Pompa Udara Martinez: Mengangkat Air Menggunakan Udara

Perkenalan

Pompa air telah lama menjadi komponen utama di kalangan pertanian skala kecil dan merupakan alat hemat tenaga kerja yang berharga karena menawarkan berbagai aplikasi praktis. Berbagai jenis pompa secara teratur telah digunakan untuk menyimpan&menyaring air, melakukan irigasi, sistem akuakultur, dan banyak lagi. Meskipun nyaman dan bermanfaat, memompa air memang membutuhkan biaya – mulai dari konsumsi energi yang diperlukan, hingga pemeliharaan rutin untuk bagian-bagian yang bergerak. Meskipun demikian, perkembangan baru dalam teknologi pompa yang tepat, telah menawarkan pilihan-pilihan yang dapat menghemat uang, meningkatkan keandalan, meningkatkan umur peralatan, dan menawarkan keuntungan tertentu lainnya yang akan disajikan dalam artikel

Apa itu Pompa Airlift?

Pompa air konvensional menggunakan putaran mekanis untuk menekan dan memindahkan air secara langsung. Sebaliknya, pompa airlift memanfaatkan densitas udara yang relatif lebih ringan untuk mengangkat air. Sampai baru-baru ini, pompa airlift hanya baik untuk mengangkat air paling banyak 10 - 15 cm, namun Glenn Martinez dari Hawaii telah membagikan sebuah desain yang mudah dibuat kepada komunitas internasional. Pompa ini dapat dengan mudah mengangkat air ke ketinggian 2 hingga 3 meter.Dalam konfigurasi tertentu, desain airlift ini mampu mengangkat air jauh lebih tinggi, bahkan setinggi 30 meter dari sumur bawah tanah. Artikel ini akan berfokus hanya pada salah satu dari konfigurasi dasarnya, yang disebut sebagai pompa airlift 'pipa-di-dalam-pipa/pipe-in-a-pipe' (Gambar 2). Konfigurasi ini paling sering digunakan untuk mengangkat mulai dari 400 hingga 2000 liter air per jam dengan ketinggian 1 hingga 4 meter, menjadikannya teknologi yang sangat berguna untuk beragam sistem. Seperti yang akan dicatat oleh pembaca, teknologi ini membawa manfaat khusus bagi sistem aquaponik, yang merupakan tujuan dibuatnya desain khusus ini.  

Pompa airlift'pipa-di-dalam-pipa' memanfaatkan fakta bahwa udara yang disuntikkan di bawah air akan mengembang sebagai gelembung saat dia naik ke permukaan dengan peningkatan volume 10% dari kedalaman 1 meter. Dengan memerangkap gelembung di dalam pipa vertikal berdiameter kecil, gelembung ini akan bertindak menyerupai piston atau pendorong jarum suntik, mengangkat sebagian air ke atas saat gelembung tersebut naik.Jika ditulis, dibutuhkan banyak halaman untuk menguraikan fisika yang terlibat dalam proses ini namun secara ringkas, efek bersih yang dihasilkannya adalah terciptanya arus air dan udara yang naik ke atas dengan kuat. Desain Martinez bekerja berdasarkan teori bahwa gelembung yang lebih besar, jika dibandingkan dengan sejumlah  kumpulan tekanan air dari gelembung-gelembung kecil, adalah paling efisien dalam mengangkat air menggunakan udara (air lifting).

Kisah di Balik Inovasi

Glenn Martinez, inovator di balik konfigurasi pompa airlift'pipa-di-dalam-pipa', telah terlibat selama bertahun-tahun dalam pengajaran, perancangan, dan pembangunan sistem aquaponik di pertanian Olomana Gardens miliknya di Hawaii, serta dalam pengembangan sistem ini di latar internasional. Dia juga secara teratur berkonsultasi tentang desain proyek aquaponik, dan beberapa tahun yang lalu merancang sistem aquaponik untuk sekolah lokal karena pasokan listrik di sekolah itu merupakan sesuatu yang sangat mahal.Untuk membuat sistemnya lebih terjangkau, dia menemukan (atau seperti Glenn suka menyebutnya 'menemukan kembali') cara untuk mengangkat air dari tangki ikan ke bedengan aquaponik dengan menggunakan konfigurasi pompa udara yang inovatif. Alih-alih menjalankan saluran listrik di parit dalam yang melintasi halaman sekolah, yang diperlukan hanyalah parit dangkal untuk pipa udara, yang dapat dengan cepat digali oleh para siswa.Di parit tersebut,dipasang pipa PVC berukuran 1 inci yang menghubungkan sistem yang ada ke kompresor udara kecil berkekuatan60 watt yang terletak di seberang jalan, di sebuah ruang kelas yang dapat dikunci. Ternyata, pompaairlift yang diciptakan Glenn memiliki banyak keunggulan bagi sistem aquaponik dan situasi-situasi lain di mana diperlukan metode pengangkatan air yang murah dan andal.

Keuntungan Pompa Airlift

Keamanan

Seperti yang diilustrasikan oleh cerita di atas, pompa air konvensional membutuhkan listrik yang diletakkan dekat dengan sumber air. Listrik dan air, seperti yang kita ketahui bersama, bisa menjadi kombinasi yang berbahaya, terutama jika ada anak-anak. Keselamatan, sehubungan dengan adanya listrik dalam air, membuat ancaman bahaya harus dikurangi dan ditanggapi dengan serius dalam pengaturan apa pun. Majalah Times India melaporkan bahwa sebanyak 30 orang tewas setiap hari di India akibat sengatan listrik. Seorang pekerja magang yang mengerjakan proyek kami di Filipina baru-baru ini meminta nasihat dari kami ketika dia dua kali terkena setrum pompa konvensional; Dia belum memiliki banyak pengalaman bekerja dengan perangkat listrik, termasuk bagaimana mengatur kabel ekstensi agar tetap kering di musim hujan.Sirkuit interupsi gangguan arde Ground Fault Interrupt (GFI), jika tersedia, dapat mengurangi risiko sengatan listrik tetapi pada waktu-waktu yang tak terduga sirkuit ini cenderung bermasalah dan memerlukan pengujian bulanan. Sebagai alternatif,untuk menghilangkan potensi bahaya ini, kompresor untuk pompa airlift dapat dengan mudah dipasang pada jarak yang aman dari air sehingga dapat sangat banyak mengurangi risikonya. Pekerja pengembangan masyarakat menganggap fitur khusus pompa airliftini sangat bermanfaat untuk mempromosikan keselamatan.

Aerasi Air

Salah satu keuntungan besar dari pompa air airlift adalah kemampuannya untuk meng-aerasi air saat mengangkatnya. Ini bisa menjadi fitur yang sangat bermanfaat bila digabungkan ke dalam sistem produksi ikan, atau digabungkan dengan skenario lain di mana kondisi kualitas air akan mendapat manfaat besar dari banyaknya oksigen yang terlarut di dalamnya. Dalam beberapa sistem aquaponik skala kecil dengan padatan tebar ikan yang rendah, pompa airlift saja sudah mencukupi untuk menyediakan oksigen terlarut yang dibutuhkan oleh ikan. Jika digunakan bersama dengan pompa aerasi konvensional dan airstones, pompa airlift dapat memberikan ekstra oksigen terlarut dan keamanan terhadap hilangnya ikan karena rendahnya kadar oksigen terlarut.

Mengurangi Perawatan dan Meningkatkan Keandalan

Pompa air celup dan pompa eksternal konvensional rawan tersumbat dan perlu dibersihkan secara berkala termasuk dibongkar total. Selain itu, pasir dan kotoran-kotoran yang tersedot oleh pompa ini pada akhirnya akan membuat komponen-komponen pompa menjadi aus sehingga sering kali mengharuskan dilakukannya penggantian pompa. Desain pompa airlift Martinez tidak hanya mampu menangani bahan-bahan abrasif kecil tetapi juga serpihan yang hampir sebesar diameter pipa bagian dalam (1 hingga 1 1/2 inci). Artinya, ikan kecil, gumpalan algae, sisa makanan ikan, dll. dapat diangkat dan dikeluarkan begitu saja melalui pompa. Di salah satu sistem aquaponik, kami melakukan uji coba dengan membuang 20 kg bubuk kopi ke dalam tangki untuk menguji apakah airlift tetap mampu berfungsi tanpa tersumbat; sungguh mengesankan, fungsinya tetap berjalan tanpa terganggu. Kemampuan menangani kerikil dan puing-puing lainnya ditunjukkan dalam video yang dibuat oleh Glenn berikut ini this video by Glenn.

Pada saat yang sama, kompresor udara, komponen paling mahal dari pompa airlift, tahanl terhadap apa pun yang menyangkut air. Air tawar, air asin, dan air sarat lumpur semuanya sama saja bagi pompa ini, karena letaknya terpisah dari sumber air. Selain itu, jika pompa celup konvensional mengosongkan sebuah tangki, maka tangki akan cepat mengalami kerusakan permanen karena terlalu panas – sedangkan kompresor udara di pompa airlift

akan tetap bekerja, siap untuk menyambut air kembali.

Diafragma kompresor udara, yang sebenarnya ideal untuk pompa airlift, juga sangat mudah diperbaiki. Biasanya, yang diperlukan hanyalah obeng untuk mengganti diafragma yang aus setelah beberapa tahun pemakaian. Ini sederhana dan jauh lebih murah ketimbang mengganti seluruh pompa konvensional. Selain itu, mengganti atau memindahkan kompresor bisa semudah membuka dan memasang kembali selang air di taman.

Manfaat Lain dari Pompa Airlift

Di beberapa lokasi, pompa air rentan terhadap pencurian atau pengrusakan. Oleh karena pipa PVC 1 inci atau panjang selang berdiameter lebih besar memberikan resistensi yang sangat kecil terhadap aliran udara maka kompresor udara dapat ditempatkan di kejauhan, dikunci secara terpisah di dalam gedung atau di sebuah kotak penyimpanan.

Pompa airlift juga dapat menghemat uang karena menggunakan lebih sedikit listrik. Kami mengganti satu pompa celup 200 watt dengan kompresor udara 80 watt untuk menjalankan sebuah pompa airlift. Persyaratan daya yang lebih rendah ini membuat lebih mungkin digunakannya panel surya. Glenn telah melakukan konfigurasi sistem pompa konvensional dengan injeksi udara yang secara dramatis memangkas biaya yang perlu dikeluarkan untuk mengangkat air setinggi 8-10 meter. Kami belum memiliki pengalaman seperti ini, tetapi kami telah menyaksikan bahwa pompa angkut udara buatan sendiri [DIY pompa airlift] juga dapat dikonfigurasi untuk memompa sumur bawah tanah. Dengan demikian ketahanan terhadap penyumbatan dan sifatnya yang mudah diperbaiki akan menjadi sesuatu yang sangat berharga.

Desain Pompa Airlift ‘pipa-di-dalam-pipa’

Sistem pengangkutan udara dengan volume yang lebih besar dimungkinkan dan dapat dicapai dengan menggunakan kompresor udara beda ukuran dengan diameter pipa yang sesuai. Kompresor 110 volt kami memiliki ukuran [daya] mulai dari 35 hingga 110 watt. Pemilihan kompresor ditentukan oleh beberapa faktor antara lain ketinggian air yang perlu dipompa dan volume keluaran air yang diinginkan. Konfigurasi tipikal aquaponik ‘pipa-di-dalam-pipa' hanya membutuhkan kompresor udara yang di awalnya mampu menghasilkan 5 psi (35 kPa) kemudian dapat berjalan terus menerus sekitar 2 psi (14 kPa). Kompresor yang menjalankan sistem aquaponik kami menghasilkan antara 30 hingga 100 liter udara per menit. Anda dapat melihat dari bagan di bawah ini bahwa keluaran volume air akhir dari pompa tidak hanya bergantung pada ukuran kompresor tetapi juga kepada beberapa variabel lainnya (Tabel 1). Kompresor 100 L/mnt tidak menghasilkan air paling banyak karena memompa lebih tinggi dari sumur yang lebih dangkal.

Tujuan kami  untuk mengalirkan volume tangki ikan  setidaknya setiap dua jam sekali dan pompa ini sudah lebih dari cukup untuk melaksanakan tugas itu. Toko perlengkapan kolam atau outlet perlengkapan akuarium yang lebih besar lebih suka menggunakan kompresor gaya diafragma (atau sebaliknya, kompresor angin piston) untuk aplikasi ini.

Tabel1. Contoh Konfigurasi Pompa Airlift dan Outputnya di UofN Kona

*Liter per menit kira-kira sesuai dengan [daya] watt pompa - pompa 110 volt, 80 watt menghasilkan sekitar 80 liter udara per menit.

**Kedalaman air sumur adalah air di bawah permukaan tanah ditambah air di atas permukaan tanah yang sama dengan kedalaman air di dalam tangki yang terhubung dengan sumur. Dalam sistem air digelontorkan dan dikeringkan, kedalaman ini dapat berfluktuasi sehingga keluaran pompa juga akan berfluktuasi.

Pipa Tempat Masuk Air (Intake)

Dalam menjelaskan salah satu fitur utama dari konfigurasi ‘pipa-di-dalam-pipa’, Glenn Martinez memberikan tips berikut ini:

“Versi terbaru dari konfigurasi ‘pipa-di-dalam-pipa’ menghilangkan banyak lubang kecil yang selama ini dibutuhkan.Secara konvensional prinsip yang diterapkan adalah banyaknya gelembung-gelembung kecil udara digunakan untuk menggantikan kerapatan air, sehingga air yang lebih ringan ini akan 'melayang'. Namun, pada perjalanan ke Filipina baru-baru ini, kami tidak memiliki mata bor atau motor bor berukuran kecil. Saya hanya punya gergaji besi, jadi saya hanya bisa membuat dua irisan, saling berhadapan di pipa pengangkat bagian dalam. Irisan dibuat setebal satu bilah gergaji besi dan sekitar 1 inci di atas bukaan bawah pipa eksterior yang lebih besar (Gambar 3A).

Ternyata saat kompresor dihidupkan, air di antara pipa chasing luar dan pipa lift interior “didorong ke bawah” hingga mencapai dua celah yang berlawanan di pipa interior. Udara memasuki setiap celah (yang terletak berlawanan satu sama lain) dan benar-benar memotong air seperti pisau. Setelah memotong air, semburan udara naik ke atas, sekaligus mengangkat air di dalam pipa bagian dalam. Gumpalan/selongsong udara ini mengangkat seluruh air di dalam pipa bagian dalam dan keluar sebagai satu selongsong udara. Setelah semburan udara pertama dilepaskan, sehingga membersihkan pipa bagian dalam dari air, air tambahan pun mengalir masuk untuk mengisi bagian bawah pompa 'pipa-di-dalam-pipa'. Setelah bergerak, air di pipa bagian dalam 50%-nya adalah udara sehingga menjadi jauh lebih ringan, sehingga kompresor udara menjadi lebih mudah memompa air.

Pipa bagian dalam terbuka ke sumber air dan dipotong miring untuk mencegah agar pipa ini tidak tersumbat sepenuhnya (Gambar 3B.). Ruang bawah yang ada di bawah dua celah udara dan antara pipa dalam dan luar dapat disegel tanpa menggunakan kopling dan bushing yang digambarkan di sini (misalnya dengan steker buatan) tetapi metode ini nyaman jika suku cadang tersebut tersedia. Dengan pendekatan ini, "penghentian" bagian dalam pada bushing harus diarsipkan agar pipa bagian dalam dapat meluncur sepenuhnya sambil tetap menjaga segel kedap udara. Hal yang sama berlaku untuk bushing lainnya yang ada di bagian atas pipa luar.

Aplikasi untuk Aquaponik skala kecil

Aplikasi tipikal pompa airlift, seperti yang dilakukan di Natural Farm Training Center kami di Hawaii, membutuhkan pengangkatan 500 hingga 1000 liter air per jam, tersedia untuk aliran gravitasi melalui sistem aquaponik (Gambar 4). Dalam hal ini, pompa airlift adalah pilihan yang sangat baik, mengaerasi air saat diangkat ke dalam tangki di atasnya. Kami telah memberi label pada pengaturan ini sehingga kita lebih bisa memahami pengaturan praktis dari berbagai komponen pompa airlift.

Angkutan udara ini memompa sekitar 900 liter/jam dari sebuah tangki IBC ke ketinggian 1,8 meter dan air masuk kesebuah penjernih. Pipa PVC vertikal 3 inci diberi air dengan sambungan 'T' ke tangki IBC (Gambar 3). Pipa 3 inci ini memiliki penutup di bagian bawah dan berfungsi sebagai semacam sumur tampungan air' untuk pompa 'pipa-di-dalam-pipa' yang sebenarnya. Pipa penampung ini, beserta‘pipa-di-dalam-pipa’airlift di dalamnya, memanjang sekitar 80 cm di bawah permukaan tanah (kedalaman 1,5 meter akan lebih baik karena output volume pompa akan meningkat dan kami mungkin dapat menggunakan kompresor udara yang lebih kecil). Airlift itu sendiri terbuat dari pipa luar 2 inci dan pipa dalam 1,25 inci. Air dipompa ke atas dan dialihkan ke dalam tangki sementara udara keluar dari atas.

Ucapan Terimakasih

Terima kasih banyak kepada Glenn dan manajer bisnis Natalie Cash atas sumbangan waktu, alat, dan materi yang diberikan dengan murah hati untuk program pengajaran kami di Pusat Pelatihan Pertanian Alami, Departemen Sains & Teknologi, YWAM, University of the Nations.  Kami juga berterima kasih atas kesediaan Anda untuk berbagi temuan ini dengan ECHO dan jejaring ECHO di seluruh dunia.

Bahan Rujukan

Martinez, G. Olomana Gardens Aquaponics Manual.

https://www.olomanagardens.com/shop/aquaponics-manual/