BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Hidrodinamika 2.1.1 Definisi Hidrodinamika Hidrodinamika merupakan salah satu cabang ilmu yang berhubungan dengan gerak liquid atau lebih dikhususkan pada gerak air. Skala atau lingkup analisis ilmu ini adalah pada gerak partikelir air atau dapat disebut dalam skala makroskopik. Skala makroskopik disini memiliki maksud air tersusun dari partikel-partikel fluida. Karena berhubungan dengan perlakuan fisis dari persamaan-persamaan dasar fluida kontinyu berbasis hukum-hukum newton. Jadi objek yang dijadikan bahan analisa merupakan fluida newton. 2.1.2 Momentum Aliran Pipa Zat cair yang bergerak dapat menimbulkan gaya yang dapat menggerakkan katup pada pompa hidram. Demikian juga zat cair yang mengalir pada belokan pipa juga bisa menimbulkan gaya yang bekerja pada belokan tersebut. Gaya pada aliran pipa dapat dijelaskan dengan persamaan momentum yang didefinisikan sebagai perkalian antara massa (M) dan kecepatan (v). Momentum = m . v
(2.1)
Menurut hukum Newton II, perubahan momentum dapat menyebabkan terjadinya gaya, yang sebanding dengan laju perubahan momentum.Gaya yang terjadi karena adanya gerak zat cair disebut dengan gaya dinamis dan merupakan
5 Universitas Sumatera Utara
gaya tambahan pada gaya tekanan hdrostatis. Momentum melalui tabung aliran dalam satu satuan waktu adalah : ∆Momentum = ∆m .v = ρ.v. A.v = ρ.v2. A
(2.2)
∆Momentum = ρ.Q.v
(2.3)
dengan : ρ = rapat massa zat cair v = kecepatan aliran A = tampang aliran t = waktu dm = laju perubahan massa A = perubahan tampang Q = debit aliran
2.2 Benturan air (water hammer) Gejala ini terjadi bila suatu aliran zat cair di dalam pipa dengan tiba-tiba dihentikan, misalnya dengan menutup katup secara sangat cepat. Disini seolaholah zat cair membentur katup sehingga menimbulkan tekanan yang melonjak dan diikuti fluktuasi tekanan di sepanjang pipa untuk beberapa saat. Pada pipa yang dihubungkan dengan pompa gejala benturan air ini juga dapat terjadi. Misalnya, bila sebuah pompa yang sedang bekerja tiba-tiba mati (karena dimatikan atau karena listrik padam) maka aliran akan terhalang impeller sehingga mengalami perlambatan yang mendadak. Di sini terjadi onjakan tekanan pada pompa dan pipa seperti peristiwa penutupan katup secara tiba-tiba. Lonjakan
6 Universitas Sumatera Utara
tekanan juga dapat terjadi jka pompa dijalankan dengan tiba-tiba atau katup dibuka secara cepat. Besarnya lonjakan atau jatuhnya tekanan karena benturan air, tergantung pada laju perubahan kecepatan aliran. Dalam hal katup, tergantung pada kecepatan penutupan atau pembukaan katup, dan dalam hal pompa, tergantung pada cara menjalankan dan menghentikan pompa. Selain itu, panjang pipa, kecepatan aliran air dan karakteristik pompa merupakan factor –faktor
yang
sangat menetukan besarnya lonjakan atau jatuhnya tekanan karena benturan air. Gejala palu air (water hammer) yang terjadi karena aliran dalam pipa dengan kecepatan (V). secara tiba tiba dihentikan akan menyebabkan terhentinya aliran air sehingga kecepatan (V2) menjadi nol maka timbul gaya F sebesar :
=
=
∆
∆
(2.4a)
Karena kecepatan berkurang menjadi nol, maka:
=
∆
=
(–
)
(2.4b)
∆
Tanda negatif berarti arah gaya berlawanan dengan arah aliran. Bila panjang kolom air yang terhenti adalah L dengan luas penampang A dan massa jenis air ρ Tekanan kolom air yang terhenti selama waktu ∆t maka : = =
∆
=
∆
(2.5)
dengan : F = gaya fluida yang mengalir, N
7 Universitas Sumatera Utara
m = massa fluida yang mengalir, kg = m=ρAL a = percepatan fluida yang mengalir, m/s² = dv/dt ρ = massa jenis fluida, untuk air = 1000 , kg/m³ A = luas penampang pipa masuk, m² L = panjang pipa masuk, m
Watt 1981 berpendapat bahwa pada sistem pemompaan pompa hidram, gejala water hammer ini terjadi karena air yang mengalir dalam pipa dengan kecepatan v masuk ke dalam sistem pompa kemudian naik ke klep buang (waste valve) sehingga terjadi penutupan tiba tiba dan menyebabkan timbulnya tekanan yang cukup besar dalam badan pompa. 2.3 Hidraulik Ram 2.3.1 Definisi Hidraulik ram Hidraulik ram merupakan suatu alat yang digunakan untuk menaikan air dari tempat rendah ke tempat yang lebih tinggi secara automatic dengan energy yang berasal dari air itu sendiri. Alat ini sangat efektif untuk digunakan pada daerah pedalaman. Dalam kerjanya alat ini, tekanan dinamik air yang ditimbulkan memungkinkan air mengalir dari tinggi vertical (head) yang rendah, ke tempat yang lebih tinggi. Dalam operasinya, alat ini mempunyai keuntungan dibandingkan dengan jenis pompa lainnya, antara lain; tidak memerlukan sumber tenaga tambahan, biaya operasional murah, tidak memerlukan pelumasan, hanya mempunyai dua
8 Universitas Sumatera Utara
bagian yang bergerak sehingga memperkecil terjadinya keausan, perawatannya sederhana dan dapat bekerja dengan efisien pada kondisi yang sesuai. 2.3.2 Bagian – bagian pompa hidram 1. Waste valve (Klep Buang) Klep buang merupakan salah satu bagian penting dari hidraulik ram, dan harus dirancang dengan baik sehingga berat dan gerakkannya dapat disesuaikan. Klep buang dengan tegangan yang berat dan jarak antar lubang klep dengan karet klep cukup jauh, memungkinkan kecepatan aliran air dalam pipa pemasukan lebih besar sehingga pada saat klep buang menutup, terjadi energy tekanan yang besar dan menimbulkan gejala water hammer. Klep buang yang ringan dan gerakkkannya pendek akan memberikan pukulan atau denyutan yang lebih cepat dan menyebabkan hasil pemompaan lebih besar pada jarak pemompaan yang rendah. Penelitian mengenai bentuk terbaik dari klep buang masih kurang, tetapi pada saat ini jenis klep buang sederhana nampaknya bekerja cukup baik.
2. Delivery valve (Klep Masuk) Klep
masuk
harus
mempunyai
lubang
yang
besar,
sehingga
memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa hambatan pada aliran. Klep ini dibuat dengan bentuk yang sederhana dan dinamakan klep searah (non return). Klep searah (one direction) ini yang akan mencegah air yang sudah dipompa untuk kembali ke pompa.
9 Universitas Sumatera Utara
3. Air Chamber (Ruang Udara) Ruang udara harus dibuat sebesar mungkin untuk memampatkan udara dan menahan tegangan tekanan (pressure pulse) dari siklus ram, memungkinkan aliran air secara tetap melalui pipa penghantar dan kehilangan tenaga karena gesekan di perkecil. Jika ruang udara penuh denga air, ram akan bergetar keras dan dapat mengakibatkan ruang udara pecah. Jika hal ini terjadi ram harus dihentikan segara. Beberapa ahli menyarankan bahwa volume ruang udara harus sama dengan volume air dalam pipa penghantar. Pada pipa penghantar yang panjang hal ini akan membutuhkan ruang udara yang tidak terlalu besar dan untuk itu sebaiknya dirancang ruang udara dengan ukuran kecil. 4. Delivery pipe (Pipa penghantar) Pipa masuk adalah bagian yang sangat penting dari sebuah pompa hidram. Dimensi pipa masuk juga harus diperhitungkan dengan teliti dan terbuat dari bahan yang kyat agar dapat menahan tekanan
tinggi yang disebabkan
menutupnya katup limbah secara tiba- tiba. Untuk menetukan panjang pipa masuk dapat digunakan beberapa referensi yang telah tersedia berikut ini: 6H < L < 12H
(Eropa dan Amerika Utara)
L = 900 H/(N2*D)
(Rusia)
L = 150 < L/D < 1000
(Calvert)
dengan : L = panjang pipa masuk 10 Universitas Sumatera Utara
H = head supply h = head output D = diameter pipa masuk N = jumlah ketukan per menit Menurut beberapa penelitian yang dilakukan, referensi perhitungan Calvert memiliki hasil yang lebih bagus. (Ahmad Nur, 2010) 2.3.3 Prinsip kerja Pompa Hidram Energi yang dibutuhkan untuk mengangkat air berasal dari air yang jatuh menurun akibat gravitasi. Seperti beberapa peerangkat bertenaga air lain, namun tidak seperti turbin air, hidram menggunakan kelembaman bagian yang bergerak bukan dari tekanan air dan beroperasi pada 4 siklus, seperti berikut:
Siklus I Klep buang terbuka dan air dari reservoir mengalir melalui pipa masukan A ke badan pompa, mengisi badan pompa tersebut dan sebagian akan keluar melalui klep buang B. Posisi klep masuk C masih tertutup. Pada kondisi awal seperti ini tidak ada tekanan dalam tabung udara dan belum ada air yang keluar dari pipa outlet E.
11 Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.1. Ilustrasi Siklus 1 (Shuaibu N. Muhammad, 2007) Siklus II Air telah memenuhi badan hidram, ketika air telah mencapai nilai yang sesuai, katup limbah mulai menutup. Pada pompa hidram yang baik, prosses menutupnya limbah terjadi sangat cepat.
Gambar 2.2 Ilustrasi Siklus 2 (Shuaibu N. Muhammad, 2007)
12 Universitas Sumatera Utara
Siklus III Air akan berhenti mengalir secara mendadak sebagai gelombang kejut akibat adanya water hammer dan membuat aliran balik ke reservoir melalui pipa hantar A. klep buang B tertutup. Volume udara dalam tabung udara berfungsi meratakan perubahan tekanan yang drastis dalam hydraulic ram melalui katup penghantar dan denyut tekanan di dalam tabung yang kembali lagi ke pompa akan menyebabkan hisapan dan tertutupnya katup penghantar yang merupakan katup searah yang menghalangi kembalinya air ke dalam pompa, sehingga air dalam tabung tersebut akan tertekan keluar melalui pipa penghantar (outlet) E yang mengalirkan air ke atas.
Gambar 2.3 Ilustrasi Siklus 3 (Shuaibu N. Muhammad, 2007)
Siklus IV Gelombang kejut tersebut akan menjadi arus balik kearah reservoir dan ini berarti terjadi penurunan tekanan pada sistem pompa sehingga klep masuk C 13 Universitas Sumatera Utara
tertutup kembali sedangkan klep buang B terbuka. Akibat berkurangnya gelombang tekanan tersebut, arus air dari reservoir mengalir menuju pompa melalui pipa hantar A. Klep masuk C tertutup sampai volume udara dalam tangki udara stabil dan air berhenti mengalir keluar dari pipa hantar E. Pada titik ini siklus I dimulai lagi dan begitu seterusnya.
Gambar 2.4 Ilustrasi Siklus 4 (Shuaibu N. Muhammad, 2007)
2.4 Persamaan Energi pada pompa hidram 2.4.1. Energi yang dibangkitkan pada pompa hidram Energi yang dibutuhkan pada pompa hidram berasal dari fluida itu sendiri. Air yang mengalir melalui pipa masuk pada ketinggian H mengalami percepatan. Untuk lebih jelas dapat dilihat gambar berikut :
14 Universitas Sumatera Utara
Tinggi hantar ±7 m
Tinggi jatuh 1,5 m
Panjang pipa hantar 10 m
Gambar 2.5 Skema instalasi pompa hidram Untuk menghitung besarnya energy yang dibangkitkan pada pompa hidram, ditinjau kondisi di masing-masing titik saat awal pengoperasian pompa hidram, dimana pada kondisi demikian air yang masuk ke badan
hidram
langsung keluar melalui klep buang dengan kecepatan t ertentu (V3), dan tekanan di titik 3, P3 akan sama dengan atmosfer (= 0) karena klep buang dalam keadaan terbuka penuh. Kecepatan v3 dapat dihitung dengan menggunakan persamaan kontinuitas dimana harga debit Q bernilai konstan, sehingga: Q = v3 x Awaste
(2.6)
dengan: Q
= debit air yang keluar melalui katup limbah, m3/s
v3
= kecepatan air di titik 3 (yang melalui katup limbah), m/s
Awaste
= luas penampang lubang katup limbah, m2
15 Universitas Sumatera Utara
Setelah nilai v3 didapatkan, maka kita dapat menghitung energy yang dibangkitkan hidram, dengan rumus : E=½ m
(2.7)
dengan: E
= energi hidram, J
m
= massa fluida yang mengalir, kg = massa fluida yang mengalir melalui pipa masuk = ρAL
v3
= kecepatan massa fluida yang mengalir, m/s
L
= panjang pipa masuk, m
A
= luas penampang pipa masuk, m²
ρ
= massa jenis air (= 1000) , kg/m³
2.4.2. Efisiensi Pompa Hidram Efisiensi pompa hidram dihitung dengan menggunakan persamaan dari D’Aubuisson, yaitu :
ɳ = (
)
(2.8)
dengan : ηA = efisiensi hidram menurut D’Aubuisson q = debit hasil, m3/s Q = debit limbah, m3/s h = head keluar, m H = head masuk, m
16 Universitas Sumatera Utara
