SIDANG TUGAS AKHIR Studi Eksperimental Profil Getaran dan Tekanan Ruang Silinder Kompresor Torak Single stage, Single-acting: Pengaruh Perubahan Profil Valve Seat pada Sisi Discharge Nama : David Andreas Siregar NRP : 2107100172
ABSTRAK Kompresor torak banyak digunakan dalam dunia 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. Penelitian dilakukan dengan mengidentifikasi karakteristik getaran dan tekanan pada ruang silinder akibat proses buka-tutup valve pada kompresor torak single-stage, single-acting. Pengukuran getaran dan tekanan dilakukan pada crankangle yang sama, sehingga grafik waveform dari getaran dapat dibandingkan dengan grafik tekanan ruang silinder pada crank-angle yang sama. Variabel yang divariasikan adalah profil valve seat sisi discharge dan tekanan kerja kompresor. Hasil penelitian menunjukkan pemberian sudut ketirusan pada lubang valve seat sisi discharge akan menurunkan level getaran, terjadinya peningkatan tekanan maksimum ruang silinder, rentang bukaan katup discharge yang lebih lama, perbaikan efisiensi volumetris kompresor, dibandingkan dengan valve seat profil normal. Peningkatan tekanan kerja kompresor mengakibatkan peningkatan level getaran, penurunan rentang waktu proses buka-tutup katup tekan maupun katup hisap, penurunan efesiensi volumetris. Kata kunci : Kompresor torak, valve seat, karakteristik getaran dan tekanan
Latar Belakang Aplikasi Kompresor torak adalah jenis yang paling umum dijumpai di dunia industri Kegagalan komponen katup adalah bagian dari kompresor torak yang paling sering mengalami kegagalan Kegagalan pada katup discharge adalah yang paling sering dijumpai
Perumusan Masalah Kajian penelitian dititikberatkan pada valve seat sisi discharge pada kompresor torak single stage single acting Valve seat profil normal dijadikan baseline pada kajian eksperimental Modifikasi geometri akan memberikan pola getaran dan tekanan yang berbeda
Tujuan Penelitian Mengetahui karakteristik getaran dan tekanan ruang silinder jika terdapat perubahan geometri profil valve seat pada sisi tekan Mengetahui pengaruh variasi beban terhadap sinyal getaran dan tekanan ruang silinder. Menghasilkan referensi bagi analis yang berkepentingan untuk mengetahui karakteristik operasi kompresor torak, jika terjadi perubahan komponen pada valve seat. Pembelajaran aplikasi analisis getaran untuk condition monitoring pada kompresor torak.
Batasan Masalah Kompresor torak yang digunakan adalah jenis single stage, single acting dengan katup tekan berbentuk pelat datar dengan udara sebagai fluida kerja. Parameter yang dianalisa adalah akselerasi getaran getaran yang diukur pada bagian luar cylinder head dan tekanan pada ruang silinder. Variasi yang diinvestigasi adalah perubahan geometri profi valve seat pada sisi tekan. Percobaan dilakukan untuk tekanan atau beban kerja yang bervariasi yang disesuaikan dengan spesifikasi kompresor. Pada masing-masing kondisi pengujian, temperatur kerja fluida dianggap sama.
Klasifikasi Kompresor Dasar Teori
Siklus Kompresor Torak
PV Diagram CYLINDER PRESSURE Pd Ps VOLUME Tangki penampung DISCHARGE VALVE SUCTION VALVE Udara luar 10
PV Diagram CYLINDER PRESSURE Pd Ps VOLUME Tangki penampung DISCHARGE VALVE SUCTION VALVE Udara luar 11
PV Diagram compression CYLINDER PRESSURE Pd Ps COMPRESSION VOLUME Tangki penampung Udara luar 12
PV Diagram CYLINDER PRESSURE Pd Ps DISCHARGE VALVE OPENS VOLUME Tangki penampung Udara luar
PV Diagram CLEARANCE VOLUME DISCHARGE VALVE CLOSES CYLINDER PRESSURE Pd Ps DISCHARGE STROKE VOLUME VOLUME Tangki penampung Udara luar 14
PV Diagram CYLINDER PRESSURE Pd Ps EXPANSION VOLUME Udara luar 15
PV Diagram CYLINDER PRESSURE Pd Ps SUCTION VALVE OPEN VOLUME Tangki penampung Udara luar 16
PV Diagram CYLINDER PRESSURE Pd Ps SUCTION VOLUME SUCTION VALVE CLOSE Tangki penampung Udara luar 17
Grafik PV dan P-θ ideal
Pola getaran kompresor torak jenis single stage, single acting
Komponen Katup Discharge Valve head Valve seat Stop plate (guard) Discharge port valve plate Spring
METODOLOGI PERCOBAAN Variable yang diukur adalah: Akselerasi getaran pada cylinder head Tekanan ruang silinder Pressure transducer accelerometer Optical tachometer
Profil Valve Seat θ Modifikasi profil Profil A, sudut 10 dengan ¼ t, ½ t, ¾ t, dimana t = 8 mm Profil B, sudut 20 dengan ¼ t, ½ t, ¾ t, dimana t = 8 mm Profil C, sudut 30 dengan ¼ t, ½ t, ¾ t, dimana t = 8 mm Profil D, sudut 40 dengan ¼ t, ½ t, ¾ t, dimana t = 8 mm
A B
B C
Mekanisme gerak katup
Diagram Alir Penelitian START 1. Studi Pustaka dan Setting Perangkat Lunak 2. Memasang Profil Normal dan Menyiapkan Kompresor Memasang sensor getaran dan tekanan di cylinder head Mengganti valve seat sisi tekan dengan profil modifikasi yang lain Menjalankan kompresor dan memastikan temperatur kerja relatif sama Mengambil data getaran dan tekanan kerja yang sesuai dengan variasi Rekam data getaran dan tekanan untuk setiap valve seat N Valve seat sisi normal dan yang dimodifikasi telah diuji semua Y Analisa data getaran dan tekanan dari hasil pengukuran END
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Getaran dan tekanan untuk profil normal Waveform getaran dan P-θ diagram, valve seat profil normal (3 bar)
CPV LMF - Comp Recip - PTS=CV2 CV3 CV4 CV5 CV6 07-MAY-12 14:09:10 CPV -CV6 6 bar Accelerat ion in G-s Plot Span 6-6 5 bar 07-MAY-12 13:56:49 CPV -CV5 07-MAY-12 13:55:04 CPV -CV4 4 bar 07-MAY-12 13:53:10 CPV -CV3 3 bar 2 bar 07-MAY-12 13:51:26 CPV -CV2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Revolution N umber
800 P - θ diagram (normal) 700 cylinder pressure (kpa) 600 500 400 300 200 2 bar 3bar 4bar 5bar 6bar 100 0 0 45 90 135 180 225 270 315 360 crank angle (degree)
800 P - V diagram (normal) 700 cylinder pressure (kpa) 600 500 400 300 200 2 bar 3bar 4bar 5bar 6bar 100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 cylinder volume (cc)
Pengaruh Sudut Ketirusan CPV LMF - Comp Recip - PTS=CV1 CV2 CV3 CV4 CV5 6 bar 16-JUN-12 23:14:56 CPV -CV5 Accelerat ion in G-s Plot Span 6-6 16-JUN-12 23:10:28 5 bar CPV -CV4 16-JUN-12 23:09:16 4 CPV bar -CV3 3 bar 16-JUN-12 23:07:40 CPV -CV2 16-JUN-12 23:07:08 2 bar CPV -CV1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Revolution N umber Waveform getaran, α = 30 o, ½ t
900 P - θ diagram (30, 1/2t) 800 cylinder pressure (kpa) 700 600 500 400 300 200 100 2bar 3bar 4bar 5bar 6bar 0 0 45 90 135 180 225 270 315 360 crank angle (degree)
Efesiensi volumetris pada tekanan kerja 4 bar
Pengaruh Kedalaman Ketirusan CPV LMF - Comp Recip - PTS=CV1 CV2 CV3 CV4 CV5 17-JUN-12 03:03:18 CPV -CV5 6 bar Accelerat ion in G-s Plot Span 6-6 17-JUN-12 03:01:44 CPV -CV4 5 bar 17-JUN-12 03:06:07 CPV -CV3 4bar 17-JUN-12 02:59:50 CPV -CV2 3 bar 17-JUN-12 02:59:13 CPV -CV1 2 bar 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Revolution Number Waveform getaran, ½ t, α=40 o
Akselerasi getaran
800 P - θ diagram (P =4 bar) 700 600 cylinder pressure (kpa) 500 400 300 200 100 1/4t, 20 1/2t, 20 3/4t,20 normal 0 0 45 90 135 180 225 270 315 360 crank angle (degree)
Pengaruh Tekanan Kerja Level getaran Tekanan kerja yang semakin tinggi Buka tutup katup discharge Efisiensi volumetris
KESIMPULAN Pada umumnya, terjadi perbaikan pola getaran dengan pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan. Perbaikan akan berkurang jika pemberian ketirusan ditingkatkan dari 30 o menjadi 40 o. 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 peningkatan level getaran, penurunan rentang waktu proses buka-tutup katup tekan maupun katup hisap, dan peningkatan tekanan discharge. Secara umum terjadi perbaikan efesiensi volumetris kompresor dibandingkan dengan valve seat profil normal. Perbaikan akan berkurang jika sudut ketirusan ditingkatkan dari 30 menjadi 40, dan tebal ketirusan dari ½ t menjadi ¾ t. Tekanan kerja yang semakin tinggi cenderung menurunkan efesiensi volumetris kompresor.
SARAN Pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan yang disertai dengan penambahan sudut fillet pada ujung tirus (tidak bersudut tajam seperti yang dilaporkan pada T.A. ini). Pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan dalam arah yang terbalik dari yang dilaporkan pada T.A. ini. Pencarian nilai sudut optimal dan kedalaman optimal pada pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan.
REFERENSI [1]. Foreman, Skip, "Compressor Valves and Unloders for Reciprocating Compressors, Dresser-Rand Technology, pp. 1-19, New York, 2002. [2]. Lawrence Berkeley National Laboratory, Improving Compressed Air System Performance, US Department of Energy, Washington, DC., 2003. [3]. Raju, K. Nagabhushan, Industrial Energy Conservation Techniques : Concepts, Applications And Case studies, Atlantic Publishers and Distibutors, New Delhi, 2007. [4]. Sustainable Energy Development Office, Compressed Air Systems. Perth 2002. [5]. Hanlon, P. C, Compressor Handbook, McGraw-Hill Companies, New York, 2001. [6]. Girdhar, Paresh, Practical Machinery Vibration Analysis and Predictive Maintenance, Integra Software Services Pvt. Ltd, Pondicherry, India, 2004. [7]. Bloch, Heinz P, and Hoefner, John J, Reciprocating Compressor Operation and Maintenance, Gulf Publishing Company, Houston, 1996. [8]. Rovaris, Joao B., and C.J. Deschamps, Large Eddy Simulation Applied To Reciprocating Compressors, Journal Of Barzilian Society Of Mechanical Science & Engineering, vol.xxviii, no. 2. pp.208-215, 2006. [9]. Y. Ma, Y.N. Gan, X.Y. Peng, Z.W. Xing, Experimental investigation of the discharge valve dynamics in a reciprocating compressor for trans-critical CO 2 refrigeration cycle, Elsevier Ltd, pp. 1-9, China, 2010.
Sekian dan Terimakasih