OPTIMASI DESAIN RANCANG BANGUN POMPA HIDRAM

Jurnal Infotekmes in Vol.8 No.1 Juli 2017

OPTIMASI DESAIN RANCANG BANGUN POMPA HIDRAM

1,2

Amin Nur Akhmadi1, M. Taufik Qurohman2 Jurusan DIII Teknik Mesin, Politeknik harapan bersama, Jl. Dewi Sartika No.17 Tegal, 52117 [email protected] , [email protected]

Abstrak Kata Kunci: Pompa hidram; katup limbah; katup penghantar; pipa masuk.

Air merupakan kebutuhan yang sangat penting bagi kehidupan makhluk hidup. Bukan hanya digunakan untuk keperluan air minum, mandi dan mencuci tetapi juga sebagai pengairan di area persawan dan perikanan. Seiring bertambah mahalnya harga BBM membuat para petani membeli air lebih mahal dari hari sebelumnya. Ini akan berdampak pada hasil pertanian yang jauh lebih mahal.Prinsip kerja hidram adalah pemanfaatan gravitasi dimana akan menciptakan energi dari hantaman air yang menabrak faksi 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 meter. Pada perancangan pompa hidram yang perlu diperhatikan adalah perbandingan tinggi air masuk dan keluar (head rasio) rendah . Pada kondisi ratio ketinggian air masuk dan keluar 0,5, maka efisiensi aliran dapat mencapai 50 – 60%. Efisiensi akan menurun sampai dengan 20%. Untuk mengasilkan debit air 1-5 liter/menit

Abstract Keywords: Hydra pump; waste valve;delivery valve; inlet pipe.

Water is a very important need for human being. Not only used for drinking water, bathing and washing but also for irrigation in the area of rice field and fishery. Now, because of the increasing price of fuel, farmers buy water more expensive. This will have impact of agricultural products, they will be more expensive.The working principle of hydraulic is the utilization of gravity which will create energy from the water hit that hit other water factions to push to the higher ground. To obtain potential energy from the water blow required the main requirement that there should be waterfall flowing through the pipe with a high elevation difference with a hydra pump at least 1 meter.We should pay more attention in the design of hydraulic pumps that is the ratio of high in and out (head ratio) low. At the condition of the in and out water height ratio 0.5, the flow efficiency can reach 50%-60%. Efficiency will decrease up to 20%. To produce water discharge 1-5 liter / minute

 Alamat korespondensi : E-mail: [email protected]

ISSN

: 2087 – 1627

38

ISSN : 2087 – 1627

1. Pendahuluan Latar Belakang Air merupakan kebutuhan yang sangat penting bagi kehidupan makhluk h idup. Bukan hanya digunakan untuk keperluan air minum, mandi dan mencuci tetapi juga sebagai pengairan di area persawan dan perikanan. Seiring bertambah mahalnya harga BBM membuat para petani membeli air lebih mahal dari hari sebelumnya. Ini akan berdampak pada hasil pertanian yang jauh lebih mahal.Dengan adanya pompa hidran akan mengurangi biaya pengairan di persawahan ataupun perikanan. Karena Pompa hidram merupakan salah satu pompa air yang hemat energi dan ramah lingkungan. Pompa hidram merupakan teknologi tepat guna dalam bidang pemompaan dengan menggunakan tenaga momentum air (water hammer) untuk menaikkan air yang dipompa, sehingga pompa hidram salah satu pompa air yang tidak menggunakan BBM dan listrik. Keuntungan lain dari pompa hidram adalah tidak membutuhkan pelumas, bentuknya sederhana, biaya pembuatan serta pemeliharaannya murah dan tidak membutuhkan ketrampilan teknik tinggi untuk pembuatannya. Efektifitas kinerja dari pompa hidram dipengaruhi beberapa parameter, antara lain tinggi jatuh, diameter pipa, jenis pipa, karakteristik katub limbah, panjang pipa inlet dan panjang pipa pada katub limbah. Penelitian ini bermaksud untuk mengetahui pengaruh dari diameter pipa inlet terhadap debit dan tinggi pemompaan. 2. Landasan Teori a. Prinsip Kerja Pompa Hidram Prinsip kerja hidram adalah pemanfaatan gravitas i dimana akan menciptakan energi dar i hantaman air yang menabrak faksi 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 meter. Syarat utama kedua adalah sumber air harus kontinyu dengan debit minimal 7 liter per menit. Prins ip kerja dari pompa hidram dapat dilihat dari gambar 1 berikut ini :

Gambar 1. Prinsip Kerja Pompa Hidram Udara pada katup penghantar dengan demikian membiarkan air mengalir ke dalam ruang udara dan seterusnya ke tangki penampungan.

Bagian kunci dari hidram adalah dua buah klep, yaitu : klep pembuangan dan klep penghisap. Air masuk dari terjunan melalui pipa A, klep pembuangan terbuka sedangkan klep penghisap tertutup. Air yang masuk memenuhi rumah pompa mendorong ke atas klep pembuangan hingga menutup. Pada volume tertentu pengis ian 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. Di sinilah hantaman ram palu air (water hammer) itu terjadi, dimana air dengan tenaga gravitasi dari terjunan menghantam arus balik tadi, 2/3 debit keluar lubang pembuangan, sementara yang 1/3 debit mendorong klep penghisap masuk ke dalam tabung pompa sekaligus mendorong air yang ada dalam tabung pompa untuk keluar melaui pipa output. Energi hantaman yang berulang-ulang mengalirkan air ke tempat yang lebih tinggi. Secara umum prinsip kerja pompa hidram dapat dilihat pada skema berikut : Air pada reservoir

Air m engali r melalui pi pa p enghantar

Sebagian air naik ke pi pa m asukan

air masuk ke bak penampungan

Sebagian air memasuki tabung

sebagian air terbuang m elalui katup li mb ah

air kemb ali ke reservoir

Gambar 2. Skema Prinsip Kerja Pompa Hidram b. Karakteristik Pompa Hidran Karakteristik pompa hidrolik ram atau hidram yang bekerja pada keadaan tertentu dimana jarak antara lubang dan katup limbah konstan, tinggi vertical 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. Pompa yang terbuat dari bahan besi cor yang kuat dapat bekerja dengan baik hingga bertahun-tahun. Hal ini merupakan penghematan investasi yang luar biasa bagi kelompok petani. Ukuran pompa hidrolik ram ditentukan oleh kapasitas yang

39

ISSN : 2087 – 1627

dikehendaki dan juga dibatasi o leh jumlah air yang tersedia untuk menggerakkan pompa. Pompa harus dipasang serata mungkin untuk meyakinkan bahwa katup limbah yang diberi beban dapat jatuh tegak lurus ke bawah dengan gesekan sekecil mungkin. Pemasangan pipa juga harus diperhatikan agar tidak ada belokan-belokan tajam atau sudut yang mengurangi kekuatan aliran air. Beberapa hasil eksperimen juga menunjukkan bahwa adanya ruang udara pada pompa hidram semakin meningkatkan efisiensi pompa dalam mengalirkan air ke tempat yang lebih t inggi. Pemasangan ruang udara meningkatkan efisiensi pompa Hidram dari 0,7 % menjadi 19,45 %. Jika suatu daerah sudah memenuhi syarat umum tersebut, maka pembangunan sistem irigasi dengan menggunakan pompa hidram bisa dimulai. Selain syarat utama tadi, pembuatan pompa hidram perlu memperhatikan perbandingan tinggi terjunan dan tinggi pemompaan air yaitu 1:5. Tiap beda tinggi terjunan 1 meter akan mampu memompa air setinggi 5 meter dari rumah pompa ke tempat tandon air. Jadi bukan hal yang mustahil ketika beda tinggi terjunan air 12 meter di perkebunan teh mampu memompa air hingga ketinggian lebih dar i 50 meter dengan jarak lebih dari 500 meter. Hal kedua yang perlu diperhatikan adalah penyesuaian diameter pompa dengan debit air. Dalam mengoptimalkan tekanan semakin besar debit air, diameter pompa semakin besar pula. c. Bagian-bagian Pompa hidram. Katup limbah merupakan salah satu komponen terpenting pompa hidram, oleh sebab itu katup limbah harus dirancang dengan baik sehingga berat dan gerakannya dapat d isesuaikan.Katup pengantar adalah sebuah katup satu arah Katup pengantar harus mempunyai lubang yang besar sehingga memungkinkan air yang dipompa memasuki ruang udara tanpa hambatan pada aliran. 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 kontinyu. Jika tabung udara penuh terisi air, tabung udara akan bergetar hebat, dapat menyebabkan tabung udara pecah. d.

Teori Water Hammer Peristiwa palu air (water hammer) terjadi pada jaringan pipa dengan system pengaliran tertekan. Peristiwa tersebut berupa perubahan tekanan yang terjadi karena perubahan kecepatan aliran di dalam pipa secara mendadak, misalkan karena penutupan katup, perubahan beban pada hidraulik, dan sebagainya. Tekanan palu air tersebut merambat sepanjang jaringan pipa dengan kecepatan suara. Untuk menghindari rusaknya pipa atau peralatan hidraulik lainnya, maka sistem

jaringan pengaliran tertekan harus dirancang untuk menerima tekanan oleh palu air tersebut. Peristiwa palu air tersebut merupakan peristiwa pengaliran tak tetap (‘transient flow’), persamaan dasarnya merupakan persamaan diferensial parsil fungsi waktu dan tempat. Ada berbagai cara penyelesaian persamaan tersebut yang umum digunakan. e. Penerapan Water Hammer Aplikasi sistem perpipaan untuk distribusi fluida banyak kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Fenomena water hammer merupakan salah satu parameter yang harus diperhitungkan dalam merancang sebuah sistem perpipaan. Fenomena ini terjadi akibat kenaikan gelombang tekanan ketika aliran dihentikan secara tiba-tiba, dimana gelombang tekanan yang terjadi bisa bernilai positif maupun negatif. Sebagai contoh terdapat pada pompa hidram (water hammer pump ) adalah teknologi pompa tanpa menggunakan bahan bakar listrik dan bahan bakar minyak, prinsip kerja pompa hidram adalah menggunakan system water hummer atau efek pukulan air, yang dapat mengalirkan air dari hilir sungai sampai ke daerah perbukitan tanpa menggunakan listrik dan BBM, di lihat dari harga listrik dan BBM yang mahal maka penggunaan pompa ini sangat efis ien sekali. Di indonesia sudah banyak di terapkan khususnya di tempat tempat yang minim air yang sumber airnya jauh dari pemukiman. f. Sifat-Sifat Fluida Cairan dan gas disebut dengan fluida, sebab zat cair tersebut dapat mengalir. Untuk mengerti aliran fluida maka harus mengetahui berapa sifat dasar fluida. Adapun sifat-sifatnya yaitu : berat jenis (specific gravity), kerapatan (density), kekentalan (visicosity) dan tekanan (preassure) g. Berat Jenis spesifik (specific gravity) Berat jenis spesifik suatu bahan didefinisikan sebagai perbandingan kerapatan bahan terhadap kerapatan air. Berat jenis adalah besaran murni tanpa dimensi maupun satuan. h. Kerapatan (density) Kerapatan adalah suatu sifat karakteristik setiap bahan murni. Benda tersusun atas bahan murni, misalnya emas murni, yang dapat memiliki berbagai ukuran ataupun massa, tetapi kerapatannya akan sama untuk semuanya. Satuan SI untuk kerapatan adalah kn u / . Kadang kerapatan diberikan dalam( n Pu / ). Dengan catatan bahwa jika kn u / = 1000g /(100 cm) , kemudian kerapatan yang diberikan dalam n Pu / harus dikalikan dengan 1000 untuk memberikan hasil dalam kn Pu / Dengan demikian kerapatan air

40

ISSN : 2087 – 1627

adalah 1,00 n Pu / , akan sama dengan 1000 kn u / i. Aliran Laminar dan Turbulen Aliran fluida di dalam sebuah pipa mungkin merupakan aliran laminar atau aliran turbulen. Osborne Reynolds (1842-1912), ilmuwan dan ahli matematika Inggris, adalah orang yang pertama kali membedakan dua klasifikasi aliran ini dengan menggunakan sebuah peralatan sederhana. Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang bergerak mengikuti garis lurus yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran disebut turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya gerakan rata-ratanya saja yang mengikuti sumbu pipa. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa koefisien gesekan untuk pipa silindris merupakan fungsi dari bilangan Reynold (Re). Dalam menganalisa aliran di dalam saluran tertutup, sangatlah penting untuk mengetahui tipe aliran yang mengalir dalam pipa tersebut. Untuk itu harus dihitung besarnya bilangan Reynold dengan mengetahui parameter-parameter yang diketahui besarnya. Besarnya Reynold (Re), dapat dihitung dengan menggunakan persamaan : 3

c

fluida yang sedang bergerak selalu mempunyai energi. Dalam menganalisa masalah aliran fluida yang harus dipertimbangkan adalah mengenai energi potensial, energi kinetic dan energi tekanan. Energi potensial menunjukkan energi yang dimiliki fluida dengan tempat jatuhnya. Energi potensial (Ep),dirumuskan sebagai : Ep = W.z Dimana : EP = energi potensial (J) W = berat fluida (N) z = beda ketinggian (m) k. Persamaan Bernoulli Hukum kekekalan energi menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain. Energi yang ditunjukkan dari persamaan energi total di atas, atau dikenal sebagai head pada suatu titik dalam aliran steady adalah sama dengan total energi pada 10 Ibid, hal 53 titik lain sepanjang aliran fluida tersebut. Hal ini berlaku selama tidak ada energy yang ditambahkan ke fluida atau yang diambil dari fluida. Konsep ini dinyatakan ke dalam bentuk persamaan yang disebut dengan persamaan Bernoulli, yaitu

R Dimana : ρ = massa jenis fluida (kg/m3) d = diameter dalam pipa (m) v = kecepatan aliran rata-rata fluida (m/s) μ = viskositas dinamik fluida (Pa.s) Karena viskositas dinamik dibagi dengan massa jenis fluida merupakan viskositas kinematik (v) maka bilangan Reynold, dapat juga dinyatakan

c

j

Aliran akan laminar jika bilangan Reynold kurang dari 2000 dan akan turbulen jika bilangan Reynold lebih besar dari 4000. Jika bilangan Reynold terletak antara 2000 – 4000 maka disebut aliran transisi. 8Sularso, Haruo Tahara, Pompa dan Kompresor, Pemilihan, Pemakaian dan Pemeliharaan. j. Energi dan head Energi pada umumnya didefenisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Kerja merupakan hasil pemanfaatan dari sebuah gaya yang melewati suatu jarak dan umumnya didefenis ikan 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

t

R√ n

√

R

n

t

Dimana : p1 dan p2 = tekanan pada titik 1 dan 2 v1 dan v2 = kecepatan aliran pada titik 1 dan 2 z1 dan z2 = ketinggian titik1 dan 2 diukur dari bidang referensi γ = berat jenis fluida g = percepatan gravitasi = 9,81 m/ √ Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses terjadi diantara dua titik. Jika head losses tidak diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan. Jika head losses dinotasikan dengan “hl” maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi persamaan baru, dirumuskan sebagai:

R

R√

t

n

√

R

t

n

a

Persamaan di atas digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan tipe aliran, biasanya untuk fluida inkompressibel tanpa adanya penambahan panas atau energi yang diambil dari fluida. Namun, persamaan ini tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan aliran fluida yang mengalami

41

ISSN : 2087 – 1627

penambahan energi untuk menggerakkan fluida oleh peralatan mekanik, misalnya pompa, turbin dan peralatan lainnya. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada perancangan pompa hidram yang perlu diperhatikan adalah perbandingan tinggi air masuk dan keluar (head rasio) rendah . Pada kondisi ratio ketinggian air masuk dan keluar 0,5, maka efisiensi aliran dapat mencapai 50 – 60%. Efisiensi akan menurun sampai dengan 20%. Untuk mengasilkan debit air 1-5 liter/menit, dapat menentukan ukuran ram berdasarkan ukuran diameter dalam dari pipa. Untuk menentukan pipa pemasukan perlu mempertimbangkan perubahan-perubahan musim karena aliran sumber mata air atau sungai sangat berubah daiam musim-musim yang berbeda. Setelah memilih pompa yang berukuran sesuai, pililah pipa pemasukan yang sesuai pula (jika tinggi jatuh vertikal kurang dari 4,8m). Jika tinggi jatuh vertikal lebih dari 4,8m maka diperbolehkan untuk mempergunakan pipa pemasukan yang satu ukuran lebih kecil (artinya 0,5 inci dan lebih kecil) untuk pompa – pompa yang berukuran 1,5 inci dan lebih besar dari itu terutama bila biaya pemasangan pompa harus ditekan serendah mungkin pilihlah panjang pipa pemasukan 6 kali tinggi jatuh untuk tinggi jatuh kurang dari 4,8 meter, untuk tinggi jatuh 4,8 m sampai 7,6m, 4 kali tinggi jatuh, dan untuk 7,6 m sampai 15m, 3 kali tinggi jatuh. Proses pembuatan rumah pompa hidram ini diperlukan sebuah pipa berukuran 4”, sambungan pipa berbentuk T dan L dengan ukuran 4” dan plat dengan tebal 1 cm, berdiameter 30 dan 20 cm masing-masing 2 buah .

Gambar3. Rancangan Rumah Pompa Hidram. Proses pembuatan tabung udara yang diperlukan sebuah pipa berukuran 8” panjang 60 cm, pipa ¾ “, plat berdiameter 30cm dan 8” tebal 1 cm.

Proses pembuatan katup limbah perlengkapan yang dibutuhkan ialah, sebagai berikut: Plat : berdiameter 30 cm tebal 1 cm : berdiameter 18 cm tebal 2 mm 2 buah Karet : diameter 18 cm Spring : diameter 3 cm panjang 9cm Baut : panjang 30 cm Besi cor : panjang 21,1 cm 4 buah

Gambar5. Rancangan pembuatan Katup Limbah Proses pembuatan pipa masuk yang diperlukan sebuah pipa 4” dan plat dengan diameter 16.5 cm dengan tebal 1 cm.

Gambar6. Pembuatan Pipa masuk KESIMPULAN Pada perancangan pompa hidram yang perlu diperhatikan adalah perbandingan tinggi air masuk dan keluar (head rasio) rendah . Pada kondisi ratio ketinggian air masuk dan keluar 0,5, maka efisiensi aliran dapat mencapai 50 – 60%. Efisiensi akan menurun sampai dengan 20%. Untuk mengasilkan debit air 1-5 liter/menit, dapat menentukan ukuran ram berdasarkan ukuran diameter dalam dari pipa. Untuk menentukan pipa pemasukan perlu mempertimbangkan perubahan-perubahan musim karena aliran sumber mata air atau sungai sangat berubah daiam musim-musim yang berbeda. Setelah memilih pompa yang berukuran sesuai, pililah pipa pemasukan yang sesuai pula (jika tinggi jatuh vertikal kurang dari 4,8m). Jika tinggi jatuh vertikal lebih dari 4,8m maka diperbolehkan untuk mempergunakan pipa pemasukan yang satu ukuran lebih kecil (artinya 0,5 inci dan lebih kecil) untuk pompa – pompa yang berukuran 1,5 inc

Gambar4. Rancangan Tabung Pompa Hidram

42

ISSN : 2087 – 1627

Daftar Pustaka: [1]Panjaitan, D.O. and Sitepu, T., 2012. Rancang Bangun Pompa Hidram dan Pengujian Pengaruh Variasi Tinggi Tabung Udara dan Panjang Pipa Pemasukan Terhadap Unjuk Kerja Pompa Hidram. e-Dinamis, 2(2). [2] Siahaan, P. and Sitepu, T., 2013. Rancang Bangun Dan Uji Eksperimental Pengaruh Variasi Panjang Driven Pipe Dan Diameter Air Chamber Terhadap Efisiensi Pompa Hidram. Jurnal Dinamis, (12). [3] Suarda, M. and Wirawan, I.K.G., 2008. Kajian eksperimental pengaruh tabung udara pada head tekanan pompa hidram. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CAKRAM, 2(1), pp.10-14. [4] Widarto, L., Sudarto, FX., 1997, Membuat Pompa Hidram, edisi 8, Kanisius, Yogyakarta. [5] Widarto; Sudarto C.Ph., 1997, “Membuat Pompa Hidram”, Kanisius, Yogyakarta

43