang pipa masuk m
2 A Luas penampang katup limbah m w
K Koefisien kekasaran pipa Hazen-Williams
1
d Diameter pipa masuk m
2
d Diameter pipa discharge m E Energi hidram
Joule E k Energi kinetik dalam aliran pipa masuk Joule
p
E Energi potensial Joule
9 v
E Modulus bulk untuk air 2,07 x 10 N/m² f Faktor gesekan bahan pipa
F Gaya fluida yang mengalir N
2
g Percepatan gravitasi 9.81 m/s H L Head losses m
f
h Kerugian head mayor m
m
h Kerugian head minor m H Head supply m h Head Pemompaan m
Hd Head delivery m
L Panjang pipa m m Massa air yang mengalir dalam pipa kg
N Jumlah ketukan P Daya pompa
Watt
P Tekanan statis fluida bar
P Tekanan pada tiitk 0 (tekanan atmosfer) bar P
2 Tekanan pada tabung udara bar
P
3 Tekanan pada pipa discharge bar
3
1 Q Kapasitas aktual pipa pemasukan m /s
3
2 Q Kapasitas pipa discharge m /s
3 Q 3 d ebit air yang keluar melalui katup limbah m /s
3 w
Q m /s
d ebit air yang keluar melalui katup limbah
Re Bilangan Reynold m S Panjang langkah katup limbah m t Waktu penutupan katup limbah S
2 v Viskositas kinematik fluida m /s
3 V Volume air
m
3
1 V Volume tabung udara 1 m
3 V
2 Volume tabung udara 2 m
3 V
3 Volume tabung udara 3 m
v Kecepatan aliran pada titik 0 m/s
1
v Kecepatan aliran sebelum katup menutup m/s v
2 Kecepatan aliran sesudah katup menutup m/s
v
3 Kecepatan aliran pada katup buang m/s
Z Ketinggian titik 0 dari datum m Z
3 ketinggian titik 3 dari datum m
Kekasaran pipa
3 Berat jenis air
KN/m
3 Massa jenis air
Kg/m
2 Viskositas dinamis fluida N s/m
efisiensi hidram menurut D’Aubuisson % efisiensi hidram menurut Rankine %
ΔHp Kenaikan head tekanan m Δh Kenaikan tekanan akibat palu air m