BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Kompressor dan Klasifikasinya Kompresor adalah mesin untuk memampatkan udara atau gas. Kompresor udara biasanya menghisap udara dari atmosfer. Namun ada pula yang menghisap udara atau gas yang bertekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfer. Dalam hal ini kompresor bekerja sebagai penguat (Booster). Sebaliknya kompresor ada yang menghisap gas yang bertekanan lebih rendah dari pada tekanan atmosfer. Dalam hal ini kompresor disebut Pompa Vakum. Gambar 2.1 Klasifikasi Kompressor Seperti terlihat pada gambar diatas, terdapat tiga jenis dasar kompressor : 1. Kompressor Positive-displacement, 2. Kompressor Dinamis 3. Kompressor Thermal. Pada jenis positive-displacement, sejumlah udara atau gas di-trap dalam ruang kompresi dan volumenya secara mekanik menurun, menyebabkan peningkatan tekanan tertentu dan kemudian dialirkan keluar. Pada kecepatan konstan, aliran udara tetap konstan dengan variasi pada tekanan pengeluaran. Kompresor dinamik memberikan enegi kecepatan untuk aliran udara atau gas yang kontinyu menggunakan impeller yang berputar pada kecepatan yang sangat tinggi. Energi kecepatan berubah menjadi energi tekanan karena pengaruh 5

2 impeller dan volume pengeluaran atau diffusers. Pada kompresor jenis dinamik sentrifugal, bentuk dari sudu-sudu impeller menentukan hubungan antara aliran udara dan tekanan (atau head) yang dibangkitkan. Jenis Kompressor Thermal menggunakan kecepatan tinggi dari gas atau uap jet untuk masuk melalui jalur pemasukan gas (inflowing gas), kemudian mengkorvesikan kecepatan campuran untuk menekan diffuser. Gambar 2.2 Bagan Cakupan Kompresor Keuntungan kompressor jenis Sentrifugal dibandingkan dengan jenis Reciprocating adalah : Biaya pemasangan awal lebih murah Beban pemeliharaan yang lebih rendah Pengoperasian yang berkesinambungan Tidak membutuhkan banyak perhatian operasi Kapasitas volume yang lebih besar perunit luas lahan Adaptasi untuk high-speed low-maintenance-cost drivers 6

3 Keuntungan compressor jenis Reciprocating disbanding dengan jenis compressor Sentrifugal adalah : Effisiensi Kompressor yang lebih tingg dan biaya listrik yang lebih rendah Fleksibilitas yang lebih besar dalam jangkauan kapasitas dan tekanan Kemampuan memberikan tekanan (head) yang lebih tinggi Kemampuan untuk menangani volume yang lebih kecil Tidak sensitif terhadap perubahan komposisi dan kepadatan gas Kompresor Reciprocating Di dalam industri, kompressor reciprocating paling banyak digunakan untuk mengkompresi baik udara maupun refrigrant. Prinsip kerjanya seperti pompa sepeda dengan karakteristik dimana aliran keluar tetap hampir konstan pada kisaran tekanan pengeluaran tertentu. Juga kapasitas kompressor proporsional langsung terhadap kecepatan. Keluarannya seperti denyutan Gambar 2.3 Kompressor Reciprocating Silinder Tunggal 7

4 Sebuah kompressor reciprocating silinder tunggal memiliki bagian-bagian sebagai berikut : Crankshaft berfungsi untuk mengubah gerakan putar dari penggerak utama dalam gerakan reciprocating. Crankshaft bekerja bersama croshead. Connecting rod berfungsi untuk menghubungkan crankshaft dengan crosshead. Crosshead bekerja bersama crankshaft untuk mengubah gerakan berputar menjadi gerakan reciprocating. Distance piece adalah jarak yang ditempatkan di antara penggerak utama dan kompressor. Distance piece ini berperan sebagai Housing untuk penghubung antara penggerak utama dan compressor. Piston rod berfungsi sebagai penghubung antara crosshead dan piston. Piston bekerja di dalam cylinder untuk melakukan kompresi gas. Piston rings sebagai seal/perapat antara piston dan dinding cylinder agar tidak terjadi kebocoran ketika kompresi. Cylinder adalahh ruang dimana proses kompresi gas terjadi. Suction valve memungkinkan gas untuk memasuki silinder kompresor. Discharge valve memungkinkan gas untuk meninggalkan silinder setelah proses kompresi. Head end clearance pocket dapat dipasang pada ujung kompresor. Head end adalah ujung yang dapat dilewati oleh piston rod. Clearence pocket memungkinkan teknisi untuk dapat memvariasi kapasitas kompresor. Clearance pocket dapat terpasang secara fixed atau bervariasi dan dikendalikan secara manual atau otomatis. Jika kompresor memiliki lebih dari satu silinder, maka setiap bagian komponen ini akan ditemukan pada setiap silinder. 8

5 2.1.2 Kompressor Sentrifugal Gambar 2.4 Kompresor Sentrifugal Kompresor udara sentrifugal merupakan kompresor dinamis, yang tergantung pada transfer energi dari impeller berputar ke udara. Rotor melakukan pekerjaan ini dengan mengubah momen dan tekanan udara. Momen ini dirubah menjadi tekanan tertentu dengan penurunan udara secara perlahan dalam difuser statis. Kompresor udara sentrifugal adalah kompresor yang dirancang bebas minyak pelumas. Gear yang dilumasi minyak pelumas terletak terpisah dari udara dengan pisah yang menggunakan sil pada poros dan ventilisasi atmosferis. Sentrifugal merupakan kompresor yang bekerja kontinyu, dengan sedikit bagian yang bergerak lebih sesuai digunakan pada volume yang besar dimana dibutuhkan bebas minyak pada udaranya. Kompresor udara sentrifugal menggunakan pendingin air dan dapat berbentuk paket, khususnya paket yang termasuk after-cooler dan semua control. Kompresor ini dikenal berbeda karakteristiknya jika dibandingkan dengan mesin pada rasio kompresi menghasilkan perubahan besar pada hasil kompresi dan 9

6 efisiensinya, Mesin sentrifugal lebih sesuai diterapkan untuk kapasitas besar diatas 12,000 cfm. Beberapa kriteria seleksi untuk berbagai jenis kompresor terlihat pada tabel dibawah ini. Tabel 2.1 Kriteria Seleksi Umum untuk Kompresor (konfederasi Industri India) Tabel 2.2 Perbandingan untuk beberapa jenis kompresor yang penting ( Kantor Pengembangan Energi Berkelanjutan, 2002 ) 10

7 2.2. Proses Kompresi Gas Sebuah proses kompresi gas dapat dirancang baik untuk menjadi adiabatik atau melibatkan perpindahan panas, tergantung pada tujuan yang gas yang akan dikompresi. Jika gas terkompresi diinginkan sebagai bahan bakar pada suatu mesin, kompresi adiabatik mungkin diinginkan untuk mendapatkan kemungkinan energi maksimum dalam gas pada akhir kompresi. Dalam banyak aplikasi, bagaimanapun gas tidak digunakan segera tetapi disimpan dalam tangki untuk digunakan sesuai kebutuhan. Gas dalam tangki kehilangan panas ke lingkungan dan mencapai suhu kamar ketika akhirnya digunakan. Dalam hal ini efek keseluruhan kompresi dan penyimpanan adalah hanya untuk meningkatkan tekanan gas tanpa perubahan suhu. Hal ini dapat menunjukkan bahwa jika gas didinginkan selama kompresi, bukan setelah proses, pekerjaan yang diperlukan akan kurang dari kondisi kompresi adiabatik. Sebuah keuntungan lebih lanjut dari pendinginan adalah pengurangan volume dan berkurangnya kerugian pipa. Untuk alasan ini, karena pendinginan selama kompresi sangat tidak efektif, setelah pendingin sering digunakan untuk mendinginkan gas yang meninggalkan kompresor. Dua kasus ideal tertentu, yaitu reversible adiabatic dan isothermal reversible serta kasus umum proses polytropic reversible ( pv n = konstan ). Ada beberapa pendekatan yang biasa digunakan dalam perhitungan proses kerja kompreso, yaitu : 1. Proses Adiabatic (isentropic), yaitu proses dengan menggunakan asumsi ideal, dimana proses berlangsungnya pada entropi konstan (tidak ada panas yang masuk dan keluar) meskipun pada kenyataannya energi panas tidak bisa dirubah secara keseluruhan menjadi kerja, karena adanya kerugian-kerugian. 2. Proses Politropik, adalah proses kerja aktual yang dihasilkan oleh kompresor itu sendiri. Gambar 2.5 Kurva Compression menunjukkan hubungan antara tekanan dan volume untuk setiap nilai eksponen n. Kerja, W, menampilkan lanjutan dari p 1 ke p 2 pada setiap kurva Polytropic. 11

8 Gambar 2.5 Proses Kompresi Jumlah kerja yang dibutuhkan tergantung pada kurva Polytropic yang telibat dan meningkat sesuai dengan meningkatnya nilai n. Jalur ini membutuhkan sedikitnya jumlah pekerjaan input n = 1, dimana setara dengan kompresi isothermal. Untuk kompresi isentropic, n = k = ratio of specific heat pada tekanan konstan dan pada volume yang konstan Unit Kerja Gas Kompressor Persamaan Gas Ideal Gas ideal adalah gas yang memenuhi persamaan sebagai berikut : PV = nrt Dimana ; P = Pressure absolute V = Volume n = Jumlah partikel pada gas dalam Mol R = Konstanta Gas (10,73 psi.ft 3 ) atau kj/(kmole.k) T = Temperatur absolute lbmol o R 12

9 Sehingga persamaan tersebut dapat diartikan sebagai berikut, P V nrt P V nrt = 1, merupakan Gas ideal 1, bukan termasuk dalam kondisi gas ideal melainkan merupakan kondisi real suatu gas, sehingga untuk mendekati gas ideal perlu dimasukkan faktor deviasi yang disebut dengan Compressibility Factor (Z). Natural gas adalah merupakan gas yang dihasilkan dari alam yang memiliki komposisi gas yang berbeda-beda, dimana natural gasi ini merupakan bagian penting yang akan dioperasikan oleh Gas Kompresor. Pada kenyataannya sangat sulit sekali untuk mengoperasikan natural gas mendekati gas ideal, dikarenakan kondisi temperatur dan tekanan yang bisa berubah akibat faktor cuaca dan sumber gas yang ada. Hal ini mengakibatkan perubahan pada volume atau sebaliknya, sehingga untuk menjaga keakuratan mendekati gas ideal, dalam perhitungan perlu diperhatikan hal-hal sebagai berikut sehingga tidak mempengaruhi performance Gas Kompresor Specific Heat Ratio (k) Untuk mengenal yang dimaksud dengan specific heat ratio, terlebih dahulu perlu mengetahui apa yang dimaksud dengan specific head. Specific head dari suatu zat adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu unit masa. Bila dinyatakan dengan satu BTU specific heat berarti jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikan temperatur satu derajat Farenheit dari satu pound (lb) massa gas. Nilai specific heat bervariasi tergantung pada apakah pressure atau volume yang dijaga tetap konstan sementara gas dipanaskan. Kalau gas yang dipanaskan dalam suatu wadah yang dapat mengembang dan pressure konstan, maka volume akan bertambah seiring dengan kenaikan temperatur, maka ini disebut sebagai spesific heat pada saat pressure konstan (C p ), dan jika volume yang konstan sedangkan pressure naik seiring dengan meningkatnya temperatur disebut specific heat pada volume konstan (C p ). Specific heat ratio (K) adalah perbandingan antara specific heat pada posisi pressure konstan (C p ) dengan specific heat pada volume konstan (C v ) 13

10 Sebuah Proses adiabatik adalah proses yang terjadi tanpa pertukaran panas dari sistem dengan lingkungannya. Persamaan 1-1 yang berlaku untuk semua gas ideal dapat digunakan untuk menghitung nilai k (isentropic exponent), Dengan penataan ulang dan subsitusi kita memperoleh : Untuk menghitung nilai k untuk gas kita hanya perlu mengetahui constant pressure molar heat capacity (MC p ) untuk gas. Gambar 2.6 memberikan nilai berat molekul dan heat capacity pada keadaan gas ideal untuk berbagai gas. Tabel 2.3 Physical Constant for Pure Components 14

11 Tabel 2.4 Molar Heat Capacity MC p (kondisi gas ideal), kj/kmole. º C Tabel 2.5 Contoh perhitungan nilai k 15

12 Temperatur (T) Pada proses gas, temperatur diukur pada sisi suction dan discharge dari kompresor gas, suction temperatur dinyatakan dengan T s dan T d untuk discharge temperatur. Temperatur digunakan untuk menghitung energi yang diberikan oleh Gas Compressor (Head), Power yang dibutuhkan, dan Gas Flow. Dalam perhitungan satuan temperatur gas yang digunakan adalah absolut temperatur yaitu derajat Rankine ( o R ) Pressure (P) Gas pressure diukur pada sisi Suction pressure dan discharge pressure dari Gas Compressor. Suction pressure dinyatakan dengan P s dan discharge pressure dinyatakan dengan P d. Gas pressure digunakan untuk menghitung enerji yang diberikan oleh Gas Compresor, power yang dibutuhkan, dan gas flow. Gas pressure juga dinyatakan dalam absolute pressure (gauge pressure ditambah atmospheric pressure) dalam satuan Psia. Tabel 2.6 Tekanan atmosfir berdasarkan perbedaan ketinggian 16

13 Specific Gravity (SG) Specific Grafity adalah suatu ukuran dari beratnya suatu gas, yang dinyatakan sebagai ratio antara berat molekul gas dan berat molekul udara (28,964). Specific Grafity juga digunakan untuk menghitung enerji yang diberikan kepada gas oleh kompressor, power yang dibutuhkan, dan gas flow. Untuk campuran gas alam, SG dapay dihitung dengan mangalikan Mol Fraction dari komponen gas dengan berat molekulnya sendiri, kemudian jumlahkan total berat molekul gas campuran tersebut, selanjutnya bagi dengan berat molekul dari udara yaitu 28,964. SG suatu gas alam akan berubah sehubungan dengan berubahnya komposisi dari gas alam tersebut. SG tidak akan dipengaruhi oleh perubahan Temperatur dan tekanan, dan akan tetap selama proses kompresi berlangsung Compressibility Factor (Z) Hukum-hukum gas ideal adalah cocok untuk perhitungan hubungan antara pressure, volume, dan temperatur. Yaitu dimana kondisi gas pada pressure dan temperatur yang berada di atmosfir atau pada tekanan atmosfir. Namun pada kenyataannya ada perbedaan nilai volume antara perhitungan real gas (gas sesungguhnya) dengan perhitungan gas ideal. Untuk mengoreksi perbedaan antara volume real gas dan volume gas ideal pada hukum-hukum gas ideal, maka Compressibility Faktor digunakan untuk menghitung pressure, volume, dan temperatur pada kondisi gas yang sesungguhnya. Untuk mencari Compressibility Factor dapat menggunakan kurva Compressibility Curve for Natural Gas. 17

14 Ratio Kompresi (R) Ratio Kompresi (compression ratio) merupakan perbandingan antara tekanan discharge dan tekanan suction dari kompressor. Untuk single-stages compressor hanya mempunyai 1 nilai R, sedangkan untuk two-stages compressor memiliki nilai R, R 1 dan R 2. R = P d /P s, R 1 = P i /P s, R 2 = P d /P i R R 1 R 2 P s P d P i = total compression ratio dari kompressor = compression ration dari tahapan pertama = compression ratio dari tahapan kedua = suction pressure = discharge pressure = tekanan interstage, - tekanan diantara tahapan pertama dan kedua dari kompressor Tahap Kompressor (stages) Pemilihan jumlah yang tepat dari tahap kompresi sebagian besar didasarkan pada rasio kompresi (R), discharge temperatur dan siklus dari piston juga bisa dipertimbangkan ketika menentukan junlah tahap untuk digunakan. Berikut adalah untuk memilih jumlah tahapan yang tepat dari tahap kompressor. Tabel 2.7 Pemilihan jumlah tahapan kompresi berdasarkan ratio kompresi R value # stages 1 3 Single-stages 3 5 Normally single-stages, occasionall two-stages 5 7 Normallt two-stages, occasionally single-stages 7 10 Two-stages Usually two-stages, occasionally three-stages 15 + Three Stages 18

15 Efisiensi Volumetrik (VE%) Effisiensi volumetric adalah perbandingan rasio jumlah gas yang dikompresikan dengan ukuran fisik volume silinder kompresor. Untuk tujuan estimasi dapat digunakan persamaan berikut : Single-stage compressors VE% = 93 R 8(R 1/k 1) Two-stage compressors VE% = 89 R 7.8(R 1/k 1) Dimana R Compression ratio (P d /P s ) k Gas specific heat ratio Maximum Inlet Flow (ICFM) Maximum Inlet Flow adalah kapasitas Natural Gas yang mampu diterima oleh Gas Compressor sehingga compressor tidak terbebani baik overload maupun surging karena kekurangan gas umpan. Untuk mengetahui nilai Maximum Inlet Flow persamaan yang digunakan adalah : ICFM = SCFM (P std / P s ) (T s /T std ) Dimana ; ICFM = Capacity (Inlet Cubic feet per minute) SCFM = Standard Cubic Feet per Minute 1 MMSCFD = SCFM T s P s P std = Temperatur absolute pada suction (ºR) = Pressure absolute pada suction (psia) = Standard barometric pressure (psia) T std = Standard temperature 520 ºR 19

16 Piston Displacement (PD) Sebuah kompresor torak dengan diameter silinder D (m), langkah torak S (m), dan putaran N (rpm). Dengan ukuran seperti ini kompresor akan memampatkan volume gas sebesar V s = (π/4) D 2 x S (m 3 ) untuk setiap langkah kompresi yang dikerjakan dalam setiap putaran poros engkol. Jumlah volume gas yang dimampatkan permenit disebut perpindahan torak. Jadi jika poros kompresor mempunyai putaran N (rpm) maka : Perpindahan torak = V s x N = (π/4) D 2 x S x N (m 3 /min) Gambar. 2.6 Diagram P-V dari kompresor Rumus diatas berlaku hanya untuk kompresor kerja tunggal. Untuk kompresor kerja ganda, pemampatan gas terjadi bukan hanya pada watu torak bergerak kekiri, tetapi juga pada saat torak bergerak ke kanan, karena ruang sebelah kanan torak juga berlaku sebagai kompresor. Untuk kompresor yang bekerja ganda berlaku rumus : Perpindahan torak = (π/4) D 2 SN + (π/4)(d 2 d 2 ) SN (m 3 /min) = (π/4)(2d 2 d 2 )SN, (m 3 /min) Terlihat dari gambar 2.6 pada saat torak bergerak mencapai titik mati atas, antara sisi atas torak dan kepala silinder masih ada volume sisa yang besarnya = V c. Volume ini idealnya harus sama dengan nol agar gas dapat didorong 20

17 seluruhnya keluar silinder tanpa sisa. Namun dalam praktek harus ada sisa (clearence) diatas torak agar tidak membentur kepala silinder Perhitungan Brake Horse Power Untuk reciprocating kompresor, perhtungan kebutuhan daya dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan berikut : Single-stages BHP = ( k / k 1 ) (P s ) (PD) (R (k 1)/k 1 ) Two-stages BHP = ( 2k / k 1 ) (P s ) (PD) (R (k 1)/2k 1 ) BHP = Kebutuhan brake horse power, kw k = Specific heat ratio of the gas P s PD = Suction Pressure (Psia) = Piston Displacement (CFM) R = Compression Ratio (P d /P s ) Total daya untuk kompresor adalah jumlah daya yang diperlukan untuk masing-masing stage yang digunakan. Untuk multistage kompresor, penyisihan dibuat untuk masing-masing stage tersebut Jenis Penggerak Gas Kompressor Kompressor merupakan mesin yang membutuhkan penggerak dari luar,. Penggerak yang dipakai umumnya adalah motor listrik atau motor bakar. Motor listrik mempunyai keunggulan yaitu tidak berisik, tidak menimbulkan polusi, murah, dan operasi ataupun pemeliharaannya mudah. Jenis kompressor sentrifugal biasanya menggunakan penggerak listrik, dikarenakan kompressor sentrifugal lebih stabil penggunaan beban dan lebih effisien. Untuk kompressor jenis reciprocating, umumnya menggunakan penggerak motor bakar (diesel engine/gas engine/gas turbin), dimana pemilihan jenis motor bakar tergantung dari situasi dan kondisi di lapangan. 21