TUGAS AKHIR
LAPORAN TUGAS AKHIR ANALISA POMPA PISTON PADA KINCIR ANGIN MB 12-7
Diajukan untuk memenuhi syarat kelulusan Program Strata Satu ( S1 ) pada jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana
Disusun oleh :
NAMA
: KASMURI
NIM
: 41305110015
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009
FAKULTAS TEKNIK-UMB
i
TUGAS AKHIR
KATA PENGANTAR
Bismillahirrohmanirrohim. Segala puji syukur ke hadirat Allah SWT atas segala rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis bisa menyelesaikan Tugas Akhir ini . Sholawat dan salam untuk Nabi Besar Muhammad SAW beserta keluarga, sahabat, dan kepada kita umatnya Amien… Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu dalam kesempatan yang baik ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar – besarnya kepada Bapak Dr. Ir.H. Abdul Hamid, M.Eng, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan, arahan dan petunjuk dalam penyusunan Tugas Akhir ini. Selain itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ir.Yenon Orsa, selaku Ketua PKK Mercu Buana Jakarta 2. Segenap dosen dan Civitas Academik Universitas Mercu Buana Jakarta 3. Orang tua beserta kakak dan adikku tercinta 4. Istriku tercinta yang selalu memberikan support hingga Tugas Akhir ini selesai. 5. Sobat – sobat Angkatan VII Universitas Mercu Buana Jakarta. 6.
Semua pihak yang telah terlibat dan membantu dalam segala hal.
Semoga Allah SWT membalas kebaikan semua pihak yang telah membantu penyusunan Tugas Akhir ini.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
ii
TUGAS AKHIR
Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tugas Akhir ini belum sempurna dan masih banyak kekurangan. Untuk itu penulis dengan senang hati membuka diri untuk menerima saran dan kritik yang membangun untuk perbaikan di masa yang akan datang.. Akhirnya penulis berharap semoga Tugas Akhir ini bermanfaat, khususnya bagi penulis dan semua pihak yang membacanya. Amin. Alhamdulillahirabbil’alamin
Jakarta, Agustus 2009 Penyusun
( Kasmuri )
FAKULTAS TEKNIK-UMB
iii
TUGAS AKHIR
ABSTRAK
Kincir angin merupakan salah satu energi alternative dengan pemanfaatan energi angin, yang dapat diaplikasikan untuk berbagai kebutuhan, diantaranya adalah di gunakan untuk mengangkat air dengan menggunakan pompa piston. Pompa piston merupakan jenis dari displacement pump. Prinsip kerja Pompa piston yaitu energi mekanik dari penggerak pompa diubah menjadi energi aliran dari cairan yang dipompa dengan menggunakan piston. Pompa piston mempunyai tekanan yang tinggi sehingga mampu melayani sistem dengan head yang tinggi, memilki efisiensi tinggi sekitar 90 %, Namun kapasitas pompa ini rendah, alirannya tidak kontinyu dan tidak tetap. Tekanan yang dihasilkan tidak tergantung pada kapasitas tetapi tergantung pada daya penggerak ( kincir angin ) dan kekuatan material. Pompa piston dengan penggerak kincir angin MB 12-7, memanfaatkan kecepatan angin yang ada di daerah Meruya mampu menghasilkan daya pompa ( Dp ) sebesar 157.78 Watt dengan Head total pompa ( H ) 5.0183 m yang telah diperhitungkan dari beberapa kerugian yang ada . Dari daya yang dihasilkan ini, maka pompa mampu mengangkat air dengan kapasitas aliran sebesar 0.0029 m3/s. Dalam setiap satu kali langkah kerja piston , pompa ini mampu menghasilkan air sebesar 4500 cc.
Kata Kunci : Analisa Pompa Piston
FAKULTAS TEKNIK-UMB
iv
TUGAS AKHIR
DAFTAR NOTASI
SIMBOL
KETERANGAN
SATUAN
A
Luas penampang
m2
d
Diameter
m
Ek
Energi kinetik
J
f
Koefisien kerugian gesek
-
g
Percepatan gravitasi
m/s2
H
Head pompa
m
Ha
Head statis
m
Δhp
Perbedaan head tekanan yang bekerja pada kedua permukaan air
m
hf
Head kerugian gesek dalam pipa
m
hfs
Head kerugian gesek pada pipa hisap m
hfd
Head kerugian gesek pada pipa tekan
m
hfb
Koefisien kerugian pada belokan
m
Htot
Head kerugian total
m
hls
Kerugian head di dalam pipa hisap
m
L
Panjang pipa
m
m
Massa udara
kg
Ppump
Daya pompa
Watt
Pkincir angin
Daya kincir
Watt
P
Tekanan
N/m2
FAKULTAS TEKNIK-UMB
v
TUGAS AKHIR
Ps
Tekanan pada sisi hisap
N/m2
Pd
Tekanan pada sisi tekan
N/m2
Q
Debit air
m3/s
R
Bilangan Reynold
-
r
Jari – jari
m
T
Torsi
N.m
t
Tebal
m
V
Volume
m3
v
Kecepatan angin
m/s
v0
Kecepatan angin rancangan
m/s
vs
Kecepatan aliran rata – rata di pipa hisap
m/s
vd
Kecepatan aliran rata – rata di pipa tekan
m/s
vk
Viskositas kinematik zat cair
m2/s
Z
Head potensial
m
Sudut belokan
…o
γ
Berat jenis air
N/m3
ρa
Massa jenis udara
kg/m3
ρw
Massa jenis air
kg/m3
η
Effisiensi
(%)
Ω
Kecepatan sudut
Rad/s
FAKULTAS TEKNIK-UMB
vi
TUGAS AKHIR
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ............................................................................................ i KATA PENGANTAR ......................................................................................... ii ABSTRAK ......................................................................................................... iv DAFTAR NOTASI.............................................................................................. v DAFTAR ISI ..................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR........................................................................................... x DAFTAR TABEL .............................................................................................. xi DAFTAR LAMPIRAN...................................................................................... xii
BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang Masalah....................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah................................................................................ 3 1.3 Batasan Masalah .................................................................................. 4 1.4 Tujuan Penulisan ................................................................................. 4 1.5 Sistematika Penulisan .......................................................................... 4
BAB II LANDASAN TEORI .............................................................................. 6 2.1 Teori Umum Pompa............................................................................. 6 2.2 Klasifikasi Dan Jenis Pompa................................................................ 7 2.2.1 Pompa Sentrifugal .................................................................... 9 2.2.2 Pompa Rotary......................................................................... 10
FAKULTAS TEKNIK-UMB
vii
TUGAS AKHIR
2.2.2.1 Pompa Roda Gigi ....................................................... 10 2.2.2.2 Pompa Lobe ( Lobe Pump )......................................... 12 2.2.2.3 Pompa Baling-Baling .................................................. 12 2.2.3 Pompa Piston.......................................................................... 13 2.2.3.1 Pompa Aksi-Langsung ( Direct-Acting ) ..................... 13 2.2.3.2 Pompa Tenaga ( Power Pump ) ................................... 14 2.3 Theorema Bernoulli............................................................................ 15 2.4 Kavitasi.............................................................................................. 16 2.5 Kapasitas Pompa ................................................................................ 17 2.6 Head................................................................................................... 18 2.6.1 Head Total Pompa .................................................................. 18 2.6.2 Head Kerugian........................................................................ 19 2.6.2.1 Head Kerugian Gesek Dalam Pipa............................ 19 2.6.2.2 Head Kerugian di Instalasi Jalur Pipa ....................... 21 2.7 Daya Pompa....................................................................................... 22
BAB III METODOLOGI PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA.... 23 3.1 Data Dan Analisa Kecepatan Angin.................................................... 23 3.2 Data Spesifikasi Pompa Piston ........................................................... 26 3.2.1 Rumah Pompa ........................................................................ 27 3.2.2 Pipa Bagian Penyalur Tekan Dan Bagian Hisap ...................... 28 3.2.3 Piston Dan Batang Pompa....................................................... 28 3.3 Debit Air Dan Kecepatan Aliran......................................................... 29 3.4 Head Kerugian ................................................................................... 30
FAKULTAS TEKNIK-UMB
viii
TUGAS AKHIR
3.4.1 Head Kerugian Gesek Pada Pipa Hisap ( hfs ) .......................... 30 3.4.2 Head Kerugian Gesek Pada Pipa Tekan ( hfd ) ......................... 31 3.4.3 Koefisien Kerugian Pada Belokan ( hfb ).................................. 32 3.4.4 Head Kerugian Total............................................................... 33 3.5 Head Pompa....................................................................................... 33
BAB IV ANALISA PERHITUNGAN .............................................................. 35 4.1 Daya Kincir Angin ............................................................................. 35 4.2 Daya Pompa....................................................................................... 36 4.3 Daya Yang Dibutuhkan Pompa .......................................................... 38 4.4 Torsi Kincir Angin ............................................................................. 38 4.5 Gaya Yang Bekerja ............................................................................ 40 4.5.1 Gaya Yang Bekerja Pada Piston.............................................. 40 4.5.2 Gaya Yang Bekerja Pada Belokan Pipa................................... 41
BAB V PENUTUP ........................................................................................... 42 5.1 Kesimpulan ........................................................................................ 42 5.2 Saran.................................................................................................. 42
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 46
FAKULTAS TEKNIK-UMB
ix
TUGAS AKHIR
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Klasifikasi dan Jenis Pompa................................................. 7 Gambar 2.2 Kurva Kinerja Pompa Sentrifugal......................................... 9 Gambar 2.3 Karakteristik dan Daya Pompa Roda Gigi Luar.................. 11 Gambar 2.4 Karakteristik dan Daya Pompa Roda Gigi Dalam............... 11 Gambar 2.5 Kurva Kinerja Pompa ........................................................ 13 Gambar 2.6 Performansi Kavitasi Pompa .............................................. 16 Gambar 2.7 Moody Diagram ................................................................ 20 Gambar 2.8 Kerugian Gesek Pada Pipa Lurus ( Rumus Darcy ) ........... 21 Gambar 3.1 Skema Kerja Pompa Piston Untuk Kincir Angin ................ 27 Gambar 3.2 Koefisien Kerugian Gesek Pada Pipa Belokan ................... 32 Gambar 4.1 Skema Pompa Piston Yang Dihubungkan Kincir Angin ..... 36 Gambar 4.2 Karakteristik Kincir Angin Dengan Torsi ( T ) dan Kecepatan Sudut ( Ω ) Yang Berbeda.................................................. 39
FAKULTAS TEKNIK-UMB
x
TUGAS AKHIR
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Cadangan Energi Fosil ............................................................ 1 Tabel 1.2 Potensi Energi Terbarukan di Indonesia 2004 .......................... 3
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xi
TUGAS AKHIR
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Data Kecepatan Angin Tahun 2008 (Januari – Desember). . 44 Lampiran 2 Data Sifat – Sifat Fisik Air ................................................ 45
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xii
TUGAS AKHIR
BAB I PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG MASALAH Meningkatnya krisis energi dunia, yang menimpa di beberapa negara , khususnya Indonesia menjadikan ketertarikan akan sumber daya energi alternatif meningkat. Sedangkan energi fosil yang selama ini merupakan sumber energi utama, ketersediaaanya sangat terbatas dan terus mengalami penipisan. Dan memerlukan waktu yang sangat lama bagi proses alam untuk dapat kembali menyediakan energi fosil tersebut.
Tabel 1.1 Cadangan Energi Fosil ( Sumber: DESDM, WEC )
Jenis Energi Fosil Minyak Bumi Gas Batubara
Cadangan/Produksi Indonesia Dunia 18 tahun 40 tahun 61 tahun 60 tahun 147 tahun 200 tahun
Menurut Blueprint Pengelolaan Energi Nasional yang dikeluarkan oleh Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral ( DESDM ) pada tahun 2005, dalam kurun waktu 18 tahun dengan ratio cadangan/produksi pada tahun tersebut.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xiii 1
TUGAS AKHIR
Sedangakan gas diperkirakan akan habis dalam kurun waktu 61 tahun dan batubara 147 tahun. Berbagai upaya dilakukan untuk mencari sumber energi alternatif selain energi fosil yang dikenal sekarang dengan istilah energi terbarukan. Energi terbarukan merupakan energi dapat dengan cepat diproduksi kembali melalui proses alam. Energi ini meliputi : energi air, panas bumi, matahari, angin, biogas, bio mass serta gelombang laut. Beberapa kelebihan energi terbarukan antara lain : Sumbernya relatif mudah didapat; gratis, minim limbah, tidak mempengaruhi suhu bumi secara global, dan tentunya tidak terpengaruh oleh kenaikan bahan bakar ( Jarass, 1980 ). Pertimbangan konservasi energi dan lingkungan hidup memang menuntut kita untuk segera dapat memanfaatkan energi terbarukan yang tersedia dengan mudah dan lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan energi fosil. Tetapi seperti kita ketahui, khususnya di Indonesia, pemanfaatan potensi energi terbarukan seperti air, angin, biomass, panas bumi, surya dan laut, sampai saat ini masih belum optimal ( lihat Tabel 2 ). Misalnya, untuk kasus energi angin, sampai dengan tahun 2004, kapasitas terpasang dari pemanfaatan tenaga angin hanya mencapai 0.5 MW dari 9.29 GW potensi yang ada. Hal itu terutama karena beberapa hal kendala seperti di bawah ini : 1. Sering dianggap belum kompetitif dibandingkan dengan energi fosil, karena: a. Kemampuan SDM yang masih rendah b. Rekayasa dan teknologi pembuatan sebagian komponen utamanya belum dapat dilakukan di dalam negeri, jadi masih harus impor
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xiv 2
TUGAS AKHIR
c. Iklim investasi belum kondusif. Biaya investasi pembangunan yang tinggi menimbulkan masalah finansial pada penyediaan modal awal. 2. Belum tersedianya data potensi sumberdaya yang lengkap, karena masih terbatasnya kajian/studi yang dilakukan 3. Akses masyarakat terhadap energi masih rendah ( DESDM, 2005 ) 4. Peran pemerintah yang kurang: a. Belum terlihat adanya sense of urgency b. Antar lembaga pemerintah kurang sinergis
Tabel 1.2 Potensi Energi Terbarukan di Indonesia 2004 ( Sumber: DESDM ) Jenis Energi Sumber Daya 845 x 10 6 BOE Air 845 x10 6 BOE Panas Bumi Mini/Mikrohidro 458 MW Biomasa 49.81 GW 4 . 8 kWh / m 2 / hari Surya Angin 9.29 GW
Setara 75.7 GW 27 GW 458 MW 49.8 GW 9.3 GW
Kapasitas terpasang 4200 MW 800 MW 84 MW 302.4 MW 8 MW 0.5 MW
1.2 RUMUSAN MASALAH Melihat kondisi yang ada dalam penggunaan energi non-fosil yang masih minim di Indonesia, maka kami sebagai orang akademisi mencoba membuat satu projek
bersama
untuk
menghasilkan
suatu
prototipe
perkakas
dengan
memberdayakan energi alteratif selain energi fosil. Dan salah satu energi alternatif yang dapat diterapkan di Indonesia adalah pemanfaatan energi angin, yaitu dengan menggunakan kincir angin untuk irigasi pertanian.. Kincir angin memiliki potensi yang bagus di beberapa belahan dunia, terutama di Indonesia yang
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xv 3
TUGAS AKHIR
merupakan negara agraris, karena kincir angin merupakan pengubah energi yang relatif efisien, memiliki konstruksi sederhana, dan relatif murah.
1.3 BATASAN MASALAH Projek pompa air tenaga angin yang akan dibuat adalah Kincir Angin MB12-7 .Dalam perancangan ini penulis akan membatasi permasalahan pada pembahasan ‘ Analisa Pompa Piston ’, dengan spesifikasi kincir angin 12 blade berdiameter 5 m dan pompa air diameter 6 inchi = 0.1524 m.
1.4 TUJUAN PENULISAN Tujuan penulisan dalam penyusunan Tugas Akhir ini adalah : a. Mengetahui daya pompa piston pada kincir angin MB 12-7. b. Mengetahui debit air yang dihasilkan. c. Mengetahui head pompa keseluruhan.
1.5 SISTEMATIKA PENULISAN Adapun sistematika dalam penulisan Tugas Akhir ini disusun penulis dengan urutan sebagai berikut : BAB I
PENDAHULUAN Bab ini berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penulisan, dan sistematika penulisan.
BAB II
LANDASAN TEORI Pada bab ini berisi tentang teori – teori yang digunakan sebagai bahan analisa.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xvi4
TUGAS AKHIR
BAB III
METODOLOGI PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA Pada bab ini berisi tentang pengumpulan data – data yang berkaitan dengan pokok bahasan yang akan digunakan untuk analisa selanjutnya.
BAB IV
ANALISA PERHITUNGAN Pada bab ini berisi tentang berbagai analisa yang dilakukan oleh penulis berkaitan dengan pompa piston untuk projek kincir angin.
BAB V
PENUTUP Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari penulis yang berkaitan dengan pokok bahasan.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xvii 5
TUGAS AKHIR
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 TEORI UMUM POMPA Pompa merupakan pesawat angkut yang bertujuan untuk mengalirkan fluida melalui saluran tertutup. Pompa menghasilkan suatu tekanan yang dapat mengalirkan fluida ke tempat yang bertekanan lebih rendah. Atas dasar tersebut maka pompa harus mampu menaikkan tekanan fluida sehingga dapat mengalir atau berpindah. Fluida yang dipindahkan bisa merupakan fluida yang compresibel atau pun fluida uncompressible. Prinsip kerja pompa adalah menghisap dan melakukan penekanan terhadap fluida. Pada sisi hisap ( suction ) elemen pompa akan menurunkan tekanan dalam ruang pompa sehingga akan terjadi perbedaan tekanan antara ruang pompa dengan permukaan fluida yang dihisap. Akibatnya fluida akan mengalir ke ruang pompa. Oleh elemen pompa, fluida ini akan didorong atau diberikan tekanan sehingga fluida akan mengalir ke dalam saluran tekan ( discharge ) melalui lubang tekan. Proses
kerja
ini
akan
berlangsung
terus
selama
pompa
beroperasi.
Untuk melakukan kerja hisap dan menekan, pompa membutuhkan energi yang berasal dari penggerak pompa. Energi mekanis dari pengerak pompa oleh elemen pompa akan diubah menjadi energi tekan pada fluida sehingga fluida akan memiliki daya alir. Energi dari penggerak pompa selain untuk memberi daya alir
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xviii 6
TUGAS AKHIR
pada fluida juga digunakan untuk melawan perbedaan energi potensial, mengatasi hambatan dalam saluran yang diubah menjadi panas. Energi yang digunakan untuk mengatasi hambatan dan yang diubah menjadi panas merupakan kerugian energi bagi pompa. Jadi fungsi pompa adalah untuk mengubah energi mekanis dari pengerak pompa menjadi energi tekan dalam fluida sehingga akan menjadi aliran fluida atau perpindahan fluida melalui saluran tertutup.
2.2 KLASIFIKASI DAN JENIS POMPA Pompa diklasifikasi menjadi dua jenis menurut prinsip kerjanya, yaitu pompa dinamik dan pompa displacement. Masing-masing jenis diatas masih dibagi lagi menjadi beberapa jenis menurut jumlah tingkat, bentuk element pompa, jumlah kerja dan arah aliran fluida.
Gambar 2.1 Klasifikasi dan Jenis Pompa ( www.energyefficiencyasia.org )
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xix 7
TUGAS AKHIR
Pompa dinamik adalah pompa yang bekerja dengan volume ruang yang tetap.
Head yang dibangkitkan merupakan perubahan energi kinetik fluida yang bergerak karena dorongan oleh sudu-sudu impeler yang berputar dalam rumah pompa, Impeler ini menerima energi mekanis dari pengerak pompa melalui poros impeler. Fluida yang berputar dalam rumah pompa oleh gaya sentrifugal akan terlempar ke dinding rumah pompa sehingga pada daerah pusat impeler akan terjadi kehampaan. Karena pusat impeler mempunyai tekanan lebih rendah dari saluaran hisap, maka fluida dalam saluran hisap akan mengalir ke pusat impeler. Energi kinetik yang dimiliki fluida yang berputar dalam rumah pompa oleh rumah pompa akan diubah menjadi energi tekanan sehingga fluida akan mengalir ke saluran tekan.
Pompa Perpindahan positif ( Positive displacement ) adalah pompa yang
bekerja dengan perubahan volume ruang pompa, perubahan volume ruang pompa dilakukan oleh element gerak pompa yang bergerak translasi atau bolak-balik dalam ruang pompa, maupun yang bergerak rotasi. Ketika terjadi pembesaran volume rumah pompa maka akan terjadi penurunan tekanan di dalam rumah pompa, sehingga fluida yang memiliki tekanan lebih tinggi akan mengalir ke dalam rumah pompa melalui saluran hisap. Pada saat terjadi pengecilan volume rumah pompa maka fluida di dalam rumah pompa tekanannya naik sehingga fluida akan mengalir melalui saluran tekan.. Pompa jenis ini dapat menghasilkan head yang tinggi, tetapi aliran fluida yang dihasilkan tidak kontinu tetapi periodik. Salah satu kelebihan pompa displacement dibanding jenis dinamik adalah pompa jenis displacement dapat memompa udara dengan cukup baik.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xx 8
TUGAS AKHIR
2.2.1 Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal adalah pompa yang menggunakan gaya sentrifugal melalui pergerakan impeller untuk menaikkan tekanan dalam mengalirkan fluida.
Gambar 2.2 Kurva Kinerja Pompa Sentrifugal ( Biro Efisiensi Energi, 2004 )
Keuntungan pompa sentrifugal :
Harga dan biaya perawatan relatif murah.
Saat beroperasi getarannya kecil.
Dapat memompa fluida dengan kapasitas yang besar dan tekanannya tinggi.
Kerugian pompa sentifugal :
Kurang sesuai untuk memompa fluida dengan viskositas tinggi terutama pada aliran kecil.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxi 9
TUGAS AKHIR
Dalam prakteknya sering tidak dapat menghisap sendiri.
Effisiensi pompa lebih kecil jika dibanndingkan dengan pompa torak.
2.2.2 Pompa Rotary Pompa rotary adalah jenis pompa displacement yang pemompaan utamanya disebabkan oleh pergerakan relatif antar element rotasi pemompaan dan element stasioner pompa. Pada seluruh pompa jenis perpindahan positif, sejumlah cairan yang sudah ditetapkan dipompa pada setiap putarannya. Sehingga jika pipa pengantarnya tersumbat, tekanan akan naik ke nilai yang sangat tinggi dimana hal ini dapat merusak pompa. Ciri khusus dari pompa rotary bahwa cairan dipindahkan oleh mekanisme perpindahan volume baling-baling pompa, tidak tergantung pada kecepatan aliran fluida.
2.2.2.1 Pompa Roda Gigi Pompa roda gigi adalah pompa rotari yang mana dua atau lebih roda gigi yang dihubungkan untuk mendapatkan aksi pemompaan. Karakteristik bahwa salah satu dari roda gigi menjadi penggerak roda gigi lainnya. Kontak mekanik antara bentuk roda gigi sebuah bagian dari pergerakan penguncian fluida antara sisi masuk dan sisi keluar. Kontak gigi bergerak sepanjang permukaan gigi dan selalu melompat dari gigi ke gigi seperti perputaran roda gigi. Ada pula karakteristik yang membedakan pompa roda gigi dari pompa lobe, yang mana rotor tidak mampu mengerakan lainnya, dan yang mana kontak penguncian fluida berkedudukan antara lobe-lobe.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxii 10
TUGAS AKHIR
Dua jenis pompa roda gigi adalah pompa roda gigi luar ( external gear pump ) dan pompa roda gigi dalam ( internal gear pump ).
Gambar 2.3 Karakteristik dan Daya Pompa Roda Gigi Luar
Gambar 2.4 Karakteristik dan Daya Pompa Roda Gigi Dalam
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxiii 11
TUGAS AKHIR
2.2.2.2 Pompa Lobe ( Lobe Pump ) Pompa lobe bentuk permukaan rotornya dibulatkan yang mana mengijinkan rotor-rotor terus berhimpitan, tetapi rotor-rotornya tidak saling menggerakkan. Tidak seperti pompa roda gigi, jumlah kedua lobenya tidak mengijinkan salah satu rotor menggerakan rotor yang lain dan semua pompa lobe menghendaki timing. Pompa lobe dalam (internal lobe pump) adalah salah satu rotor tunggal dengan lobe sepanjang keliling bentuk pompa, dengan digerakkan pada kombinasi rotasi dan girasi dari rotasi pada pusat body dengan kontakkontak bentuk lobe dalam, pada suatu jalan yang demikian bahwa rotor selalu kontak body pada dua atau lebih tempat untuk mengawetkan penguncian fluida . Torsi pemompaan yang penuh diterima oleh rotor tunggal ketika berputar atau beredar, tergantung posisi rotor dan perlengkapan pengunciannya dengan body, jumlah siklus torsi per putaran rotor menjadi sama dengan jumlah lobe pada rotor.Pompa sekrup tunggal mempunyai prinsip operasi yang sama dengan pompa lobe dalam, kecuali bahwa kerugian rongga aksial sepanjang baling-balingnya.
2.2.2.3 Pompa Baling-Baling Pompa baling-baling adalah pompa yang bekerja dengan perputaran baling -baling dengan arah tertentu untuk mendapatkan dorongan ke sisi tekan pompa. Baling-baling berjalan pada kontak kelonggaran yang kecil, dengan dinding stator sehingga kebocoran fluida dari sisi tekan ke sisi isap dapat dihindari.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxiv 12
TUGAS AKHIR
2.2.3
Pompa Piston Pompa piston mempunyai effisiensi yang lebih tinggi dibandingkan
dengan pompa sentrifugal. Pompa piston digunakan secara luas, dimana kemampuan variabel tekanan merupakan pertimbangan yang penting. Pada dasarnya ada dua jenis pompa piston yaitu unit aksi langsung (directacting) yang digerakkan oleh uap dan pompa tenaga. Akan tetapi banyak modifikasi desain dasar yang dibuat untuk keperluan khusus di dalam berbagai bidang beberapa diantaranya diklasifikasikan sebagai pompa rotari oleh pembuatnya, namun pada kenyataannya memakai gerakan piston atau plunyer yang bolak balik baru dapat melaksanakan aksi pemompaannya.
Laju aliran pompa m/s
Gambar 2.5. Kurva Kinerja Pompa 2.2.3.1 Pompa Aksi-Langsung ( Direct-acting ) Pada pompa jenis aksi langsung ( direct acting pump ) ini, sebuah batang piston ( piston rod ) bersama menghubungkan piston untuk uap dan piston untuk cairan atau plunyer. Pompa aksi langsung dibuat dengan sistem simpleks ( masing
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxv 13
TUGAS AKHIR
masing satu piston uap dan satu piston cairan ) dan dupleks ( dua piston uap dan dua piston cairan )
2.2.3.2 Pompa Tenaga ( Power pump ) Pompa tenaga ( power pump) ini mempunyai poros engkol yang digerakkan dari sumber penggerak luar, umumnya motor listrik, sabuk mesin atau rantai. Roda roda gigi sering dipakai antara penggerak dan poros engkol untuk mengurangi kecepatan keluaran penggerak. Bila digerakkan dalam kecepatan konstan, pompa tenaga mengalirkan kapasitas yang hampir konstan dan mempunyai efisiensi yang bagus. a). Pompa Tenaga Kapasitas Kecil Unit ini juga dikenal sebagai pompa kapasitas variabel, volume terkontrol dan pengukur. Pemakaian yang terutama untuk mengontrol aliran sejumlah kecil cairan - cairan yang dimasukkan kedalam ketel, peralatan proses dan unit unit yang serupa. Oleh karena pompa iini menduduki tempat yang penting dalam banyak operasi industri pada semua jenis pabrik. b). Pompa Tenaga Jenis Diafragma Pompa gabungan piston diafragma pada umumnya dipakai hanya untuk kapasitas lebih kecil. Pompa diafragma dipakai untuk aliran jernih atau yang mengandung bahan padat yang berkapasitas lebih besar. Pompa ini juga sesuai untuk bubur kertas yang kental, air selokan (sewege), sludge, larutan asam atau basa, dan campuran air dan bahan padat yang menyerupai pasir. Diafragma yang terbuat dari bahan baku logam yang fleksibel akan lebih tahan erosi atau korosi dibandingkan dengan bagian logam beberapa pompa
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxvi 14
TUGAS AKHIR
torak. Pompa semprot diafagma kecepatan tinggi dengan langkah pendek dilengkapi dengan katup katup hisap dan buang jenis cakra. Pompa jenis itu didesain untuk memompakan bahan kimia. Keuntungan pompa piston :
Dapat bekerja secara langsung tanpa dipancing terlebih dahulu.
Pada putaran konstan, dapat menghantarkan zat cair yang berbeda – beda pada tekanan yang hampir sama.
Pada putaran konstan, dapat menghantarkan zat cair pada kapasitas yang tetap dengan berbagai tekanan buang.
Kerugian pompa piston :
Pemeliharannya rumit
Putaran kerja rendah, sehingga tidak dapat langsung dihubungkan dengan penggerak harus menggunakan transmisi.
Instalasinya memerlukan tempat yang luas.
Menimbulkan suara keras akibat gerakan naik – turunnya torak.
2.3
THEOREMA BERNOULLI
Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi total fluida adalah jumlah dari ketiga tinggi tekan ( head ) dibawah ini : H
p v2 Z 2g
( 2.1 )
( 2.1 ) Sumber : Khetogurov.M, Marine Auxiliary Machinery and system, ( Peace Publisher Mosco ) Hal 10
Dimana : H
: Head total ( m )
P : Tekanan statis ( N/m2 )
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxvii 15
TUGAS AKHIR
γ
: Berat jenis air ( N/m3 )
v
: Kecepatan rata – rata ( m/s )
Z : Ketinggian ( m ) Adapun
P v2 disebut sebagai head tekanan ( m ), = head kecepatan ( m ) , dan 2g
Z = head potensial ( m )
2.4
KAVITASI Kavitasi adalah gejala menguapnya fluida yang mengalir karena
tekanannya berkurang sampai di bawah uap jenuhnya. Jika fluida mendidih, maka akan timbul gelembung – gelembung uap zat cair. Jika pompa mengalami kavitasi, maka akan timbul suara berisik dan getaran, dan pada akhirnya akan menyebabkan dinding saluran akan mengalami kerusakan.
Kavitasi ( m3 /min ) )
Gambar 2.6 Performansi Kavitasi Pompa Karena kavitasi bisa mengakibatkan turunnya performansi pompa, hal ini dapat dicegah dengan cara :
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxviii 16
TUGAS AKHIR
1. Ketinggian letak pompa terhadap permukaan zat cair yang dihisap dibuat serendah mungkin agar head statis menjadi lebih rendah. 2. Pipa hisap harus dibuat sependek mungkin. Jika memakai pipa hisap yang panjang, sebaiknya berdiameter satu nomor yang lebih besar. 3. Head total pompa ditentukan sesuai dengan kondisi operasional sesunguhnya, karena head total pompa yang berlebihan akan mengakibatkan pompa bekerja dengan kapasitas aliran yang berlebih pula dan ini akan menyebabkan kavitasi. 4. Bila head total pompa terjadi fluktuasi, maka pada keadaan head total terendah diadakan pengamanan penuh terhadap terjadinya kavitasi
2.5 KAPASITAS POMPA Kapasitas Pompa adalah jumlah aliran tiap satuan waktu. Dalam teori pompa, kapasitas ini dibedakan dalam : a. Kapasitas teoritis ( Qth ) adalah kapasitas ideal dari suatu pompa. Kapasitas jenis ini tidak memperhitungkan adanya kerugian-kerugian dalam pompa. b. Kapasitas actual
( Qa / Qr )
adalah jumlah cairan yang mengalir keluar
pompa tiap satuan waktu. Kapasitas aktual merupakan kapasitas teoritis dikurangi kerugian-kerugian. c. Kapasitas optimum adalah kapasitas yang didapat pada saat pompa bekerja pada efisiensi total yang maksimum. Kapasitas pompa jenis displacement sebanding dengan perubahan volume ruang pompa. Sehingga kapasitas pompa displacement sangat ditentukan oleh ukuran ruang pompa dan jumlah langkah atau putaran per satuan waktu. Untuk pompa
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxix 17
TUGAS AKHIR
reciprocating kapasitas yang dapat dicapai bergantung pada kecepatan aliran fluida, yang mana ini dipengaruhi oleh bentuk impeler, putaran, bentuk rumah pompa dan bentuk saluran yang digunakan.
2.6 HEAD Head yang dapat dibangkitkan oleh suatu pompa dipengaruhi oleh jenis pompa, bentuk impeler, putaran,dan berat jenis fluida yang dipompa, semakin besar berat jenisnya maka head yang dapat dibangkitkan akan semakin kecil. Disamping itu head pompa juga dipengaruhi oleh tekanan atmosfer dimana pompa dioperasikan. Semakin dekat dengan permukaan laut maka tekanan atmosfer semakin tinggi sehingga tekanan antara permukaan fluida yang dipompa dan ruang pompa akan semakin besar yang berarti head pompa akan semakin besar. Head pompa selain digunakan untuk memindahkan fluida ke arah vertikal juga digunakan untuk melawan hambatan yang terjadi, maka kemampuan pompa untuk mengangkat fluida akan semakin rendah.
2.6.1 Head Total Pompa Head total pompa yang harus disediakan untuk mengalirkan jumlah air, dapat ditentukan dari kondisi instalasi yang akan dilayani oleh pompa. Head total pompa dapat dinyatakan dengan persamaan :
H ha h p htot
1 2 2 ( vt v i ) 2g
( 2.2 )
( 2.2 ) Sumber : Sumber Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor ( Jakarta ) Hal 27
Dimana : H
: Head total pompa ( m )
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxx 18
TUGAS AKHIR
ha
: Head statis ( m )
Δhp
: Perbedaan head tekanan yang bekerja pada kedua permukaan air ( m )
h p h p 2 h p 1 htot
: Kerugian head total ( m )
g
: Percepatan gravitasi ( 9.8 m/s2 )
vs
: Kecepatan aliran rata – rata di pipa hisap( m/s )
vd
: Kecepatan aliran rata – rata di pipa keluar ( m/s )
2.6.2 Head Kerugian Head kerugian adalah head untuk mengatasi kerugian –kerugian, seperti kerugian gesek di dalam pipa – pipa, di belokan, reducer, katup, dll.
2.6.2.1 Head Kerugian Gesek Dalam Pipa Untuk menghitungnya dapat menggunakan rumus : hf f
L.v 2 d .2 g
( 2.3 )
( 2.3 ) Sumber : Sumber Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor ( Jakarta ) Hal 28 Dimana , hf : Head kerugian gesek dalam pipa ( m ) f
: Koefisien kerugian gesek
g : Percepatan gravitasi ( 9.8 m/s2 ) L : Panjang pipa ( m ) d : Diameter dalam pipa ( m )
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxxi 19
TUGAS AKHIR
Gambar 2.7 Moody Diagram
Sebagai acuan apakah suatu aliran tersebut laminar atau turbulen , dipakai bilangan Reynold :
Re
v.d , vk
( 2.4 )
( 2.4 ) Sumber : Sumber Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor ( Jakarta ) Hal 28
Dimana : Re : Bilangan Reynold ( tak berdimensi ) v
: Kecepatan aliran rata – rata di dalam pipa ( m/s )
d : Diameter dalam pipa ( m )
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxxii 20
TUGAS AKHIR
vk : Viskositas kinematik zat cair ( m2 / s ) Pada Re < 2300 ( aliran laminar ), Re 4000 ( aliran turbulen ), dan pada Re 2300 ~ 4000 terdapat daerah transisi, bisa laminar atau turbulen tergantung kondisi pipa dan aliran.
2.6.2.2
Head Kerugian di Instalasi Jalur Pipa
Aliran di dalam pipa akan mengalami kerugian jika ukuran pipa, bentuk penampang, atau arah aliran berubah.
Gambar 2.8 Kerugian Gesek Pada Pipa Lurus ( Rumus Darcy ) ( Sumber : Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor ( Jakarta ) Hal 29 )
Kerugian – kerugian di tempat transisi dapat dinyatakan dalam rumus : hf f
v2 2g
FAKULTAS TEKNIK-UMB
( 2.5 )
xxxiii 21
TUGAS AKHIR
( 2.5 ) Sumber : Sumber Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor ( Jakarta ) Hal 32
Dimana , v
: Kecepatan aliran rata – rata di dalam pipa ( m/s )
f
: Koefisien kerugian
g : Percepatan gravitasi ( 9.8 m/s2 ) hf : Head kerugian gesek dalam pipa ( m )
2.7 DAYA POMPA Ppump .g .Q.H
( 2.8 )
Dimana : Ppump : Daya pompa ( Watt ) γ
: Berat jenis air ( N/m3 )
Q
: Debit air ( m3/s )
H
: Tinggi tekan total ( m )
g
: Percepatan gravitasi ( 9.8 m/s2 )
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxxiv 22
TUGAS AKHIR
BAB III METODOLOGI PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA
3.1 DATA DAN ANALISA KECEPATAN ANGIN Pada dasarnya angin terjadi karena adanya perbedaan suhu antara udara panas dan udara dingin dan perbedaan tekanan udara, dimana angin pada siang hari berhembus dari laut ke darat, biasa disebut angin darat, sedangkan dimalam hari angina berhembus dari darat ke laut yang disebut angin laut. Sebagai bahan studi untuk perancangan kincir angin poros horizontal ( horizontal axis ), maka diperlukan data angin yang valid dan dapat dipertanggungjawabkan kebenarannya sehingga tujuan utama perancangan kincir angin ini yang akan diapikasikan untuk menggerakkan pompa air, penulis mengambil data kecepatan angin dari stasiun pemantau cuaca Badan Meteorologi dan Geofisika ( BMG ) yang berlokasi di wilayah Cileduk. Data angin ini merupakan data yang diambil dalam lima tahun terakhir. Untuk kepentingan penulisan tugas akhir ini penulis mengambil sampling data angin pada tahun 2008. Dari pengamatan di lapangan, potensi keadaan angin wilayah Jakarta, khususnya di daerah Meruya tidaklah sebesar di daerah pesisir lainya, tetapi secara prinsip laju kecepatan angin yang ada di daerah ini mampu
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxxv 23
TUGAS AKHIR
untuk memutar kincir hasil rancangan team Windmill Project beserta pompa airnya. Data angin dari tahun ke tahun tidak selalu berada dalam garis lurus, tetapi kondisi aktual angin terjadi fluktuasi kecepatan angin yang berhembus. Dengan mengetahui kecepatan angin tersebut, maka kita dapat mengetahui daya yang akan dihasilkan oleh kincir angin, dalam hal ini untuk menggerakkan pompa air. Oleh karena itu, kincir atau turbin angin sering disebut sebagai Sistem Konversi Energi Angin ( SKEA ).
Kecepatan angin rata-rata selama satu tahun ( 2008 ) = 3.9 knot = 2.0 m/s Kecepatan angin minimum ( Bulan Februari 2008 ) = 2.5 knot = 1.3 m/s ( Data angin lihat dilampiran )
Angin adalah udara yang bergerak, jika udara dengan suatu massa m bergerak dengan kecepatan v, angin mempunyai energi kinetik yang dinyatakan dengan rumus : Ek
1 m.v 2 2
( 3.1 )
Dimana, Ek : Energi kinetik ( J ) m : Massa udara ( kg ) v
: Kecepatan udara ( m/s )
Jika udara dengan kerapatan ρ, maka, Energi Kinetik per volume diperoleh rumus sebagai berikut :
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxxvi 24
TUGAS AKHIR
Ev
1 .v 2 2
( J/m3 )
( 3.2 )
Dimana : ρ
: Massa jenis udara ( kg/m3 )
v
: Kecepatan udara ( m/s )
Untuk area yang tegak lurus terhadap arah angin, maka aliran udara yang melewati area A adalah :
v = v.A
( m3/s )
( 3.3 )
Dimana : v
: Kecepatan udara ( m/s )
A : Area ( m2 ) Maka daya angin maksimum yang dapat diekstrak oleh turbin angin dengan luas sapuan rotor A dinyatakan dengan rumus : P
1 .v 3 . A ( W ) 2
( 3.4 )
Dimana, ρ
: Massa jenis udara ( kg/m3 )
v
: Kecepatan udara ( m/s )
A : Area rotor ( m2 ),
A
1 .d 2 4
Dari persamaan di atas maka dapat disimpulkan bahwa : -
Daya angin berbanding lurus dengan berat jenis udara.
-
Daya angin berbanding lurus dengan area rotor.
-
Daya angin bervariasi sesuai kecepatan angin yang ada, jika kecepatan angin naik maka dayanya akan naik.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxxvii 25
TUGAS AKHIR
3.2 DATA SPESIFIKASI POMPA PISTON Pompa yang digunakan adalah pompa piston dengan gerak translasi. Penggunaan pompa piston ini karena pompa jenis ini mempunyai efisiensi yang tinggi, karena tidak perlu dibutuhkan air untuk memancingnya saat start awal. Pompa piston adalah pompa dimana energi mekanik dari penggerak pompa diubah menjadi energi aliran dari cairan yang dipompa dengan menggunakan elemen yang bergerak bolak-balik di dalam silinder, yaitu piston . Ketika volume silinder membesar akibat gerakan piston, maka tekanan dalam silinder akan turun dan relatif lebih kecil daripada tekanan pada sisi isap, sehingga fluida pada sisi isap akan masuk ke dalam pompa. Sebaliknya ketika volume silinder mengecil akibat gerakan piston, maka tekanan dalam silinder akan naik sehingga fluida akan tertekan keluar. Pompa piston mempunyai tekanan yang tinggi sehingga mampu melayani sistem dengan head yang tinggi. Namun kapasitas pompa ini biasanya rendah. Tekanan yang dihasilkan tergantung pada daya penggeraknya yaitu kincir angin dan kekuatan bahan. Pompa ini juga dapat bekerja pada pengisapan kering. Kekurangan pompa reciprocating ( piston ) adalah alirannya tidak kontinyu dan tidak steady yang disebabkan adanya gaya inersia akibat gerakan bolak-balik oleh piston . Bentuk pompa piston sederhana dan merupakan bagian penting dari keseluruhan instalasi kincir angin yang berada di bawah tanah, jika tidak dibuat dengan sesuai maka akan timbul kerusakan. Misalnnya : kebocoran udara, lepasnya sambungan pump-rod, kebocoran piston dan valve dari pompa akan menyebabkan beberapa masalah .
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxxviii 26
TUGAS AKHIR
Hstatis = 5 m
Gambar 3.1 Skema Kerja Pompa Piston Untuk Kincir Angin. ( Sumber : E.H Lysen, introduction to wind energy, 1983)
Berikut adalah data – data dari pompa piston dan sistem instalasinya yang akan digunakan :
3.2.1 Rumah Pompa Berikut adalah data spesifikasi dari rumah pompa piston yang digunakan :
Diameter ( d )
: 6” = 0.1524 m
Tebal ( t )
: 3 mm = 0.003 m
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xxxix 27
TUGAS AKHIR
Panjang
Volume rumah pompa
(L)
: 460 mm = 0.460 m :
1 .d 2 .L 4
1 3.14 x0.1524 2 x0.460 4
0.0084 m3
3.2.2 Pipa Bagian Penyalur Tekan Dan Bagian Hisap Data spesifikasi pipa tekan dan hisap sama, berikut ini adalah data yang digunakan untuk kedua pipa tersebut :
Diameter ( d )
: 0.10 m
Tebal bahan
: 1 mm = 0.001 m
Panjang ( L )
: 550 mm = 0.550 m
Volume
:
1 .d 2 .L 4
3.2.3 Piston dan Batang Pompa Piston dan batang pompa merupakan komponen penggerak utama pompa dalam melakukan kerja di dalam liner ( rumah ) pompa. Berikut ini data spesifikasi piston.
Material
: Kayu
Tinggi
: 75 mm = 0.075 m
Diameter : 151.4 mm = 0.1514 m
Data spesifikasi batang pompa.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xl 28
TUGAS AKHIR
Material
: Besi Carbon VCN
Panjang
: 950 mm = 0.950 m
Diameter : 20 mm = 0.020 m
3.3 DEBIT AIR DAN KECEPATAN ALIRAN Untuk menghitung jumlah air yang dapat dibangkitkan oleh kincir angin tersebut caranya dengan mensubstitusikan antara daya yang dibangkitkan kincir angin dengan daya pompa. Untuk perhitungan ini telah diketahui data sebagai berikut : : 1.3 kg/m3
Massa jenis udara ( ρa )
Kecepatan angin rancangan ( v0 ) : 5 m/s
Kecepatan angin minimum yang dibutuhkan ( v )
Massa jenis air ( ρw )
: 995.7 kg/m3
Head pompa ( H )
: 5m
Diameter rotor ( d )
: 5m
Jika diketahui effisiensinya ( η )
: 1.5 m/s
: 30 %
PKincir Angin = PPompa
.
1 2 . a . v o . A . v w . g . H .Q 2
Dengan A
( 3.5 )
1 1 .d 2 x3.14 x5 2 19.63 m3 4 4
1 . . a .v o 2 . A.v Maka Q 2 w .g .H
1 0.3 x x1.3 x5 2 x19.63x1.5 143.5 2 0.0029 m3/s 995.7 x9.8 x5 48789.3
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xli 29
TUGAS AKHIR
Dengan mengetahui nilai Q kemudian kita dapat mengukur kecepatan aliran fluida yang melewati pipa hisap dan tekan untuk perhitungan ini telah diketahui data sebagai berikut :
Diameter pipa hisap dan pipa tekan ( d ) : 0.10 m v
Q
( 3.6 )
1 .d 2 4
0.0029 X 4 0.0116 0.37 m/s 3.14 X 0.12 0.0314
3.4 HEAD KERUGIAN Head kerugian adalah head untuk mengatasi kerugian – kerugian yang terdiri dari kerugian gesek di dalam pipa – pipa, belokan, reduser, katup – katup dan lain – lain. Head kerugian yang berhubungan dengan gesekan pada pipa ditentukan dengan menggunakan persamaan Darcy-Weisbach .
3.4.1 Head Kerugian Gesek Pada Pipa Hisap ( hfs ) Untuk menghitung kerugian gesek pada pipa hisap dengan menggunakan rumus : 2
h fs f
L.v s d .2 g
( 3.7 )
Diketahui data pada pipa hisap adalah sebagai berikut :
Panjang pipa ( L)
:1m
Diameter ( d )
: 0.1 m
Percepatan gravitasi ( g ) : 9.8 m/s2
Kecepatan aliran rata – rata di dalam pipa hisap ( vs ) : 0.37 m/s
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xlii 30
TUGAS AKHIR
0.0005 d
Koefisien kerugian gesek ( f ) = 0.020
0.020
0.0005 0.025 0.1
Sebagai acuan apakah suatu aliran tersebut laminar atau turbulen , dipakai bilangan Reynold ( Re ). Re
v.d vk
( 3.8 )
Kecepatan aliran rata – rata di dalam pipa ( v ) : 0.37 m/s
Viskositas kinematik zat cair (vk ) Re
: 0.801 x 10-6 m2/s
0.37 x0.1 46192.26 0.801x10 6
( Karena Re > 4000 maka aliran bersifat turbulen )
Jadi head kerugian gesek dalam pipa hisap ( hfs )
h fs 0.025
1x0.37 2 0.0034 0.0017 m 0.1x 2 x9.8 1.96
3.4.2 Head Kerugian Gesek Pada Pipa Tekan ( hfd ) Untuk menghitung head kerugian gesek pada pipa tekan menggunakan rumus : 2
h fd f
L.v d d .2 g
( 3.9 )
Diketahui data pada pipa tekan adalah sebagai berikut :
Panjang pipa ( L )
: 4 + 1.5 = 5.5 m
Diameter ( d )
: 0.1 m
Kecepatan aliran rata – rata di dalam pipa tekan (vd ) : 0.37 m/s
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xliii 31
TUGAS AKHIR
Koefisien kerugian gesek ( f )
: 0.025
Percepatan gravitasi ( g )
: 9.8 m/s2
Jadi head kerugian gesek dalam pipa tekan ( hfd ) adalah : h fd 0.025
5.5 x0.37 2 0.019 0.0097 m 0.1x 2 x9.8 1.96
3.4.3 Koefisien Kerugian Pada Belokan ( hfb ) Kerugian pada belokan pipa dapat menggunakan rumus sebagai berikut :
h fb f
v2 2g
( 3.10 )
Gambar 3.2 Koefisien Kerugian Gesek Pada Pipa Belokan Diketahui data pada pipa belokan adalah sebagai berikut :
Sudut belokan
( θ ) : 900
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xliv 32
TUGAS AKHIR
Kecepatan aliran rata – rata di dalam pipa ( v ) : 0.37 m/s
Untuk mencari harga f pada pipa belokan bisa menggunakan diagram moody atau secara empiris berdasarkan percobaan Weisbach dihasilkan rumus yang umum dipakai untuk belokan patah sebagai berikut : f 0.946 sin 2
90 90 2.047 sin 4 = 0.946 sin 2 2.047 sin 4 2 2 2 2
f 0.946 x0.5 2.047 x0.25 0.473 0.51175 0.98475 m
Jadi head kerugian gesek pada belokan pipa ( hfb ) adalah
h fb 0.98475
0.37 2 0.135 0.0069 m 2 x9.8 19.6
3.4.4 Head Kerugian Total Dari data perhitungan diatas maka didapat head kerugian total sebagai berikut : Head kerugian total ( htot )
= hfs + hfd + hfb = 0.0017 m + 0.0097 m + 0.0069 m = 0.0183 m
3.5 HEAD POMPA Untuk menghitung head total pompa yang harus disediakan untuk mengalirkan jumlah air dalam suatu instalasi dapat menggunakan rumus sebagai berikut : H ha h p htot
FAKULTAS TEKNIK-UMB
1 2 2 ( vd v s ) 2g
xlv 33
( 3.11 )
TUGAS AKHIR
Diketahui data untuk perhitungan head pompa adalah sebagai berikut:
Head statis ( ha )
: 5m
Berat jenis air ( γ )
: 995.7 N/m3
Head kerugian total ( htot )
: 0.0183 m
Tekanan pada sisi hisap ( Ps )
: 10332 N/m2
Tekanan pada sisi tekan ( Pd )
: 10332 N/m2
Kecepatan aliran rata – rata di dalam pipa hisap ( vs ) : 0.37 m/s
Kecepatan aliran rata – rata di dalam pipa tekan ( vd ) : 0.37 m/s
Untuk menghitung beda tekanan pada kedua permukaan air sebagai berikut : h p Pd Ps 10332 10332 0
Jadi head total pompa ( H ) adalah : H 5 0 0.0183
1 (0.37 2 0.37 2 ) 2 x9.8
= 5 + 0 + 0.0183 + 0 = 5.0183 m
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xlvi 34
TUGAS AKHIR
BAB IV ANALISA PERHITUNGAN
4.1 DAYA KINCIR ANGIN Untuk mengetahui daya angin di atas telah diperoleh data – data sebagai berikut :
Diameter rotor ( d )
:5m
Luas rotor ( A )
1 .5 2 19.63 m2 4
: 1.3 kg/m3
Massa jenis udara ( ρa )
Kecepatan angin rancangan ( v0 ) : 5 m/s
Kecepatan angin rata – rata ( v ) : 2 m/s
( Data diambil dari kecepatan angin rata – rata pada tahun 2008 ) Daya kincir angin didapat dari rumus sebagai berikut :
1 2 PKincirAngin . a .vo . A.v 2
( 4.1 )
Dimana nilai efisiensi ( η ) didapat dari
Maka PKincir Angin
0 .4 x
FAKULTAS TEKNIK-UMB
2 x100% 40% 5
1 510.38 x1.3 x5 2 x19.63x 2 255.19 W 2 2
xlvii 35
TUGAS AKHIR
Gambar 4.1 Skema Pompa Piston Yang Dihubungkan Kincir Angin
4.2 DAYA POMPA Untuk perhitungan daya pompa dapat digunakan rumus sebagai berikut : PPump w .g .H .Q
( 4.2 )
Untuk perhitungan di atas telah dketahui data – data sebagai berikut : : 995.7 kg/m3
Massa jenis air ( ρ )
Percepatan gravitasi ( g ) : 9.8 m/s2
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xlviii 36
TUGAS AKHIR
Head pompa ( H )
: 5.0183 m
Debit air ( Q )
: 0.0029 m3/s
Maka,
PPump 995.7 x9.8x5.0183x 0.0029 142 W
Untuk mengetahui berapa banyak jumlah air yang dapat diangkat oleh pompa dalam satu kali langkah piston dari Titik Mati Bawah ( TMB ) sampai ke Titik Mati Atas ( TMA ), maka kita bisa menghitungnya antara selisih volume silinder pompa dengan volume piston, sebagai berikut : V = VSil - VPis Dengan data – data perhitungan sebagai berikut :
Diameter silinder pompa ( dsil )
: 6” = 0.1524 m
Panjang langkah piston ( L )
: 0.32 m
Diameter piston ( d pis )
Tinggi piston ( t ) : 75 mm = 0.075 m
: 0.1514 m
Maka jumlah air ( V ) yang dihasilkan dalam satu langkah piston adalah : 1 1 2 2 Vair .d s .L .d p .t 4 4 1 1 x3.14 x0.1524 2 x0.32 x3.14 x0.1514 2 x0.075 4 4 0.0058 0.0013 0.0045 m3
Jadi jumlah air yang dihasilkan dalam satu langkah piston adalah : 0.0045 m3 = 4500 cc.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
xlix 37
TUGAS AKHIR
4.3 DAYA YANG DIBUTUHKAN POMPA Daya yang dibutuhkan ( P ) adalah daya aktual yang diberikan oleh suatu penggerak pada pompa. Tingkat efisiensi pompa piston cukup tinggi jika dibandingkan dengan pompa sentrifugal, rata–rata tingkat efisiensinya ( η ) mencapai 90 %
( sumber : E.H Lysen, introduction to wind energy, 1983 ).
Sehingga bisa dihitung berapa daya ( P ) minimum yang harus dihasilkan kincir untuk menggerakkan pompa. P
PPump
( 4.3 )
Diketahui data -data untuk perhitungan di atas :
Ppump : 142 W
η
: 90 % P
142 157.78 W 0.9
Maka dengan hasil ini, dapat disimpulkan bahwa daya yang dihasilkan kincir angin ( 255.19 W ) untuk menggerakkan pompa masih lebih besar dari daya yang diperlukan pompa ( 157.78 W ) .
4.4 TORSI KINCIR ANGIN Besarnya torsi yang dihasilkan kincir angin tergantung pada kecepatan angin yang ada di daerah tersebut. Torsi merupakan hasil dari gaya kerja blade pada arah tangensial. Daya yang diekstrak oleh rotor dari energi angin kemudian diteruskan ke pompa air. Daya ( P ) ini merupakan hasil dari perkalian torsi ( T ) dan kecepatan sudut ( Ω ), yang dinyatakan dengan notasi sebagai berikut :
FAKULTAS TEKNIK-UMB
l 38
TUGAS AKHIR
T
P
Dengan ,
v r
( 4.4 )
Kincir angin dengan beban torsi yang besar akan memiliki kecepatan sudut yang rendah ( sebagai contoh untuk pompa piston ), sedangkan yang memiliki kecepatan sudut tinggi hanya akan menghasilkan torsi yang kecil ( contoh untuk pompa centrifugal dan generator listrik ).
Gambar 4.2 Karakteristik Kincir Angin Dengan Torsi ( T ) dan Kecepatan Sudut ( Ω ) Yang Berbeda.
Untuk perhitungan torsi telah diketahui data –data sebagai berikut :
Daya kincir angin ( Pka )
Kecepatan angin rata – rata ( v ) : 2.0 m/s
FAKULTAS TEKNIK-UMB
: 255.19 W
li 39
TUGAS AKHIR
Jari – jari engkol ( r )
Dengan ,
Maka T
: 0.16 m
2.0 12.5 rad/s 0.16
255.19 20.42 N.m 12.5
4.5 GAYA YANG BEKERJA 4.5.1
Gaya Yang Bekerja Pada Piston Gaya yang bekerja pada piston di dalam silinder dari Titik Mati Bawah
sampai Titik Mati Atas dengan rumus sebagai berikut :
F .g .H
2 .d 4
( 4.5 )
Dengan data – data untuk perhitungan sebagai berikut :
Massa jenis air ( ρ )
: 995.7 kg/m3
Head pompa ( H )
: 5.0183 m
Percepatan gravitasi ( g ) : 9.8 m/s2
Diameter piston ( d )
Jadi F 995.7 x9.8 x5.0183x
FAKULTAS TEKNIK-UMB
: 0.1514 m
3.14 x 0.1514 2 881.12 N 4
lii 40
TUGAS AKHIR
4.5.2
Gaya Yang Bekerja Pada Belokan Pipa Pada belokan pipa bekerja gaya yang disebabkan oleh aliran fluida yang
berbelok, selain berat pipa itu sendiri dan isinya. Gaya yang ditimbulkan oleh fluida tersebut adalah : F 2
Q.v. sin g
( 4.6 )
( 2.2 ) Sumber : Sumber Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor ( Jakarta ) Hal 65
Untuk perhitungan di atas telah diperoleh data – data sebagai berikut : : 995.7 N/m3
Berat jenis air ( γ )
Percepatan gravitasi ( g ) : 9.8 m/s2
Debit air ( Q )
Kecepatan aliran rata-rata di dalam pipa ( v ) : 0.37 m/s
Sudut belokan ( )
: 0.0029 m3/s
: 90o
Maka gaya ( F ) yang bekerja pada belokan pipa adalah :
F 2
995.7 x 0.0029 x0.37 x sin 90 0.22 N 9 .8
FAKULTAS TEKNIK-UMB
liii 41
TUGAS AKHIR
BAB V PENUTUP
5.1 KESIMPULAN Berdasarkan pembahasan – pembahasan pada materi sebelumnya maka dapat diambil kesimpulan pada pompa piston sebagai berikut : 1. Daya pompa ( Dp ) yang dihasilkan dengan penggerak kincir angin dan kondisi kecepatan angin yang ada adalah 157.78 Watt. 2. Debit air ( Q ) yang dihasilkan oleh pompa adalah 0.0029 m3/s. 3. Head Total pompa ( H ) dengan memperhitungkan beberapa head kerugian yang ada adalah 5.0183 m.
5.2 SARAN Untuk perbaikan di masa yang akan datang, maka penulis akan memberikan masukan – masukan yang bermanfaat bagi pengembangan selanjutnya. 1. Untuk mendapatkan debit air yang lebih besar maka sebaiknya Head pompa diturunkan. 2. Dinding silinder pompa perlu diberi lapisan anti-rust dan kemudian di cat untuk meminimalisir karat akibat air yang melewatinya.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
liv 42
TUGAS AKHIR
Demikian, kesimpulan dan saran penulis semoga tugas akhir ini bermanfaat khususnya bagi penulis secara pribadi dan bagi pembaca pada umumnya. Tugas akhir ini tentunya masih banyak kekurangan yang harus diperbaiki, penulis membuka diri untuk saran dan kritik yang membangun dari siapa pun untuk perbaikan di masa yang akan datang. Akhirnya terima kasih penulis ucapkan bagi semua pihak yang telah terlibat dan membantu dalam segala bentuk sehingga terselesainya tugas akhir ini.
FAKULTAS TEKNIK-UMB
lv 43
TUGAS AKHIR
Lampiran 1 Data Kecepatan Angin Tahun 2008 ( Januari – Desember ) ( Sumber : Badan Meteorologi dan Geofisika ( BMG ) Cileduk )
Bulan
V rata –rata ( knot )
Januari
3,0
Februari
2,5
Maret
2,6
April
3.5
May
3,0
Juni
3,0
July
3,0
Agustus
5,7
September
4,9
Oktober
5,8
November
4,3
Desember
6,5
FAKULTAS TEKNIK-UMB
lvi 44
TUGAS AKHIR
Lampiran. 2 Data Sifat – Sifat Fisik Air Sumber Sularso, Haruo Tahara, Pompa & Kompresor ( Jakarta ) Hal 24 Temperatur
Kerapatan ρ
Viskositas Kinetik vk
Tekanan Uap Jenuh
(oC)
( kg/l )
( m2/s )
( Kgf/cm2 )
0
0.9998
1.792 x 10-6
0.00623
5
1.0000
1.520 x 10-6
0.00889
0.9998
1.307 x 10
-6
0.01251
1.004 x 10
-6
0.02383
-6
0.04325
10 20
0.9983
30
0.9957
0.801 x 10
40
0.9923
0.658 x 10-6
0.07520
50
0.9880
0.554 x 10-6
0.12578
60
0.9832
0.475 x 10-6
0.20313
70
0.9777
0.413 x 10-6
0.31780
0.9716
0.365 x 10
-6
0.48290
0.326 x 10
-6
0.71490
-6
1.03320
80 90
0.9652
100
0.9581
0.295 x 10
120
0.9431
0.244 x 10-6
2.02460
140
0.9261
0.211 x 10-6
3.68500
160
0.9073
0.186 x 10-6
6.30300
180
0.8869
0.168 x 10-6
10.2240
0.8647
0.155 x 10
-6
15.8550
0.150 x 10
-6
23.6560
-6
34.138
200 220
0.8403
240
0.8140
0.136 x 10
260
0.7840
0.131 x 10-6
47.869
280
0.7510
0.128 x 10-6
65.468
300
0.7120
0.127 x 10-6
87.621
FAKULTAS TEKNIK-UMB
lvii 45
TUGAS AKHIR
DAFTAR PUSTAKA
1. Argaw, N., R. Foster, R. and A. Ellis, Renewable Energy for Water Pumping Applications in Rural Villages, NREL ( National Renewable Energy Laboratory ), Colorado 2003. 2. DESDM ( 2003 ) , Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan dan Konservasi Energi ( Energi Hijau ), Jakarta 2003. 3. DESDM ( 2005 ), Blueprint Pengelolaan Energi Nasional 2005-2025, Jakarta 2005. 4. E.H.Lysen, Introduction to Wind Energy, ( Netherlands, Second Edition, May 1983 ). 5. Hicks Tyler. G, Edwards TW, Teknologi Pemakaian Pompa ( Jakarta : Erlangga, Cetakan Pertama 1996 ). 6. Njek Van De Ven, Construction Manual for 12PU350 And 12PU500 Windmills ( Netherlands 1982 ). 7. Sularso, Haruo Tahara, Pompa dan Kompresor ( Jakarta : PT Pradnya Paramita, Cetakan kesembilan, 2006 ). 8. Willem Nijhoff, Syllabus for Irrigation With Windmills: Technical Aspests ( Netherlands, Januari 1982 ). 9. World Energy Council, WEC ( 2004 ), Survey of Energy Resources, 2004
FAKULTAS TEKNIK-UMB
lviii 46
