MODUL II PENGUJIAN KOMPRESOR TORAK

Transkripsi

1 MODUL II PENGUJIAN KOMPRESOR TORAK

2 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kompresor adalah suatu peralatan teknik yang penting untuk dipelajari karena kompresor merupakan salah satu peralatan yang banyak digunakan di perindustrian. Sehingga mampu mengoperasikan dan memahami prinsip kerja kompresor merupakan hal yang penting bagi mahasiswa sebagai bekal terjun ke dunia kerja. Diharapkan dengan dilakuannya praktikum kompresor, mahasiswa nantinya mendapatkan pemahaman yang cukup mengenai kompresor karena pentingnya kompresor di bidang industri. Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi kinerja kompresor karena terdapat beberapa variabel yang mempengaruhi proses kompresi udara dalam kompresor, diantaranya yaitu: laju aliran masukan fluida, tekanan, dan temperatur. Semua variabel tersebut saling berhubungan satu dengan yang lain dalam proses kompresi udara, dan perlu dikondisikan sedemikian rupa agar mendapatkan hasil kompresi yang sempurna. Diantara sekian banyak kompresor, kompresor yang banyak digunakan adalah kompresor torak karena kompresor jenis ini merupakan kompresor yang mempunyai daerah operasi dengan tekanan yang paling tinggi. Selain itu, perawatan dan penggunaan kompresor torak lebih sederhana diantara kompresor yang lainnya. 1.2 Tujuan Percobaan a) Mahasiswa mengetahui hubungan antara kapasitas aliran massa udara lewat orifice dan tekanan buang kompresor (discarge pressure). b) Mahasiswa mengetahui hubungan antara kapasitas aliran udara pada sisi isap dan tekanan buang kompresor (discarge pressure). c) Mahasiswa mengetahui hubungan antara daya udara adiabatik teoritis dan tekanan buang kompresor (discarge pressure). d) Mahasiswa mengetahui hubungan antara efisiensi adiabatik dan tekanan buang kompresor (discarge pressure). e) Mahasiswa mengetahui hubungan antara efisiensi volumetrik dan tekanan buang kompresor (discarge pressure).

3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori Kompresor Pengertian Kompresor Kompresor adalah mesin fluida yang berfungsi untuk memampatkan udara atau gas. Prinsip kerjanya adalah merubah energi mekanik menjadi energi tekanan pada fluida yang dikompresi Sifat-sifat fisik udara a. Massa jenis udara Massa jenis udara adalah massa udara tiap satu satuan volume dengan satuan kg/m 3. Massa jenis udara dipengaruhi oleh tekanan dan temperaturnya. b. Panas jenis udara Panas jenis udara di definisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gram udara sebesar 1 o C. c. Kelembapan udara Sejumlah uap air selalu terdapat di dalam atmosfer. Derajat kekeringan/kebasahan udara dalam atmosfer disebut kelembapan. Kelembapan dapat dinyatakan menurut 2 cara yaitu : - Kelembapan mutlak/kelembapan absolut : massa uap air tiap satu satuan volume udara lembap. - Kelembapan relatif : perbandingan antara jumlah uap air diudara terhadap jumlah uap air yang ada pada udara jenuh pada temperatur yang sama dan dinyatakan dalam % d. Tekanan Udara 1. Tekanan gas Jika suatu gas/udara menempati suatu bejana tertutup, maka pada dinding bejana tersebut bekerja suatu gaya. Gaya persatuan luas dinding ini dinamakan tekanan.

4 2. Tekanan atmosfer Tekanan atmosfer yang bekerja di permukaan bumi dapat dipandang sebagai berat kolom udara mulai dari permukaan bumi sampai batas atmosfer yang paling atas. Untuk kondisi standar, gaya berat udara kolom ini pada setiap 1cm 2 luas permukaan bumi adalah 1,033 kgf. Tekanan atmosfer juga bisa dinyatakan dengan tinggi kolom air raksa (mmhg) dimana 1 atm = 760 mmhg. e. Kekentalan/viskositas Kekentalan atau viskositas merupakan ketahanan fluida terhadap gaya geser. Kekentalan juga dapat didefinisikan sebagai kelengketan suatu fluida yang mempengaruhi pergerakan fluida di dalam atau di luar saluran. f. Kompresibilitas Kompresibilitas adalah perubahan fluida yang terjadi dikarenakan perubahan tekanan yang nantinya akan merubah densitas, volume dan suhu fluida tersebut Klasifikasi Kompresor Secara umum kompresor dibagi menjadi 2 yaitu : a. Positive Displacement Compressor Positive displacement compressor adalah kompresor yang mengkonversi energi mekanik berupa gerakan piston/torak menjadi energi tekanan pada fluida (udara) bertekanan. Kompresor jenis ini menghisap sejumlah udara dalam chambernya, kemudian ukuran chamber berkurang menjadi lebih kecil sehingga udara menjadi bertekanan. Contohnya adalah reciprocating compressor dan rotary compressor. Reciprocating compressor Gambar 2.1 Reciprocating compresor

5 Kompresor ini menggunakan piston yang dikendalikan oleh crankshaft untuk menghasilkan tekanan udara. Piston ini bergerak di dalam tabung untuk mendorong dan memberi tekanan pada udara sehingga udara tersebut mempunyai tekanan yang lebih tinggi. Single act compresor menggunakan piston yang biasa digunakan pada otomotif yang dihubungkan pada crankshaft. Pada model ini kompresi udara terjadi pada bagian atas piston. Pendinginan yang digunakan pada kompresor ini dapat berupa pendingin udara maupun pendingin air. Pelumasan pada kompresor jenis ini diatur oleh pompa oli. Untuk double act reciprocating, piston yang digunakan berjumlah 2 buah. Kompresi udara pada kompresor ini terjadi pada kedua bagian piston. Proses kompresi ini terdiri dari 2 buah piston, batang piston, crosshead, batang penghubung dan crankshaft. Pada diaphragm compresor, kompresi udara dilakukan dengan menggunakan membran yang bergerak berputar untuk menarik udara masuk ke daerah kompresi dan memberinya tekanan untuk selanjutnya disimpan pada bagian tabung penyimpanan. Rotary Compresor (Rotary Screw Compressor) Gambar 2.2 Rotary Screw Compressor Pada kompresor jenis ini sistem kompresi udaranya menggunakan mekanisme putaran mesin. Mekanisme ini menggunakan single screw element maupun two counter rotaring screw element yang terdapat dalam sebuah ruangan khusus. Rotari pada bagian ini mengakibatkan terjadinya penurunan volume pada

6 saluran angin. Penurunan volum ini menghasilkan kenaikan tekanan udara, selanjutnya udara bertekanan terdorong ke tabung penyimpan udara bertekanan. b. Dynamic Compressor Dynamic compressor adalah kompresor merubah energi mekanik menjadi energi kinetik (kecepatan) fluida, kemudian kecepatan fluida dikurangi sehingga tekanannya menjadi lebih besar. Contoh dari kompresor dynamic adalah centrifugal compressor dan axial compressor. Centrifugal Compressor Pada centrifugal compressor, kompresi udara dilakukan dengan menggunakan putaran lempengan logam dalam sebuah tempat khusus untuk mendorong udara ke dalam saluran dalam kompresor, kerja kompresor digunakan untuk meningkatkan kecepatan udara pada impeler, pada bagian berikutnya kecepatan udara diturunkan untuk meningkatkan tekanan pada udara tersebut. Gambar 2.3 Centrifugal compressor Axial Compresor Gambar 2.4 Axial compressor

7 Mekanisme kerja dari kompresor jenis ini adalah dengan memanfaatkan lempengan rotor yang terbentuk kipas dimana lempengan rotor ini berputar untuk memberikan tenaganya sehingga udara dapat masuk intake dengan cepat. Tekanan yang diberikan pada udara ini mengakibatkan tekanan yang terdapat pada tabung kompresor juga meningkat. 2.2 Kompresor Torak dan Prinsip Kerjanya Bagian-bagian Kompresor Torak a. Silinder dan kepala silinder Silinder mempunyai bentuk silindris dan merupakan bejana kedap udara dimana torak bergerak bolak-balik untuk menghisap dan memampatkan udara. Silinder harus cukup kuat untuk menahan tekanan yang ada. Tutup silinder (atau kepala silinder) terbagi menjadi dua ruangan, satu sebagai sisi isap dan yang lain sebagai sisi keluar. Sisi isap dilengkapi dengan katup isap dan pada sisi keluar terdapat katup keluar. Gambar 2.5 Silinder dan Kepala Silinder Dengan Pendingin Udara b. Torak dan cincin torak Torak sebagai elemen yang menghisap gas / udara pada saat suction (pemasukan) dan mendorong fluida pada proses pengeluaran. Cincin torak dipasang pada disekeliling torak dengan fungsi mencegah kebocoran.

8 Gambar 2.6 Torak dan Cincin Torak c. Katup isap dan katup keluar Katup isap dan katup keluar dapat membuka dan menutup sendiri sebagai akibat dari perbedaan tekanan yang terjadi antara bagian dalam dan bagian luar silinder. Merupakan katup pada saluran isap dan saluran keluar fluida pada kompresor. Gambar 2.7 Katup Cincin d. Poros Engkol Berfungsi sebagai menggubah gerakan putar menjadi gerakan bolak balik. Gambar 2.8 Poros Engkol

9 e. Kepala silang (cross head ) Berfungsi meneruskan gaya dari batang penghubung ke batang torak. Kepala silang dapat meluncur pada bantal luncurnya. Gambar 2.9 Kepala Silang f. Batang Penghubung Berfungsi meneruskan gaya dari poros engkol ke batang torak melalui kepala silang, batang penghubung harus kuat dan tahan bengkok sehingga mampu menahan beban pada saat kompresi Prinsip Kerja Kompresor Torak Prinsip kerja dari kompresor torak adalah merubah kerja pada poros torak menjadi energi tekanan pada fluida yang keluar dari kompresor. Kompresor torak atau kompresor bolak-balik pada dasarnya dibuat sedemikian rupa sehingga gerakan putar pada poros motor dengan menggunakan poros engkol dan batang penggerak menjadi gerakan bolakbalik pada torak. Gerakan torak ini menghisap udara ke dalam silinder, kemudian volume silinder (dan udara yang terdapat di dalamnya) dimampatkan, sehingga tekanan udara meningkat. Adapun tahapan pengkompresian udara pada kompresor torak adalah sebagai berikut: 1. Langkah Isap Bila poros engkol bekerja dalam arah panah torak bergerak ke bawah oleh tarikan engkol maka terjadilah tekanan negatif (di bawah tekanan atmosfer) di dalam silinder. Maka katup isap terbuka oleh perbedaan tekanan sehingga udara terhisap dan mengalir masuk memenuhi silinder. Pada saat langkah isap, katup keluar tertutup.

10 Gambar 2.10 Langkah isap 2. Langkah Kompresi Setelah torak mencapai titik mati bawah, katup isap dan keluar tertutup. Torak bergerak ke atas, volume udara dalam silinder berkurang (termampatkan) sehingga tekanannya naik. Gambar 2.11 Langkah kompresi 3. Langkah Keluar Setelah torak mencapai posisi tertentu, demikian juga tekanan udara telah mencapai nilai tertentu maka katup keluar akan terbuka. Udara bertekanan dalam silinder didorong mengalir ke tangki penyimpan udara bertekanan. Ujung silinder yang ditembus batang torak harus diberi packing untuk mencegah kebocoran udara.

11 Gambar 2.12 Langkah keluar 4. Langkah Ekspansi langkah isap Sesaat setelah udara terkompresi keluar, torak bergerak ke bawah sebelum Gambar 2.13 Langkah ekspansi 2.3 Teori dan Persamaan yang Mendukung Percobaan Persamaan Kontinuitas Hukum kontinuitas mengatakan bahwa untuk aliran fluida incompressible tanpa gesekan, steady yang bergerak sepanjang stream line berlaku jumlah massa alir yang masuk kontrol volum (titik 1) sama dengan massa alir fluida yang keluar kontrol volum (titik 2) adalah sama, dirumuskan : m 1 = m 2 = konstan ρ. Q 1 = ρ. Q 2 ρ 1. A 1. V 1 = ρ 2. A 2. V 2

12 Dimana : - ρ = massa jenis fluida (kg/m³) - Q = debit fluida (m 3 /detik) - A = luas penampang (m²) - V = Kecepatan aliran fluida (m/s) Hukum Termodinamika (I, II dan III) A. Hukum Termodinamika I Bila kita berikan sejumlah panas sebesar dq pada suatu sistem, maka sistem tersebut akan berekspansi melakukan suatu kerja luar yang sebesar dw. Di samping itu, pemanasan terhadap sistem juga akan menimbulkan hal-hal: 1. Pertambahan kecepatan molekul dari sistem 2. Pertambahan jarak antar molekul karena sistem berekspansi sehingga panas dq yang diberikan akan menyebabkan terjadi : a. Pertambahan energi dalam sistem b. Pertambahan energi kinematik molekul c. Pertambahan energi potensial d. Pertambahan energi fluida Persamaan energi hukum termodinamika I dq = du + dek + dep + def + dw Bila pada sistem nilai EK, EP dan EF konstan (dek = 0, dep = 0, def = 0) maka disebut sistem diisolasi sehingga hukum termodinamika I : dq = du + dw B. Hukum Termodinamika II Hukum termodinamika II merupakan batasan-batasan tentang arah yang dijalani suatu proses dan memberikan kriteria apakah proses itu reversibel atau irreversibel. Salah satu akibat dari hukum termodinamika II adalah konsep entropi. Perubahan entropi menentukan arah yang dijalani suatu proses untuk melakukan perpindahan kerja W dari suatu sistem pada kalor. Maka kalor yang harus diberikan kepada suatu sistem selalu lebih besar. Qdiserap > W yang dihasilkan ηsiklus< 100%

13 C. Hukum Termodinamika III Hukum termodinamika III terikat dengan temperatur nol absolut. Semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga merupakan bukti bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. D. Proses-proses pada hukum termodinamika a. Hukum Termodinamika I - Proses Isobarik Bila batas sistem bisa bergerak, tekanan gas akan tetap konstan bila dipanaskan. Pada proses ini berlaku persamaan: T 2 T 1 = V 2 V 1 Perubahan entalpi pada proses ini sama dengan kalor yang dimasukkan ke sistem yaitu: h 2 h 1 = q = c p (T 2 T 1 ) Perubahan energi dalam pada proses ini adalah: u 2 u 1 = c v (T 2 T 1 ) Kerja yang dilakukan sistem ini adalah:w = P(V 2 V 1 ) ΔW = ΔQ ΔU = m. (c p c v ). (T 2 T 1 ) - Proses Isokhorik/isovolumetrik Pada proses ini volume pada sistem konstan. Dengan demikian pada proses ini berlaku persamaan T 2 T 1 = P 2 P 1 Tidak ada kerja yang dilakukan selama proses ini, ΔV = 0» W = 0. Besar panas yang keluar atau masuk sistem dinyatakan dengan: - Proses Isotermik ΔQ = U 2 U 1» ΔQ = ΔU» ΔU = m. c v (T 2 T 1 ) Selama proses temperature sistem konstan, pada sistem ini berlaku persamaan: P 1. V 1 = P 2. V 2 Dalam proses ini tidak terjadi perubahan energy dalam ataupun perubahan entalpi.

14 Kerja yang dilakukan oleh sistem ini sebesar: - Proses Adiabatik W = P 1. V 1. (ln V 2 V 1 ) = P 2. V 2. (ln V 2 V 1 ) Selama proses tidak ada panas yang keluar/masuk sistem jadi Q = 0. Pada sistem ini berlaku persamaan: b. Hukum Termodinamika II P 1. V 1 k = P 2. V 2 k η = energi bermanfaat energi masukan = W Q 2 = Q 2 Q 1 Q 2 = 1 Q 1 Q 2 Menurut Carnot, untuk efisiensi mesin Carnot berlaku: Dimana : T = suhu η = efisiensi P = tekanan V = volume W = usaha η = (1 T 1 T 2 ) x100% 2.4 Rumus Perhitungan T = t s (K) R = ( J kg. K ) (8314,34) ( kgm) /( kg. K) (28,97 9,8) P s= P bar. 13,6. (mh 2 O)

15 P = ρ air. g. P s (kg. m 2 ) ρ udara = Dimana : T P R. T (kg m 3) = temperatur ruangan (K) ts = temperatur ruangan ( o C) R = konstanta gas universal ρudara = rapat massa udara pada sisi isap (kg.m -3 ) ρsaluran = rapat massa udara pada saluran (kg.m -3 ) SG = spesifik gravity X = kelembaban relatif (%) Pbar Ps SG = ρ udara ρ air = tekanan barometer (mmhg) = tekanan atmosfer pada sisi isap (mh2o) P = tekanan atmosfer (kg.m -2 ) g = percepatan gravitasi (m.s -2 ) hair = beda tekanan antara sebelum dan sesudah orifice (mh2o) k = konstanta adiabatik = 1,4 1. Kapasitas aliran massa udara lewat orifice Dimana : W A{(2 g saluran ( air h W = kapasitas aliran massa udara [kg/menit] air )} 60( kgmenit 1/ 2 1 = koefisien kerugian pada sisi buang (coeffisient of discharge) = 0, = faktor koreksi adanya ekspansi udara=0,999 2 A = luas penampang saluran pipa [ m ]; d=0,0175 m g saluran 2 = percepatan gravitasi bumi=9,81 [m/ s ] h air = beda tekanan antara sebelum dan sesudah orifice [ mh 2 O ] 3 = rapat massa air [kg m ] air P SG. g. h air 1 k P 1 k. ( kg. m 3 ) udara )

16 3 = rapat massa udara pada sisi isap [kg m ] saluran 2. Debit aliran udara pada sisi isap Dimana : Q s W udara Q s W udara [ m = debit aliran udara pada sisi isap 3 / menit] = kapasitas aliran massa udara [kg/menit] 3 = massa jenis udara [kg/ m ] 3. Daya udara adiabatik teoritis Dimana : Lad Pd k1 / k k P Q s Pd L ad 1 [kw] k P Pd = Pdgage x ,033 x 10 4 [kg m -2 ] = daya udara adiabatik teoritis [kw] = tekanan absolut udara pada sisi buang kompresor [kg m -2 abs] Pdgage = tekanan udara pada sisi buang kompresor [kg cm -2 ] 4. Efisiensi adiabatik Dimana : Ls = daya input kompresor [kw] ad L L ad Ls = Nm x m [kw] Nm = daya input motor penggerak [kw] m = efisiensi motor penggerak 5. Efisiensi volumetrik Dimana : Q v Q s s th Qth = Vc x Nc [m 3 /min] 2 V c. Dc. Lc. nc [m 3 ] 4

17 Qth = kapasitas teoritis kompresor [m 3 /min] Vc = volume langkah piston [m 3 ] Dc Lc = diameter silinder = 0,065 [m] = langkah piston = 0,065 [m] nc = jumlah silinder = 2 Nc = putaran kompresor [rpm]

18 BAB III METODOLOGI PENGUJIAN 3.1 Variabel yang Diamati Variabel Bebas Variabel bebas adalah variabel atau faktor yang dibuat bebas dan bervariasi. Dalam praktikum kali ini variabel bebas adalah tekanan buang kompressor Variabel Terikat Variabel terikat adalah variabel atau faktor yang muncul akibat adanya variabel bebas. Dalam pengujian ini variable terikatnya adalah: a. Kapasitas aliran massa udara lewat orifice (W) b. Debit aliran udara pada pipa isap (Qs) c. Daya adiabatik (Lad) d. Efisiensi adiabatik (ηv) Variabel Terkontrol Variabel terkontrol adalah variabel atau faktor lain yang ikut berpengaruh dibuat sama pada setiap media percobaan terkendali seperti katup tabung 3.2 Spesifikasi Peralatan yang digunakan Kompresor Torak AIR COMPRESSOR SET MODEL : CPT-286A WORK : NO. 36EC-0799 DATE : MAY,1987 POWER SUPPLY : AC 380V, 50Hz. 3-PHASE TOKYO METER CO..LTD TOKYO JAPAN

19 3.2.2 Motor Listrik Penggerak Kompresor Merk = Fuji electric Output = 2,2 Kw ; Poros 4 Hz = 50 Volt = 380 Amp = 4,7 Rpm = 1420 RATING CONT. SER NO (N) Y234 Type = MRH 3107 M Frame = 100L Rule = JEC 37 INSUL E JPZZ BRG D-END 6206ZZ BRG N-END 6206ZZ Tangki Udara AIR TANK DATE : JANUARY 1987 MAX. WORKING PRESS : 11 Kg/cm 2 HYDRAULIC TEST PRESS : 17,3 Kg/cm 2 CAPACITY : 200 LITERS

20 3.2.4 Instalasi Alat dan Bagian-bagiannya Gambar 3.1 : Instalasi Alat dan Bagian-bagiannya Sumber: Buku Pedoman Praktikum Mesin-Mesin Fluida FT-UB Peralatan yang digunakan: 1. Motor Listrik 2. Kompresor 3. Tangki Udara 4. Orifice 5. Alat-alat Ukur: - Tegangan (Voltmeter) - Daya Input (Wattmeter) - Putaran (Tachometer) - Suhu (Thermometer) - Tekanan (Pressure Gauge) - Kelembaban (Hygrometer)

21 3.3 Pelaksaan Percobaan a. Periksa air pada manometer (Differential Pressure gage) apakah permukaan di kedua sisi manometer berada dipertengahan daerah pengukuran pipa U. b. Hubungkan unit dengan jaringan listrik, sementara saklar wattmeter, tenaga kompresor masih pada kondisi OFF. c. Hidupkan unit dengan menekan saklar ON kemudian tekan tombol start kompresor. d. Atur kapasitas aliran dengan discharge valve control e. Tunggu untuk selang waktu tertentu sehingga dipastikan kondisi sudah steady, kemudian lakukan pencatatan data kompresor pada kondisi tersebut, dimana data yang dicatat meliputi : Tekanan = ditunjukkan oleh Pressure Gauge Manometer Suhu = ditunjukkan oleh terrmometer Putaran = ditunjukkan oleh tachometer f. Catat data yang berhubungan dengan motor listrik Tegangan = ditunjukkan oleh voltmeter Daya input = ditunjukkan oleh wattmeter Putaran motor = diukur dengan tachometer g. Catat kondisi udara dalam tangki dan yang melewati saluran buang setelah tangki udara. Data meliputi : Tekanan = ditunjukkan oleh Pressure Gauge Manometer. Temperatur bola basah dan bola kering yang ditunjukkan oleh wetbulb dan drybulb thermometer. Untuk mendapatkan harga kelembaban udara. Tekanan( beda tekanan) udara sebelum dan sesudah orifice yang ditunjukkan oleh manometer cairan Deflection Manometer. h. Ubah kapasitas aliran udara hingga tekanan dalam tangki naik, selanjutnya lakukan e, f, dan g. i. Percobaan selesai.

22 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Data Hasil Pengujian (Terlampir) 4.2 Pengolahan Data Contoh Perhitungan 4.3 Grafik dan Pembahasan Hubungan Tekanan Buang Kompresor (discharge pressure) terhadap Kapasitas Aliran Massa Udara lewat Orifice Hubungan Tekanan Buang Kompresor (discharge pressure) terhadap Kapasitas Saluran Udara pada sisi Isap Hubungan Tekanan Buang Kompresor (discharge pressure) terhadap Daya Adiabatis Hubungan Tekanan Buang Kompresor (discharge pressure) terhadap Daya Efisiensi Adiabatis Hubungan Tekanan Buang Kompresor (discharge pressure) terhadap Daya Efiensi Volumetris

23 BAB V KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan 5.2 Saran