## PERANCANGAN DAN PENGUJIAN KATUP MEMBRAN PADA KATUP TEKAN
POMPA HYDRAM ( DESIGN AND PERFORMANCE ASSESMENT OF MEMBRAN DELIVERY VALVE IN HYDRAM PUMP )
Made Suarda, Nengah Suarnadwipa Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Udayana Kampus Bukit Jimbaran, Badung 80361, Bali, Indonesia e-mail : made.suarda@me.unud.ac.id

## Abstract
A big hydram pump, may be biggest one in Bali, has been designed and constructed on community services activity, Iptek bagi  Masyarakat (IbM), in year 2010. The pump works on a high geodetic head 90 meter with length of delivery pipe 900 meter. However, because of that high head condition has  been  made  its  delivery  valve  ease  to  broken.  Therefore,  it  needs  a  solution  to  avoid  that problem.  One potential  solution  is  by  use  membran  type of  delivery  valve,  which  is  this valve  has less impact area than plat valve type, therefore impulse force that takes placed is smaller as well. Furthermore, it needs to make design of plat and membran type of hydram pump delivery valve, and then assess its performance. Both type of delivery valve are operated with 3 meters drive-head on variation of delivery head i.e 10, 15 and 20 meters. Then, their performance are comparised. The results  show  that  the  membran  type  of  delivery  valve  give  better  performance  such  as  capacity, power, volumetric efficiency and total efficiency than the plat type.
Keywords : hydram pump, plat delivery valve, membran delivery valve, hydram pump performancy

## Abstrak
Pompa  hydram  dengan  ukuran  yang  sangat  besar,  terbesar  yang  telah  ada  di  Bali,  telah  dirancang dan  dibuat  pada  kegiatan  Iptek  bagi  Masyarakat  (IbM)  tahun  2010.  Pompa  hydram  tersebut beroperasi  pada  head  sangat  tinggi  yaitu  90  meter  pada  panjang  pipa  tekan  900  meter.  Namun, karena  tingginya  head  operasi  pompa  tersebut  maka  katup  tekannya  cepat  sekali  rusak.  Untuk  itu perlu  dicarikan  solusi  untuk  menghindari  cepatnya  kerusakan  katup  tekan  tersebut,  salah  satunya adalah dengan menggunakan katup tekan model membran dimana luasan yang bertumbukan relatif sangat kecil sehingga gaya tumbukan pada katup yang terjadi akibat palu air kecil pula. Oleh sebab itu  perlu  diketahui  bagaimana  rancangan  dan  performansi  model  katup  plat,  dan  membran  pada katup  tekan  pompa  hydram.  Dari  rancangan  model  katup  membran  tersebut  dilakukan  pengujian performansi  pompa  hydram  pada  ketinggian  air  suplai  3  meter  dan  ketinggian  pemompaan  10,  15 dan  20  meter.  Kemudian  hasilnya  dibandingkan  dengan  performansi  katup  tekan  model  plat.  Dari hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  katup  tekan  model  ‘membran’  memberikan  unjuk  kerja  atau performansi seperti debit pemompaan, daya output, efisiensi volumetris maupun efisiensi total yang jauh lebih baik dibandingkan katup tekan model ‘plat’.
Kata Kunci : pompa hydram, katup plat, katup membran, performansi pompa hydram

## PENDAHULUAN
Pompa  hydram  telah  dipergunakan untuk memompa air di daerah-daerah terpencil dimana  daya  listrik  merupakan  suatu  kendala, karena  pompa  hydram  tidak  memerlukan sumber  catu  daya  listrik  tetapi  menggunakan
energi  kinetik  sumber  air  itu  sendiri.  Salah satunya,  pompa  hydram  telah  dirancang  dan dibuat  serta  dioperasikan  untuk  memompa  air sungai  guna  memenuhi  kebutuhan  masyarakat dusun  Kebon  Jero  desa  Munduk  Temu kecamatan  Pupuan  kabupaten  Tabanan  –  Bali dalam rangka kegiatan pengabdian  masyarakat
‘Iptek  bagi  Masyarakat  (IbM)’  tahun  2010, seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Perakitan pompa hydram
Desa  Munduk  Temu  adalah  salah  satu desa yang terletak di perbukitan dimana sungai merupakan  satu-satunya  sumber  air  yang  ada. Tetapi  letak  sungai  mempunyai  perbedaan ketinggian vertikal dengan pemukiman penduduk  90  m  dengan  jarak  dari  sungai  ke pemukiman  penduduk  900  m  dan  kemiringan 80 o
sehingga menyebabkan penduduk mengalami kesulitan memperoleh air.
Gambar 2. Operasi pompa hydram
Dimensi pompa hydram ini cukup besar, saat  ini  terbesar  yang  ada  di  Bali,  diameter badan pompa 8 inchi, diameter pipa penggerak 6  inchi  dan  diameter  pipa  tekan  2  inchi, diameter  katup  tekan  6  inchi,  diameter  tabung tekan  10  inchi,  dengan  ketinggian  sumber  air dari  badan  pompa  adalah  10  m,  panjang  pipa penggerak 60 m, dan panjang pipa tekan adalah 900 m dengan tinggi vertikal pemompaan 90 m (Suarda  2010).  Pompa  tersebut  telah  dapat
beroperasi  dengan  baik,  Gambar  2,  namun akibat  tingginya  head  tekanan  dan  luas penampang  katup  tekan  mengakibatkan  gaya palu  air  (water  hammer)  pada  katup  tekan model  plat  tersebut  sangat  besar  sehingga katup  tersebut  cepat  sekali  rusak.  Untuk  itu perlu  dicarikan  solusi  untuk  menghindari cepatnya kerusakan katup tekan tersebut, salah satunya  adalah  dengan  menggunakan  katup tekan  model  membran  dimana  luasan  yang bertumbukan relatif sangat kecil sehingga gaya tumbukan  pada  katup  yang  terjadi  akibat  palu air kecil pula. Adapun  permasalahan  dalam  penelitian ini adalah bagaimana perbandingan
performansi, seperti debit air hasil pemompaan dan  efisiensi    yang  dihasilkan  dari  pengujian katup  tekan  model  membran  dibandingkan dengan  model  plat  pada  pompa  hydram . Oleh sebab  itu  penelitian  ini  bertujuan  untuk membuat  desain  baru  katup  tekan  pompa hydram  yang  dapat  meningkatkan  kehandalan dan performansi pompa hydram.

## TINJAUAN PUSTAKA
Pompa  hydram  adalah  pompa  yang bekerja  tanpa  menggunakan  energi  listrik namun  dengan  memanfaatkan  energi  dari aliran  air  untuk  mengangkat  sebagian  air  dari suatu sumber ke tempat penampungan air yang tempatnya  lebih  tinggi  (Jenning  1996).  Energi aliran  air  yang  dimaksud  adalah  energi potensial dari ketinggian tertentu yang dikonversikan  menjadi  energi  kinetik  yang berupa  kecepatan  air  kemudian  dikuatkan dengan  terjadinya  efek  palu  air  atau water hammer .
Gambar  3.  Komponen  –  komponen  utama  pompa hydram.  (sumber  :  Tessema,  2000, hal 3)
Komponen – komponen utama pompa hydram seperti pada Gambar 3 adalah sebagai berikut :
1. Badan pompa ( hydram body )
2. Katup limbah ( impulse valve )
3. Katup udara ( snifer valve )
4. Katup tekan ( delivery valve )
5. Tabung udara ( air chamber )
6. Pentil udara ( relief valve )
Persamaan  kontinyuitas aliran untuk  fluida tak termampatkan  dari  titik  1  ke  titik  2  (Streeter 1975) adalah :
2 1 . . v v Q       (1)
Dimana: Q  = debit aliran(m 3 /dt) A 1,2 = luas penampang aliran di titik 1,2 (m 2 ) v 1,2 = kecepatan aliran di titik 1,2 (m/dt)
Persamaan energi per satuan berat fluida untuk aliran  konstan  dari  titik  s  ke  titik  d  yang ditambah  dengan  kerugian  –  kerugian  head (Rajput 2002) adalah :
L d d d p s s s H g v p z H g v p z        2 2 2 2   (2) Dimana:
z s = head statis elevasi isap/ suction pompa (m) z d = head statis elevasi buang/ discharge pompa (m) p s = head statis tekanan isap/ suction pompa (N/m 2 ) p d = head statis tekanan buang/ discharge pompa (N/m 2 ) v s = head dinamis kecepatan fluida pada ujung isap/ suction pompa (m/det) v d = head dinamis kecepatan fluida pada ujung buang/ discharge pompa (m/det) H p = head pompa (m) H L = head losses total instalasi perpipaan sistem pompa (m)
Untuk  menghitung  kerugian  gesek  di  dalam pipa  atau  yang  disebut mayor  losses dapat dipakai persamaan :
g v D L f H Ma L 2 2 .  (3)
Dimana :
f = koefisien gesekan pipa
D  = diameter pipa (m)
L = panjang pipa (m) v = kecepatan aliran (m/dt)
g = percepatan gravitasi (m/dt 2 )
Sedangkan  persamaan  untuk  menghitung kerugian  pada  perlengkapan  pipa  atau minor losses adalah :
g v K H Mi L 2 2 .  (4)
Dimana  K  adalah  koefisien  kerugian  pada perlengkapan pipa.
Daya  output  pompa  ( Water  Horse  Power = WHP)  adalah  daya  efektif  yang  merupakan fungsi  dari  kapasitas  dan  head  pompa,  yang dihitung berdasarkan persamaan:
H Q WHP . .   (5)
Dimana :
 = berat jenis fluida (N/m 3 )
Q  = kapasitas pompa (m 3 /dt) H  = head pompa (m)
Daya  yang  dibutuhkan  untuk  menaikkan  air adalah  berbanding  lurus  dengan  laju  alir volumetric (kapasitas)  air  yang  dipompa dikalikan  dengan  ketinggian  pemompaannya. Demikian  juga  daya  yang  tersedia  pada  aliran air yang disuplai untuk mengoperasikan pompa hidram  berbanding  lurus  dengan  besarnya  laju volumetric air  yang  disuplai  dikalikan  dengan ketinggian  suplainya.  Pompa  hidram  bekerja dengan  memanfaatkan  daya  yang  tersedia tersebut untuk membawa aliran ke tempat yang lebih  tinggi.  Sehingga  efisiensi  total  pompa hydram  dinyatakan  sebagai  persamaan  D  – Aubuission, adalah sebagai berikut :
% 100 ). ( . x H Q Q H Q
s w d d d t    (6)
Dimana : Q d =  kapasitas  air  hasil  pemompaan
(m 3 /dt) Q d =  kapasitas  air  yang  keluar  dari katup limbah (m 3 /dt) H d = tinggi pemompaan (m) H s = ketinggian sumber air (m)
Sedangkan  efisiensi  volumetrisnya  merupakan perbandingan  antara  debit  pemompaan  dan debit  suplai  penggerak  pompa  yang  dapat dinyatakan dengan persamaan :
% 100 ) ( x Q Q Q w d d v    (7)

## METODA EKSPERIMEN & FASILITAS YANG DIGUNAKAN
Perancangan katup tekan
Dari
hasil
perhitungan pada perancangan  awal  maka  dapat  dirancang sebuah  katup  tekan  model  membran  pompa hidram adalah seperti pada Gambar 4.
Fa Fp Fa 5 cm 3 cm 27,5 cm 1,01 1,01 Fd Fp
Fd
Gambar  4.  Rancangan  awal  katup  tekan  model membran pada pompa hydram
Sedangkan  model  katup  plat,  dan membran  yang  telah  dibuat  dan  diuji  adalah seperti pada Gambar 5 sampai dengan Gambar 6.
Gambar 5. Katup model ‘Plat’
Gambar 6. Katup model ‘Membran’
Adapun rancangan penelitian yang telah dilakukan adalah seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Skema pengujian pompa hydram

## Prosedur Pengujian
Pengujian  katup  tekan  pada  pompa  hydram dilakukan  melalui  tahap  –  tahap  pengujian sebagai berikut:
1. Persiapan pompa dan alat bantu  pengujian katup tekan
2. Setup panjang ketinggian delivery Zd = 10 m.
3. Pengecekan instalasi sistem pompa hidram agar tidak terjadi kebocoran.
4. Air  dialirkan  ke  bak  penggerak  sampai penuh  dan  gate  valve  dalam  keadaan tertutup penuh.
5. Gate  valve  dibuka,  kemudian  dilakukan pengecekan  sekali  lagi  pada  instalasi sistem  pompa  hidram  dan  pastikan  tidak ada kebocoran sedikitpun.
6. Katup  limbah  dibuka  dan  ditutup  agar pompa  dapat  bekerja  dan  biarkan  pompa berjalan beberapa saat.
7. Setelah  pompa  bekerja,  catat  waktu  (t w ) yang  dibutuhkan  untuk  volume  air  yang keluar  dari  katup  limbah  (Vw)  sebanyak 15  liter,  dan  waktu  (t d )  yang  dibutuhkan untuk  volume  air  yang  keluar  dari  pipa tekan (V d ) sebanyak 6 liter.
8. Langkah 7 diulangi sebanyak 3 kali.
9. Langkah  2  s/d  8  ,  diulangi  untuk ketinggian delivery 15, dan 20 cm.

## Diagram alir penelitian
Gambar 8. Diagram alir pengujian katup pompa
Secara  garis  besar  kegiatan  tahapan pengujian  katup  tekan  pada  pompa  hydram dilakukan  seperti  pada  diagram  alir  seperti pada Gambar 8.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari  pengujian  yang  telah  dilakukan maka  didapatkan  data  hasil  pengujian.  seperti pada Tabel 1 sampai dengan Tabel 2.
Tabel  1.  Data  hasil  pengujian  katup  tekan model 'Plat
Tabel  2.  Data  hasil  pengujian  katup  tekan model 'Membran'
Keterangan : Zd  =  Tinggi  elavasi  permukaan  air  suplai penggerak pompa Zs  =  Tinggi elavasi ujung pipa pemompaan n =  Pengulangan pengujian
Lw  =  Panjang Langkah Katup Limbah Tw  =  Waktu  untukVolume  Air  Limbah  =  15 liter Td  =  Waktu untukVolume Air Pemompaan = 6 liter Pt  =  Tekanan pada outlet Tabung Tekan F =  Frekuensi siklus katup limbah Ls  =  Panjang pipa suplai air penggerak Ld  =  Panjang pipa air pemompaan
Data  tersebut  kemudian  diolah  untuk mendapatkan performansi masing-masing model  katup  tekan  pada  pompa  hydram,, seperti pada Tabel 3 sampai dengan Tabel 4.
Tabel 3. Pengolahan data hasil pengujian katup tekan model 'Plat'
Tabel 4. Pengolahan data hasil pengujian katup tekan model 'Membran'
Untuk membandingkan performansi atau  unjuk  kerja  pompa  hydram  dengan berbagai  model  katup  tekan  yang  telah  diuji, maka  berdasarkan  Tabel  3  sampai  dengan Tabel  4  dibuat  grafik  seperti  pada  Gambar  9 sampai dengan Gambar 13.
Gambar 9. Grafik debit pemompaan (Qd)
Gambar 9 menunjukkan bahwa semakin tinggi  head  pemompaan  atau  tinggi  tekan  (H) maka  semakin  kecil  debit  pemompaan  (Q) yang  dihasilkan.  Hal  ini  sesuai  dengan persamaan  daya  pada  Pers.(5).  Katup  tekan model membran
menghasilkan debit pemompaan  yang  lebih  baik  dibandingkan dengan katup tekan model plat.
Gambar 10. Grafik Daya output pompa hydram
Gambar 10 menuunjukkan bahwa semakin  tinggi  head  pemompaan  maka semakin  kecil  daya  output  pompa  yang
dihasilkan. Hal ini disebabkan  karena semakin tinggi  head  pemompaan  maka  panjang  pipa salurannya  juga  semakin  panjang  sehingga head  lossesnya  atau  kerugian  energinya  juga semakin  besar,  sehingga  mengakibatkan  daya output  pompa  menurun.  Katup  tekan  model membran menghasilkan daya pemompaan yang lebih  besar  dibandingkan  dengan  katup  tekan model plat.
Gambar  11.  Grafik  efisiensi  volumetris  pompa hydram
Karena  katup  tekan  model  membran menghasilkan  debit  pemompaan  yang  paling tinggi,  maka  efisiensi  volumetrisnya  (  v )  juga lebih  baik  yaitu  20%  pada  tinggi  pemompaan 10  meter.  seperti  ditunjukan  pada  Gambar  10. Disamping  itu  juga  menunjukkan  bahwa semakin  tinggi  head  pemompaan  atau  tinggi tekan  maka  semakin  kecil  efisiensi  volumetris yang dihasilkan.
Gambar 12. Grafik efisiensi total pompa hydram
Karena dengan energi sumber
penggerak  yang  sama  katup  tekan  model membran menghasilkan daya pemompaan yang lebih  besar,  maka  efisiensi  total  yang dihasilkannyapun  lebih  tinggi  yaitu  sekitar 84%  pada  tinggi  pemompaan  10  m  kemudian menurun  hingga  sekitar  69%  pada  tinggi pemompaan  20  meter.  Seluruh  model  katup menghasilkan  efisiensi  total  menurun  dengan meningkatnya  head  atau  tinggi  pemompaan, seperti terlihat pada Gambar 12.
Secara  umum  katup  tekan  model membran  memberikan  unjuk  kerja  atau performansi  seperti  debit  pemompaan,  daya output,  efisiensi  volumetris  maupun  efisiensi total yang lebih baik.

## KESIMPULAN
Dari  penelitian  dan  pembahasan  yang  telah dilakukan maka dapat disimpulkan yaitu : 1. Katup  tekan  model  membran  memberikan unjuk  kerja  atau  performansi  seperti  debit pemompaan, daya output, efisiensi volumetris  maupun  efisiensi  total  yang lebih  baik  dibandingkan  dengan  katup tekan model plat.
2. Semakin tinggi head tekan maka
performansi
pompa baik
debit pemompaan, daya output, dan efisiensinya semakin kecil

## Saran
1. Untuk implementasi pompa hydram disarankan  untuk  menggunakan  katup tekan model membran sebagai ganti katup model  plat,  karena  telah  terbukti  mampu memberikan performansi yang lebih baik. 2. Untuk  penelitian  lebih  lanjut  perlu dilakukan  untuk  desain  katup  model lainnya  seperti  model  ‘bola’  atau ‘setengah-bola’,  mengingat  phenomena aliran  fluida  melalui  plat  sangat  berbeda dengan melalui bentuk bulat atau bola.

## Ucapan Terima kasih
Terimakasih  disampaikan  kepada  Universitas
Udayana. Paper ini diseminarkan/ dipublikasikan  sebagai  pertanggungjawaban pelaksanaan penelitian Dana PNBP
Universitas  Udayana  tahun  2012  untuk  skim
penelitian Dosen Muda.

## REFERENSI
[1] Chi,  M.,  dan  Diemer,  P., Hydraulic  Ram Handbook ,  Bremen  Overseas  Research and  Development  Association,  Bremen  ( 2002) [2] David,  J.P.,dan  Edward,  H.W., Schaum’s Outline  of  Theory  and  Problems  of  Fluid Mechanics  and  Hydraulics ,  McGraw-Hill Book Company, Singapore (1985) [3] Jennings,  G.D., Hydraulic  Ram  Pumps, North  Carolina  Cooperative  Extension Service, North Carolina (1996)
[4] Rajput,  R.  K.,  2002, A  Textbook  of  Fluid Mechanics  and  Hidroulic  Machines, S1 Version,  S.  Chad  and  Company  Ltd,  New Delhi.
[5] Streeter,  V.L.,  dan  Wylie,  E.B.,  1975,
Fluid Mechanics , 6 th edition, McGraw-Hill Book Company, New York.
[6] Suarda M., Wirawan IKG, Kajian Eksperimental  Pengaruh  Tabung  Udara Pada  Head  Tekanan  Pompa  Hidram , Jurnal  Ilmiah  Teknik  Mesin  CakraM  Vol.
2,  Nomor  1,  Juni  2008,  ISSN    1979  –
2468, Hal.10-14. (2008)
[7] Suarda  M.,  Sukadana  IKG, Penerapan
Teknologi Pompa Hydram Untuk
Meningkatkan  Produktivitas  Usaha  Tani
Sari  Murni  Banjar  Kebon  Jero ,  Laporan Pengabdian  Masyarakat  program  Iptek bagi Masyarakat (IbM) (2010)
[8] Suarda  M., Perancangan  dan  Pengujian Model  Sistem  Hydram  Penggerak  Pompa
Torak  Dengan  Dua  Sumber  Aliran:  Air Kotor  dan  Air  Bersih ,  Prosiding:  Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM – IX), Palembang, ISBN : 978-602-97742- 0-7,  Tgl.  13-15  Oktober  2010,  Hal.  MI- 021 - MI-125. (2010)
[9] Taye,  T.,  1998, Hydraulic  Ram  Pump, Journal  of  the  ESME,  Vol.  II,  Juli  1998, Addis Ababa, Ethiopia.
[10] Tessema,  A.A.,  2000, Hydraulic  Ram
Pump  System  Design  and  Application, ESME  5 th Conference  on  Manufacturing and  Process  Industry,  September  2000, Addis Ababa, Ethiopia.
[11] Young,  B.,  1997, Design  of  Homologous
Ram Pump , Journal of Fluids Engineering,
Transaction  of  the  ASME,  Vol.  119,  June 1997,pp.360-365.