PERFORMA KOMPRESOR TORAKDISAMPAIKAN OLEH : NYENYEP SRIWARDANI, ST., MT.

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK MESIN JPTK FKIP UNS GENAP 2009/2010

KAPASITAS KOMPRESORy

Kapasitas kompresor biasanya dinyatakan dengan volume gas yang diisap per satuan waktu (m3/jam)

y

Kapasitas Kompresor Torak

T 2 3 V ! v D v L v z v n v 60 m /jam 4 Dimana:

D ! diameter silinder m L ! panjang langkah torak m z ! jumlah silinder n ! jumlah putaran poros per menit menit

-1

y

Kapasitas Kompresor Putar (Positif)2

T 4 imana :

d

2

t

z n 60 m / am

3

diameter silinder m d diameter - luar silinder rotor (torak berputar) m t z n tebal silinder m umlah silinder umlah putaran poros per menit menit -1

Volume langkah torak dari kompresor putar

PROSES KOMPRESIKompresi Isotermal 2. Kompresi Politropik 3. Kompresi Adiabatik1.

1. KOMPRESI ISOTERMALDalam kompresi isotermal, temperatur gas tidak berubah sehingga temperatur gas pada akhir langkah kompresi sama dengan temperatur gas pada awal kompresi. y Dalam hal ini, kenaikan temperatur gas dapat dicegah karena panas yang timbul selama proses kompresi, segera diserap sempurna oleh fluida pendingin melalui dinding silinder.y

Namun demikian, proses kompresi isotermal sukar dilaksanakan. y Tetapi, dengan kompresi isotermal kerja yang diperlukan adalah yang paling rendah jika dibandingkan dengan jenis proses kompresi yang lain. y Hubungan antara tekanan dan volume gas sebelum dan sesudah kompresi dapat dinyatakan sebagai :y

P1V1

P2V 2

P2 atau P1

V1 V2

dimana : P Vy

tekanan gas absolut kg/cm abs2

volume gas m

3

Sedangkan subskrip 1 dan 2, berturutturut menyatakan kondisi gas pada awal dan akhir proses kompresi.

2. KOMPRESI POLITROPIKDalam kompresi politropik, temperatur gas setelah kompresi lebih tinggi daripada temperatur gas pada awal langkah kompresi, meskipun selama proses tersebut berlangsung terjadi perpindahan kalor dari silinder ke sekitarnya. y Kompresi gas refrigeran di dalam kompresor, dalam keadaan sebenarnya, kira-kira mendekati proses politropik.y

Kerja yang diperlukan untuk kompresi politropik lebih besar daripada untuk kompresi isotermal, tetapi lebih rendah daripada untuk kompresi adiabatik. y Di samping itu, kenaikan tekanan yang diperoleh dengan kompresi politropik lebih besar daripada dengan kompresi isotermal, tetapi lebih rendah daripada dengan kompresi adiabatik. y Untuk kompresi politropik, hubungan antara tekanan dan volume pada awal dan pada akhir proses kompresi adalah :y

PV1 ! P2V2 1n

n

P2 V1 atau ! P V2 1 Cp Cv

n

dimana : n ! eksponen ; 1 n

Cp ! kalor spesifik tekanan konstan Cv ! kalor spesifik volume konstan

3. KOMPRESI ADIABATIKy

Proses kompresi adiabatik adalah proses kompresi tanpa perpindahan kalor dari gas ke sekitarnya, yaitu dengan jalan memberikan isolasi panas secara sempurna pada dinding silinder. Dengan kompresi adiabatik, temperatur gas akan naik lebih tinggi daripada kenaikan yang terjadi dengan kompresi politropik.

Di samping itu, dengan kompresi adiabatik kerja yang diperlukan untuk kompresi akan lebih besar, tetapi akan diperoleh kenaikan tekanan yang lebih tinggi. y Hubungan antara tekanan dan volume pada awal langkah kompresi dan pada akhir kompresik dapat dinyatakan k P1V1 ! P2V 2 sebagai :y

dimana : k! Cp Cv ! konstanta adiabatik

Proses kompresi di dalam kompresor, dalam kenyataannya bukanlah kompresi adiabatik maupun kompresi isotermal, akan tetapi kompresi politropik. y Namun, karena prosesnya mendekati kompresi adiabatik, maka dalam perhitungan dengan menggunakan diagram Mollier proses kompresi tersebut dianggap adiabatik.y

SIKLUS KERJA KOMPRESORLangkah Isap 2. Langkah Kompresi1.

Keterangan gambar :

LANGKAH ISAP1.

Pada waktu torak berada di Titik Mati Atas (titik A), katup buang dan katup isap ada dalam keadaan menutup. Kemudian, pada waktu torak mulai bergerak dari Titik Mati Atas (TMA) ke Titik Mati Bawah (TMB) katup isap akan membuka.

2. Selama gerakan torak dari TMA ke titik B, gas yang ada di dalam silinder akan berexpansi, tetapi gas sebenarnya baru terisap masuk ke dalam silinder setelah tekanan di dalam silinder tersebut turun mencapai tekanan penguapan. Oleh karena itu, selama gerakan torak dari titik A ke titik B, tidak terjadi pengisapan (langkah bebas ; idle stroke). 3. Maka baru setelah torak mencapai titik B dan meneruskan gerakannya menuju TMB (titik C), gas refrigeran mulai diisap masuk ke dalam silinder. Pada waktu torak berada di TMB, katup isap menutup dan proses pengisapan gas refrigeran selesai.

LANGKAH KOMPRESIPada waktu torak berada di TMB (titik C), baik katup isap maupun katup buang ada dalam keadaan menutup. 2. Selanjutnya, selama gerakan torak dari TMB ke titik D, gas di dalam silinder mengalami proses kompresi sehingga tekanan gas akan naik secara berangsur-angsur.1.

3. Apabila telah dicapai tekanan buang (pengeluaran), pada titik D, katup buang mulai membuka sehingga gas akan keluar dari dalam silinder. 4. Selama gerakan torak dari titik D ke TMA (titik A), pengeluaran gas refrigeran berlangsung pada tekanan konstan. Proses kompresi selesai pada waktu torak berada di TMA.

y

Seperti telah diterangkan di atas, selama langkah isap terdapat langkah bebas (idle stroke) sehingga jumlah gas yang terisap akan berkurang. Dengan demikian, efisiensi volumetriknya akan turun. Oleh karena itu, hendaknya diusahakan agar panjang langkah bebas dapat dibuat sependek-pendeknya sehingga pengisapan gas masuk kompresor dapat dimulai seawal mungkin.

TEMPERATUR GAS KELUARy

Selain tekanan gas refrigeran akan naik selama langkah kompresi, temperaturnya pun akan naik. Laju kenaikan temperatur tersebut tergantung dari jenis refrigeran yang dipergunakan. Untuk proses kompresi adiabatik, hubungan antara temperatur dan tekanan gas adalah sebagai berikut :

T2 P2 ! T1 P1 dimana :

k 1 k

T ! temperatu r absolut gas K y

Sedangkan subskrip 1 dan 2, berturutturut menyatakan kondisi pada awal kompresi dan akhir kompresi.

Dari persamaan tersebut di atas dapat disimpulkan bahwa makin tinggi harga konstanta adiabatik (k) dari gas refrigeran, makin tinggi pula kenaikan temperatur yang terjadi dari proses kompresi tersebut. y Tabel konstanta adiabatik beberapa gas : Jenis gas kyUdara Ammonia Freon 22 Freon 12 1,4 1,3 1,2 1,136

y

Dalam kompresor sebenarnya, gas dikompresikan secara politropik sehingga hubungan antara temperatur dan tekanan pada awal kompresi dan pada akhir kompresi adalah:n 1 n

T2 P2 ! T1 P1 dimana : 1 n

k , (n kira - kira sama dengan k, dan n ! 1,128

untuk kompresor ammonia). Maka proses kompresi dianggap adiabatis

KARAKTERISTIK KOMPRESORPerhitungan meliputi : 1. Efisiensi volumetrik. 2. Daya teoritik yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor. 3. Efisiensi kompresi. 4. Efisiensi mekanik. 5. Prestasi kompresor.y

1. EFISIENSI VOLUMETRIKy

Kapasitas kompresor tergantung pada volume langkah torak dan kecepatan putar porosnya. Tetapi ada beberapa faktor yang perlu diperhatikan. Jumlah gas refrigeran yang terisap masuk selama langkah isap adalah sama dengan volume langkah toraknya jika kondisi gas yang terisap itu sama dengan kondisi gas sebelum masuk ke dalam silinder.

Dalam keadaan sebenarnya, berat gas refrigeran yang terisap masuk lebih kecil daripada keadaan yang ideal (teoritik). y Efisiensi volumetrik (Lv) menyatakan perbandingan antara berat gas refrigeran yang terisap masuk sebenarnya, terhadap berat gas refrigeran yang terisap masuk dalam keadaan ideal.y

Rumus efisiensi volumetrik : Gd Lv ! y Dimana : Gy

G = berat gas refrigeran yang terisap masuk dalam keadaan ideal (kg/jam). G = berat gas refrigeran yang terisap masuk dalam keadaan sebenarnya (kg/jam)y

Efisiensi volumetrik lebih kecil daripada satu, karena beberapa faktor tersebut di bawah ini, yaitu :- Pengaruh volume sisa - Pengaruh expansi gas yang terisap

y

y

y

Volume sisa adalah volume antara kepala torak dan kepala silinder, pada waktu torak berada di TMA. Gas refrigeran yang ada di dalam volume sisa pada akhir langkah kompresi, bertekanan tinggi (sama dengan tekanan buang) sehingga menghambat pengisapan gas pada awal langkah isap, yaitu pada waktu torak bergerak dari titik A ke titik B. Jadi, baru setelah tekanan gas di dalam silinder turun mencapai tekanan yang sama dengan tekanan gas refrigeran pada seksi masuk kompresor, gas refrigeran mulai terisap masuk ke dalam silinder.

y

Berdasarkan proses tersebut di atas, maka efisiensi volumetrik dapat pula didefinisikan sebagai :

L vcy

Dimana :

Vd ! V

V = volume gas refrigeran yang terisap sebenarnya (m3/jam) V = volume langkah torak persatuan waktu (m3/jam) Lvc = efisiensi volumetrik berdasarkan pengembangan volume sisa

Volume spesifik dari gas refrigeran yang masuk ke dalam silinder naik dari v ke v karena adanya efek trotel pada waktu gas masuk melalui katup isap, dan efek pemanasan dinding silinder yang bertemperatur tinggi. y Maka efisiensi volumetrik berdasarkan expansi volumetrik gas refrigeran dapat dinyatakan sebagai :y

L vs

vd ! v

vd L vs ! v dimana : v ! volume spesifik gas sebelum masuk ke dalam silinder, (m /kg) vd volume spesifik gas yang ada di dalam silinder ! pada akhir langkah isap (m 3 /kg) Vd V Karena, G ! dan G d ! vd v Gd v V d V d v aka, L v ! ! v ! v ! L vc .L vs G V v d V vd3

Besarnya efisiensi volumetrik pada kompresor yang sebenarnya, tergantung dari beberapa faktor : 1. Makin besar volume sisa, makin rendah Lvc 2. Makin besar perbandingan kompresi, makin rendah Lvc 3. Makin kecil volume silinder, makin rendah Lvc 4. Makin tinggi kecepatan putar, makin rendah Lvcy

Efisiensi volumetrik kompresor

y

Efisiensi volumetrik tergantung dari :Jenis refrigeran Volume langkah torak Konstruksi katup Pendinginan silinder Dsb

y

Apabila kompresor yang sama menggunakan refrigeran yang sama, efisiensi volumetrik tergantung pada perbandingan kompresi dan kecepatan putarnya.

Perbandingan kompresi

y

Perubahan efisiensi volumetrik sesuai dengan ukuran dan kecepatan putar poros dari kompresor bersilinder banyak dan kecepatan putar tinggi.A 100 100 900 B C D 100 70 70 100 60 60 1200 1200 120 0

Kompresor Diameter silinder, mm Panjang langkah, mm Kecepatan putar poros, rpm

2. DAYA TEORITIK YANG DIPERLUKAN UNTUK MENGGERAKKAN KOMPRESSOR

Kerja yang dilakukan oleh kompresor dapat dihitung dengan menggunakan diagram Mollier. y Dari diagram Mollier dapat diketahui entalpi gas pada seksi masuk dan keluar kompresor. y Maka daya yang diberikan kompresor dapat dihitung dengan persamaan :y

is V 860 v dimana :

id N!

kW

N ! daya yang diperlukan kompresor (kW) ! volume gas yang dipindahka n kompresor (m /jam) v ! volume spesi ik gas (m /kg)3 3

V ! ! berat gas yang dikompresi kan (kg/jam) v i ! entalpi gas (kcal/kg)

Subskrip d dan s berturut-turut menyatakan kondisi gas pada seksi keluar dan masuk kompresor. y Jika daya tersebut di atas merupakan daya kompresi isentropik atau entropi konstan, maka daya motor listrik penggerak kompresor yang diperlukan adalah :y

N Nd ! L c .L m

N Nd ! L c .L m dimana : d daya motor penggerak kompresor (kW) ! ! daya kompresor isentropik (kW) n c ! efisiensi kompresi n m ! efisiensi mekanik

y

Namun, sebaiknya dipergunakan daya motor penggerak kompresor 10% lebih tinggi daripada N, untuk mengatasi kenaikan beban karena terjadinya perubahan kondisi operasi, dan supaya dapat memberikan momen putar yang tinggi pada waktu start.

3. EFISIENSI KOMPRESIGas yang ada di dalam kompresor, dikompresikan dan mengalami hambatan, terutama pada waktu melalui katup isap dan katup buang. y Oleh karena itu, tekanan gas pada awal langkah kompresi sedikit lebih rendah daripada tekanan gas di dalam pipa isap. y Selain itu, tekanan gas keluar kompresor sedikit lebih tinggi daripada tekanan gas di dalam pipa buang.y

Dengan demikian, daya yang sebenarnya diperlukan untuk melakukan proses kompresi lebih besar daripada jika proses kompresinya isentropik. y Perbandingan antara kerja yang sebenarnya diperlukan untuk proses kompresi terhadap kerja kompresi teoritik (isentropik), dinamai efisiensi kompresi atau efisiensi indikator. y Makin tinggi perbandingan kompresinya, makin rendah efisiensi kompresi.y

Siklus kompresi dalam keadaan sebenarnya

y

Efisiensi kompresi dapat dinyatakan dengan persamaan :

Efisiensi kompresi !y

aya kompresi teoritik aya kompresi sebenarnya

Makin tinggi kecepatan putar kompresor, makin rendah efisiensi kompresi. Oleh karena itu, konstruksi katup harus disesuaikan dengan kondisi operasinya supaya dapat diperoleh efisiensi kompresi yang tinggi

4. EFISIENSI MEKANIKy

y y

Pada kompresor terjadi gesekan antara bagian yang bergerak, misalnya antara torak dan dinding silinder, antara poros dan bantalan, dan sebagainya. Oleh karena itu, diperlukan daya tambahan untuk mengatasi gesekan. Maka efisiensi mekanik adalah perbandingan antara daya yang diperlukan untuk mengkompresikan gas dalam keadaan sebenarnya terhadap daya yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor.

Efisiensi mekanik !y

aya indikator aya poros

Daya indikator : daya yang sebenarnya diperlukan untuk mengkompresikan gas y Daya poros : daya yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor y Efisiensi mekanik tergantung terutama pada kelonggaran antara bagianbagian yang bergerak, kecepatan dan tekanan bidang, dan sebagainya.

5. PRESTASI KOMPRESORKarakteristik kompresor diberikan oleh pabrik pembuatnya, sesuai dengan penelitian dan hasil pengujian yang telah dilakukan. y Dari data yang diperoleh itu, dapat diperkirakan karakteristik dari kompresor lainnya yang sejenis, tetapi dengan jumlah silinder dan kecepatan putar yang beda.y

CONTOH SOAL :y

Tentukan kapasitas refrigerasi dan daya yang diperlukan untuk menggerakkan sebuah kompresor bersilinder 6 buah, berdiameter 140 mm dan panjang langkah torak 116 mm, pada kecepatan putar 800 rpm dan kondisi operasi yang sama dengan kompresor berikut ini. Sebuah kompresor bersilinder 8 buah dengan ukuran yang sama dengan kompresor di atas, dapat memberikan kapasitas refrigerasi 188.000 kcal/jam dan memerlukan daya poros 64,9 kW pada putaran 900 rpm, sedangkan diketahui temperatur kondensasi 30oC dan temperatur penguapan -15oC.

JAWAB :6 800 Kapasitas re rigerasi ! 188.000 v v 8 900 ! 125.000 kcal/jam 6 800 Daya yang diperlukan ! 64,9 v v 8 900 ! 43,3 kW

Referensiy

Penyegaran udara Wiranto Arismunandar