5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pompa Hidraulik Ram (Hydraulic Ram Pump)
Pompa hidrolik ram salah satu jenis pompa dimana fungsinya
menaikkan fluida menuju tempat lebih tinggi dari sumber air dan
penggerakkannya tanpa memerlukan listrik ataupun bahan bakar minyak,
akibat adanya energi kinetik yang berasal dari air itu sendiri pompa
hidram akan bergerak dengan sendirinya. Letak pompa yang lebih rendah
dari sumber air tampungan akan mengalirkan air dari suatu tampungan
atau sumber ke dalam pompa hidraulik ram melewati pipa penghantar
(Taye, 1998).
Pengoperasian pompa hidraulik ram memiliki lebih banyak kelebihan
daripada jenis pompa lainnya, yaitu tidak memerlukan adanya tambahan
sumber tenaga, bekerja berkesinambungan selama 24 jam tanpa berhenti,
tanpa perlu pelumasan, biaya pengoperasiannya terjangkau, karena hanya
memiliki 2 bagian yang bergerak sangat kecil kemungkinan terjadinya
keausan, pompa hidram dapat dibuat dengan peralatan yang sederhana
serta perawatan yang lebih sederhana serta mampu bekerja pada kondisi
apapun dengan efisien, sehingga banyak pendapat yang mengatakan
pompa hidram lebih ekonomis dari jenis pompa lainnya (Sularso dan
Haruo, 2004).
Pompa hidraulik ram yang memanfaatkan adanya tenaga air jatuh
yang berasal dari ketinggian tertentu lalu air tersebut akan dialirkan
6
menuju ke dalam pipa akan mengakibatkan terjadinya tekanan dinamik
pada badan pompa hidraulik ram, sehingga pompa ini akan bergerk secara
otomatis. Sejumlah air akan terdorong ke tempat yang lebih tinggi akibat
tekanan tersebut. Proses ini akan menimbulkan selisih tekanan yang tinggi
akibat berubahnya energi genetik aliran air dengan kecepatan tertentu akan
berubah jadi tekanan dinamik. Akibat tekanan yang tinggi di dalam
pompa, tekanan dinamik tersebut menimbulkan adanya palu air. Proses
penutupan serta pembukaan katup pengantar dan katup limbah secara
bergilir akan memaksa air naik menuju pipa pengantar yang disebabkan
oleh tekanan dinamik yang diteruskan (Hanafie, 1979).)
Manfaat yang dapat diterima dalam menggunakan pompa hidraulik ram
diantaranya:
1) Mengairi usaha perikanan atau tambak pada kolam.
2) Memenuhi pemasokkan kebutuhan air pada industri atau pabrik-
pabrik pengolahan,
3) Mengairi sawah, ladang, atau perkebunan dimana pasokan air
dibutuhkan secara terus-menerus, dimana kondisi sawah, ladang
dan perkebunan yang tadah hujan yang tidak terjangkau dari
irigasi serta sumber air yang lebih rendah.
4) Aliran mampu menghasilkan listrik bila dihubungkan dengan
generator yang dihasilkan akibat kekuatan air yang masuk dari
pompa hidraulik ram untuk pergerakkan turbin yang berputar.
5) Menyediakan air pada usaha peternakan.
7
2.2 Mekanisme Pompa Hidraulik Ram
Mekanisme kerja pompa hidraulik ram ialah dengan melipatgandakan
kekuatan pukulan sumber air yang merupakan input menuju tabung
pompa hidraulik ram serta menghasilkan ouput sesuai dengan lokasi yang
diperlukan dan volume air tertentu. Proses tersebut merupakan proses
mekanisme perubahan energi kinetik menjadi tekanan dinamis sehingga
menimbulkan peristiwa palu air atau water hammer yang mngakibatkan
terjadinya tekanan tinggi di dalam pipa. Katup limbah dan katup
penghantar yang membuka dan menutup secara bergantian menyebabkan
terjadinya tekanan dinamik lalu akan diteruskan menuju tabung udara yang
mana berfungsi sebagai kompresor untuk mengankat air menuju pipa
penghantar.
Berdasarkan letak katup limbah atau klep buang serta perubahan
kecepatan fluida terhadap waktu cara kerja pompa hidraulik ram dapat
dibagi menjadi 4 tahapan, pada gambar 2.1 dibawah ini.
(Mohammed, 2007)
Gambar 2.1 Cara kerja pompa hidraulik ram
8
Berdasarkan Gambar 2.1 cara kerja pompa hidram dapat dibagi menjadi
4 tahapan yaitu :
1. Akselerasi
Akselerasi diawali dengan terbukanya katup limbah dan
mulai mengalirnya fluida dari sumber melewati pipa
pemasukkan, badan hidram telah terpenuhi lalu keluar
melewati katup limbah. Ketinggian pada sumber air
mempengaruhi fluida tersebut sehingga mengalami percepatan
aliran sampai dengan kecepatannya samadengan nol. Posisi
katup limbah dalam keadaan tertutup. Keadaan ini dimana
tabung udara tidak mengalami tekanandan dan belum
adanya air yang telah keluar melewati pipa penghantar. Pada
Gambar 2.2 dapat dilihat Skema pompa hidraulik ram pada
tahap akselerasi.
(Mohammed, 2007)
Gambar 2.2 Skema pompa hidraulik ram pada tahap askselerasi
9
2. Kompresi
Pada tahapan kedua ini badan pompa telah dipenuhi oleh
air. Katup limbah mulai menutup perlahan hingga tertutup
penuh. Air yang bergerak ke segala arah dengan sangat cepat
akan mengakibtkan energi gerak terkumpul kemudian berubah
menjadi energi tekan. Proses penutupan katup limbah yang baik
terjadi sangat cepat. Pada gambar 2.3 dapat dilihat Skema
pompa hidraulik ram saat kompresi.
(Mohammed, 2007)
Gambar 2.3 Skema pompa hidraulik ram pada tahapan
kompresi
3. Penghantar
Katup limbah masih tetap tertutup pada tahapan ini.
Penutupan katup secara mendadak tersebut telah
menimbulkan tekanan yang lebih besar dari tekanan statis
terhadap pipa pemasukan . Katup penghantar akhirnya terbuka
10
dengan sangat cepat mengakibatkan air akan memompa masuk
menuju tabung udara sebagian. Udara dalam tabung udara akan
mengembang bertujuan memberikan kesimbangan pada tekanan
kemudian mendorong air keluar melewati pipa penghantar.
Pada gambar 2.4 Skema pada tahap ini dapat dilihat.
(Mohammed, 2007)
Gambar 2.4 Skema pompa hidraulik ram pada tahapan
penghantar
4. Rekoil
Tahap akhir dimana katup pengantar telah menutup lalu
tekanan yang berhampiran pada katup penghantar dalam
keadaan lebih besar daripada tekanan statis di pipa pemasukan,
mengakibatkan aliran air akan berbalik arah dari badan pompa
hidraulik ram ke sumber air. Pada tahap rekoil sejumlah udara
dari luar masuk ke pompa akibat terjadinya kevakuman pada
hidram. Akibat berat katup limbah itu sendiri sehingga katup
limbah kembali terbuka maka tekanan di sisi bawah katup
11
limbah mulai berkurang. Sebelum siklus berikutnya terjadi,
tekanan air pada pipa akan kembali ke tekanan statis
(Mohammed, 2007)
Gambar 2.5 Skema pompa hiidram pada tahapan rekoil
Sistem yang ideal pada kecepatan aliran serta tekanan aliran di pipa
input serta katup limbah dalam satu siklus kerja pompa hidraulik ram
dapat diperhatikan pada diagram siklus yang menunjukan satu siklus
denyut tekanan dari hidraulik ram dilihat pada gambar 2.6 ( Hanafie,
1979) :
Periode 1. : pada akhir siklus sebelumnya, kecepatan air melalui
hidram mulai mengalami penambahan, air melewati katup
limbah yang sedang terbuka, timbul tekanan negative
kecil dalam hidraulik ram.
Periode 2 : aliran yang mengalami penambahan sampai
maksimum melalui katup limbah yang telah terbuka dan
tekanan dalam pipa pemasukan juga mengalami
penambahan secara bertahap.
12
Periode 3 : katup limbah akan tertutup sehingga menyebabkan
naiknya tekanan dalam hidraulik ram. Kecepatan aliran di
dalam pipa pemasukan telah mencapai titik maksimum.
Periode 4 : katup limbah yang menutup telah menyebabkan palu
air (water hammer) yang akan mendorong air melewati
katup pengantar. Kecepatan aliran pipa pemasukan akan
berkurang dengan cepat.
Periode 5 : denyut tekanan terupukul ke dalam pipa pemasukan,
mengakibatkan timbulnya hisapan kecil dalam hidraulik
ram. Katup limbah yang membuka karena adanya
hisapan tersebut dan juga akibat beratnya sendiri. Air
akan mengalir kembali melewati katup limbah dan skilus
hidraulik ram akan berulang kembali.
( Hanafie, 1979 )
Gambar 2.6 Diagram siklus satu kerja pada pompa hidraulik ram.
13
2.3 Komponen Utama Pompa Hidraulik Ram
Pembentukan satu sistem pada pompa hidraulik ram biasanya
terdiri dari beberapa komponen penyusun seperti (Hanafie, 1979 ) :
1. Ruang udara (air chamber).
2. Katup pengantar (delivery valve).
3. Katup limbah (waste valve).
4. Pipa pemasukan (drive pipe).
5. Katup udara (air valve).
6. Pipa pengeluaran atau pipa pengantar (delivery pipe).
(Hanafie, 1979 )
Gambar 2.7 Komponen Hidraulik ram
2.3.1 Pipa pemasukan (drive pipe)
Pipa pemasukan merupakan salah satu komponen terpenting
dalam pompa hidraulik ram. Sebuah Pipa pemasukan harus mampu
menghentikan tekanan tinggi yang terjadi karena menutupnya katup
14
limbah secara mendadak karena itu dimensi pada Pipa pemasukan harus
diperhitungkan dengan cermat. Selain itu, untuk menghasilkan efisiensi
yang maksimal Pipa pemasukan harus terbuat dari bahan yang tidak
fleksibel.
Diameter dan panjang pipa pemasukan (drive pipe) sangat penting
dalam mempengaruhi kinerja pompa hidraulik ram. Menghetahui
kualitas dimensi pipa pemasukan yang paling tepat digunakan untuk
konstruksi pompa hidraulik ram maka dapat digunakan persamaan rasio
dari panjang pipa (L) dan diameter pipa (D) yang mana Batasan
perbandingan tersebut harus di antara 150 sampai 1000 dan juga rasio
antara panjang pipa (L) dan supply head (H) harus bernilai di antara 3-7.
Persaman rasio tersebut dapat dilihat pada persamaan 1 dan 2 (Watt,
1975 ).
L
D= 150 − 1000 persamaan 1
L
H= 3 − 7 persamaan 2
Visikositas air dan gesekan pada dinding pipa (friction) juga
dipengaruhi oleh diameter pipa pemasukan dimana rasio yang hampir
sama antara pipa dan volume air akan membuat visikositas air dan
gesekan yang terjadi semakin membesar yang otomatis akan
menurunkan kecepatan aliran air dan mereduksi effesiensi pompa
hidraulik ram. Pipa pemasukan juga dapat menentukan pipa pengantar
(drive pipe) seperti ditunjukkan pada tabel 1 tentang perbandingan antara
15
pipa pemasukan dan pipa pengantar sesuai penelitian yang dilakukan
PTP-ITB (Hanafie, 1979).
(Hanafie, 1979).
Tabel 2.1 : Perbandingan diameter pipa pemasukan dan pipa pengantar.
2.3.2 Pipa pengantar (delivery pipe)
Pipa pengantar atau pipa penyalur berfungsi dalam mengalirkan
fluida berasal dari tabung udara yang merupakan hasil pemopaan.
Diameter pada pipa penyalur biasanya memiliki ukuran lebih besar dari
ukuran diameter pipa pengantar, untuk panjang pipa pengantar dapat
disesuaikan dengan ketinggian yang diinginkan.
Hidraulik ram dapat memompa air pada ketinggian yang cukup
tinggi. Dengan menggunakan pipa pengantar (delivery pipe) yang panjang
akan menyebabkan ram harus mengatasi geseakan antara air dengan
dinding pipa. Pipa pengantar dapat dibuat dari bahan apapun, termasuk
pipa plastik tetapi dengan syarat bahan tersebut dapat menahan tekanan
dinamik air.
Tabel 2.2 menunjukkan kemampuan hidraulik ram buatan John
Blake dari inggris yang juga disebut sebagai “Hydram Blakes” dimana
diameter pipa pengantar akan menghasilkan debit pompa.
16
(Watt, 1975 )
Tabel 2.2 : Kemampuan pompa hidraulik ram John Blake
2.3.3 Katup limbah (waste valve)
Klep buang atau katup limbah dalam perancangannya harus
dilakukan dengan baik sehingga gerakan dan beratnya dapat
menyesuaikan karena katup limbah merupakan salah satu
komponen terpenting pompa hidraulik ram. Fungsi katup limbah
sendiri adalah mengubah energi kinetik fluida menjadi energi
tekanan dinamis fluida yang mengalir melalui pipa pemasukan
serta akan menaikkan fluida menuju tabung udara (Hanafie, 1979 ).
2.3.4 Katup pengantar (delivery valve)
Katup penyalur atau katup penghantar berfungsi
menyalurkan fluida untuk dinaikkan ke tangki penampungan dari
dalam badan pompa hidram yang menuju tabung udara . Air yang
masuk menuju tabung udara tidak diperbolehkan kembali lagi
menuju badan hidram sehingga katup penghantar yang dibuat harus
satu arah.
17
Selain itu, untuk memungkinkan fluida yang terpompa
bisa memasuki ruang udara tanpa adanya hambatan pada aliran
maka katup penghantar juga harus mempunyai lubang yang besar.
Katup ini dapat dibuat dengan bentuk yang sederhana yang
dinamakan katup searah (non return). Katup ini dibuat dari karet
kaku dan bekerja seperti pada katup teredam ( Hanafie, 1979 ).
2.3.5 Ruang udara (air chamber)
Ruang udara dirancang sebesar mungkin guna
memampatkan udara dan menahan pressure pulse atau tegangan
tekanan dari siklus hidram, sehingga memungkinkan aliran air
secara tetap akan melewati pipa pengantar serta kehilangan tenaga
akibat dari diperkecilnya gesekan.
Penggunaan tabung udara akan memperbesar head output
pompa hidraulik ram. Penggunaan tabung udara mengakibatkan air
bertekanan hasil water hammer lebih dulu diakumulasi di dalam
tabung udara sebelum dialirkan ke pipa pengantar. Penambahan
volume tabung udara berbanding lurus dengan head output karena
rongga udara yang besar menyebabkan penambahan tekanan udara
yang akan mendorong air menuju titik yang lebih tinggi. Dorongan
air dari pipa inlet yang terus-menerus serta ketukan air dari katup
limbah yang mengalami penambahan masukan air di dalam tabung
udara sehingga tekanan udara di dalam tabung udara akan semakin
besar.
18
Apabila ruang udara telah dipenuhi oleh fluida, ruang udara
akan pecah apabila hidram bergetar sangat keras. Pompa hidram
harus dihentikan segera apabila hal ini terjadi. Pipa pengantar yang
panjang akan membutuhkan ruang udara yang terlalu besar
sehingga sebaiknya dirancang ruang udara dengan ukuran yang
kecil. Beberapa ahli berpendapat bahwa volume air dalam pipa
pengantar harus sama dengan volume ruang udara ( Hanafie,
1979).
2.3.6 Katup udara (air valve)
Melalui katup udara, udara dalam pipa perlu digantikan
dengan udara yang baru. Hal ini terjadi akibat terjadinya pengaruh
turbulensi air sehingga udara dalam tabung udara secara perlahan-
lahan akan terbawa menuju ke pipa penyalur.
Katup udara harus disesuaikan agar saat terjadi denyutan
kompressi dapat mengeluarkan semprotan air yang kecil. Ruang
udara akan terisi oleh udara serta air yang memompa udara jika
katup udara tersebut terbuka terlalu besar. Katup yang sedikit
membuka akan memungkinkan masuknya udara yang cukup
banyak sehingga hidram akan bergetar. Tetapi bila udara yang
masuk terlampau sedikit karena katup udara tidak besar, hidram
juga akan mengalami getaran hebat, mengakibatkan pecahnya
tabung udara. Keadaan ini harus diperbaiki dengan katup udara
19
harus memiliki ukuran yang tepat dan memperkecil lubang udara
(Hanafie, 1979 ).
Beberapa kasus mengatakan bahwa dalam pompa hidraulik
ram katup udara diperlukan, tetapi ada juga pendapat tidak perlu
ada katup udara dalam pompa hidraulik ram, sehingga tergantung
pada masing-masing penggunaan indivindu pembuatnya.
2.4 Teori Palu Air
Palu air atau water hammer merupakan dampak dari perubahan
kecepatan aliran fluida dalam pipa yang terjadi tiba-tiba seperti
menutup katup atau beban turbin hidraulik yang berubah dan akan
menyebabkan perubahan tekanan. Sepanjang sistem perpipaan tekanan
palu air akan merambat dengan kecepatan suara. Perancangan pada
sistem perpipaan harus mampu menerima tekanan oleh palu air
tersebut untuk menghindari kerusakkan pada pipa atau peralatan
hidraulik lainnya.
Palu air merupakan peristiwa pengaliran transient flow atau tak
tetap, dimana persamaan diferensial parsil fungsi waktu dan tempat
merupakan persamaan dasarnya. Penyelesaian persamaan tersebut
yang umum digunakan diantaranya dengan melakukan pendekatan
deret aritmatika, menggunakan cara grafis dan lainnya (Santoso, 2003).
20
2.5 Efisiensi Pompa Hidraulik Ram
Efisiensi pada pompa hidraulik ram ditentukan oleh beberapa
faktor diantaranya ukuran pada pompa hidram, bahan yang dipilih
dalam pembuatan pompa hidraulik ram serta tergantung perbedaan dari
karakteristik instalasi pompa hidraulik ram pada lokasi pemasangan
yang diinginkan. Mengetahui efisiensi pompa hidraulik ram biasanya
menggunakan 2 persamaan efisiensi diantaranya adalah efisiensi
Rankine dan efisiensi D’Aubuisson.
1. Efisiensi D’Aubuisson
Efisiensi D’Aubuission menggunakan persamaan, berikut :
𝜂 =𝑞𝐻2
𝑄𝐻1 persamaan 3
Keterangan :
ɳ : effisiensi (%)
Q : debit suplai (m3/s)
q : debit hasil pemompaan (m3/s)
H1 : head masuk (m)
H2 : head keluar (m)
21
2. Efisiensi Rankine
Efisiensi Rankine merupakan perbedaan tinggi selisih pada
tekan isap dengan sisi buang yang dikalikan kapasitas
pengisapan dan tingg pada tekan isap yang dikali kapsitas
fluida yang berpindah. Efisiensi Rankine biasanya mengunakan
persamaan berikut :
𝜂 =𝑞(𝐻2−𝐻1)
𝑄𝐻1 persamaan 4
Katerangan :
ɳ : effisiensi (%)
Q : debit suplai (m3/s)
q : debit hasil pemompaan (m3/s)
H1 : head masuk (m)
H2 : head keluar (m)