UNIT PENGHISAP (POMPA VACUM)

I.   Tujuan Praktikum

          Tujuan dari praktikum acara I Unit Penghisap (Pompa Vacum) ini adalah :

a.       Mempelajari unit penghisap (vacum unit) dengan menggunakan prinsip-prinsip dinamika fluida.

b.      Mengkaji karakteristik unit penghisap.

II.  Tinjauan Pustaka

a.       Tinjauan Bahan

Suatu pompa harus tidak boleh dihidupkan tanpa keyakinan bahwa pompa tersebut terisi dengan air karena panas yang ditimbulkan melalui gesekan cukup untuk merusak parapat kelenjar (packing glands) dan bantalan. Proses pengisian air ke dalam rumah pompa dikenal sebagai pengisian pendahuluan (priming). Pengisian pendahuluan dapat dilakukan secara manual, dengan hubungan langsung ke jalur pemberi air atau dengan peralatan otomatik. Suatu katup pengatur (checks valve) biasanya dipasang pada ujung pipa hisap untuk memudahkan pengisian pendahuluan (Dake, 1985).

Alat ukur yang didesain atas dasar persamaan barometris disebut barometer dan manometer. Barometer alat ukur tekanan udara bebas sedangkan manometer alat ukur tekanan udara tertutup (udara dalam ruangan). Pada dasarnya manometer maupun barometer adalah sebuah pipa U, yang berisi zat cair sebagai penunjuk pembacaan skala (Raharjo, 2008).

Sementara itu biasanya manometer dibaca secara visual dengan indera manusia, berbagai skema untuk mempercepatdan memudahkan pembacaan skala otomatik. Penambahan kepekaan manometer dapat dilakukan dengan memiringkannya terhadap gravitasi, sehingga memberikan gerakan cairan lebih besar sepanjang pipa terhadap perubahan ketinggian vertikal yang diketahui (Doebelin, 1992).

Pompa hidram adalah suatu alat yang digunakan untuk mengangkat air dari suatu tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi dengan memanfaatkan energi potensial sumber air yang akan dialirkan. Pompa hidram mengalirkan air secara kontinyu dengan menggunakan energi potensial sumber air yang akan dialirkan sebagai daya penggerak tanpa menggunakan sumber energi luar (Suarda, 2008).

Pompa sentrifugal merupakan pompa yang paling banyak digunakan karena daerah operasinya yang luas, dari tekanan rendah sampai tekanan tinggi dab dari kapasitas rendah sampai kapasitas tinggi. Selain itu pompa sentrifugal juga mempunyai bentuk yang sederhana dan harga yang relatif murah (Bramantya. 2007).

Prediksi kinerja pompa sentrifugal dimulai dengan pengenalan persamaan Euler. Aliran diasumsikan inviscid, mampat, dan seragam melalui impeler sebuah bagian. Koreksi metode ini, dalam bentuk model untuk faktor slip apa yang disebut, terutama dari empiris alam (Bulten, 2006).

Bagaimana cara menyimpan energi telah menjadi isu hangat yang diperdebatkan, dan dalam beberapa tahun terakhir produsen telah mulai menggunakan pompa vakum mekanis tipe hemat energi. ULVAC KIKO, Inc membuat pompa vakum dengan kecepatan memompa antara 85-420 Liter per menit dengan hemat energi (Hayashi, 2008).

Air merupakan kebutuhan yang sangat penting bagi manusia, hewan dan tumbuh-tumbuhan. Kebutuhan air yang cukup banyak seringkali menimbulkan permasalahan baru bagi manusia, khususnya masyarakat yang tinggal jauh dari sumber air. Masyarakat biasa menggunakan pompa air untuk memompakan air dari sumber air ke tempat tinggal mereka. Penggunaan pompa air ini juga masih mengalami kesulitan, antara lain tidak tersedianya sumber tenaga listrik atau sulitnya mendapatkan bahan bakar dan mahalnya biaya operasional pompa. Sehingga pompa hidraulik ram dinilai cukup tepat untuk mengatasi permasalahan tersebut, sebab mempunyai beberapa keuntungan jika dibandingkan dengan jenis pompa lain, yaitu tidak membutuhkan energi listrik atau bahan bakar, tidak membutuhkan pelumasan, biaya pembuatan dan pemeliharaannya relatif murah dan pembuatannya cukup mudah (Cahyanta, 2008).  

b.      Tinjauan Teori

Dalam pengukuran fluida termasuk penentuan tekanan, kecepatan, debit, gelombang kejut, gradien kerapatan, turbulensi, dan viskositas. Terdapat banyak cara melaksanakan pengukuran-pengukuran ini, misalnya: langsung, tak langsung, gravimetrik, volumetrik, elektronik, elektromagnetik, dan optik. Pengukuran debit secara langsung terdiri atas penentuan volume atau berat fluida yang melalui suatu penampang dalam suatu selang waktu tertentu. Metode tak langsung bagi pengukuran debit memerlukan penentuan tinggi-tekan, perbedaan tekan, atau kecepatan di beberapa titik pada suatu penampang dan dengan besaran-besaran ini, perhitungan debit. Metode-metode yang paling teliti adalah penentuan gravimetri atau penentuan volumetrik, dengan berat atau volume diukur, atau penentuan dengan mempergunakan tangki yang telah dikalibrasi untuk selang waktu yang diukur (Streeter, 1991).

Persamaan dasar dalam hidrodinamika telah dapat dirintis dan dirumuskan oleh Bernoulli secara baik, sehingga dapat dimanfaatkan untuk menjelaskan gejala fisis yang berhubungan dengan dengan aliran air. Persamaan dasar tersebut disebut sebagai persamaan Bernoulli atau teorema Bernoulli, yakni suatu persamaan yang menjelaskan berbagai hal yang berkaitan dengan kecepatan, tinggi permukaan zat cair dan tekanannya. Persamaan yang telah dihasilkan oleh Bernoulli tersebut juga dapat disebut sebagai Hukum Bernoulli, yakni suatu hukum yang dapat digunakan untuk menjelaskan gejala yang berhubungan dengan gerakan zat alir melalui suatu penampang pipa. Hukum tersebut diturunkan dari Hukum Newton dengan berpangkal tolak pada teorema kerja-tenaga aliran zat cair dengan beberapa persyaratan antara lain aliran yang terjadi merupakan aliran steady (mantap, tunak), tak berolak (laminier, garis alir streamline), tidak kental dan tidak termampatkan. Persamaan dinyatakan dalam Hukum Bernoulli tersebut melibatkan hubungan berbagai besaran fisis dalam fluida, yakni kecepatan aliran yang memiliki satu garis arus, tinggi permukaan air yang mengalir, dan tekanannya. Bentuk hubungan yang dapat dijelaskan melalui besaran tersebut adalah besaran usaha tenaga pada zat cair (Anonim²).

Persamaan Bernoulli adalah sebuah hubungan fundamental di dalam mekanika fluida maka persamaan Bernoulli tersebut bukanlah sebuah prinsip yang baru tetapi dapat diturunkan dari hukum-hukum dasar mekanika Newton (Halliday, 1987).

Rumus Bernoulli adalah rumus dasar dalam hidrodinamika untuk cairan yang mengalir sepanjang pipa, dalam bentuk : p+ρgh+½ρv²=tetap, dimana p ialah tekanan setempat di dalam cairan yang mengalir, ρ ialah massa jenis cairan itu, v ialah kecepatan alir setempat, g adalah percepatan gravitasi, sementara h ialah tinggi tempat terhadap permukaan acuan yang dipilih. Adapun tetap disini berarti tetap untuk sembarang bagian cairan yang mengalir dan juga sama untuk semua bagian cairan sepanjang alirannya (Soedojo, 2004).

Orang umumnya mengandaikan bahwa bila tekanan mutlak pada suatu titik dalam zat cair mencapai tekanan uap untuk temperatur bersangkutan, rongga-rongga atau gelembung-gelembung akan terbentuk. Rongga-rongga ini akan mengandung uap fluida, gas bebas, atau keduanya. Gejala pembentukan rongga dan pecahnya rongga itu disebut kavitasi. Kavitasi, kalau cukup parah, akan mengurangi unjuk kerja pompa (menambah rugi-rugi energi mekanik), menjadikannya bising, meningkatkan getaran, dan mengerosi logam dari impeller (Olson, 1993).

Penerapan prinsip unit penghisap dalam teknologi pengolahan pangan dan hasil pertanian adalah proses pengisian produk dalam suatu kemasan, misalnya pengisian kecap, sirup, saos, dll. Unit penghisap yang hendak digunakan untuk mengisikan produk ke dalam kemasan harus didesain sedemikian rupa serta perlu diperhitungkan mengenai luas penampang, tekanan, debit, dan kecepatan aliran sehingga proses pengisian dapat berjalan dengan lancar dengan efektivitas yang tinggi (Anonim¹, 2010).

Prinsip kerja manometer adalah sebagai berikut: manomater tabung U diisi cairan setengahnya, dengan kedua ujung tabung terbuka berisi cairan sama tinggi. Bila tekanan positif diterapkan pada salah satu sisi kaki tabung, cairan ditekan ke bawah pada kaki tabung tersebut dan naik pada sisi tabung yang lainnya. Perbedaan pada ketinggian “h” merupakan penjumlahan hasil pembacaan di atas dan di bawah angka nol yang menunjukkan adanya tekanan. Bila keadaan vakum diterapkan pada satu sisi tabung, cairan akan meningkat pada sisi tersebut dan cairan akan turun pada sisi lainnya. Perbedaan ketinggian “h” merupakan hasil penjumlahan pembacaan diatas dan dibawah nol yang menunjukkan jumlah tekanan vakum (Rahayu, 2009).

III.    Metodologi

a.       Alat dan Bahan

1.      Satu set pompa air beserta selang-selangnya

2.      Vacum unit

3.      Ember (besar dan kecil)

4.      Alat pengukur tekanan (manometer pipa terbuka)

5.      Alat pengukur waktu (stopwatch)

6.      Gelas ukur

7.      Sumber listrik

8.      Jangka sorong

9.      Air

IV. Hasil dan Pembahasan

a.       Hasil

      Tabel 1.1 Hasil Pengukuran Debit dan Tekanan

No	P2 (cmHg)	Q (m3/s)	v (m/s)	t (s)	V (m3)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.	0,1 0,2 0,5 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2	9 x 10-5 9,09 x 10-5 1,538 x 10-4 2,325 x 10-4 3,125 x 10-4 3,125 x 10-4 3,448 x 10-4 3,846 x 10-4	1,203 1,215 2,056 3,108 4,178 4,178 4,61 5,142	11,1 11,0 6,5 4,3 3,2 3,2 2,9 2,6	0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001

      Sumber : Laporan Sementara

b.      Pembahasan

            Praktikum acara I ini mempelajari tentang unit penghisap (pompa vacum). Unit penghisap merupakan suatu alat yang penggunaannya menerapkan prinsip-prinsip dinamika fluida. Dalam hal ini prinsip dinamika fluida yang berlaku adalah persamaan Bernoulli, yang berkaitan dengan berbagai besaran fisis fluida yaitu tekanan, kecepatan aliran dan  debit. Pada percobaan kali ini digunakan pompa air yang disusun bersama vacum unit sehingga menjadi pompa vacum.

Pada praktikum ini digunakan alat-alat berupa pompa air, selang, vacum unit, ember, manometer pipa terbuka, alat ukur volume dan alat ukur waktu. Dan pada percobaan kali ini digunakan air sebagai fluida yang dialirkan. Prinsip penghisapan ini terjadi dengan membuat tekanan pada suatu lokasi lebih rendah daripada tekanan atmosfer. Bila sebuah aliran fluida melewati penampang yang menciut, maka pada sisi penciutan akan terjadi tekanan yang rendah (dapat lebih rendah dari tekanan atmosfer).

Dalam praktikum ini mula-mula dilakukan pembukaan kran lalu dibaca tekanannya setelah stabil dan dilakukan pengukuran waktu untuk mengisi sebuah penampung air yang volumenya telah ditentukan, dalam hal ini sebanyak 1 liter. Percobaan pada praktikum kali ini dilakukan pengulangan sebanyak 8 kali dengan bukaan kran yang berbeda, dimulai dari bukaan kran yang paling kecil dan semakin lama semakin membesar. Hal ini dilakukan untuk membandingkan pengaruh perbedaan pada tiap bukaan kran dengan tekanan yang dihasilkan dan debit yang mengalir.

Dari hasil pembacaan jangka sorong pada unit penghisap diperoleh diameter aliran (D₂) sebesar 0,0103 m dan diameter penghisap (D₃) sebesar 0,0033 m. Dengan menggunakan rumus ¼.π.D² diperoleh perhitungan A (luas penampang) sebesar 7,48 x 10^-5 m² dengan mengurangkan luas penampang aliran (D₂) dikurangi luas penampang hisapan (D₃).

            Dari data pencatatan waktu yang didapat, diperoleh perhitungan debit (Q) dari hasil bagi volume (V) dengan waktu (t) sebesar 9 x 10^-5 m³/s; 9,09 x 10^-5 m³/s; 1,538 x 10^-4  m³/s; 2,325 x 10^-4  m³/s; 3,125 x 10^-4  m³/s; 3,125 x 10^-4  m³/s; 3,448 x 10^-4  m³/s; dan 3,846 x 10^-4  m³/s. Ini menunjukkan bahwa waktu yang digunakan semakin besar, maka debit yang dihasilkan semakin kecil demikian pula sebaliknya. Namun pada percobaan kelima dan keenam waktu yang dicatat adalah sama padahal bukaan krannya berbeda dan tekanannya juga berbeda, sehingga dalam perhitungan, debit pada percobaan kelima dan keenam sama besar.

             Dari perhitungan data yang didapat, diperoleh kecepatan aliran (v) dari hasil bagi debit (Q) dengan luas penampang (A) sebesar 1,203 m/s; 1,215 m/s; 2,056 m/s; 3,108 m/s; 4,178 m/s; 4,178 m/s; 4,61 m/s; dan 5,142 m/s. Ini menunjukkan bahwa kecepatan aliran berbanding lurus dengan debit dan berbanding terbalik dengan luas penampang aliran. Jadi bila debit yang dihasilkan besar dan luas penampang alirannya kecil maka kecepatan aliran yang dihasilkan juga akan besar, dan demikian pula sebaliknya.

Pada tabel 1.1 terlihat bahwa tekanan pada tiap bukaan kran berbeda-beda. Semakin besar bukaan kran maka tekanan juga akan semakin besar. Tekanan yang diperoleh dari pengukuran manometer mulai dari bukaan kran terkecil sampai terbesar adalah 0,1 cmHg; 0,2 cmHg; 0,5 cmHg; 0,7 cmHg; 0,8 cmHg; 0,9 cmHg; 1,0 cmHg; dan 1,2 cmHg. Dan hal ini juga berpengaruh pada besarnya debit dan kecepatan aliran pada tiap bukaan kran. Semakin besar bukaan kran maka debit dan kecepatan aliran juga semakin besar.

            Dari hasil percobaan, diperoleh grafik yang dapat dilihat pada gambar 1.2 grafik hubungan antara tekanan dengan debit dengan persamaan garisnya y = 3247,9x – 0,1051dengan  R² = 0,9644. Nilai konstanta debit aliran dengan tekanan (C₁) adalah 3247,9. Sedangkan dari grafik hubungan tekanan dengan kecepatan aliran yang dapat dilihat pada gambar 1.3 diperoleh persamaan garisnya y = 0,2429x – 0,105 dengan R² = 0,9644. Nilai konstanta kecepatan aliran dengan tekanan (C₂) adalah 0,2429.

            Pada gambar 1.2 dapat dilihat bahwa hubungan antara tekanan dengan debit adalah berbanding lurus, jadi semakin besar tekanan aliran maka debit aliran juga akan semakin besar. Kemudian pada gambar 1.3 juga dapat dilihat bahwa hubungan antara tekanan dengan kecepatan aliran adalah berbanding lurus, jadi semakin besar tekanan maka tekanan aliran juga akan semakin besar. Dan dari regresi yang didapat hasilnya tidak tepat 1 tetapi 0,9644, hal ini menunjukkan adanya kekurang tepatan atau ketidakstabilan pada kenaikan tekanan, debit, dan kecepatan aliran pada percobaan ini. Dan hal ini dapat dikeranekan oleh beberapa faktor.

            Dalam praktikum ini terdapat penyimpangan yaitu pada percobaan kelima dan keenam. Waktu yang didapat pada kedua percobaan itu adalah sama padahal bukaan kran dan tekanannya berbeda. Hal ini dapat disebabkan karena ada kemungkinan pembukaan kran kelima dan keenam tidak terlalu berbeda dan pembacaan tekanan yang kurang akurat karena dilakukan saat aliran air dan manometernya belum stabil. Selain itu, kenaikan tekanan, debit, dan kecepatan aliran pada percobaan ini juga tidak stabil atau tidak konstan. Beberapa faktor yang mempengaruhinya anatara lain, kekurangtelitian dalam membaca manometer atau tekanan dibaca saat aliran air dan manometer belum benar-benar stabil, kemudian pengukuran waktu yang kurang tepat saat memulai dan menghentikan.

V.     Kesimpulan

         Kesimpulan yang dapat diambil dari praktikum acara I Unit Penghisap (Pompa Vacum) ini adalah :

1.      Prinsip kerja unit penghisap adalah membuat tekanan pada suatu lokasi lebih rendah daripada tekanan atmosfer.

2.      Besarnya luas penampang 7,48 x 10^-5 m² yang diperoleh dari selisih luas penampang aliran sebesar 8,33 x 10^-5 m² dengan luas penampang hisapan sebesar 8,5 x 10^-6 m².

3.      Besarnya debit aliran :

Q₁ = 9 x 10^-5 m³/s              Q₅ = 3,125 x 10^-4  m³/s

Q₂ = 9,09 x 10^-5 m³/s         Q₆ = 3,125 x 10^-4  m³/s

Q₃ = 1,538 x 10^-4  m³/s      Q₇ = 3,448 x 10^-4  m³/s

Q₄ = 2,325 x 10^-4  m³/s      Q₈ = 3,846 x 10^-4  m³/s

Debit terbesar adalah 3,846 x 10^-4  m³/s

Debit terkecil adalah 9 x 10^-5 m³/s

4.      Besarnya kecepatan aliran air :

v₁ = 1,203 m/s                   v₅ = 4,178 m/s

v₂ = 1,215 m/s                   v₆ = 4,178 m/s

v₃ = 2,056 m/s                   v₇ = 4,61 m/s

v₄ = 3,108 m/s                   v₈ = 5,142 m/s

Kecepatan terbesar adalah 5,142 m/s

Kecepatan terkecil adalah 1,203 m/s

5.      Persamaan regresi pada grafik hubungan antara tekanan dengan debit adalah y = 3247,9x – 0,1051  dengan  R² = 0,9644, dengan nilai konstanta (C₁) sebesar 3247,9.

Persamaan regresi pada grafik hubungan antara tekanan dengan kecepatan adalah y = 0,2429x – 0,105 dengan R² = 0,9644, dengan nilai konstanta (C₂) sebesar 0,2429.

6.      Tekanan yang diperoleh dari pengukuran manometer : 0,1 cmHg; 0,2 cmHg; 0,5 cmHg; 0,7 cmHg; 0,8 cmHg; 0,9 cmHg; 1,0 cmHg; dan 1,2 cmHg. Tekanan terbesar adalah 1,2 cmHg dan tekanan terkecil adalah 0,1 cmHg.

7.      Semakin besar bukaan kran maka tekanan juga akan semakin besar, dan hal ini juga berpengaruh pada besarnya debit dan kecepatan aliran pada tiap bukaan kran, semakin besar bukaan kran maka debit dan kecepatan aliran juga semakin besar.

8.      Debit berbanding lurus dengan volume dan berbanding terbalik dengan waktu.

9.      Kecepatan berbanding lurus dengan debit dan berbanding terbalik dengan luas penampang.

10.  Hubungan antara tekanan dengan debit dan kecepatan aliran adalah berbanding lurus.

         11. Ada kemungkinan terjadi kesalahan dalam percobaan yang disebabkan karena kekurangtelitian   dalam membaca manometer atau tekanan dibaca saat aliran air dan manometer belum benar-benar stabil dan pengukuran waktu yang kurang tepat saat memulai dan menghentikan.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim¹. 2010. Pompa Vacum. http://www.scribd.com/doc. Diakses pada Selasa 15 Maret 2011 pukul 21.00 WIB.

Anonim². Hukum Bernoulli. http://smkmuhi.110mb.com. Diakses pada Selasa 15 Maret 2011 pukul 21.40 WIB.

Bramantya, Sugiyono dan Rama Doni. 2007. Pengaruh diffuser pada flens isap dan lock nut Impeller berbentuk tirus terhadap karakteristik pompa sentrifugal. Vol 1, No 1, Desember.

Bulten, NWH dan R Verbeek. 2006. CFD Simulations of The Flow through a Waterjet Installation. International Journal of Maritime Engineering.

Cahyanta, Yosef Agung dan Indrawan Taufik. 2008. Studi terhadap prestasi pompa hidraulik ram dengan variasi beban katup limbah. Vol 2, No 2, Desember.

Dake, Jonas M.K. 1985. Hidrolika Teknik. Erlangga. Jakarta.

Doebelin, Ernest O. 1992. Sistem Pengukuran Aplikasi dan Perancangan. Erlangga. Jakarta.

Halliday, David dan Robert Resnick. 1987. Fisika Jilid 1 Edisi Ketiga. Erlangga. Jakarta.

Hayashi, Hiroshi. 2008. Development of Rocking Piston Type Dry Vacuum for Suction Conveyance. Ulvac Technical Journal No 69E.

Olson, Reuben M dan Steven J Weight. 1993. Dasar-dasar Mekanika Fluida Teknik. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.

Raharjo, Trustho dan Y. Radiyono. 2008. Fisika – Mekanika. LPP UNS dan UPT Penerbitan dan UNS Press. Surakarta.

Rahayu, Suparni Setyowati. 2009. Manometer. http://www.chem-is-try.org. Diakses pada Selasa 15 Maret 2011 pukul 21.30 WIB.

Soedojo, Peter. 2004. Fisika Dasar. Andi. Yogyakarta.

Streeter, Victor L dan E Benjamin Wylie. 1991. Mekanika Fluida. Erlangga. Jakarta.

Suarda, Made dan IKG Wirawan. 2008. Kajian eksperimental pengaruh tabung udara pada head tekanan pompa hidram. Vol 2, No1, Juni.