KARAKTERISTIK TEKANAN RUANG SILINDER DAN GETARAN PADA KOMPRESOR TORAK : EFEK PERUBAHAN PROFIL VALVE SEAT PADA SISI TEKAN

Transkripsi

1 KARAKTERISTIK TEKANAN RUANG SILINDER DAN GETARAN PADA KOMPRESOR TORAK : EFEK PERUBAHAN PROFIL VALVE SEAT PADA SISI TEKAN Ardi Nugroho 1, Bambang Daryanto W. 2 dan Suwarmin 3 1 PT Pembangkitan Jawa Bali UP Brantas, Malang, Indonesia ardi_nugroho@ptpjb.com 2 Jurusan Teknik Mesin, FTI ITS, Surabaya, Indonesia bambang@me.its.ac.id 3 Jurusan Teknik Mesin, FTI ITS, Surabaya, Indonesia suwarmin@me.its.ac.id ABSTRAK Dalam pemanfaataannya di industri, kegagalan pada kompresor torak banyak didominasi oleh ketaknormalan fungsi katup. Kegagalan tersebut bisa diminimalisir dengan desain katup yang baik. Dalam penelitian ini dilakukan studi eksperimental tentang performa kompresor torak dengan desain katup tekan yang berbeda-beda. Performa kompresor diwakili oleh diagram tekanan ruang silinder dan sinyal getaran dari kompresor udara single stage, single acting. Perubahan desain katup dilakukan dengan modifikasi profil geometris valve seat. Pengukuran dilakukan untuk kondisi valve seat normal, tiga modifikasi valve seat sisi tekan; dengan variasi tekanan ruang silinder mulai dari 1 sampai dengan 7 bar. Hasil studi menunjukkan pengurangan flow area pada sisi tekan akan meningkatkan tekanan pembukaan katup tekan, menambah valve loss dan meningkatkan nilai getaran overall. Pemberian ketirusan pada penampang valve seat tidak banyak berpengaruh pada grafik tekanan, tetapi menghasilkan perbaikan pada nilai getaran overall. Sedangkan peningkatan tekanan kerja akan memperlambat terjadinya bukaan katup, dengan makin panjangnya waktu yang diperlukan untuk mencapai tekanan pembukaan katup. Kata Kunci: Kompresor torak, valve seat, getaran, tekanan silinder. PENDAHULUAN Kompresor torak banyak dimanfaatkan di dunia industri untuk berbagai keperluan, baik sebagai auxiliary equipment maupun sebagai main unit. Oleh karenanya dikehendaki bahwa dari waktu ke waktu kompresor torak mampu menunjukkan operasi yang baik dan memiliki keandalan yang dapat dipertanggung jawabkan. Salah satu cara menjaga kondisi operasi kompresor adalah dengan memonitor getaran yang terjadi dan performansi yang ditunjukkan. Dalam konteks ini, pengalaman operasional mengindikasikan bahwa kondisi operasi kompresor sangat dipengaruhi oleh kondisi katup. Katup hisap dan katup tekan merupakan komponen yang vital pada sebuah kompresor torak, dan karenanya katup selalu menjadi subyek penting dari suatu studi atau analisa : eksperimental, analitis atau simulatif, penelitian atau trouble shooting, teoritis atau praktis. Desain katup yang baik akan meningkatkan umur pemakaian katup dan performansi kompresor, sebagaimana dikemukakan oleh Woollatt [1]. Studi lain mengenai desain katup yakni improvisasi teknologi katup kompresor dikemukakan oleh Brun, Gernentz, Smolik dan Platt [2] yang mengembangkan katup kompresor semi-

2 aktif. Katup semiaktif ini dilengkapi redaman elektromagnetik yang mampu mengontrol gerak katup, dimana sistem kontrol bekerja berdasar kecepatan gerak dari katup. Peningkatan keandalan kompresor yang berfokus pada desain katup, piston dan rod sealing di beberapa industri minyak, gas dan petrokimia dibahas oleh Wilson [3]. Sedangkan analisa performance kompresor torak untuk kasus seperti : profil discharge dan suction port yang terlalu kecil, kebocoran pada piston ring dan katup, konstanta pegas yang tertalu keras, dibahas oleh Diab dan Howard [4]. Monitoring secara kontinyu (on line) dilaporkan oleh Schirmer, Fernandes dan De Caux [5], dimana data hasil pengukuran dinyatakan dalam diagram P-V yang menjadi dasar analisa performansi kompresor. Pengaruh valve losses (yang dideteksi dari diagram P-V) terhadap umur katup ditunjukkan dengan simulasi komputer oleh Howes dan Long [6]. Simulasi komputer yang dilakukan dimaksudkan sebagai acuan dalam menentukan desain katup yang optimum. Perilaku dinamis dari kompresor refrigerasi disimulasi dengan metoda numerik yang dikembangkan oleh Rovaris dan Deschamps [7], dengan aplikasi utama pada aliran fluida lewat katup tekan. Kajian tentang signature getaran yang terjadi pada suatu siklus operasi kompresor torak dapat dilihat pada technical note yang dikeluarkan oleh Spectra Quest, Inc [8]. Sedangkan penelitian mengenai karakteristik getaran dan noise pada intermediate plate discharge port dari katup tekan kompresor torak untuk beberapa variasi beban dilakukan oleh Erol dan Gurdogan [9]. Penelitian eksperimental pada sebuah kompresor torak, yang menjadi dasar penyusunan artikel ini, ditujukan untuk mengetahui karakteristik tekanan dan getaran jika terdapat perubahan geometri pada profil valve seat sisi tekan, pada tekanan ruang silinder yang berbeda. Hal mana dimaksudkan untuk menghasilkan referensi bagi analis yang berkepentingan untuk mengetahui karakteristik operasi kompresor torak. Penelitian tersebut menggunakan kompressor torak single stage, single acting dengan katup hisap dan tekan berbentuk plat datar, dan udara sebagai fluida kerja. Eksperimen dilakukan untuk tekanan kerja dari 1 sampai dengan 7 bar. Sebagai kontribusi, diharapkan penelitian ini akan memberikan gambaran tentang desain profil valve seat yang baik, guna peningkatan durabilitas dan performansi kompresor. METODOLOGI Pengambilan data dalam eksperimen ini berasal dari sebuah kompresor torak (gambar 1), single stage, single acting, 630 rpm, 2 HP dengan working pressure 7 kg / cm 2. Variable yang diukur adalah : aselerasi getaran pada cylinder head dan tekanan ruang silinder kompresor. 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. Data hasil pengukuran dimasukkan / dicatat pada sebuah data logger, untuk kemudian di-download ke komputer digital sehingga tampilan grafis dari tekanan dan profil getaran dapat dimunculkan. A-25-2

3 Sebuah lubang dibuat pada cylinder head untuk tempat memasang pressure transducer, sedangkan pada cylinder head tersebut dipasang pula sensor accelerometer dengan dudukan magnetik untuk mengukur getaran yang terjadi. Pengambilan data dilakukan untuk desain valve seat yang berbeda, sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 2 berikut. (a) (b) (c) (d) Gambar 1. Kompresor Gambar 2. valve seat : (a) normal, (b) modif 1, (c) modif 2, dan (d) modif 3 penelitian PENGAMBILAN DATA DAN ANALISA Valve Seat Profil Normal Yang dimaksud dengan profil normal adalah valve seat dengan desain sebagaimana di-supply oleh OEM. Valve seat memiliki lubang uniform berdiameter 14 mm dengan tebal 8 mm (gambar 2a). Gambar 3 menunjukkan grafik P -θ dan time waveform (untuk aselerasi) dari kompresor torak yang menggunakan valve seat normal untuk tekanan kerja 1 sampai dengan 7 bar. Time waveform mengindikasikan bahwa level getaran akibat buka-tutup katup tekan relatif lebih tinggi jika dibandingkan dengan buka-tutup katup hisap. Katup tekan akan mulai terbuka beberapa derajat sebelum TMA dan mulai tertutup saat langkah buang selesai (beberapa derajat setelah TMA). Semakin tinggi tekanan kompresi, proses buka katup tekan akan makin bergeser kekanan. Pergeseran yang sama teramati pula untuk desain valve seat sisi tekan yang lain. Gaya dorong pada katup tekan akan terus naik sebanding dengan kenaikan tekanan kompresi, sementara pada katup hisap, gaya dorongnya relatif sama. Kenaikan gaya dorong ini akan mendorong moving part dengan percepatan yang lebih besar, sehingga menumbuk guard pada aselerasi yang tinggi dan impak yang terjadi juga akan lebih besar. Gambar 3. Grafik P-θ dan time waveform, valve seat profil normal A-25-3

4 Valve Seat Sisi Tekan Modifikasi 1 Valve seat sisi tekan dengan modifikasi 1 memiliki lubang uniform dengan diameter lebih kecil dari pada valve seat profil normal, yaitu 7 mm. Pada gambar 4, grafik P-θ mengindikasikan naiknya level tekanan, jika dibandingkan dengan profil normal. Mengecilnya diameter lubang (sampai sekitar 50%), menyebabkan berkurangnya effective flow area, sementara gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan moving part tetap. Konsekuensi logisnya adalah tekanan kompresi harus bertambah besar untuk menggerakkan moving part pada valve seat dengan diameter lubang yang lebih kecil. Akibat moving part yang terlambat membuka, maka proses pembukaan katup tekan juga terlambat terbuka. Besarnya tekanan kompresi ini juga mengakibatkan rugi-rugi katup tekan bertambah. Rugi-rugi tersebut merupakan daya tidak berguna ( unusefull power) yang terjadi pada langkah pembuangan. Sebagai akibatnya getaran yang muncul pada langkah ini akan meningkat, seperti terlihat pada time waveform yang menunjukkan adanya peningkatan sinyal getaran mulai dari pembukaan sampai penutupan katup tekan (jika dibandingkan dengan profil normal). Peningkatan getaran yang semakin sering terjadi akan menaikkan getaran secara overall. Gambar 4. Grafik P-θ dan time waveform, valve seat sisi tekan modifikasi 1 Valve Seat Sisi Tekan Modifikasi 2 Dibandingkan dengan profil normal, pada valve seat sisi tekan dengan modifikasi 2 (kirakira) separuh lubang diberi ketirusan mengecil. Pada gambar 5, grafik P-θ menunjukkan karakter yang hampir sama dengan profil normal. Meskipun terjadi pengurangan volume lubang, tetapi dengan adanya ketirusan pada lubang katup akan memperbaiki karakter aliran fluida, sehingga didapat grafik P-θ yang mendekati grafik untuk profil normal. Level getaran yang terjadi menunjukkan adanya perbaikan dibandingkan dengan getaran yang terjadi pada kompresor dengan katup normal. Hasil pengujian mengindikasikan adanya smoothing pada flow area yang akan mengurangi level getaran, sesuai dengan hasil penelitian oleh Erol dan Gurdogan [9]. Gambar 5. Grafik P-θ dan time waveform, valve seat sisi tekan modifikasi 2 A-25-4

5 Valve Seat Sisi Tekan Modifikasi 3 Pada valve seat sisi tekan dengan modifikasi 3 (kira-kira) separuh lubang diberi ketirusan membesar. Disini grafik P-θ (gambar 6) juga menunjukkan karakter yang hampir sama dengan profil normal. Pada umumnya, level getaran yang terjadi menunjukkan adanya sedikit perbaikan dibandingkan dengan getaran yang terjadi pada kompresor dengan katup normal. Gambar 6. Grafik P-θ dan time waveform, valve seat sisi tekan modifikasi 3 PENGARUH DESAIN VALVE SEAT SISI TEKAN Tabel 1 mencantumkan nilai aselerasi overall dari getaran yang tercatat pada cylinder head, untuk kompresor torak dengan valve seat normal, modifikasi 1, modifikasi 2, dan modifikasi 3 Tekanan Tabel 1. Aselerasi overall Aselerasi [g] Kerja (Kpa) Normal Modifikasi 1 Modifikasi 2 Modifikasi Gambar 7 berikut merupakan salah satu contoh (diambil untuk tekanan kerja 5 bar), yang mengilustrasikan pengaruh desain yang berbeda dari profil valve seat, terhadap grafik P-θ dan time waveform getaran. A-25-5

6 Grafik P-θ : Efek perubahan profil valve seat katup tekan Grafik time waveform : Efek perubahan profil valve seat katup tekan Gambar 7. Efek perubahan profil valve seat katup tekan Jika dibandingkan dengan profil normal, adanya tirus pada desain valve seat modifikasi 2 dan 3 tidak merubah karakter diagram P-θ. Sedangkan pengurangan effective flow area pada desain valve seat modifikasi 1 (dengan diameter lubang yang lebih kecil) menyebabkan tekanan yang lebih besar untuk mendorong moving part katup agar terbuka. Hal tersebut mengindikasikan adanya rugi-rugi katup yang lebih besar, yang pada gilirannya akan mempengaruhi performansi kompresor Menurut tabel getaran, terjadi perbaikan pada intensitas getaran yang diberikan oleh desain valve seat modifikasi 2 dan 3 jika dibandingkan dengan profil normal. Sedangkan desain valve seat modifikasi 1, menyebabkan level getaran yang tinggi. Level getaran ini berpengaruh ke durabilitas kompresor, jika dikaitkan dengan efek fluttering yang terjadi pada saat proses buka-tutup katup. Fluttering menandakan terjadinya impact yang berulang-ulang pada seat dan guard saat aselerasi moving part yang relatif masih tinggi. Keterlambatan bukaan katup dengan desain valve seat modifikasi 1 dan 2, sebagaimana ditunjukkan oleh grafik getaran, diakibatkan oleh pengurangan effective flow area pada sisi tekan, sehingga untuk mulai menggerakkan moving part diperlukan tekanan lebih pada proses kompresi. Keterlambatan pembukaan katup tekan ini merupakan efek yang tidak diinginkan karena akan mengakibatkan keterlambatan saat penutupan katup tekan. Sehingga udara kompresi yang seharusnya selesai dibuang ke tangki tekan saat piston menyentuh TMA dan katup tekan mulai menutup menjadi berlanjut lebih lama Keterlambatan penutupan katup tekan ini membawa efek negatif lain, yakni fluttering saat piston menjalani proses ekspansi. Fenomena fluttering ini pada akhirnya akan membawa dampak peningkatan aselerasi overall terutama pada profil modifikasi 1. Pada profil modifikasi 2 peningkatan getaran tidak terjadi karena pengurangan effective flow area yang tidak signifikan, sedangkan ketirusan pada profil memperbaiki level getaran, sesuai hasil penelitian Erol dan Gurdogan [9]. Sedangkan pada profil modifikasi 3 tidak terjadi keterlambatan bukaan katup dan dari grafik time waveform terlihat bahwa sinyal getaran yang dibentuk menyamai profil normal. Sedikit perbaikan yang terjadi adalah penurunan level aselerasi overall, sebagai efek dari smoothing pada flow area. KESIMPULAN Analisa terhadap grafik tekanan dan getaran dari sejumlah variasi profil valve seat katup tekan kompresor torak, mengarah pada beberapa kesimpulan, yakni : A-25-6

7 1. Perubahan desain profil valve seat dengan pengurangan flow area (profil modifikasi 1) akan meningkatkan tekanan pembukaan katup tekan, memperlambat waktu pembukaan dan penutupan katup tekan, meningkatkan valve loss sehingga menimbulkan efek fluttering saat langkah ekspansi, dan akan meningkatkan level getaran. 2. Perubahan desain profil valve seat dengan ketirusan baik tirus mengecil (profil modifikasi 2) maupun tirus membesar (profil modifikasi 3) menunjukkan karakter yang relatif sama pada grafik tekanan dan menghasilkan sedikit perbaikan pada level getaran. 3. Peningkatan beban pada kompresor akan menyebabkan waktu pembukaan katup tekan bergeser lebih lambat proses terjadinya, sebagai konsekuensi dari semakin lamanya waktu yang dibutuhkan untuk mencapai tekanan pembukaan katup; dan secara umum akan meningkatkan level getaran. Hasil penelitian karakteristik tekanan ruang silinder dan getaran pada kompresor torak sebagai efek dari perubahan profil valve seat sisi tekan ini dimaksudkan sebagai referensi bagi analis yang berkepentingan untuk mengetahui karakteristik operasi kompresor torak jika terjadi perubahan pada katup tekan. DAFTAR PUSTAKA Woollatt, Derek (2003), Reciprocating Compressor Valve Design: Optimizing Valve Life and Reliability, Technical Paper on Dresser Rand, New York. Brun, Klaus, R.S. Gernentz, M.O. Smolik, and J.P. Platt Jr. (2006), Semi-Active Compressor Valve Development and Testing, Pipeline & Gas Journal, pp Wilson, Robin S.(2007), Compressor Optimisation, Paper presented at Conference Compressor Optimization 2007, Aberdeen. Diab, Sary, and B. Howard (2005), Reciprocating Compressors Management Systems Provide Solid Return on Investment, Technical Paper on GE Energy, Washington. Schirmer, Alberto G.F., N.F. Fernandes, and J.E. De Caux (2004), On-line Monitoring of Reciprocating Compressors, Paper presented at NPRA Maintenance Conference, San Antonio. Howes, Brian, and B. Long (2001), Using Simulation of Reciprocating Compressor Valve Dynamics to Improve Economic Performance, Technical Paper on Beta Machinery Analysis, Calgary. Rovaris, Joao B., and C.J. Deschamps (2006), Large Eddy Simulation Applied to Reciprocating Compressors, Journal of Brazilian Society of Mechanical Science & Engineering, vol. XXVIII, no. 2, pp Spectra Quest (2007), Vibration Signatures of Reciprocating Compressors, Technical Note on Spectra Quest Inc. Richmond, VA. Erol, Haluk, and A. Gurdogan (2000), The Noise and Vibration Characteristics of a Reciprocating Compressor : Effects of Size and Profile of Discharge Port, Proceedings of 15th International Compressor Engineering Conference, Purdue University, pp A-25-7