LAPORAN PRAKTIKUM MEKANIKA FLUIDAHYDRAULIC RAM PUMP

Disusun Oleh :DAMAR DWI SAPUTRA MARKUS (115214041)

LABORATORIUM MEKANIKA FLUIDAPROGRAM STUDI TEKNIK MESIN UNIVERSITAS SANATA DHARMAYOGYAKARTA2013

PENDAHULUAN Sekilas Sejarah HidramHidram yang ada sekarang merupakan hasil dari pengembangan dan penyempurnaan dari teknologi pompa yang telah dimulai sekitar lebih dari 200 tahun yang lalu.Hidram pertama kali dirncang dan dibuat oleh John Whitehurst dari Chesire, Inggris pada tahun 1772. Hidram ini dioperasikan secara manual dengan membuka dan menutup sebuah kran (stopcock) dan diberi nama pulsation engine. Pada tahun 1775 ia memasang instalasi hidramnya yang pertama di Outlon, Inggris untuk menaikkan air setinggi 4,9 meter (16 feet). Pada tahun 1783 dia juga memasang induksi hidram di Irlandia.Hidram yang pertama kali bekerja secara otomatis dirancang dan dibuat oleh Joseph Montgolfier dari Voiron, Perancis pada tahun 1796. Hidramnya yang pertama dirancang ini dipergunakan untuk mengangkat air di pabrik kertasnya. Namun demikian, hidram ini masih sering mengalami kemacetan. Udara yang ada didalam tabung udara akhirnya selalu habis karena larut dalam air yang disebabkan oleh mekanisme pukulan air. Maslah ini dapat diselesaikan oleh putranya, Pierce Francois Montgolfier yang merancang katub udara (snifter) untuk menghirup/memasukkan udara ke dalam tabung udara. Pengembangannya ini dipatenkannya pada tahun 1816.Hidram yang sangat besar dengan diameter 300 mm dibuat oleh Pierce tahun 1816 di Amerika Serikat. Hidram ini menghasilkan debit 1700 liter per menit dengan ketinggian 43 m.Easton dan James (1820) adalah orang pertama yang membuat hidram dalam skala yang besar dengan tujuan komersial. Pompa hidramnya digunakan intuk mencukupi kebutuhan air di rumah-rumah di pedesaan dan untuk keperluan pertanian dan peternakan. Bilamana hidram dipakai?Secara teoritis, setiap air yang mengalir baik disaluran air, selokan maupun disungai dapat dinaikkan dengan menggunakan pompa hidram. Semakin curam saluran dan semakin besar debit airnya maka akan semakin besar debit yang dapat dihasilkan dan akan semakin tinggi pula head (tinggi tekan) yang dapat dapat dicapai oleh pompa hidram.

WATER HAMMER DAN SURGE TANKUntuk mengetahui prinsip kerja sebuah hidram, ada baiknya jika melihat sejenak fungsi sebuah surge tank. Surge tank ini biasa terdapat pada rangkaian sistem pembangkit tenaga air.Pada sistem pembangkit tenaga air, biasa dilengkapi peralatan untuk mengatasi perubahan beban yang mendadak/tiba-tiba. Paling banyak, sistem pembangkit tenaga air digunakan sebagai penggerak atau sumber gerak generator listrik. Pada saat ada perubahan beban listrik yang mendadak, turbine governors akan mengatur debit air yang masuk kedalam trubin dalam beberapa detik saja untuk menjaga agar frekuensi listrik tetap stabil.

Gambar 1 : Instalasi dengan surge tank

Pada saat beban tiba-tiba berkurang, turbine governor akan menutup katup input secara tiba-tiba pula. Sehingga debit air akan berkurang secara tiba-tiba pula.penutupan katup input secara tiba-tiba ini akan menyebabkan getaran di dalam saluram masuk yang disertai dengan suara pukulan yang sangat keras yang biasanya disebut dengan water hammer.Untuk mengatasi water hammer ini, dipasang sebuah surge tank pada saluran masuk antara dam penampung sumber air dan turbin yang berada dalam power house. Fungsi utama surge tank ini adalah melindungi bagian-bagian yang lemah di dalam saluran input dari tekanan air yang sangat tinggi. Dengan surge tank ini dimungkinkan menggunakan menggunakan dinding pipa yang lebih tipis. Untuk saluran input yang panjangnya sampai beberapa kilometer, hal ini akan mengurangi biaya yang cukup banyak.Meskipun tidak dapat dihindari, saluran input harus dirancang mampu menahan tekanan tinggi yang diakibatkan oleh water hammer, sehingga hanya diperlukan saluran dengan pipa yang tipis. Pada sistem pembangkit tenaga ait ini water hammer mengakibatkan dampak negatif. Namun demikian, fenomena inilah yang menaikkan air pada hidram.

INSTALASI HIDRAMInstalasi sebuah pompam hidram pada dasarnya sangalah sederhana karena hanya terdiri dari sebuah saluran input, pompa hidram, sebuah saluran outpu dan sebuah saluran pembuangan/limbah.

Gambar 2 : Skema Rangkaian Hydraulic Ram (Hidram)

DASAR TEORIPada dasarnya ada 5 persamaan dasar yang dipergunakan mesin fluida, yaitu :1. Hukum kekekalan massa.2. Hukum kedua Newton tentang gerak.3. Prinsip kekekalan momentum,4. Hukum pertama Termodinamika.5. Hukum kedua Termodinamika.Tidak semua hukum/persamaan tersebut selalu dipakai bersama-sama untuk menyelesaikan suatu persoalan fluida. Pada pompa hidram ini juga tidak mengaplikasikan semua hukum tersebut.Hukum Pertama TermodinamikaHukum Pertama Termodinamika berisi tentang prinsip kekekalan energi : energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan. Energi hanya dapat berubah bentuk.Pompa hidram merupakan sistem terbuka dengan volume yang selalu konstan. Dikatakan volume konstan karena ukuran pompa hidram selalu tetap. Untuk keadaan air (suhu dan tekanan) yang sama maka massa air di dalam pompa hidram akan selalu sama, total air yang_ masuk akan sama dengan total air yang keluar. Dikatakan sistem terbuka karena ada fluida yang mengalir ke dalam dan keluar pompa hidram.Fluida dapat mengalir masuk atau keluar suatu ruangan karena ada kerja yang mendorongnya. Kerja ini disebut dengan kerja aliran (flow work/flow energy). Besarnya flow energy adalah :e=Pu+u+1/2V2+gz(kJ/kg)P= tekanan= volume jenisV= kecepatang= percepatan gravitasiz=elevasiSuhu air saat masuk dan keluar pompa hidram dianggap sama, sehingga persamaan kekekalan energinya adalah :

m= laju aliran massa (kg/detik)= volume jenisV= kecepatang= percepatan gravitasiz= elevasiHukum kekekalan MassaSeperti halnya dengan energi, massa tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, hanya bisa berubah bentuk.Perubahan massa yang terjadi di dalam suatu ruang adalah selisih dari jumlah massa yang masuk can jumlah massa vang keluar dari ruang.

Jika dalam ruang tidak terjadi penambahan massa atau pengurangan massa, maka mth = mom. Karena pada pompa hidram hanya ada satu saluran input dan dua saluran output (saluran limbah dan saluran tekan/output) maka persamaan kekekalan massa untuk pompa hidram adalah :minput = mlimbah + mout

Hukum Kedua NewtonSecara lengkap rumusan Hukum Kedua Newton adalah Percepatan sebuah benda sebanding dengan resultante (jumlahan) gaya yang dikerjakan pada benda tersebut, berbanding terbalik dengan massa benda dan arahnya sama dengan arah resultante (jumlahan) gaya.Secara matematis biasa dituliskan :F = m . aF = resultante gaya yang bekerj a pada bendam = massa bendaa = percepatanPersamaan tersebut merupakan persamaan vektor sehingga arah F dan a sama. Secara fisis, gerak dengan percepatan konstan ialah gerak yang dipengaruhi oleh aksi sebuah kaya konstan. Seandainya gaya itu berubah-ubah, maka percepatannya juga akan berubah-ubah karena massa benda m itu konstan.

Hukum Kekekalan MomentumSecara matematis momentum benda merupakan hasil perkalian antara kecepatan benda ( v ) tersebut dengan massa benda ( m ).Momentum = m vDari persamaan momentum tersebut terlihat bahwa semakin besar massa fluida, makan semakin besar pula momentum yang dihasilkan. Demikian juga dengan kecepatan fluidanya.

Peningkatan tekanan pada hidramTe1ah diungkapkan sebelumnva, hidram dirancang untuk memanfaatkan aliran air yang berhenti secara tiba-tibal/mendadak (water hammer) di dalam pipa menjadi hentakan tekanan fluida yang tinggi. Jika aliran fluida di dalam saluran tidak elastis dihentikan ..ecara tiba-tiba, secara teoritis peningkatan beda tekanan yang dapat dicapai adalah :dH = V C / g(1)dHkenaikan tekanan [ mVkecepatan fluida dalam saluran [ m/detik ]Ckecepatan gelombang akustik dalam fluida [ m/detik ]Clpercepatan gravitasi [ = 9,81 midetik2]

Kecepatan gelombang akustik pada suatu fluida adalah (David and Edward) :(2)Ev adalah bulk modulus elastisitas, yang merupakan ungkapan kompresibilitas (kemampumampatan) fluida. Modulus elastisitas air adalah Ev = 2,07 x 10' N/m2.Bulk modulus elastisitas adalah perbandingan perubahan tekanan terhadap perubahan volume tiap satuan volume. adalah masa jenis fluida [ kg/ m2 ]Untuk air keadaan standar, = 1000 kg/ m2.Persamaan (1) di atas merupakan peningkatan tekanan maksimum secara teoritis. Peningkatan tekanan yang sesungguhnya akan lebih kecil dari peningkatan tekanan yang diperoleh dari persamaan (1). Hal ini terjadi karena pada kenyataannya semua jenis pipa mempunyai elastisitas dan secara teknis tidak dapat menghentikan aliran fluida daiam pipa benar-benar secara mendadak.

Gambar XXX : skema rangkaian Hydralic Ram (hidram)Karena memiliki beda ketinggian ( H / head ), aliran air akan dipercepat di dalam saluran pipa input dan meninaaalkan hidram melalui katub buang. Percepatan fluida yang mengalir di dalam pipa didapatkan dengan menggunakan persamaan berikut :(3)H= beda ketinggian permukaan air dengan katup buang [m]= rugi-rugi aliran dalam pipaf= faktor gesekan (persamaan Darcy-Weibach) [-]= jumlah rugi-rugi minor lainnya [m]K= faktor kontraksi atau enlargement [-]L= panjang saluran pipa input [m]D= diameter saluran pipa input [m]V= kecepatan aliran didalam pipa [m/detik]t= waktu [detik]= percepatan yang dialami oleh fluidaBesarnya harga K dan f dapat dicari dari buku-buku teks tentang mekanika fluida. Pada akhirnya aliran ini cukup mampu untuk mulai menggerakkan dan menutup katub buang. Hal ini akan terjadi jika gaya drag dan gaya tekan air sama atau lebih besar dari berat katub buang.Gaya grag Fd diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut :(4)Fd= gaya drag dari katup buang [N]Av= luas saluran katup buang [m2]rhow= massa jenis fluida [ =1000kg/m2]Cd= koefisien drag dari katup buang [-]Besarnya koefisien drag Cd tergantung pada besarnya angka Reynold dari aliran dan bentuk katub buang. Untuk bentuk piringan bulat, Cd = 1,12Penerapan hukum Bernoulli untuk titik (0) dan (3) dari gambar 1 akan diperoleh :(5)P0= tekanan di titik (0), sama dengan nol (atmosfer) [ Nim2 ]P3= tekanan di titik (3)Vo= kecepatan fluida di titik (0), sama dengan nol [ m/detik ]Zo= tinggi (head) titik (0)V3= kecepatan fluida di titik (3), sama dengan nol [ m/detik ](pada saat katub buang tertutup penuh secara tiba-tiba)Z3= tinggi (head) titik (3)HL= rugi-rugi (head loss)[m]Jika besaran yang diketahui dimasukkan ke dalam persamaan 5, akan diperoleh :(6)Gaya yang mempercepat aliran fluida dapat dituliskan dengan menggunakan persamaan Newton :(7)F gaya yang mempercepat aliran fluida (N)M massa fluida dalam saluran yang dipercepat (kg)A percepatan (m/detik2)A luas penampang pipa saluran (m2)L panjang pipa saluran (m)Tekanan di titik (3), P3 diperoleh dengan membagi gaya F pada persamaan 7 dengan luas penampang saluran A.

Sehingga,

Dari persamaan 6 dan 9

Siklus Kerrja Puma Hidram Dalam menganalisa proses pemompaan, siklus kerja hidram dibagi dalam empat periode utama. Gambar 3 menunjukkan grafik kecepatan aliran dalam pipa saluran dan posisi katub buang yang terbagi dalam 3 tahap/fase.Fase A.Katub buang terbuka. Air akan mulai mengalir dari bak air bawah menuju dan melewati katub buang. Aliran air akan dipercepat (semakin lama semakin cepat) karena adanya beda ketinggian / head bak air bawah dan katub buang, H. Kecepatan aliran air di dalam saluran akan mencapai Vo.Fase B.Katub buang mulai bergerak menutup dan akhirnya tertutup penuh. Pada rancangan hidram yang baik, katub buang dapat bergerak dengan tiba-tiba dan cepat.

Gamabar 3 gafik hubungan kecepatan fluida pada saluran input dengan waktuFase C.Setelah katub buang tertutup, tetap akan tertutup. Proses penutupan katub buang secara tiba-tiba akan menimbulkan tekanan yang sangat tinggi di dalam hidram. Tekanan statik yang berlebih ini juga akan dialami fluida yang berada di sekitar check valve.Check valve akan terbuka dan terjadilah proses pemompaan air yang sesungguhnya. Proses ini akan berhenti pada saat kecepatan fluida yang masuk ke dalam tabung udara/yang melewati check valve sama dengan nol. Check valve akan menutup kembali karena penurunan tekanan di dalam hidram.Tekanan yang besar di bagian atas check valve, yang lebih besar dari tekanan statis sebelumnya, akan menyebabkan fluida terdorong ke pipa output.Fase D.Check valve tertutup.Tekanan yang masih tinggi dalam hidram, lebih besar dari tekanan statis inputan (permukaan bak air bawah), menyebabkan pembalikan arah aliran fluida. Aliran dari hiram menuju ke bak air bawah. Proses/kejadian/tahap ini disebut masa pembalikan/recoil.Tahap/masa pembalikan arah aliran ini akan menyebabkan tekanan vakum di dalam hidram. Sejumlah kecil udara akan terhisap masuk ke dalam hidram melalui katub/lubang udara.Tekanan fluida di bagian bawah katub buang juga berkurang dan karena berat dari katub buang itu sendiri maka katub buang akan terbuka dengan sendirinya (secara otomati s).Air di dalam pipa saluran masuk kembali ke tekanan semula. Air akan kembali mengalir seperti semula / pada awalnya. Siklus selanjutnya dimulai lagi. Tahaptahapiniterus berlangsung secara otomatis dengan frekwensi bebera papukulan / langkah/ beats per menit, bisa sampai 300 beats per menit.Efisiensi Hidram Ada dua cara yang biasa dipergunakan untuk menentukan efisiensi suatu instalasi hidram, yaitu dengan metode Rankine dan metode D'Aubuisson.

Eefisiensi hidram [ - ]Qdebit aliran fluida yang dipompakan [ 1/menit ]Qw debit aliran fluida yang terbuang [ 1/menit ]hselisih tinggi permukaan air bak atas dan bak bawah [ m ]Htinggi permukaan air bak bawah dari katub buang [ mHdtinggi permukaan air bak atas dari katub buang = H + h [m]

METODE PRAKTIKUMLangkah Praktikum1. Periksa terlebih dahulu semua pipa saluran input dan semua selang output.Pastikan semua sambungan sudah terpasang dengan benar.2. Nyalakan pompa air dan buka kran air pengisi bak air untuk mengisi bak air input.3. Tunggu beberapa saat sampai air keluar dari saluran buang bak air input.4. Ukurlah :a. Selisih tinggi permukaan air dalam bak air input dengan pompa hidram (hin).b. Selisih pompa hidram dengan saluran output Lantai 2 (hout-2).c. Selisih pompa hidram dengan saluran output Lantai 3 (hout-3).d. Selisih pompa hidram dengan saluran output Lantai 4 (hout-4).5. Ukurlah panjang langkah katub buang (s).6. Operasikan hidram.7. Buka kran buang saluran output.8. Tutup kran buang saluran output jika sudah keluar airnya.9. Buka kran saluran output yang ada di lantai 2. Tunggu beberapa saat sampai keluar airnya.10. Ukurlah :a. Debit air yang berasal dari pompa air (Qin-p).b. Debit air yang berasal dari kran pengisi bak air (Qin-k).c. Debit air yang keluar lewat saluran buang bak air input (Qin-o).d. Debit air yang keluar lewat saluran output (Qout).e. Jumlah beats tiap menit (n).f. Lakukan pengukuran 10.a s/d 10.e masing-masing sebanyak 3 kali.11. Pindahkan saluran output ke lantai 3 dan ulangi langkah 10.12. Pindahkan saluran output ke lantai 4 dan ulangi langkah 10.13. Lakukan langkah 10 s/d 12 dua kali lagi dengan beats yang berbeda-beda (50 s/d 90 beats tiap menit), dengan cara mengatur panjang langkah hidram.14. Setelah selesai mengumpulkan data, matikan pompa air dan tutup kran air bak air.15. Buka kran buang saluran output.16. Bereskan semua peralatan dan kembalikan seperti sebelum praktikum.PEMBAHASAN DAN PERHITUNGAN

Hd= 3 meterH= 0.66 meterh= Hd H= 2.34 meter

Mencari Efisiensi Hidram dengan metode Rankine :E (Rankine) = Q h (Q+Qw) H= 170 x 2.34 (170+15) 0.66= 3.26 %volumetris= = = 11.33

Dari perhitungan didapat hasil seperti tabel dibawah ini :

NOTekananQ L/DetikQw (L)h(m)H(m)Hd (m)Beat/MenitEfisiensi (%)H volumentris

116 Psi170152.34 0.66 3 2503.2611.33

218 Psi17215.5 2.34 0.66 3 2503.2511.09

320 Psi18816.52.34 0.66 3 2643.2611.39

422 Psi18217 2.34 0.66 3 2833.2410.70

524 Psi18017.5 2.34 0.66 3 2663.2310.28

KESIMPULANSemakin besar effisiensi maka semakin baik pompa hidram yang ada. Dan semakin banyak ketukan yang terjadi, maka semakin kecil debit air yang dipompa. Semakin besar tekanan semakin besar pula debit air yang dibutuhkan.