Pengaruh Pemberian Tirus Pada Lubang Valve Seat Sisi Discharge di Kompresor Torak Single- Stage, Single-Acting

Transkripsi

1 Pengaruh Pemberian Tirus Pada Lubang Valve Seat Sisi Discharge di Kompresor Torak Single- Stage, Single-Acting 1 David Andreas Siregar dan Bambang Daryanto W. Jurusan Teknik Mesin, FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Suarabaya bambang@me.its.ac.id Abstrak - Kompresor torak banyak dipakai dalam industri untuk berbagai keperluan, baik yang digunakan sebagai main unit ataupun auxiliary. Dalam pemanfaatannya, bagian katup kompresor torak adalah yang paling umum mengalami kegagalan. Kegagalan tersebut bisa diminimalisir dengan desain katup yang baik. Pada penelitian yang dilaporkan, dilakukan pemberian tirus pada lubang valve seat sisi discharge. Kemudian diselidiki karakteristik getaran dan tekanan ruang silinder akibat proses buka-tutup valve pada kompresor, dimana kedua hal tersebut diselidiki untuk tekanan kerja kompresor yang berbeda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dibandingkan dengan valve seat profil normal, pemberian tirus pada lubang valve seat sisi discharge akan menurunkan level getaran, menyebabkan terjadinya peningkatan tekanan discharge, menyebabkan rentang bukaan katup discharge yang lebih lama. Kata kunci getaran, kompesor, tekanan silinder, valve seat I. PENDAHULUAN ompresor torak banyak digunakan dalam dunia industri Kuntuk berbagai keperluan, baik yang digunakan sebagai main unit ataupun auxiliary. Dalam pengoperasian kompresor torak tersebut dikehendaki kondisi operasi yang baik serta keandalan yang dapat dipertanggungjawabkan. Salah satu cara yang paling efektif adalah dengan melakukan maintenance pada kompresor tersebut dengan memonitor getaran yang terjadi pada kompresor, dan dengan menggunakan desain komponen katup kompresor yang baik. Pengalaman operasional mengindikasikan bahwa performansi kompresor sangat dipengaruhi oleh kondisi katup dari kompresor. Survei yang dilakukan Dresser-Rand menunjukkan bahwa banyak kegagalan pada kompresor torak disebabkan oleh kerusakan yang terjadi pada katup [1]. Getaran yang terjadi pada bodi kompresor torak disebabkan oleh mekanisme kerja dari proses buka-tutup katup. Kondisi katup yang berbeda akan memberikan profil getaran yang berbeda. Impak yang terjadi pada proses buka-tutup katup erat kaitannya dengan level atau amplitudo getaran yang dihasilkan. Selanjutnya, getaran yang berlebih mengindikasikan bertambahnya konsumsi energi yang diperlukan dalam operasi kompresor, dengan demikian biaya operasional akan menjadi lebih besar. Pada dasarnya penelitian yang dilakukan adalah sebuah kajian eksperimental tentang pengaruh perubahan geometri profil dari valve seat pada sisi discharge, terhadap karakteristik getaran dan tekanan ruang silinder dari sebuah kompresor torak single stage, single acting. Profil valve seat yang berbeda akan memberikan sinyal getaran dan tekanan silinder yang berbeda pula. Masingmasing kondisi valve seat diuji pada tekanan beban yang bervariasi. Waveform getaran dan tekanan dari kondisi valve seat normal dijadikan baseline, terhadap mana valve seat yang sudah dimodifikasi akan dibandingkan hasilnya. Dalam studi ini, kompresor torak dievaluasi berdasar pada grafik getaran dan diagram P-θ. Getaran pada bodi kompresor yang digunakan sebagai indikator operasi kompresor diwakili oleh getaran yang diukur di cylinder head kompresor torak yang diuji. Pada masing-masing kondisi pengujian, temperatur kerja fluida diasumsikan tidak mengalami perubahan. II. DASAR TEORI DAN METODE PENELITIAN 2.1. Siklus Kompresor Torak Salah satu komprseor yang banyak dijumpai dipasaran adalah kompresor torak, dimana udara sebagai fluida kerja. Dalam satu siklus aliran udara yang berada dalam ruang silinder kompresor torak mengalami empat tahap, yaitu langkah kompresi, langkah buang, langkah ekspansi, dan langkah hisap. Pemahaman mengenai kompresor torak dimulai dari diagram P-V. Pada Gambar 1 ini, arah horizontal menggambarkan volume fluida dan arah vertikal menggambarkan tekanan fluida dalam satu siklus kompresor. Hubungan tekanan-volume fluida tekan dalam siklus tersebut membentuk grafik tertutup. Diagram P-V aktual kompresor torak dapat dilihat pada Gambar 1, dimana sebuah kompresor torak ideal tanpa adanya rugi-rugi fluida akan menghasilkan kurva ideal A-B- D-E. Luasan di dalam kurva A-B-D-E menunjukkan daya teoritis yang dibutuhkan untuk siklus kompresi gas. Luasan yang berada di atas dan di bawah kurva A-B-D-E menunjukkan daya yang dibutuhkan untuk untuk mengaktifkan katup dan mengatasi hambatan aliran masuk dan keluar dari silinder.

2 2 Gambar 1. Diagram P-V untuk satu siklus [6] Selain diagram P-V, tekanan dapat di-plot terhadap sudut putaran poros engkol (diagram P-θ) untuk mengetahui unjuk kerja kompresor. Gambar 2 berikut menunjukkan grafik P-θ pada sebuah kompresor torak. Gambar 2. Diagram P-θ untuk satu siklus [6] Kurva A-B menggambarkan tekanan saat langkah ekspansi pada silinder kompresor. Ekspansi pada piston menyebabkan udara sisa (clearance) membesar volumenya dan dengan demikian berkurang tekanannya. Tekanan silinder akan segera turun sampai mencapai tekanan atmosfer (pada kompresor udara) sebagai akibat langkah ekspansi piston. Kurva B-C berkenaan dengan tekanan negatif (di bawah garis tekan hisap) di ruang silinder, yang terjadi akibat gerakan piston ke bawah, menarik udara atmosfer ke dalam ruang silinder sampai piston mencapai TMB. Pada TMB tekanan ruang silinder bertemu dengan garis horizontal tekanan hisap, dimana katup hisap akan menutup sempurna. Kurva C-D berkenaan dengan piston yang bergerak dari TMB menuju TMA. Dalam proses tersebut udara terkompresi dengan tekanan yang meningkat, mendekati garis tekanan discharge, dan menyebabkan katup tekan mulai terbuka. Secara aktual titik D akan berada di atas garis horizontal tekanan discharge. Kurva D-E : Saat katup tekan terbuka udara mengalir dari ruang silinder menuju tangki bertekanan. Aliran ini akan terus terjadi selama masih terjadi beda tekanan. Setelah tekanan seimbang, yakni garis horizontal tekanan discharge bertemu dengan kurva tekanan ruang silinder, maka katup tekan akan menutup Fenomena Getaran Semua peralatan permesinan yang memiliki bagian yang bergerak akan menghasilkan gerak mekanik selama beroperasi. Gerak mekanik ini akan menimbulkan getaran pada peralatan permesinan, dimana pada tingkatan tertentu getaran yang terjadi dapat menyebabkan atau mengindikasikan terjadinya kerusakan pada salah satu atau beberapa bagian peralatan permesinan. Getaran ini bervariasi pada tiap lokasi, sehingga tiap lokasi pada peralatan permesinan memiliki profil getaran yang berbeda. Untuk keperluan analisis biasanya fokus pengamatan getaran hanya pada beberapa titik tertentu. Sinyal getaran pada mesin dapat diukur dengan menggunakan tiga jenis transducer getaran yakni displacement probe, velocity pick-up, accelerometer. Masing-masing penggunaan ketiga jenis transducer ini tergantung pada karakteristik getaran yang diukur. Dalam pengoperasian peralatan permesinan, amplitudo adalah parameter yang menjadi indikator utama untuk mengindikasikan seberapa baik atau seberapa buruk kondisi peralatan permesinan. Prinsip kerja transducer adalah dengan menangkap sinyal getaran yang kemudian diubah menjadi sinyal elektrik yang akan dikirimkan ke data logger. Berdasarkan data yang telah tersimpan di data logger, visualisasi getaran dapat dilakukan untuk keperluan analisa yang lebih dalam. Getaran yang terjadi pada kompresor torak terjadi karena gaya eksitasi yang timbul akibat adanya variasi tekanan di ruang silinder yang berulang secara periodik, dan ketakimbangan yang timbul karena operasi poros engkol. Selain itu getaran pada kompresor disebabkan oleh proses buka-tutup katup pada derajat poros engkol tertentu. Gerakan buka tutup katup ini menyebabkan benturan berupa impak pada valve seat dan valve head. Benturan yang terjadi ini diteruskan ke bodi kompresor yang terwujud sebagai getaran. Amplitudo getaran yang signifikan pada kompresor torak pada umumnya diakibatkan oleh empat hal : Pada saat katup tekan terbuka. Gerakan membukan katup ini akan menyebabkan beban impak yang besar pada katup sisi hisap, karena impak terjadi pada tekanan tinggi. Pada saat katup tekan tertutup. Proses penutupan katup tekan ini terjadi saat piston mencapai TMA, dan akan menyebabkan terjadinya beban impak pada tekanan tinggi. Pada saat katup hisap terbuka. Gerakan membuka katup hisap terjadi akibat terciptanya tekanan yang lebih rendah dari atmosfer di ruang kompresi. Moving part katup akan bergerak membuka aliran dan menimbulkan beban impak. Pada saat penutupan katup hisap, dimana pada umumnya akan terjadi impak pada level yang lebih rendah dibandingkan ketiga impak di atas Komponen Katup Jenis katup pada kompresor torak yang diteliti adalah katup dengan model pelat datar yang terdiri dari empat komponen yaitu valve seat, stop plate (guard), valve sealing (valve plate), dan pegas.

3 bervariasi. Variasi tekanan kerja diatur dengan bantuan pressure regulator Pengambilan Data Data yang didapat dalam eksperimen ini berasal dari kompresor torak dengan spesifikasi sebagai berikut : Tipe : PUMA, PU 32, single stage, single acting Putaran : 630 rpm Daya : 2 HP Working pressure : 7 kg /cm 2 Penggerak : Motor listrik 380 volt, 1430 rpm Variable yang diukur adalah: Akselerasi getaran pada cylinder head Tekanan ruang silinder Kedua variabel tersebut diukur untuk putaran poros tertentu, dengan pengambilan data yang dilakukan secara bersamaan berdasarkan posisi sudut poros engkol (crank angle). Kesamaan waktu pengukuran di-trigger oleh sebuah tachometer. Variasi tekanan kerja (disesuaikan dengan spesifikasi kompresor) dilakukan untuk memverifikasi pengaruh desain profil valve seat terhadap getaran dan performansi kompresor torak. 3 Gambar 3. Komponen katup Gambar 4 (secara skematis) menampilkan valve seat sisi tekan sebagaimana di-supply oleh vendor. Valve seat ini disebut valve seat sisi tekan dengan profil normal (belum dimodifikasi). Gambar 6. Kompresor penelitian Gambar 4. Valve seat sisi tekan dengan profil normal Di samping pengambilan data kompresor untuk profil normal, dilakukan pengujian untuk sudut tirus 30 o dan kedalaman tirus ½ t (t : 8 mm) dari valve seat sisi tekan. Gambar 5. Valve seat sisi tekan dengan profil yang dimodifikasi Pengukuran besar getaran dan tekanan silinder dilakukan untuk kedua profil valve seat sisi tekan, dengan beban yang Pada Gambar 6 ditunjukkan penempatan sensor getaran dan sensor tekanan ruang silinder. Accelerometer dengan dudukan magnetik ditempatkan pada bagian luar cylinder head. Pada cylinder head dibuat lubang, sehingga tekanan ruang silinder bisa diukur. Pada gambar tersebut juga ditunjukkan penggunaan tachometer optik, sehingga sinyal getaran dan tekanan ruang silinder ruang silinder bisa diukur secara bersamaan, yaitu kedua sinyal terukur pada sudut crank yang bersesuaian. III. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 3.1. Getaran dan Tekanan Profil Normal Gambar berikut mengilustrasikan pola getaran dan P-θ diagram dalam kaitannya dengan proses buka-tutup kedua katup kompresor. Sebagai contoh tipikal ditampilkan grafik akselerasi getaran dan P-θ untuk valve seat sisi tekan profil normal pada tekanan kerja 3 bar. Profil normal yang

4 4 dimaksud adalah geometri atau desain dari valve seat sebagaimana di-supply oleh vendor, tanpa dilakukan modifikasi desain. Gambar 9. Grafik tekanan vs. sudut poros engkol, profil normal Gambar 7. Waveform getaran dan diagram P-θ, valve seat profil normal, 3 bar Berikut disajikan grafik getaran untuk valve seat sisi tekan profil normal, pada tekanan tangki 2 bar sampai dengan 6 bar. Mengacu pada P-θ diagram, peningkatan beban (dari 2 bar sampai dengan 6 bar) akan berpengaruh terhadap proses buka-tutup katup kompresor. Peningkatan beban akan menggeser saat proses pembukaan katup tekan menjadi lebih belakangan (makin ke kanan ). Ini disebabkan oleh semakin bertambahnya waktu yang diperlukan untuk mencapai tekanan untuk membuka katup tekan. Sementara penutupan katup tekan relatif tidak berubah. Dapat dilihat pula bahwa proses buka-tutup katup hisap relatif sama untuk setiap beban kerja, meskipun ada indikasi pembukaan katup hisap sedikit bergeser ke kanan. Ini mengindikasikan bahwa peningkatan beban kerja tidak berpengaruh secara signifikan terhadap rentang waktu proses buka-tutup katup hisap Getaran dan Tekanan Profil Modifikasi Pada diagram berikut disajikan pola getaran (yang diukur pada bagian luar dari cylinder head) sebagai pengaruh dari modifikasi profil valve seat sisi tekan, untuk sudut ketirusan 30 o dimana ketirusan yang dimaksud mencapai setengah tebal valve seat (t : tebal = 8 mm). Gambar 8. Waveform getaran, valve seat sisi tekan profil normal Jika diperhatikan pengaruh peningkatan tekanan kerja terhadap getaran yang terjadi, maka terdapat kecenderungan peningkatan level getaran. Ini disebabkan oleh makin tingginya tekanan kompresi yang diperlukan, maka semakin besar pula impak yang terjadi Gambar 10. Waveform getaran, α = 30 o, ½ t

5 5 tekanan kerja Tabel 4.1. Akselerasi getaran Akselerasi, rms [G-s] normal 30 o, ½ t 2 bar bar bar bar bar Dari grafik waveform getaran untuk profil normal dan profil modifikasi, dapat dilihat adanya perbaikan pada pola getaran sebagai akibat diberikannya sudut ketirusan pada valve seat sisi tekan. Hal tersebut kemungkinan disebabkan oleh adanya smoothing aliran yang melewati katup tekan, sebagai akibat modifikasi yang diberikan pada valve seat. Dengan adanya ketirusan akan mengurangi terbentuknya olakan aliran fluida kerja (recirculating zone) pada ujung profil, dimana recirculating zone memungkinkan terjadinya gangguan terhadap proses buka-tutup katup. Sehingga, dengan memberikan ketirusan pada valve seat sisi tekan bisa memperbaiki pola getaran yang terjadi. Berikut disajikan P-θ diagram, untuk sudut ketirusan 30 o dimana ketirusan yang dimaksud mencapai setengah tebal valve seat. Gambar 11. Diagram P-θ, 30 o, ½ t Jika dibandingkan dengan profil normal, secara umum dapat dilihat dari P-θ diagram bahwa pengaruh dari sudut ketirusan pada valve seat sisi tekan menyebabkan bukaan katup tekan terjadi lebih awal (lebih ke kiri), sedangkan penutupan katup tekan terjadi lebih belakangan (lebih ke kanan ). Dengan demikian rentang pembukaan katup tekan menjadi lebih lama. Sementara itu pengaruh ketirusan yang diberikan pada valve seat sisi tekan terhadap proses bukatutup katup hisap tidak sesignifikan jika dibandingkan dengan proses buka-tutup katup tekan, meskipun ada indikasi bahwa ketirusan yang diberikan pada pada valve seat sisi tekan menyebabkan proses buka katup hisap bergeser ke kanan (proses pembukaan katup hisap terjadi lebih belakangan). Jika dibandingkan dengan profil normal, terjadi peningkatan tekanan discharge. Kenyataan terjadinya peningkatan tekanan discharge sebagai akibat diberikannya ketirusan (dibanding dengan profil normal), berimplikasi pada bukaan katup tekan yang terjadi lebih awal Pengaruh Beban Kerja Diagram P-θ mengindikasikan bahwa kenaikan tekanan kerja akan menyebabkan proses buka katup tekan terjadi lebih belakangan (bergeser ke kanan ), dengan proses tutup katup tekan yang relatif tidak terpengaruh. Hal yang sama bisa dikatakan terjadi pada proses buka-tutup katup hisap. Dengan beban kerja yang semakin besar, semakin besar pula tekanan ruang silinder untuk mendorong katup tekan agar terbuka. Ini dikarenakan gaya tekan yang berasal dari ruang silinder yang harus lebih besar daripada gaya akibat tekanan dari tangki penampung ditambah gaya yang diperlukan untuk mendorong moving part. IV. KESIMPULAN Terjadi perbaikan pola getaran dengan pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan. Terjadi rentang bukaan katup discharge yang lebih lama sebagai akibat pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan, utamanya disebabkan oleh proses buka katup discharge yang berlangsung lebih awal daripada saat buka katup discharge dari profil normal. Pada umumnya, terjadi peningkatan tekanan discharge dengan pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan. Sebagai akibat peningkatan dari beban / tekanan kerja kompresor, terjadi penurunan rentang waktu proses buka-tutup katup tekan maupun katup hisap, dan peningkatan tekanan discharge. Sebagai saran untuk penelitian lebih lanjut, disampaikan hal berikut : Pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan yang disertai dengan penambahan sudut fillet pada ujung tirus (tidak bersudut tajam seperti pada penelitian ini). Pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan dalam arah yang terbalik dari yang dilaporkan pada penelitian ini. Pencarian nilai sudut optimal dan kedalaman optimal pada pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan. DAFTAR PUSTAKA [1] S. Foreman, "Compressor Valves and Unloaders for Reciprocating Compressors, New York: Dresser-Rand Technology (2002) [2] Lawrence Berkeley National Laboratory, Improving Compressed Air System Performance, Washington, DC: US Department of Energy (2003). [3] K.N. Raju, Industrial Energy Conservation Techniques : Concepts, Applications And Case Studies, New Delhi: Atlantic Publishers and Distributors (2007). [4] Compressed Air Systems, Sustainable Energy Development Office, Perth (2002). [5] P. Girdhar, Practical Machinery Vibration Analysis and Predictive Maintenance, Pondicherry (India): Integra Software Services Ltd (2004). [6] H.P. Bloch and J.J. Hoefner, Reciprocating Compressor Operation and Maintenance, Houston: Gulf Publishing Company (1996). [7] P.C. Hanlon, Compressor Handbook, New York: McGraw-Hill Co. (2001).

6 6 [8] J.B. Rovaris, and C.J. Deschamps, Large Eddy Simulation Applied To Reciprocating Compressors, J. Brazilian Society of Mechanical Science & Engineering, vol. XXVIII, no. 2, (2006) [9] Y. Ma, Y.N. Gan, X.Y. Peng, and Z.W. Xing, Experimental investigation of the discharge valve dynamics in a reciprocating compressor for trans-critical CO 2 refrigeration cycle, Elsevier Ltd, China (2010) 1-9.