BUKU BAHAN AJAR
POMPA DAN KOMPRESOR
Disusun Oleh : Ir. Ali Mahmudi, M. Eng.
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI BANDUNG
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI..................................................................................................................... ii DESKRIPSI MATA KULIAH ......................................................................................... 1
BAB I ................................................................................................................................ 2 DASAR-DASAR POMPA ............................................................................................... 2 1.1 Pengertian dan fungsi pompa ............................................................................. 2 1.2 Klasifikasi Pompa .............................................................................................. 3 1.2.1 Pompa perpindahan positip ......................................................................... 3 1.2.2 Pompa tekanan dinamik .............................................................................. 6 1.3 Sifat fluida zat cair ........................................................................................... 12 1.4 Head dan kapasitas fluida................................................................................. 14 1.5 Sistem aliran fluida .......................................................................................... 15 1.6 Putaran spesifik pompa .................................................................................... 17 1.7 Spesifikasi dan pemilihan pompa..................................................................... 18 1.8 Soal-soal ........................................................................................................... 19 BAB II............................................................................................................................. 21 POMPA SENTRIFUGAL .............................................................................................. 21 2.1 2.2 2.3 2.4
Prinsip kerja pompa sentrifugal ....................................................................... 21 Impeler dan diagram kecepatan ....................................................................... 22 Kurva dan efisiensi pompa sentrifugal ............................................................. 25 Soal-soal ........................................................................................................... 30
BAB III ........................................................................................................................... 31 KARAKTERISTIK & OPERASI POMPA .................................................................... 31 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8
Karakteristik kinerja pompa ............................................................................. 31 Kurva sistem pemompaan ................................................................................ 34 Operasi pompa seri dan paralel ........................................................................ 41 Persamaan afinitas/kesebangunan .................................................................... 43 Net Positive Suction Head (NPSH).................................................................. 45 Kavitasi ............................................................................................................ 46 Benturan air (water hammer) ........................................................................... 47 Soal-soal ........................................................................................................... 48
Pompa dan Kompresor
ii
BAB IV ........................................................................................................................... 49 KONSTRUKSI, PEMASANGAN DAN PERAWATAN POMPA ............................... 49 4.1 Konstuksi pompa .............................................................................................. 49 4.2 Pemasangan/instalasi pompa ............................................................................ 54 4.3 Perawatan pompa ............................................................................................. 56 4.3.1 Perawatan berkala pompa ......................................................................... 58 4.3.2 Perawatan prediktif pompa ....................................................................... 59 4.3.3 Penelusuran gangguan .............................................................................. 60 4.4 Soal-soal ........................................................................................................... 61 BAB V ............................................................................................................................ 62 DASAR-DASAR KOMPRESOR................................................................................... 62 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
Prinsip kerja kompresor ................................................................................... 62 Klasifikasi kompresor ...................................................................................... 64 Sifat-sifat udara dan gas ................................................................................... 68 Prinsip kompresi............................................................................................... 69 Spesifikasi kompresor ...................................................................................... 73 Soal-soal ........................................................................................................... 75
BAB VI ........................................................................................................................... 76 KOMPRESOR TORAK ................................................................................................. 76 6.1 Konstruksi kompresor ...................................................................................... 76 6.1.1 Silinder dan kepala silinder....................................................................... 76 6.1.2 Torak dan cincin torak .............................................................................. 77 6.1.3 Katup ......................................................................................................... 78 6.1.4 Poros engkol dan batang penggerak ......................................................... 80 6.1.5 Kotak engkol ............................................................................................. 81 6.1.6 Alat pengatur kapasitas ............................................................................. 81 6.1.7 Pelumasan ................................................................................................. 83 6.1.8 Peralatan pembantu ................................................................................... 86 6.1.9 Penggerak mula dan transmisi daya poros ................................................ 87 6.2 Efisiensi dan daya kompresor .......................................................................... 88 6.3 Soal-soal ........................................................................................................... 93 BAB VII .......................................................................................................................... 94 KOMPRESOR SENTRIFUGAL, BLOWER, FAN ...................................................... 94 7.1 7.2 7.3 7.4
Kompresor sentrifugal ...................................................................................... 94 Blower .............................................................................................................. 97 Fan .................................................................................................................... 98 Soal-soal ......................................................................................................... 103
Pompa dan Kompresor
iii
BAB VIII ...................................................................................................................... 104 PEMASANGAN DAN PERAWATAN KOMPRESOR ............................................. 104 8.1 Pemasangan dan operasi kompresor .............................................................. 104 8.2 Perawatan kompresor ..................................................................................... 105 8.2.1 Pemeriksaan ............................................................................................ 105 8.2.2 Gangguan dan mengatasinya .................................................................. 106 8.3 Soal-soal ......................................................................................................... 107
Pompa dan Kompresor
iv
DESKRIPSI MATA KULIAH
Ringkasan Topik / Silabus Pompa dan kompresor merupakan peralatan/mesin yang banyak digunakan di industri. Ruang lingkup mata kuliah pompa dan kompresor meliputi: klasifikasi, pemilihan dan aplikasi penggunaan, pompa sentrifugal, karakteritik dan operasi, perhitungan kinerja, konstruksi, pemasangan, perawatan dan perbaikan serta penelusuran gangguan
Tujuan Pembelajaran Umum Mahasiswa mampu memahami dasar-dasar, jenis, prinsip kerja dan operasi, karakteristik kinerja, konstruksi, pemasangan dan perawatan pompa dan kompresor.
Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip operasi dan perawatan pompa yang meliputi: identifikasi klasifikasi dan jenis pompa; memilih sesuai dengan kebutuhan/penggunaan; memahami dan menerapkan sistem pompa pada sistem aliran fluida, karakteristik operasi dan kinerja pompa sentrifugal, NPSH dan kavitasi; melakukan perawatan dan perbaikan serta diagnosa tipe kerusakan dan penelusuran gangguan 2. Mahasiswa mampu menjelaskan prinsip operasi dan perawatan kompresor yang meliputi: identifikasi klasifikasi dan jenis kompresor, memilih sesuai dengan kebutuhan/ penggunaan, memahami dan menerapkan sistem kompresor pada sistem aliran udara tekan, operasi dan kinerja kompresor, blower dan fan, diagnosa tipe kerusakan dan penelusuran gangguan
BAB I DASAR-DASAR POMPA Tujuan Pembelajaran Umum Memahami dasar-dasar pompa yang meliputi pengertian fungsi dan prinsip kerja, klasifikasi, sifat zat cair, sistem aliran fluida dengan pompa, spesifikasi dan pemilihan pompa. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Dapat menjelaskan pengertian, fungsi dan prinsip kerja pompa 2. Dapat menjelaskan klasifikasi dan jenis pompa 3. Dapat memahami sifat-sifat fluida cair 4. Dapat memahami aliran fluida pada sistem pipa dan pompa 5. Dapat memahami pengertian head, debit, dan daya pompa 6. Dapat memahami pengertian putaran spesifik 7. Dapat menjelaskan spesifikasi dan data untuk pemilihan pompa
1.1 Pengertian dan fungsi pompa Pompa merupakan peralatan utama maupun sebagai pendukung utama yang sangat penting dalam dunia industri. Pemakaian pompa yang pada awalnya hanya terbatas pada penyediaan air untuk keperluan sehari-hari, tetapi seiring dengan berkembangnya teknologi di industri saat ini, pompa banyak digunakan untuk kebutuhan di berbagai sektor industri terutama di industri proses, industri kimia, industri tekstil, industri minyak, industri pembangkitan tenaga listrik, irigasi, perusahaan air bersih, untuk pelayanan gedung dan lain-lain. Pompa berfungsi mengkonversikan energi mekanis poros dari penggerak mula menjadi energi potensial atau tekanan fluida (zat) cair. Pompa digunakan untuk mengangkat zat cair dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi atau mengalirkan cairan ke tempat yang menghasilkan tekanan atau ketinggian tertentu, dimana tidak dimungkinkannya cairan tersebut mengalir secara alami. Pompa juga dapat digunakan untuk mensirkulasikan cairan, misalnya air pendingin atau pelumas yang melewati mesin-mesin dan peralatan. Penggunaan pompa yang demikian luas dengan berbagai macam jenis dan bentuknya, memerlukan pengetahuan yang cukup tentang berbagai penerapan dan pemilihan jenis atau tipe pompa yang tepat sesuai dengan kebutuhan, kondisi dan lingkungan operasi yang dilayaninya. Pengetahuan yang diperlukan tersebut mulai dari tujuan penggunaannya, jenis dan sifat zat cair yang dipompakan, keadaan lingkungan, karakteristik head dan kapasitasnya, pemilihan penggeraknya, bahkan sampai pada konstruksi, pemasangan/instalasi dan perawatannya.
1.2 Klasifikasi Pompa Pompa bekerja karena adanya perbedaan tekanan antara sisi masuk dan sisi keluar oleh elemen bergerak pada pompa seperti piston, plunyer, lobe, impeler dan lain-lain. Berdasarkan kepada mekanisme konversi energinya, pompa secara umum diklasifikasikan menjadi dua kelompok seperti ditunjukkan pada Gambar I.1, yaitu: 1. Pompa tekanan statik atau pompa perpindahan positip (positive displacement pump) 2. Pompa tekanan dinamik atau pompa dinamik (dynamic pump) Pada prinsipnya, cairan apapun dapat ditangani oleh berbagai jenis pompa. Pompa sentrifugal biasanya yang paling ekonomis diikuti oleh pompa rotari dan bolak-balik/resiprok. Meskipun pompa perpindahan positif biasanya lebih efisien daripada pompa sentrifugal, namun keuntungan efisiensi yang lebih tinggi tersebut cenderung diimbangi dengan meningkatnya biaya perawatan.
Gambar I.1 Klasifikasi pompa
1.2.1 Pompa perpindahan positip Pompa perpindahan positip (positive displacement pump) sering disebut juga dengan pompa tekanan statik adalah pompa yang mengalirkan zat cair dengan kapasitas atau debit tetap terhadap perubahan/variasi tekanan atau head, dan fluida berpindah karena menerima dorongan/desakan. Pompa perpindahan positip umumnya terdiri dari rumah pompa yang diam dan mempunyai elemen yang bergerak seperti roda gigi, baling-baling, piston, plunyer, membran, ulir/sekrup dan lain-lain. Contoh jenis pompa perpindahan positip diperlihatkan pada Gambar I.2. Pompa dan Kompresor
3
Pompa perpindahan positif dikenal dengan caranya beroperasi dimana cairan diambil dari salah satu ujung dan pada ujung lainnya dialirkan secara positif untuk setiap putarannya. Pompa perpindahan positif digunakan secara luas untuk pemompaan fluida selain air, biasanya fluida kental. Pompa perpindahan positif selanjutnya dapat digolongkan berdasarkan cara perpindahannya, yaitu pompa bolak-balik atau resiprok (reciprocating) dan pompa rotari. Pompa bolak-balik atau resiprok (reciprocating pump) Pompa bolak-balik atau resiprok adalah pompa yang mengubah energi mekanis poros dari penggerak pompa menjadi energi aliran dari zat cair yang dipindahkan dengan menggunakan elemen yang bergerak bolak-balik dalam silinder. Pompa bolak-balik umumnya digunakan untuk pemompaan cairan kental dan sumur minyak. Termasuk jenis ini adalah pompa torak/piston, pompa plunyer dan pompa diafragma/membran (Gambar I.2.a, b dan c).
Gambar I.2 Pompa perpindahan positip
Kelebihan pompa bolak-balik : - Tekanan yang dihasilkan tinggi, karena hanya dibatasi oleh tenaga dari unit pompa dan bagian dari unit pompa. - Tekanan yang dihasilkan tidak tergantung kapasitasnya. - Pompa dapat bekerja dengan pengisapan kering - Menghasilkan tekanan tertentu pada setiap putaran atau langkah permenit Kelemahan pompa bolak-balik: - Gaya inersia yang timbul karena gerak bolak–balik dari piston mengakibatkan gerakan yang tidak mantap dari cairan di dalam pipa isap dan pipa tekan. Pompa dan Kompresor
4
- Kerja pompa membutuhkan katup–katup, sehingga dari segi ekonomi kurang baik. - Membutuhkan dimensi yang besar untuk mendapatkan kapasitas yang tinggi. - Bekerja tidak maksimal apabila digunakan untuk cairan yang bercampur zat padat Sedangkan pompa diafragma atau membran (Gambar I.2.c) adalah pompa yang komponen utamanya berupa membran yang fleksibel sebagai elemen pemindah positif. Pompa ini umumnya untuk kapasitas kecil, dipakai untuk aliran jernih atau yang mengandung padatan misalnya bubur kertas kental, air selokan bahkan campuran air dan pasir. Pompa jenis ini kemungkinan tersumbatnya kecil dan tahan terhadap korosi oleh bahan-bahan kimia yang dipompanya, dikarenakan bagian yang berhubungan langsung dengan fluida adalah diafragma. Kelebihan pompa diafragma: - Pemeliharaan mudah dan murah - Dapat memompakan zat cair yang mengandung lumpur - Apabila bekerja tanpa beban tidak terlalu merusak pompa - Tidak memerlukan perapat mekanis (mechanical seal). Kekurangan pompa diafragma antara lain : - Aliran yang dihasilkan berdenyut - Besar kapasitas sangat bergantung pada ukuran besar kecilnya pompa - Kapasitas rendah (bila dibandingkan dengan pompa sentrifugal) - Efesiansi rendah pada kapasitas tinggi. Pompa rotari Pompa rotari merupakan pompa dimana energi dari mesin penggerak ditransmisikan dengan menggunakan elemen yang berputar di dalam rumah pompa (casing). Pompa-pompa tersebut digunakan untuk layanan khusus dengan kondisi khusus yang ada di lokasi industri. Pada seluruh pompa jenis perpindahan positif termasuk pompa rotari, jika pipa pengantarnya tersumbat, tekanan akan naik ke nilai yang sangat tinggi dimana hal ini dapat merusak pompa. Termasuk dalam jenis pompa rotari adalah: a. Pompa roda gigi (gear pump), Gambar I.2.d Pompa roda gigi adalah pompa yang rotornya berupa roda gigi b. Pompa ulir/sekrup (screw pump), Gambar I.2.e. Pompa ulir merupakan pompa yang rotornya berupa ulir/skrup c. Pompa vane (vane pump), Gambar I.2.f. Pompa vane adalah pompa yang impelling elementnya berupa baling-baling (vane) yang dapat bergerak bebas pada slot dalam rotornya. Pemasangan rotor dibuat eksentrik terhadap permukaan dalam casing. d. Pompa lobe (lobe pump), Gambar I.2 g. Pompa ini mirip dengan pompa roda gigi dalam hal aksinya dan mempunyai duarotor atau lebih dengan dua, tiga atau empat cuping atau lebih pada masing-masing rotor.
Pompa dan Kompresor
5
Karakteristik pompa rotari: - Ukuran keseluruhan lebih kecil sehingga lebih ringan - Aliran zat cair yang dihasilkan uniform - Dapat bekerja dengan putaran tinggi sehingga dapat dihubungkan dengan tenaga penggeraknya - Tekanan yang dihasilkan dapat cukup tingi - Dapat bekerja pada pengisapan kering - Dapat dipasang/bekerja dengan berbagai posisi.
1.2.2 Pompa tekanan dinamik Pompa tekanan dinamik adalah pompa yang mengalirkan zat cair dengan kapasitas atau debit bervariasi bergantung pada tekanan atau head, dan fluida berpindah karena kecepatan/perubahan aliran. Pompa jenis ini menambahkan energi fluida dengan menaikkan kecepatannya, yang selanjutnya mengubahnya menjadi energi tekan dengan melewatkannya pada sebuah saluran yang meluas. Pompa ini terbagi menjadi beberapa jenis, yaitu jenis yang berputar (sentrifugal): pompa radial, pompa aksial, pompa aliran campur (mixed flow), dan jenis yang tak berputar seperti pompa jet dan pompa hidram. Contoh pompa tekanan dinamis seperti ditunjukkan pada Gambar I.3.
Pompa sentrifugal Pompa sentrifugal dapat diklasifikasikan sebagai berikut: a. Klasifikasi menurut arah aliran: 1) Pompa aliran radial (sentrifugal), Gambar I. 3 a, b. Pompa aliran radial merupakan pompa yang arah aliran fluida zat cair saat keluar dari impeler tegak lurus dengan poros pompa. 2) Pompa aliran aksial, Gambar I.3.c. Pompa aliran aksial merupakan pompa yang arah aliran fluida saat keluar dari impeler bergerak sepanjang permukaan silinder searah poros pompa. 3) Pompa aliran campur, Gambar I.3.d. Pompa aliran campur merupakan yang mana fluida saat keluar dari impeler bergerak sepanjang permukaan kerucut sehingga komponen kecepatannya berarah radial dan aksial
Pompa dan Kompresor
6
Gambar I.3 Pompa tekanan dinamik
Pompa dan Kompresor
7
b. Klasifikasi menurut impeler: 1) Impeler tertutup, Gambar I.4.a Impeler tertutup merupakan impeler yang sudu-sudunya ditutup oleh dua buah dinding baik dibelakang maupun di depan sudu, pompa jenis ini cocok untuk fluida dengan sedikit sekali kotoran. 2) Impeler setengah terbuka, Gambar I.4.b. Impeler jenis ini terbuka dibagian muka namun tertutup dibagian belakangnya. Pompa jenis ini digunakan untuk cairan yang mengandung sidikit kotoran. 3) Impeler terbuka, Gambar I.4.c. Impeler ini terbuka di bagian depan maupun bagian belakangnya. Pompa ini digunakan untuk pemompaan fluida yang mengandung kotoran cukup tinggi.
Gambar I.4 Bentuk impeler pompa
c. Klasifikasi menurut bentuk rumah: 1) Pompa volut, Gambar I.3.a. Pompa volut merupakan pompa yang bentuk rumah (casing)nya seperti rumah keong dengan tujuan untuk mengubah energi kinetic menjadi energi tekan fluida 2) Pompa diffuser, Gambar I.3.b. Pompa difuser adalah pompa yang menggunakan difuser sebagai pengganti rumah keong. 3) Pompa aliran campur jenis volut, Gambar I.3.c. Pompa ini merupakan pompa yang menggunakan impeler jenis campur serta sebuah rumah volut.
Pompa dan Kompresor
8
d. Klasifikasi menurut jumlah tingkat: 1) Pompa satu tingkat, Gambar I.5.a. Pompa satu tingkat hanya mempunyai satu impeler sehingga head total yang dihasilkannya relatif rendah. 2) Pompa bertingkat banyak, Gambar I.5.b. Pompa bertingkat banyak memiliki beberapa impeler yang disusun secara berderet pada satu poros, sehingga zat cair yang keluar dari impeler yang pertama dimasukkan ke impeler yang kedua hingga impeler tingkat terakhir, dengan demikian head total yang dihasilkannya pun relatif tinggi yang merupakan penjumlahan head dari masing-masing impeler.
Gambar I.5 Pompa sentrifugal
e. Klasifikasi menurut posisi/letak poros: 1) Poros mendatar/horisontal (Gambar I.6) 2) Poros tegak/vertikal (Gambar I.7)
Gambar I.6 Pompa datar/horisontal
Pompa dan Kompresor
9
Gambar I.7 Pompa tegak/vertikal
f. Klasifikasi menurut sisi masuk impeler: 1) Pompa isapan tunggal, Gambar I.5.a. Pompa isapan tunggal merupakan pompa yang hanya menggunakan satu sisi sebagai, akibat dari hal ini adalah timbulnya gaya aksial ke arah sisi hisap pompa karena fluida masuk pada satu sisi impeler saja, sedangkan tekanan yang bekerja pada masing-masing tidak sama. Gaya ini dapat ditahan oleh bantalan aksial pada pompa ukuran kecil, untuk pompa ukuran besar dipakai cara tertentu untuk mengatasi masalah gaya ini. 2) Pompa isapan ganda, Gambar I.8. Pompa isapan ganda menggunakan dua sisi sebagai tempat isapan, pada pompa jenis ini gaya aksial yang timbul dapat dinetralkan karena pompa memasukkan zat cair dari dua sisi impeler sehingga gaya aksial yang timbul saling meniadakan. Pompa isapan ganda juga bertujuan untuk meningkatkan kapasitas/debit aliran.
. Gambar I.8 Pompa volut jenis isapan ganda
Pompa dan Kompresor
10
e. Klasifikasi Menurut Belahan Rumah 1) Pompa jenis belahan mendatar, Gambar I.9. Pompa jenis ini mempunyai rumah yang dapat dibelah menjadi bagian bawah dan bagian atas oleh bidang mendatar yang melalui sumbu poros. Jadi bagian yang berputar dapat diangkat setelah rumah belahan atas dibuka. Karena nosel isap dan nosel keluar keduanya terpasang pada rumah belahan bawah, maka pada waktu pompa dibuka, pipa isap dan pipa keluar tidak perlu dilepaskan. Dengan demikian pembongkaran dapat dilakukan Iebih mudah. Pompa jenis rumah terbelah sering dipakai pada pompa berukuran menengah dan besar dengan poros mendatar.
Gambar I.9 Pompa jenis belah mendatar
2) Pompa jenis belahan radial, Gambar I.10. Rumah pompa jenis mi terbagi oleh sebuah bidang yang tegak lurus poros, seperti diperlihatkan dalam. Pompa mi mempunyai konstruksi yang relatip sederhana serta menguntungkan sebagai bejana bertekanan karena bidang belahan tidak mudah bocor. Sebab itu konstruksi seperti mi sering dipakai untuk pompa-pompa kecil dengan poros mendatar. Jenis mi juga sesuai untuk pompa berporos tegak di mana bagianbagian yang berputar dapat dibongkar ke atas sepanjang poros. 3) Pompa jenis berderet, Gambar I.11 Jenis mi terdapat pada pompa bertingkat banyak yang di mana rumah pompa terbagi oleh bidang-bidang tegak lurus poros sesuai dengan jumlah tingkat yang ada. Pompa jenis ini pada dasarnya mirip jenis belahan radial yang tidak mudah bocor oleh tekanan dan dalam. Selain itu, masing-masing tingkat biasanya dibuat dengan bentuk dan ukuran yang sama sehingga dapat disusun dalam jumlah yang sesuai untuk mendapatkan head total pompa yang dikehendaki.
Pompa dan Kompresor
11
Gambar I.10 Pompa jenis belah radial
Gambar I.11 Pompa jenis berderet
1.3 Sifat fluida zat cair Sifat-sifat fluida zat cair yang perlu diperhatikan pada sistem aliran : a. Viskositas fluida Fluida atau zat cair yang bergerak akan mengalami tahanan atau geseran (friksi) pedalaman, akibat variasi kecepatan dalam fluida atau adanya kecepatan relatif diantara lapisan fluida yang berdekatan. Sifat friksi pedalaman fluida disebut viskositas ( ). Viskositas dipengaruhi oleh suhu (temperatur).Viskositas akan menurun dengan kenaikan suhu, dan sebaliknya akan naik dengan turunnya suhu. Koefisien viskositas , sering juga disebut dengan viskositas dinamik untuk membedakannya dengan viskositas kinematik , yang didefinisikan sebagai: = / , dimana adalah massa jenis. Semakin besar viskositas, friksi dalam aliran pipa dan jumlah daya yang diperlukan oleh pompa akan meningkat, sedangkan head, debit/kapasitas, dan efisiensi pompa akan berkurang. Viskositas biasanya ditentukan dengan suatu alat yang disebut viskometer. Beberapa jenis viskometer antara lain viskometer Redwood, viskometer Stoke, dan viskometer tabung U. Pompa dan Kompresor
12
b. Tekanan Tekanan secara umum dapat didefinisikan sebagai gaya persatuan luas. Tekanan bekerja pada permukaan fluida dalam arah normalnya. Fluida tidak mempunyai tegangan normal tarik, hanya kompresi dan disebut sebagai tekanan. Pada suatu titik dalam fluida yang diam, tekanan dalam semua arah adalah sama. Ada beberapa istilah yang berhubungan dengan tekanan seperti tekanan atmosfer, tekanan terukur (gauge), tekanan vakum, tekanan absolut, dan tekanan absolut nol (tekanan hampa). Hubungan antara tekanan tersebut dapat ditunjukkan dengan diagram pada Gambar I.12.
Gambar I.12 Diagram tekanan
Tekanan absolut (P abs) = P atm + Pg = P atm – Pv Misalkan P atm = 1 bar dan tekanan terukur positipnya adalah 350 kPa, maka P abs = 100 kPa + 350 kPa = 450 kPa. Jika P atm = 1 bar dan tekanan vakumnya = 5,5 psig, maka P abs = 9 psia. c. Massa jenis, berat jenis, volume jenis, gravitasi jenis Masa jenis ( )
M kg lb (m) . M = massa, V = volume V m 3 ft 3
kg N N Berat jenis SI : g 3 Air: 1000 3 , dan 9810 3 m m m Sistem British Air , 62,4
lbm , dan ft 3
62,4
lbf ft 3
Pompa dan Kompresor
13
Volume jenis (v)
1 ft 3 m 3 / kg , lbm
Gravitasi jenis (specific gravity, disingkat sp gr atau s.g )
Sp.gr
zat p H 2O
Contoh : minyak mempunyai harga Sp.gr = 0,9, maka : Massa jenis minyak ( ) = (0,9)(1000) [kg/m3] = 900 [kg/m3] Volume jenis minyak (v) = 1/=(1/900) [m3/kg] = 0,001 [m3/kg] Berat jenis minyak ( ) = g=(900)(9,81) [N/m3] = 8829 [N/m3]
1.4 Head dan kapasitas fluida Head atau tinggi tekan dan kapasitas atau debit aliran merupakan besaran utama dalam pompa. Persyaratan utama sebuah pompa adalah bahwa pompa dapat mengalirkan jumlah cairan yang sesuai ke tinggi tekan yang ada pada sistem pompa. Head Tekanan suatu fluida cair P dapat diasumsikan sebagai tekanan pada suatu kolom vertikal berisi fluida dimana karena pengaruh beratnya memberikan tekanan yang sebanding dengan tekanan di semua titik. Tinggi kolom ini disebut head statis, H dan dinyatakan dalam satuan meter (m) atau feet (ft). Head statis pada suatu tekanan tertentu bergantung pada berat fluida menurut rumus berikut : P H =
γ P atau
H=
ρg dimana ρ massa jenis, γ berat jenis dan g gravitasi. Sebuah pompa sentrifugal menciptakan kecepatan fluida. Energi kecepatan ini kemudian ditransformasikan ke energi tekanan saat fluida lepas dari pompa. Oleh karenanya, head yang tercipta bisa dikatakan sebanding dengan energi kecepatan impeler. Hubungan ini dinyatakan pada persamaan berikut:
Pompa dan Kompresor
14
dimana; H = head total v = Kecepatan impeler Head sebuah pompa dapat diperkirakan dengan menghitung kecepatan impeler dan memasukkannya pada rumus di atas. Itulah sebabnya mengapa dalam pompa selalu mendasarkan pada pemahaman head fluida dan bukan pada tekanan. Kapasitas Kapasitas atau debit (Q) dalam satuan SI dinyatakan dalam m3/s dan dalam satuan British adalah gallon per menit (gpm) atau cubic feet per menit (cfm). Karena cairan tidak dapat dimampatkan, ada hubungan langsung antara debit pompa dan kecepatan aliran. Hubungan tersebut terlihat sebagai berikut:
Q = A. V Q = (π/4. D2). V dimana : Q = kapasitas/debit aliran A = luas penampang pipa V = kecepatan aliran D = diameter pipa
1.5 Sistem aliran fluida Dalam sistem aliran fluida pada sistem pompa dan pipa ada beberapa persamaan yang umum digunakan: 1) Persamaan kontinuitas sepanjang aliran titik 1 dan 2: Q = V . A = V1.A1 = V2.A2 = tetap di mana Q = kapasitas/debit aliran, V = kecepatan aliran fluida dan A = luas penampang pipa 2) Persamaan energi aliran (Persamaan Birnoulli) antara dua titik permukaan fluida, P1/ + Z1 + V12/2g + Hp = P2/ + Z2 + V22/2g + HL dimana : P = tekanan, Z = ketinggian, = ρg = berat jenis, g = gravitasi, Hp = head pompa dan HL = rugi head pipa. Pompa dan Kompresor
15
Rugi head pipa: HL = Hf + Hm Hf = rugi gesek pipa (rugi mayor) Hm = rugi komponen perpipaan (rugi minor) seperti belokan, katup, dll. Persamaan Darcy: HL = (f.L/d + K) V2/2g Hf = (f.L/d) V2/2g dimana f = koefisien gesek pipa, L = panjang pipa, D = diameter pipa’ Untuk aliran laminar, Re < 2300, f = 64/Re Untuk aliran turbulen, Re > 2300, Formula Darcy : f = 0,020 + 0,0005/D. D = diameter pipa (m) Kerugian minor: Hm
=
K. V2/2g , K= fitting factor.
3) Persamaan Head Pompa (Hp) Hp = (P2- P1)/ + (Z2- Z1) + (V22 - V12)/2g + HL Jika P1= P2 dan V1 = V2, maka: Hp = (Z2- Z1) + HL = Hs + HL, Hs = head statik 4) Perhitungan daya pompa (Np) Dalam satuan SI: Np = ρg QHp/p dimana Np[W], Q[m3/s], Hp[m], p = efisiensi pompa atau
Np = 9,81QHp/p , dan Np dalam satuan kW
Dalam satuan Metrik (Teknik): Np = 0,163QHp/p , dimana Np [kW], Q[m3/menit], Hp[m]
Pompa dan Kompresor
16
1.6 Putaran spesifik pompa Putaran spesifik (ns) adalah besaran yang dapat digunakan untuk pemilihan jenis pompa, dan harganya dapat ditentukan sesuai persamaan:
dimana n = putaran pompa (rpm), Q = kapasitas/debit aliran (m3/menit), H = head total (m), dan n, Q, dan H adalah harga-harga pada titik efisiensi maksimum pompa. Dari persamaan tersebut dapat disimpulkan bahwa pompa dengan head total yang tinggi dan kapasitas aliran yang kecil cenderung mempunyai harga ns yang kecil. Sebaliknya dengan head total yang rendah dan kapasitas aliran yang besar, harga ns pompa akan menjadi besar. Selanjutnya, apabila kapasitas aliran dan head total tetap sama, harga ns akan berubah jika putaran n berubah. Dalam hal ini ns akan bertambah besar jika putaran n menjadi lebih tinggi. Gambar I.13 memperlihatkan harga ns dalam hubungannya dengan bentuk impeler yang bersangkutan. Di sini juga diperlihatkan jenis pompa yang sesuai dengan harga ns yang ada. Jika harga ns kecil, impeler akan berjenis sentrifugal (atau radial). Lebar saluran di dalam impeler akan bertambah besar jika harga ns bertambah besar. Bila ns bertambah lebih lanjut, maka akan dicapai bentuk aliran campur. Di sini aliran melalui impeler akan mempunyai arah diagonal (menyudut) terhadap sumbu poros. Jika ns diperbesar lagi maka aliran akan berarah aksial atau sejajar dengan sumbu poros.
Gambar I.13 ns dan bentuk impeler
Pompa dan Kompresor
17
Dalam menghitung ns, untuk pompa sentrifugal jenis isapan ganda (double suction) harus dipakai harga Q/2 sebagai ganti Q dalam persamaan, karena kapasitas aliran yang melalui sebelah impeler adalah setengah dan kapasitas aliran keseluruhan. Adapun untuk pompa bertingkat banyak, head H yang dipakai dalam perhitungan ns adalah head per tingkat dan pompa tersebut.
1.7 Spesifikasi dan pemilihan pompa Dalam memilih suatu pompa untuk suatu kebutuhan, terlebih dahulu harus diketahui head dan kapasitas/debit aliran yang diperlukan. Selain itu, agar pompa dapat bekerja dengan baik, perlu ditaksir berapa tekanan minimum yang teresedia pada sisi masuk/isap pompa yang terpasang pada instalasinya. Atas dasar tekanan isap ini maka putaran pompa dapat ditentukan. Contoh data yang umumnya diperlukan untuk memilih pompa disajikan pada Tabel I.1. Dalam merencanakan instalasi suatu pompa, persyaratan khusus sering dijumpai. Jenis-jenis pompa yang harus dipertimbangkan terlebih dahulu untuk berbagai kondisi instalasi antara lain sebagai berikut: (1) (2) (3) (4) (5) (6)
Ruangan terbatas : pompa tegak Sumur dalam : pompa tegak jenis sumur dalam (submersible) Fluktuasi permukaan air isap : pompa tegak Ruang dapat terendam : pompa tegak Air limbah/lumpur : pompa volut(sentrifugal, diffuser) Mencegah pengotoran : pompa volut(sentrifugal, diffuser) mendatar atau pompa tegak dengan pelumas air.
Pompa dan Kompresor
18
Tabel I-1 Spesifikasi pompa
1.8 Soal-soal 1. Jelaskan pengertian dan fungsi pompa 2. Klasifikasikan semua jenis pompa 3. Apa yang dimaksud dengan pompa tekanan statik atau pompa perpindahan positip? 4. Apa yang dimaksud dengan pompa tekanan dinamik atau pompa dinamik? 5. Jelaskan perbedaan prinsip utama antara pompa tekanan statik dan pompa tekanan dinamik 6. Gambarkan diagram instalasi sistem pompa dan pipa 7. a. Jelaskan singkat apa yang dimaksud dengan rugi head mayor dan rugi head minor pada aliran fluida dalam perpipaan. b. Tuliskan persamaan rugi head menurut Darcy. Sebutkan arti notasi dan satuan yang digunakan dalam satuan SI 8. Tuliskan persamaan untuk menentukan rugi head pipa, head pompa dan daya
Pompa dan Kompresor
19
pompa, dan sebutkan arti notasi besaran dan satuan yang digunakan.pada suatu sistem aliran fluida dengan pompa. 9. Sebuah instalasi pompa dan pipa seperti gambar di bawah. L= 120 m, d pipa = 4 inci, Q = (600 + 50 A) liter/menit, p= 0,85, Koefisien gesek pipa(f) = 0,02. Hitung : Rugi head pipa (HL), head pompa (Hp)dan daya pompa (Np) K= 4.5 K= 1,5 K= 1 K= 1,5 K= 2,5 K= 1,5 K= 1,5
K= 1,5 Pom pa K= 1,5
K= 1
10. Apa yang dimaksuddengan putaran spesifik? Tuliskan persamaan untuk menghitung putaran spesifik dan jelaskan arti notasi yang digunakan.
Pompa dan Kompresor
20
BAB II POMPA SENTRIFUGAL
Tujuan Pembelajaran Umum Mampu memahami prisip kerja, diagram kecepatan dan dimensi impeler, head dan kapasitas/debit, kurva karakteritikdan efisiensi pompa sentrifugal Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Dapat mengetahui tentang prinsip kerja pompa sentrifugal 2. Dapat mengetahui bentuk dan jenis impeler, menjelaskan segitiga kecepatan, dapat menghitung sederhana dimensi impeler 3. Dapat memahami pengertian efisiensi hidrolik, efisiensi volumetrik, dan efisiensi mekanik, serta karakteristik pompa sentrifugal
2.1 Prinsip kerja pompa sentrifugal Pompa sentrifugal adalah salah satu jenis peralatan pompa yang paling banyak digunakan di industri dan yang paling sederhana dalam berbagai proses operasinya. Fungsinya adalah untuk mengkonversi energi mekanis poros menjadi energi kecepatan atau energi kinetik dan kemudian menjadi energi tekanan cairan yang dipompa. Ciri-ciri dan karakteritik pompa sentrifugal : - Mampu bekerja pada putaran tinggi karena dapat langsung dikopling dengan motor penggerak mulanya. - Bentuk lebih kecil dan bobot lebih ringan dibanding dengan pompa jenis torak - Keausan yang terjadi cukup kecil karena sedikit sekali komponen yang bergesekan - Biasanya beroperasi pada kapasitas yang besar namun pada head yang rendah hingga sedang. Untuk mendapatkan head yang tinggi, maka digunakan pompa sentrifugal bertingkat banyak Pada pompa sentrifugal, motor penggerak akan memutar impeler pompa, sehingga zat cair yang ada didalamnya akan ikut berputar karena dorongan sudusudu. Akibatnya akan timbul gaya sentrifugal yang menyebabkan cairan meninggalkan impeler dengan kecepatan tinggi, selanjutnya energi kinetik diubah menjadi energi tekanan fluida dengan melewatkannya pada casing yang berupa saluran dengan penampang yang semakin meluas/membesar. Perubahan energi yang terjadi berdasarkan dari dua bagian utama pompa, impeler dan volut atau difuser. Impeler adalah bagian yang berputar yang mengubah energi mekanis poros menjadi energi kinetik. Rumah keong (volute
casing) adalah bagian stasioner yang mengubah energi kinetik menjadi energi tekanan. Energi yang diciptakan oleh gaya sentrifugal adalah energi kinetik. Jumlah energi yang diberikan kepada cairan adalah proporsional terhadap kecepatan di tepi atau ujung baling-baling impeller. Semakin cepat impeler berputar atau impeller yang lebih besar, maka semakin tinggi kecepatan cairan di ujung baling-baling dan semakin besar energi diberikan kepada cairan. Energi kinetik cairan yang keluar dari impeler dimanfaatkan dengan menciptakan suatu resistensi terhadap aliran. Hambatan pertama adalah dibuat oleh volut pompa (casing) yang menangkap cairan dan memperlambat ke bawah. Dalam nosel keluar, cairan lebih lanjut berkurang kecepatannya yang diubah menjadi tekanan sesuai dengan prinsip Birnoulli. Gambar II.1 menggambarkan sisi penampang pompa sentrifugal yang menunjukkan gerakan cairan.
Gambar II.1 Sisi penampang pompa sentrifugal
2.2 Impeler dan diagram kecepatan Pompa Sentrifugal adalah pompa yang memindahkan fluida dengan memanfaatkan gaya sentrifugal dari perputaran impeler seperti ditunjukkan pada Gambar II.2.
Pompa dan Kompresor
22
Gambar II.2 Komponen utama pompa sentrifugal
Diagram segitiga kecepatan yang terjadi pada impeler pompa sentrifugal ditunjukkan pada Gambar II.3. Notasi atau simbol yang digunakan adalah sebagai berikut: C = kecepatan absolut U = kecepatan tangensial W = kecepatan relatif Cr = kecepatan radial Cx = proyeksi kecepatan absolut dalam arah tangensial Wx = proyeksi kecepatan relatif dalam arah tangensial α = sudut pengarah β = sudut blade ω = kecepatan sudut r = jari-jari impeler Subskrip 1 dan 2 masing-masing adalah merepresentasikan posisi impeler pada sisi masuk dan keluar. Besarnya kecepatan tangensial U = ω.r = (2 Л r n)/60 rad/s dan n adalah putaran impeler (rpm)
Pompa dan Kompresor
23
Gambar II.3 Diagram kecepatan pada impeler
Perhitungan head dan kapasitas yang dihasilkan impeler Parameter besaran utama pada pompa sentrifugal adalah tinggi tekan (head), H dan kapasitas/debit, Q. Persamaan untuk menghitung head pompa didasarkan diagram kecepatan pada Gambar II.3. Head teoritik yang dihasilkan impeller merupakan energi fluida (E) persatuan berat (mg) yang dapat ditentukan dengan persamaan :
H = E/mg = 1/g (U2.Cx2 – U1.Cx1) Pada pompa sentrifugal, kondisi pada sisi aliran masuk dibuat sedemikian rupa dalam arah radial atau α 1 = 90o, sehingga Cr1 = C1 atau Cx1 = 0, dan persamaan head teoritik impeler menjadi:
H = 1/g ( U2.Cx2) Persamaan untuk menetukan kapasitas aliran (debit) :
Q = Cr1. A1 = Cr2. A2 = Cr1. 2Л r1. b = Cr2. 2Л r2. b dimana b adalah lebar impeler. Daya fluida yang dihasilkan oleh impeler pompa,
P = ρ g Q H/ηp dimana ρ adalah massa jenis fluida dan ηp adalah efisiensi pompa. Pompa dan Kompresor
24
2.3 Kurva dan efisiensi pompa sentrifugal Efek variasi kapasitas aliran pada kecepatan aliran masuk dan keluar ditunjukkan pada Gambar II.4 dan II.5. Sedangkan efek variasi sudut blade sisi keluar β2 ditunjukkan pada Gambar II.6
Gambar II.4 Efek variasi laju aliran sisi akiran masuk
Gambar II.5 Efek variasi laju aliran pada sisi aliran keluar
Gambar II.6 Variasi sudut blade keluar
Pompa dan Kompresor
25
Kurva karakteritik teoritik pompa sentrifugal dengan variasi sudut baling-baling (blade) keluar ditunjukkan pada Gambar II.7
Gambar II.7 Karakteristik teoritik pada variasi sudut blade keluar
Dalam rancangan pompa sentrifugal, pada umumnya dibuat sudut baling-baling keluar β2 < 90o , dan dengan kondisi rugi-rugi dan slip, maka kurva karakteristik akhir dapat dilihat pada Gambar II.8.
Gambar II.8 Karakteristi akhir pompa sentrifugal
Pompa dan Kompresor
26
Rugi-rugi dan efisiensi pompa sentrifugal Rugi-rugi daya pada pompa sentrifugal meliputi rugi daya mekanis, rugi daya hidrolik (terdiri dari rugi daya impeler dan rugi daya casing), dan rugi daya karena kebocoran zat cair (rugi volumetrik). Gambar II.9 menunjukkan rugi-rugi daya terhadap daya inputnya. Segi-empat OABC menggambarkan daya input total dari poros Pi, sementara OADEFC menggambarkan rugi daya mekanis, EFGI menggambarkan rugi pada impeler, MLGK menggambarkan rugi pada casing, dan DJKI menggambarkan rugi kebocoran zat cair (rugi volumetrik). Daya keluaran fluida berguna pompa, Po digambarkan pada bidang JBLM dan dapat dinyatakan besarnya, Po = ρgQH. Efisiensi total, ηtot adalah rasio daya keluaran Po terhadap input Pi,
ηtot = Po/Pi = ηi. ηc ηv ηm dimana ηi = efisiensi impeler, ηc = efisiensi casing, ηv = efisiensi volumetrik (kebocoran) dan ηm = efisensi mekanis.
Gambar II.9 Rugi-rugi pada pompa sentrifugal
Pengaruh impeler Dari pembahasan diatas tentang karakteristik impeler pompa sentrifugal dengan rugi-ruginya, maka secara umum digambarkan kurva kinerja pompa antara head (H) dan kapasitas (Q) seperti pada Gambar II.10.
Pompa dan Kompresor
27
H
Q Gambar II.10 Kurva H-Q pompa sentrifugal
Semakin lebar impeler pompa sentrifugal biasanya akan mengubah kurva headdebit atau kapasitas (H-Q). Gambar II-10 menunjukkan bahwa impeler yang lebih lebar akan mengalirkan debit air yang lebih banyak dibandingksn dengan impeler yang lebih tipis dan umumnya mempunyai kurva H-Q yang lebih rata. Pompa dengan impeler yang lebih tipis mempunyai debit yang lebih kecil dan kurva yang lebih curam.
Gambar II.11 Pengaruh lebar impeler dan kurva H-Q
Perubahan jarak bagi (pitch) baling-baling impeler juga akan mengubah kinerjanya. Baling radial atau yang menyerupai jeruji (spokelike) biasanya mempunyai kurva H-Q yang rata (Gambar II-11). Baling-baling yang membengkok ke belakang akan memberikan kurva H-Q yang lebih curam.
Pompa dan Kompresor
28
Gambar II.12 Pengaruh jarak bagi (pitch) dan kurva H-Q
Dengan memperbanyak jumlah baling-baling (blade) pada impeler juga akan menghasilkan kurva H-Q yang lebih rata (Gambar 4-35). Dengan mengurangi jumlah baling-baling akan memberikan kurva yang lebih curam seperti yang ditunjukkan pada Gambar II-12.
Gambar II.13 Pengaruh jumlah blade dan kurva H-Q
Pompa dan Kompresor
29
2.4 Soal-soal Gambarkan sketsa pompa sentrifugal Jelaskan prinsip kerja pompa sentrifugal Gambarkan sketsa sebuah impeler pompa sentrifugal dengan diagram segitiga kecepatan Tuliskan persamaan untuk menentukan head dan debit teoritik yang dihasilkan impeler. Jelaskan arti notasi yang digunakan Sebuah impeler pompa sentrifugal bekerja pada putaran (1450 + 50 A) rpm. Data dimensi impeler adalah sbb: diameter dalam 100 mm, diameter luar 500 mm, lebar 64 mm, 1= 20o, 2= 30o, dan 1= 90o. Tentukan : a. Diagram segitiga kecepatan pada impeler b. Head dan kapasitas/debit teoritik yang dihasilkan impeler c. Daya poros input jika efisiensi pompa {total}= 0,85 Sebutkan rugi-rugi daya pada pompa sentrifugal Jelaskan pengertian tentang efisiensi hidrolik, efisiensi volumetrik, efisiensi mekanik dan efisiensi total pompa Gambarkan dan jelaskan karakteristik akhir pada diagram H-Q yang dihasilkan pompa sentrifugal Jelaskan pengaruh lebar impeler terhadap kurva H-Q Jelaskan pengaruh jumlah baling-baling (blade) pada impeler pompa sentrifugal terhadap kurva H-Q yang dihasilkan
Pompa dan Kompresor
30
BAB III KARAKTERISTIK & OPERASI POMPA Tujuan Pembelajaran Umum Memahami karakteristik kinerja, kurva H-Q pompa dan sistem pemompaan, operasi pompa sentrifugal, NPSH, kavitasi, dan benturan air. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Memahami kurva karakteristik operasi (Kurva H - Q) pompa sentrifugal 2. Memahami kurva H-Q sistem pemompaan 3. Memahami prinsip persamaan/hukum afinitas (kesebangunan) 4. Memahami prinsip operasi dan karakteritik sistem pompa seri dan paralel 5. Memahami prinsip dan kriteria NPSH yang tersedia dan yang diperluan 6. Mehahami pengertian tentang kavitasi pompa 7. Mehahami pengertian tentang benturan air pada sistem pompa
3.1 Karakteristik kinerja pompa Kinerja atau performansi pompa sentrifugal dapat ditunjukkan dalam kurva karakteristik secara grafik sewperti diperlihatkan pada Gambar III.1. Kurva karakteristik menunjukkan head total, H (Total Dynamic Head, TDH), daya (P), efisiensi, dan Net Positive Suction Head (NPSH), semuanya di plot terhadap kapasitas atau debit pompa (Q).
Gambar III.1 Kurva karakresitik pompa
Operasi sebuah pompa dapat mempengaruhi kinerjanya apabila kapasitasnya melebihi harga pada titik efisiensi optimumnya. Jika pompa sentrifugal dengan
dioperasikan pada kapasitas di atas harga normalnya, maka daya poros akan naik melebihi daya normalnya, menyebabkan efisiensinya menurun sehingga dapat menyebabkan terjadinya panas. Untuk mengatasi hal ini harus dipilih motor penggerak dengan daya yang cukup besar sesuai dengan pola operasi pompa yang berlaku agar motor tidak mengalami pembebanan lebih. Jika cara mi tidak mungkin dilakukan maka laju aliran dalam pipa harus dibatasi dengan memasang katup pengatur atau cara lain. NPSH yang diperlukan akan naik pada laju aliran yang melebihi harga normalnya. Jadi perlu disediakan NPSH pada laju aliran maksimum yang lebih besar dan pada NPSH yang diperlukan. Jika hal mi tidak mungkin, maka laju aliran harus dibatasi dengan katup pengatur aliran agar tidak terjadi kavitasi. Gambar III.2, III.3, dan III.4 adalah kurva tak berdimensi yang menggambarkan bentuk umum kurva karakteristik pada beberapa jenis pompa. Head, daya, dan efisensi yang ditunjukkan dalam persen dari harga disain atau pada kondisi best efficiency point (BEP). Gambar III.2 menunjukkan bahwa kurva head untuk sebuah pompa sentrifugal radial relatif datar dan bahwa head berkurang secara gradual pada kapasitas aliran yang meningkat. Kurva daya meningkat secara gradual terhadap kenaikan kapasitas (sampai dengan kapasitas maksimum) .
Gambar III.2 Karakteristik pompa sentrifugal aliran radial
Pompa sentrifugal aliran campur (mixed flow) dan pompa aksial/propeler memiliki perbedaan karakteristik yang signifikan (Gambar III.3 dan III.4). Kurva head untuk pompa aliran campur lebih curam dibanding pompa radial. Shut-off/maximum head umumnya 150 % hinggá 200% dari harga head disain (Gambar III.3). Daya relatif konstan terhadap debit. Untuk pompa aksial, head dan daya meningkat tajam kearah shut-off (Gambar III.4). Pompa dan Kompresor
32
Gambar III.3 Karakteristik pompa aliran campur
Gambar III.4 Karakteritik pompa aliran aksial
Perbedaan karakteristik diantara ketiga jenis pompa di atas tidaklah absolut, dan ada banyak pompa dapat merupakan kombinasi ketiganya. Contoh Pompa Vane Francis memiliki karakteristik antara pompa jenis radial dan jenis aliran campur. Sebagian besar pompa turbin (pompa difusor) juga memiliki karakteristik antara pompa jenis radial dan jenis aliran campur tergantung pada putaran spesifiknya. Pompa dan Kompresor
33
Gambar III.5 menunjukkan kurva pompa dari sebuah manufaktur. Pompa akan bekerja pada putaran tertentu dengan variasi diameter impeler dari minimum hingga maksimum.
Gambar III.5 Kurva kinerja pompa
3.2 Kurva sistem pemompaan Suatu pompa dengan suatu jenis impeler dan dengan suatu kecepatan, akan menaikkan fluida pada ketinggian tertentu tanpa perlu menghiraukan berat fluida sebagaimana terlihat pada Gambar III.6: Besaran head statis dalam sebuah sistem pemompaan dimana pompa terletak di posisi lebih tinggi dari tangki tempat penghisapan. (Static Suction Head).
Pompa dan Kompresor
34
Gambar III.6 Posisi pompa lebih tinggi permukaan isap
Head isap (suction head) terjadi saat sumber suplai di atas garis tengah pompa. Jadi head isap statik adalah jarak vertikal dari garis tengah pompa hingga ketinggian fluida yang dipompa. Gambar III.7 menunjukkan head statik di sebuah sistem pemompaan dimana pompa terletak lebih rendah dari sisi permukaan iisap (Static Suction Head).
Gambar III.7 Posisi pompa lebih rendah dari permukaan isap
Pompa dan Kompresor
35
Head keluaran static (Static Discharge Head), adalah jarak vertikal antar garis datar pompa (centerline) dengan garis permukaan fluida cair pada sisi keluaran (discharge). Head Statik Total (Total Static Head), adalah jarak vertikal antara garis permukaan fluida pada sisi isap (source) dan titik terluar pada sisi discharge atau garis permukaan fluida pada sisi discharge. Head Tahanan/Gesekan (Friction Head), adalah head yang diperlukan untuk mengatasi hambatan aliran pada pipa dan fitting. Hal ini tergantung pada ukuran, kondisi dan jenis pipa,jumlah dan tipe fitting, kecepatan aliran, dan sifat dari fluida yang mengalir. Total Dynamic Suction Head (hs) adalah besarnya Static suction lift ditambah dengan head kecepatan pada flens sisi isap ditambah dengan total friction head pada sisi isap. Total Dynamic Suction Lift ditentukan pada pengetesan pompa yaitu nilai yang terbaca pada gauge sisi isap, dikonversikan ke feet kolom air dengan dikoreksikan ke centerline pompa ditambah dengan head kecepatan pada titik di tempat gauge terpasang. Total Dynamic Discharge Head (hd), adalah besarnya Static discharge head ditambah dengan head kecepatan pada flens sisi tekan ditambah dengan total friction head pada sisi tekan. Total Dynamic Discharge head ditentukan pada pengetesan pompa yaitu nilai yang terbaca pada gauge sisi tekan, dikonversikan ke feet kolom air dengan dikoreksikan ke centerline pompa ditambah dengan head kecepatan pada titik di tempat gauge terpasang. Total Head (H) atau Total Dynamic Head (TDH), adalah besarnya total dynamic discharge head dikurangi dengan total dynamic suction head TDH = hd + hs (pada suction lift) TDH = hd - hs (pada suction head) Untuk putaran dan diameter impeler tertentu, pompa sentrifugal mempunyai kurva performansi yang tertentu pula. Kurva sitem pipa akibat gesekan pipa mempunyai bentuk parabola karena fungsi kuadrat debit/kapasitas. Dalam operasinya, pompa harus dapat memenuhi operasi sistem pipa. Karena itu, disamping kurva head-kapasitas pompa perlu diketahui pula kurva headkapasitas darn sistem. Besarnya head sistem, yaitu head yang diperlukan untuk mengalirkan zat cair melalui sistem pipa, adalah sama dengan head untuk mengatasi kerugian gesek ditambah head statis sistem. Head statis ini adalah head potensial dan beda tekanan statis pada kedua permukaan zat keluar. Jika kurva mi digambarkan dalam diagram berbentuk seperti diperlihatkan dalam Gambar III.8. Titik perpotongan antara kurva head-kapasitas dan pompa dan dan sistem merupakan titik kerjo pompa dan sistem. Pada titik ini head yang diperlukan oleh sistem sama dengan head yang dapat diberikan oleh pompa pada laju aliran yang sama. Kurva head-kapasitas (H-Q) dan sistem dapat berubah misalnya karena head statis atau tahanan sistem pipa berubah. Jika hal demikian terjadi maka titik kerja pompa-sistem juga akan berubah. Gambar III.9 memberikan eontoh di Pompa dan Kompresor
36
mana kurva H-Q sistem berubah dan S1 menjadi S2 karena head statisnya naik dan Hst1 menjadi Hst2. Di sini titik kerja berubah dan K, ke K2 dan laju aliran berubah dan Q1 menjadi Q2. Gambar III.10 memberikan contoh perubahan kurva sistem dan S1 menjadi S2 karena kenaikan tahanan sistem pipa. Kenaikan tahanan semacam mi dapat terjadi misalnya karena katup pengatur aliran diperkecil pembukaannya. Di sini titik kerja akan berubah dan K1 ke K2 dan laju aliran mengecil dan Q1 menjadi Q2.
Gambar III.8 Kurva pompa dan sistem pipa
Gambar III.9 Variasi head statis
Pompa dan Kompresor
37
Gambar III.10 Variasi head tahanan/gesekan
Kurva Pompa - Sistem Pipa (tanpa head statis) Gambar III.11 tidak ada head statik dan kurva mulai dari debit nol dan kurva sistem hanya dipengaruhi kurva sistem dari rugi head gesekan. Kapasitas fluida dapat diatur dengan katup throttling.
Gambar III.11 Kurva sistem pemopaan (tanpa head statik)
Pompa dan Kompresor
38
Kurva sistem dengan head statik positip (Gambar III.12).
Gambar III.12 Kurva sistem dengan head statik positip
Kurva sistem dengan head negatif atau gravitasi (Gambar III.13)
Gambar III.13 Kurva sistem dengan head negatip
Pompa dan Kompresor
39
Kurva sistem dengan head statik positip yang dominan (Gambar III.14)
Gambar III.14 Kurva sistem dengan head statik dominan
Kurva sistem dengan variasi putaran dan tekanan (Gambar III.15)
Gambar III.15 Kurva sistem dengan variasi putaran dan tekanan
Pompa dan Kompresor
40
Karakteritik instalasi (Gambar III.16)
Gambar III.16 Kurva dan karakteristik instalasi
3.3 Operasi pompa seri dan paralel Operasi pompa seri Tujuan melakukan instalasi pompa secara seri (Gambar III.16) adalah untuk menambah head, sedangkan kapasisitas/debitnya tetap. Besar head dan kapasitas dapat dinyatakan sebagai berikut: H total = H1 + H2 dan Q total = Q1 = Q2
Gambar III.17 Pompa sejenis yang diserikan
Pompa dan Kompresor
41
Operasi pompa paralel Tujuan melakukan instalasi pompa secara paralel (Gambar III.17) adalah untuk menambah kapasitas, sedangkan head nya tetap. Besar head dan kapasitas dapat dinyatakan sebagai berikut: H total = H1 = H2 dan Q total = Q1 + Q2
Gambar III.18 Pompa sejenis diparalelkan
Gambar III.18 menunjukkan operasi pompa seri atau paralel dengan pompa yang tak sejenis.
Gambar III.19Karakteristik operasi pompa seri-paralel tak sejenis
Pompa dan Kompresor
42
3.4 Persamaan afinitas/kesebangunan Hukum afinitas/kesebangunan mengekpresikan hubungan persamaan diantara beberapa variabel utama dalam performansi pompa. Hukum afinitas berlaku untuk semua jenis pompa sentrifugal dan pompa aliran aksial. Q = kapasitas (m3/h, GPM) H = head total, (m, ft) P = daya (kW) atau BHP = Brake Horsepower (HP) N atau n = putaran pompa, rpm D = diameter impeler (m, inchi) Untuk kondisi dmana diameter impeler pompa adalah tetap/konstan dan putaran berubah, maka persamaan afinitasnya dapat dituliskan:
Bila kondisi putaran tetap/konstan dan diameter impeler berubah, maka persamaan afinitas dapat ditulis:
Sedangkan jika kondisi putaran dan diameter impeler berubah, maka persamaan afinitas dapat dituliskan: A. Q1/Q2= (N1/N2)(D1/D2)3 B. H1/H2 = (N1/N2)2(D1/D2)2 C. BHP1/BHP2 = (N1/N2)3(D1/D2)5
Pompa dan Kompresor
43
Contoh Lihat Gambar III.20, putaran pompa N = 1750 rpm. Diamter impeler pompa = 13“ (asumsi). Bagaimana bila putaran pompa 2000 rpm?
Gambar III.20 Kurva performansi pompa
Dari diagram: N = 1750 rpm, D = 13“ Q = 300 GPM H = 160 ft BHP = 20 Hp
Pompa dan Kompresor
44
Ini adalah kondisi efisiensi terbaik (BEP) pada putaran 2000 rpm. Dengan cara yang sama maka dapat dibuat kurva baru seperti ditunjukkan pada Gambar III.21..
Gambar III.21 Kurvapada putaran 1750 dan 2000 rpm
3.5 Net Positive Suction Head (NPSH) Dalam disain system instalasi pompa dan pipa, suatu hal penting adalah menyediakan kecukupan NPSHav (NPSH tersedia) agar pompa beroperasi dengan baik. Ketidakcukupan NPSHAV menyebabkan keterbatasan serius dalam pemilihan pompa Ada 2 jenis NPSH, yaitu: 1) NPSH tersedia (NPSHAV), ditentukan dari kondisi instalasi. 2) NPSH diperlukan (NPSHRE) , ditentukan dari pabrik pembuat pompa
Pompa dan Kompresor
45
Persamaan untuk menetukan NPSH yang tersedia,
NPSHAV= Pa/ - Pv/ - Hs - HL [m] Pa = tekanan atmosfer [Pa] Pv = tekanan uap [Pa] Hs= head statik [m] + pompa di atas permukaan air - pompa di bwh permukaan air HL = rugi head pipa Persamaan untuk menetukan NPSH yang diperlukan, NPSHRE = ((NQ)/S)1/3 N = putaran pompa [rpm] Q = debit pompa[m3/menit,] S = suction specific speed, tetapan pompa [S = 9000] Data NPSHRE juga dapat diperoleh dari katalog pompa Persyaratan agar pompa dapat menghisap fluida cair/air: NPSHAV > NPSHRE Agar lebih aman diberikan faktor keamanan atau rasio margin sebesar 1,3: NPSHAV > 1,3 NPSHRE
3.6 Kavitasi Kavitasi pompa: gejala menguap nya zat cair yang sedang mengalir karena tekanan berkurang hingga di bawah tekanan uap jenuhnya. Air pada tekanan 1 atm akan mendidih pada suhu 100oC, namun jika tekanan lebih rendah, maka air akan menguap pada suhu yang lebih rendah. Jika tekanan hisap rendah, air pd suhu kamar dapat mengaup. Kavitasi dapat menyebabkan pompa tidak bekerja. Salah satu fenomena yang harus dihindari dalam pengoperasian pompa adalah kavitasi. Jika fluida berada dalam fasa cair, dari segi energi tidak menjadi soal apakah tekanan pompa berada jauh di atas maupun di bawah tekanan atmosfer. Namun, jika tekanan Pompa dan Kompresor
46
isap hanya sedikit lebih tinggi dari tekanan uap, sebagian zat cair mungkin berubah menjadi uap (flash) di dalam pompa. Fenomena ini terjadi apabila terdapat fraksi uap yang masuk ke dalam pompa, membentuk gelembung yang terbawa ke daerah bertekanan lebih tinggi, lalu tiba-tiba pecah. Kavitasi menyebabkan pelepasan logam, getaran, kebisingan, melemahnya aliran, dan berkurangnya efisiensi. Untuk menghindari fenomena ini, maka Required Net Positive Suction Head (NPSH)Re harus dipenuhi. (NPSH)Re sama dengan total head cairan pada garis pusat pompa dikurangi tekanan uap p. Nilai NPSH yang diperlukan adalah 5 sampai 10 feet untuk pompa sentrifugal kecil, tetapi meningkat dengan kapasitas pompa, kecepatan impeller, dan tekanan discharge. Pengaruh kavitasi: - Berkurangnya kapasitas pompa - Berkurangnya head (pressure) - Terbentuknya gelembung-gelembung udara pada area bertekanan rendah di dalam selubung pompa (volute) - Suara bising saat pompa berjalan. - Kerusakan pada impeller atau selubung pompa (volute).
3.7 Benturan air (water hammer) Benturan air (water hammer) adalah terjadinya perubahan kecepatan secara tibatiba (misalnya pada saat penutupan katup) pada sistem aliran fluida pipa dan pompa sehinga menyebabkan kenaikan tekanan yang besar pula pada sistem. Gejala mi terjadi bila suatu aliran zat cair di dalam pipa dengan tiba-tiba dihentikan misalnya dengan menutup katup secara sangat cepat. Di sini seolaholah zat cair mem bentur katup sehingga timbul tekanan yang melonjak dan diikuti fluktuasi tekanan di sepanjang pipa untuk beberapa saat. Pada pipa yang dihubungkan dengan pompa gejala benturan air ini juga dapat terjadi. Misalnya, bila sebuah pompa yang sedang bekerja tiba-tiba mati (karena dimatikan atau karena listrik padam), maka aliran air akan terhalang impeler sehingga mengalami perlambatan yang mendadak. Di sini terjadi lonjakan tekanan pada pompa dan pipa, seperti peristiwa penutupan katup secara tibatiba. Lonjakan tekanan juga dapat terjadi jika pompa dijalankan dengan tiba-tiba atau katup dibuka secara cepat. Besarnya lonjakan atau jatuhnya tekanan karena benturan air, tergantung pada laju perubahan kecepatan aliran. Dalam hal katup, tergantung pada kecepatan penutupan atau pembukaan katup, dan dalam hal pompa, tergantung pada cara menjalankan dan menghentikan pompa. Selain itu, panjang pipa, kecepatan aliran, dan karakteristik pompa, merupakan faktor-faktor yang sangat menentukan besarnya lonjakan atau jatuhnya tekanan karena benturan air.
Pompa dan Kompresor
47
3.8 Soal-soal 1. Gambarkan karakteristik head, daya, efisiensi dan NPSH yang diperlukan dalam kurva H-Q. 2. Apa yang dimaksud dengan best efficiency point (BEP) pada pompa? 3. Jelskan perbedaan karakteristik antara pompa sentrifugal radial, pompa aliran campur dan pompa aksial 4. Gambarkan dan jelaskan karakteristik sistem pemompaan (pompa dan sistem pipa) dalam kurva H-Q. Apa yang dimaksud dengan titik operasi atau kerja pompa? 5. Apa tujuan dilakukan operasi pompa secara seri dan paralel? Gambarkan karakteristik pompa seri dan paralel dalam kurva H-Q 6. Sebuah pompa sentrifugal beroperasi pada head 40 m, debit 0,5 m3/s dan putaran 2900 rpm. Bila putarannya dinaikkan (20 + 5 A) %, berdasarkan persamaan afinitas/kesebangunan, tentukan besarnya head dan debit yang baru tersebut. 7. Air pada tekanan 1 bar dan suhu 20o C harus dipompakan dengan debit (45 +5 A) m3/jam. Putaran pompa 2900 rpm. Sisi isap pompa terletak 6,0 m di atas permukaan air dan rugi head pipa isap sebesar 0,75 m. Tekanan uap air pada 20oC adalah 2385 Pa. Harga tetapan pompa (S) = 1200. Tentukan : a. NPSH yang tersedia b. NPSH yang diperlukan c. Apa yang dapat anda simpulkan? 8. Hasil pengujian pompa sentrifugal untuk fluida air (γ = 9810 N/m3) diperoleh data sbb: Head, H [m]
38
36
33
30
26
21
15
10
Efisiensi, η [%]
30
40
60
70
80
65
50
40
Debit, Q [l/mnt]
20
40
60
70
120
160
180
200
a. Plot diagram head dan efisiensi terhadap debit. b. Tentukan head, debit, dan hitung daya pompa pada efisiensi tertingginya. 9. Apa yang dimaksud dengan kavitasi pompa, dan bagaimana pengaruhnya terhadap kinerja pompa? 10. Apa yang dimaksud dengan benturan air (water hammer), dan bagaimana pengaruhnya terhadap kondisi pompa?
Pompa dan Kompresor
48
BAB IV KONSTRUKSI, PEMASANGAN DAN PERAWATAN POMPA Tujuan Pembelajaran Umum Memahami prinsip dasar konstruksi, pemasangan/instalasi, penggerak mula, dan perawatan pompa Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mampu mengenal dan memahami prinsip konstruksi pompa dan bagian-bagian utamanya 2. Mampu memahami prinsip pemasangan/instalasi pompa 3. Mampu mengenal jenis penggerak mula pompa 4. Mampu memahami prinsip perawatan dan penelusuran gangguan pompa
4.1 Konstuksi pompa Komponen utama dari pompa sentrifugal terlihat pada Gambar IV.1 yang terdiri dari : - Komponen berputar: impeler yang disambungkan ke sebuah poros - Komponen satis: casing, penutup casing, dan bantalan (bearings)
Gambar IV.1 Komponen utama pompa sentrifugal
Impeler Impeler merupakan cakram bulat dari logam dengan lintasan untuk aliran fluida yang sudah terpasang. Impeler biasanya terbuat dari perunggu, polikarbonat, besi tuang atau stainless steel, namun bahan-bahan lain juga digunakan. Sebagaimana kinerja pompa tergantung pada jenis impelernya, maka penting untuk memilih rancangan yang cocok dan mendapatkan impeler dalam kondisi yang baik sesuai yang diinginkan seperti telah dijelaskan pada bab sebelumnya. umlah impeler menentukan jumlah tahapan pompa. Pompa satu tahap memiliki satu impeler dan sangat cocok untuk layanan tekanan atau head rendah. Pompa dua tahap memiliki dua impeler yang terpasang secara seri untuk layanan head sedang. Pompa multi-tahap memiliki tiga impeler atau lebih terpasang seri untuk layanan head yang tinggi. Impeler dapat digolongkan atas dasar: 1) Arah utama aliran dari sumbu putaran: aliran radial, aliran aksial, aliran campuran 2) Jenis hisapan: hisapan tunggal dan hisapan ganda 3) Bentuk atau konstruksi mekanis (Gambar IV.2): Impeler yang tertutup memiliki baling-baling (vanes) yang ditutupi oleh mantel/ penutup pada kedua sisinya. Biasanya digunakan untuk pompa air, dimana baling-baling seluruhnya mengurung air. Hal ini mencegah perpindahan air dari sisi keluaran ke sisi hisap, yang akan mengurangi efisiensi pompa. Dalam rangka untuk memisahkan ruang pembuangan dari ruang penghisapan, diperlukan sebuah sambungan yang bergerak diantara impeler dan rumah/wadah pompa. Penyambungan ini dilakukan oleh cincin yang dipasang diatas bagian penutup impeler atau dibagian dalam permukaan silinder wadah pompa. Kerugian dari impeler tertutup ini adalah resiko yang tinggi terhadap rintangan. Impeler terbuka dan semi terbuka, kemungkinan tersumbatnya kecil. Akan tetapi utnuk menghindari terjadinya penyumbatan melalui resirkulasi internal, volute atau back-plate pompa harus diatur secara manual untuk mendapatkan setelan impeler yang benar.
Gambar IV.2 Bentuk impeler
Pompa dan Kompresor
50
Poros rotor Poros rotor memindahkan torsi dari motor ke impeler selama start-up dan operasi pompa. Rumah/wadah Fungsi utama rumah pompa adalah menutup impeler pada penghisapan dan pengiriman pada ujung dan sehingga berbentuk tangki tekanan. Tekanan pada ujung penghisapan dapat sekecil sepersepuluh tekanan atmosfir dan pada ujung pengiriman dapat dua puluh kali tekanan atmosfir pada pompa satu tahap. Untuk pompa multi-tahap perbedaan tekanannya jauh lebih tinggi. Wadah dirancang untuk tahan paling sedikit dua kali tekanan ini untuk menjamin batas keamanan yang cukup. Fungsi rumah pompa yang kedua adalah memberikan media pendukung dan bantalan poros untuk batang torak dan impeler. Oleh karena itu wadah pompa harus dirancang untuk: - Memberikan kemudahan mengakses ke seluruh bagian pompa untuk pemeriksaan, perawatan dan perbaikan - Membuat wadah anti bocor dengan memberikan kotak penjejal - Menghubungkan pipa-pipa hisapan dan pengiriman ke flens secara langsung - Mudah dipasang dengan mudah ke mesin penggerak (motor listrik) tanpa kehilangan daya.
Gambar IV.3 Potongan rumah volut pompa
Terdapat dua jenis rumah/wadah - Rumah/wadah volute (Gambar IV.3) memiliki impeler yang dipasang dibagian dalam wadah. Salah satu tujuan utamanya adalah membantu kesetimbangan tekanan hidrolik pada batang torak pompa. Walau begitu, mengoperasikan Pompa dan Kompresor
51
pompa dengan wadah volute pada kapasitas yang lebih rendah dari yang direkomendasikan pabrik pembuatnya dapat mengakibatkan tekanan lateral pada batang torak pompa. Hal ini dapat meningkatkan pemakaian sil, bantalan poros, dan batang torak itu sendiri. Wadah volute ganda digunakan bilamana gaya radial menjadi cukup berarti pada kapasitas yang berkurang. - Rumah/wadah bulat memiliki baling-baling penyebaran stasioner disekeliling impeler yang mengubah kecepatan menjadi energi tekanan. Wadah tersebut banyak digunakan untuk pompa multi-tahap. Rumah/wadah dapat dirancang sebagai: Rumah/wadah padat (Gambar IV.4): seluruh wadah dan nosel dimuat dalam satu cetakan atau potongan yang sudah dibuat pabrik pembuatnya. Rumah/wadah terbelah: dua bagian atau lebih disambungkan bersama. Bilamana bagian wadah dibagi oleh bidang horisontal, wadahnya disebut terbelah secara horisontal atau wadah yang terbelah secara aksial.
Gambar IV.4 Rumah/wadah padat
Pompa dan Kompresor
52
Konstruksi pompa sentrifugal dengan isapan ujung dapat dilihat seperti Gambar IV.5 dan IV.6
Gambar IV.5 Pompa tunggal dengan isapan ujung
Pompa dan Kompresor
53
Gambar IV.6 Pompa bertingkat banyak
4.2 Pemasangan/instalasi pompa Gambar pemasangan/instalasi pompa dinyatakan dalam gambar kerja. Gambar kerja dinyatakan dalam gambar sket, kemudian dinyatakan dalam gambar instalasi. Perencanaan sistem pemompaan merupakan hal yang penting dan memberikan efek terhadap keberhasilan pengoperasian pompa sentrifugal Komponen utama dalam sistem pemompaan (Gambar IV.7) adalah: - Pompa (beberapa jenis pompa telah dijelaskan pada Bab I).
Pompa dan Kompresor
54
- Mesin penggerak mula: motor listrik, mesin diesel, mesin bensin atau mesin gas - Pemipaan yang digunakan untuk mengalirkan fluida cair - Katup/kran (valves), digunakan untuk mengendalikan aliran dalam sistim - Sambungan (fittings), pengendalian dan instrumentasi lainnya - Peralatan pengguna akhir, yang memiliki berbagai persyaratan (misalnya tekanan, aliran) yang menentukan komponen dan susunan sistim pemompaan. Contohnya adalah alat penukar panas, tangki dan mesin hidrolik.
Gambar IV.7 Instalasi sistem pemompaan
Pertimbangan instalasi pompa Hal-hal yang perlu dipertimbangkan dalam instalasi pompa antara lain sebagai berikut: - Penyangganya harus kuat - Pemilihan ukuran diameter pipa tekan harus tepat agar gesekannya minimum. - Pemilihan ukuran pipa bagian isap lebih penting. - Gangguan pada pompa sentrifugal disebabkan karena kondisi ukuran pipa isap yang tidak tepat.Fungsi pipa isap adalah mengalirkan fluida, denga tekanan yang cukup pada pompa mencegah kavitasi pada impeler pompa. - Pipa isap harus tidak pernah lebih kecil dari pada flens pipa dalam beberapa kasus sebaiknya paling sedikit satu ukuran lebih besar. - Panjang pipa isap sebaiknya sependek dan selurus mungkin, kecepatannya 5-8 feet/s. - Semakin tinggi kecepatan, maka semakin tinggi kehilangan tinggi tekan karena gesekan dan dapat mengakibatkan terjadinya uap dan masuknya udara. - Elbow dan sambungan tee yang diletakkan dekat dengan nosel pompa bagian isap akan mengakibatkan torbulensi sehingga dapat menyebabkan getaran, kavitasi dan lenturan poros yang berlebihan. Khususnya pada pompa dengan tenaga yang besar menyebabkan kerusakan bantalan secara dini. - Lokasi pompa sedekat mungkin dengan sumber yang akan dipompa dengan pipa isap sependek mungkin. - Pompa juga ditempatkan pada tempat yang mana terdapat ruangan yang cukup untuk mengoperasikan, pemeliharaan dan inspeksi. - Motor listrik penggerak pompa tidak diletakkan pada tempat yang berdebu. Pompa dan Kompresor
55
Fondasi instalasi pompa - Fondasi harus kuat menahan beban pompa dan dapat menyerap getaran serta memiliki permukaan yang sabil agar pompa tetap dalam level yang tetap. - Fondasi dibuat dari beton bertulang dengan berat kurang lebih 2.5 kali, berat unit pompa - Jangan sekali-kali menyambung pompa dengan pipa dengan paksa. Hai ini dapat menyebabkan misalignment dan kerusakan. - Penyambungan pipa dimulai dari pompa. Pipa harus didukung terpisah dan alami. - Gunakan hanya dengan beberapa bengkokan. Elbow dengan jari-jari yang tepat. - Tidak menghubungkan pipa ke pompa sebelum baut fondasi dikencangkan dan pompa dilevel, dan dialignment. - Gunakan reduksi pada sambungan isap. - Diameter saringan tiga atau empat kali diameter pipa, dipasang pada pipa isap untuk mencegah material yang tidak diinginkan. - Uji kebocoran pada sisi isap, hal ini sangat penting. - Pasang pipa yang lurus yang panjangnya sama dengan 4 atau 6 kali diameter pipa isap. - Pasang katup pemisah pada sisi isap, dan pasang check valve pada sisi tekan. Shaft alignment Realignment dilakukan setelah : - Fondasi dan unit pompa dilevel. - Semua baut fondasi dikencangkan - Setelah semua pipa dipasang Tipe misalignment : - Misalignment radial - Misalignment sudut - Misalignment kombinasi
4.3 Perawatan pompa Teknik pemeliharaan/perawatan (maintenance) dapat diartikan sebagai penerapan ilmu pengetahuan yang bertujuan untuk menjaga kondisi suatu peralatan atau mesin dalam kondisi yang standar. Strategi perawatan (Gambar IV.8) yang dewasa ini telah secara umum diterapkan antara lain : Breakdown maintenance Perawatan terjadwal (scheduled maintenance) Perawatan prediktif (predictive maintenance)
Pompa dan Kompresor
56
Gambar IV.8 Diagram strategi perawatan
Perawatan terjadwal merupakan strategi perawatan dengan tujuan mencegah terjadinya kerusakan lebih lanjut yang dilakukan secara periodik dalam rentang waktu tertentu. Strategi perawatan ini disebut juga sebagai perawatan berdasarkan waktu atau time based maintenance. Perawatan prediktif ini dapat diartikan sebagai strategi perawatan yang mana perawatannya didasarkan atas kondisi mesin itu sendiri. Untuk menentukan kondisi mesin dilakukan pemeriksaan atau monitoring secara rutin. Jika terdapat tanda gejala kerusakan segera diadakan tindakan perbaikan untuk mencegah kerusakan lebih lanjut. Jika tidak terdapat gejala kerusakan monitoring terus dilanjutkan supaya jika terjadi gejala kerusakan segera diketahui sedini mungkin. Perawatan prediktif disebut juga sebagai perawatan berdasarkan kondisi atau condition based maintenance, disebut juga sebagai monitoring kondisi mesin atau machinery condition monitoring.
Pompa dan Kompresor
57
4.3.1 Perawatan berkala pompa Perawatan berkala adalah preventive maintenance yang dilakukan dalam interval waktu teretentu, missalnya harian, mingguan, bulanan, enam bulanan atau tahunan. Pemeliharan berkala dapat juga dilakukan dalam interval waktu jam kerja misalnya 250 jam, 500 jam, 750 jam dan 1000 jam. Pemeriksaan berkala pompa yang direkomendasikan antara lain: - Pemeriksaan/pemeliharaan harian - Pemeriksaan /pemeliharaanbulanan - Pemeriksaan /pemeliharaan tiga bulanan - Pemeriksaan/pemeliharaan enam bulanan - Pemeriksaan /pemeliharaan lima tahunan Pemeriksaan sebelum operasi Pembersihan reservoir: - Pemeriksaan pipa isap - Pemeriksaan kelistrikan - Pemeriksaan kelurusan - Pemeriksaan pelumas - Pemeriksaan putaran dengan manual - Pemeriksaan pipa dan alat bantu - Pemeriksaan katup isap dan tekan - Memancing ( jika perlu ) - Pemeriksaan arah putaran Pemeriksaan sewaktu operasi: - Pemeriksaan head (barometer) - Pemeriksaan debit - Kebocoran pada gland packing - Kebocoran pada sambungan pipa dan katup - Temperatur bantalan pompa - Pemeriksaan bunyi dan getaran Pemerikasaan/perawatan harian Hal-hal yang dilakukan pada pemeriksaan harian antara lain: - Pemeriksaan temperatur rumah bantalan, dilakukan dengan menggunakan termometer atua dengan sentuhan tangan. - Pemeriksaan tekanan isap dan tekan. Dilakukan dengan membaca manometer yang dipasang pada pompa. - Pemeriksaan kebocoran pada paking kotak ( stuffing box seal ) - Pemeriksaan pemakaian arus listrik. Dilakukan dengan melihat ampermeter yang dipasang pada instalasi. - Pemeriksaan jumlah pelumas di dalam rumah bantalan. Dilakukan dengan cara dilihat. Pemeriksaan bulanan Pengukuran tahanan isolasi : maksimum 1 Mega Ohm
Pompa dan Kompresor
58
Pemeriksaan 3 bulanan - Penggantian pelumas pada rumah bantalan - Pengggantian grease ( gemuk ) Pemeriksaan 6 bulanan - Pemeriksaan paking - Pemeriksaan selubung poros - Pemeriksaan alignment kopling
4.3.2 Perawatan prediktif pompa Jenis perawatan prediktif meliputi: 1. Inspeksi secara visual Inspeksi secara visual dapat dilakukan dengan panca indera : - Penglihatan - Pendengaran - Penciuman - Sentuhan - Rasa (tidak direkomendasikan) 2. Inspeksi/monitoring getaran - Amplitudo getaran - Frekuensi getaran - Spektrum getaran 3. Inspeksi/monitirong geometrik - Kedataran dan keratan - Run out - Misalignment 4. Inspeksi/monitoring pelumas - Viskositas pelumas (utama) 5. Inpeksi kinerja/performansi - Head/tekanan - Kapasitas/debit - Suhu - Putaran - Voltage - Ampere 6.Inspeksi Non Destructive Test (NDT) - Termografi - Ultrasonik - Sinar X
Pompa dan Kompresor
59
4.3.3 Penelusuran gangguan Penelusuran gangguan pada sistem kerusakan pompa: Motor mengalami pembebanan lebih Jika motor mengalami beban yang berlebih ditunjukkan adanya suara dan getaran, kemungkinan terjadi gangguan seperti berikut : - Tegangan listrik yang rendah - Kapasitas pompa tidak sesuai dengan kebutuhan - Penekanan paking perapat yang berlebihan sehingga koefisien geseknya tinggi akibatnya beban motor berat. - Massa jenis air yang berubah lebih berat karena kotoran. Terjadi getaran dan bunyi yang berlebihan Jika kondisi motor terjadi getaran dan bunyi yang berlebihan, kemungkinan terjadi gangguan seperti berikut : - Misalignment poros motor dengan poros pompa - Terjadi kekendoran baut pengikat - Pompa beroperasi tidak sesuai dengan spesifikasinya - Terjadi kavitasi - Grease atau pelumasan tidak baik - Keausan pada rotor, sehingga terjadi unbalance - Bantalan motor atau pompa telah mengalami kerusakan. Terjadi panas yang berlebihan pada bantalan Jika pada bantalan terjadi panas yang berlebihan pada bantalan kemungkinan terjadi gangguan pada: - Misalignment, beban bantalan tinggi dan menimbulkan panas - Tidak berfungsinya pelumas atau grease karena kering atau kurang. - Kerusakan atau keausan pada bantalan Kebocoran pada paking pompa Jika pada pompa terjadi kebocoran gangguan seperti : - Penekanan pada gland kurang - Stufing box seal nya sudah rusak - Poros aus atau lentur
paking pompa, kemungkinan terjadi
Pompa dan Kompresor
60
4.4 Soal-soal 1. Sebutkan bagian-bagian utama pompa sentrifugal, dan sebutkan komponen yang berputas dan yang statis.diam 2. Jelaskan hal-hal yang perlu dipertimbangkan daam pemasangan/instalasi pompa 3.Gambarkan digram sistem perawatan 4.Apa yang dimaksud dengan perawatan terjadwal? 5.Jelaskan hal-hal yang berkaitan dengan perawatan terjadwal 6. Apa yang dimaksud pewatan prediktif? Sebutkan jenis-jenis perawatan prediktif yang saudara ketahui 7.Jelaskan penyebab gangguan pompa bila motor mengalami pembebanan lebih 8. Jelaskan penyebab gangguan pompa bila terjadi getaran dan bunyi yang berlebihan 9.Jelaskan penyebab gangguan pompa bila terjadi kebocoran pada paking 10. Jelaskan penyebab gangguan pompa bila terjadi panas yang berlebihan pada bantalan
Pompa dan Kompresor
61
BAB V DASAR-DASAR KOMPRESOR Tujuan Pembelajaran Umum Mampu menjelaskan prinsip operasi kompresor, klasifikasi dan jenis kompresor, memilih sesuai dengan kebutuhan/ penggunaan, memahami dan menerapkan sistem kompresor pada sistem aliran udara tekan, Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mampu menjelaskan prinsip kerja kompresor 2. Mampu menjelaskan klasifikasi kompresor 3. Mampu memahami sifat-sifat fisik udara/gas 4. Mampu memahami prinsip kompresi isotermal, adiabatis dan politropik 5. Mampu menjelaskan spesifikasi kompresor
5.1 Prinsip kerja kompresor Kompresor adalah mesin fluida yang berfungsi untuk memampatkan udara atau gas sehingga menghasilkan udara atau gas yang bertekanan. Udara yang dihisap untuk dimampatkan umumnya bertekanan atmosfir, namun ada pula kompresor yang menghisap udara atau gas yang bertekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfir, kompresor ini sebagai penguat (booster) atau pengkompresi lanjut. Selain itu, ada pula kompresor yang menghisap udara atau gas yang bertekanan lebih rendah dari tekanan atmosfir, kompresor ini berfungsi sebagai pompa vakum. Prinsip kerja kompresor secara umum adalah menghisap udara atau gas yang kemudian dimampatkan dengan cara memperkecil volume ruangan yang mengurungnya sehingga tekanan menjadi naik. Udara atau gas yang bertekanan ini dapat langsung digunakan, seperti pada turbin gas, atau disimpan dahulu di dalam tangki yang berfungsi sebagai penyimpan energi. Ada beberapa cara dalam memampatkan udara atau gas, misalnya gerakan bolak-balik piston dalam silinder pada kompresor torak untuk menghisap dan mengeluarkan gas secara berulang-ulang seperti terlihat pada Gambar V.1. Ketika torak bergerak untuk menghisap, tekanan udara di dalam silinder lebih rendah daripada tekanan lingkungannya, sehingga katup hisap akan terbuka dengan demikian udara atau gas dapat masuk ke dalam silinder. Selanjutnya torak akan bergerak untuk mengkompresikan atau memampatkan, dorongan piston terhadap udara atau gas yang telah dihisap menyebabkan tekanan menjadi naik, hal ini disebabkan karena volume udara atau gas yang terkurung dalam silinder menjadi kecil, sementara s aat tersebut katup hisap t ertutup. Semakin
Gambar V.1 Unit kompresor torak
besar penyempitan volume yang terjadi, maka tekanannya akan semakin besar, dengan demikian karena tekanan di dalam silinder tinggi maka udara atau gas bertekanan ini akan terdorong keluar melalui katup keluaran. Udara bertekanan ini biasanya disimpan dalam tabung sebagai penyimpan energi atau dikompresi lagi untuk mendapatkan tekanan yang lebih tinggi. Cara lain dalam memampatkan udara atau gas yang umum digunakan adalah dengan putaran roda gigi atau putaran ulir, namun secara prinsip kerjanya sama seperti kompresor torak, yaitu dengan memampatkan udara atau gas dengan pengecilan volume udara atau gas yang terkurung dalam silinder. Selain dengan putaran roda gigi atau ulir ada pula jenis kompresor yang memampatkan udara atau gas dengan putaran sudu atau impeler. Gambar V.2 memperlihatkan sebuah komprsor jenis ulir/sekrup.
Gambar V.2 Kompresor ulir/sekrup
Pompa dan Kompresor
63
5.2 Klasifikasi kompresor Berdasarkan mekanisme atau cara kerja kompresor dapat diklasifikasikan dalam dua kelompok utama (Gambar V.3), yaitu: Jenis perpindahan positif (positive displacement): Jenis torak bolak-balik/resiprok (reciprocating) Jenis putar/rotari (rotary): sekrup, sudu luncur/vane, scroll, lobe Jenis turbo/rotadinamik: - Jenis sentrifugal/radial : kompresor sentrifugal - Jenis aksial : kompresor aksial
Gambar V.3 Klasifikasi kompresor
Kompresor perpindahan positif Kompresor perpindahan positip atau tekanan statik, yaitu kompresor yang mengalirkan fluida udara atau gas dengan kapasitas atau debit tetap terhadap perubahan atau variasi tekanan atau head. Pada jenis ini sejumlah udara atau gas ditrap dalam ruang kompresi dan volumnya secara mekanik menurun, menyebabkan peningkatan tekanan tertentu kemudian dialirkan keluar. Pada kecepatan konstan, aliran udara juga konstan dengan variasi pada tekanan keluar.. Kompresor rotadinamik Kompresor rotadinamik atau kompresor turbo yaitu kompresor yang mengalirkan fluida udara atau gas dengan debit bervariasi bergantung pada tekanan atau head. Kompresor rotadinamik memberikan enegi kecepatan untuk aliran udara atau gas yang kontinyu menggunakan impeler yang berputar pada kecepatan yang sangat tinggi. Energi kecepatan berubah menjadi energi tekanan Pompa dan Kompresor
64
karena pengaruh impeler dan volut pengeluaran atau difusor. Pada kompresor jenis rota dinamik sentrifugal, bentuk dari sudu-sudu impeler menentukan hubungan antara aliran udara dan tekanan atau head yang dibangkitkan. Kompresor terdapat dalam berbagai jenis dan model tergantung pada kapasitas dan tekanannya. Gambar V.4 memperlihatkan klasifikasi kompresor yang digolongkan atas dasar tekanannya. Klasifikasi menurut tekanan yang dihasilkan 1. Kompresor (pemampat), tekanan lebih dari 1 bar(g), dan digunakan untuk menghasilkan tekanan yang tinggi. 2. Blower (peniup), tekanan 0,1 – 1 bar(g), dan digunakan untuk menghasilkan tekanan yang agak rendah. 3. Fan, tekanan < 0,1 bar(g), dan digunakan untuk menghasilkan tekanan yang rendah. Klasifikasi menurut cara pemampatannya 1. Jenis turbo, jenis ini menaikkan tekanan dan kecepatan gas dengan gaya sentrifugal yang ditimbulkan oleh impeler, atau dengan gaya angkat (lift) yang ditimbulkan oleh sudu. 2. Jenis perpindahan, jenis ini menaikan tekanan dengan memperkecil atau memampatkan volume gas yang diisap ke dalam silinder atau stator oleh torak atau sudu. Kompresor jenis ini dapat diklasifikasikan menjadi jenis putar dan bolak-balik. Kompresor putar dapat dibagi lebih lanjut atas jenis roots, sudu luncur, dan sekrup. Klasifikasi menurut kontruksinya 1. Klasifikasi berdasarkan jumlah tingkat kompresi : satu tingkat, dua tingkat, dan banyak tingkat. 2. Klasifikasi berdasarkan langkah kerja (pada kompresor torak) : kerja tunggal (single acting) dan kerja ganda (double acting). 3. Klasifikasi berdasarkan susunan silinder (untuk kompresor torak) : mendatar, tegak, bentuk-L, Bentuk-V, bentuk-W, bentuk bintang, lawan berimbang (balands oposed). 4. Klasifikasi berdasarkan cara pendinginan : pendinginan air (water coolant) dan pendinginan udara (air coolant). 5. Klasifikasi berdasarkan transmisi penggerak : langsung, sabuk-V, roda gigi. 6. Klasifikasi berdasarkan penempatannya : permanen (stationary), dapat dipindah (portable). 7. Klasifikasi berdasarkan cara pelumasan : pelumasan minyak, tanpa minyak.
Pompa dan Kompresor
65
Gambar V.4 Diagram klasifikasi kompresor
Pompa dan Kompresor
66
Pemilihan kompresor 1. Kriteria pemilihan kompresor: 2. Fungsi dan penggunaan 3. Tekanan isap dan keluar 4. Jenis dan sifat gas 5. Suhu dan kelembaban 6. Kapasitas/debit aliran 7. Peralatan untuk pengaturan kapasitas 8. Kondisi dan tempat instalasi 9. Sistem pendinginan dan pelumasan 10. Jenis dan jumlah kompresor Gambar V.5 adalah suatu diagram yang dapat dijadikan pedoman dalam pemilihan kompresor. Kompresor torak cocok pada tekanan tinggi dan kapasitas yang relative kecil, sebaliknya kompresor aksial cocok digunakan pada kapasitas besar dan tekanan yang relatif rendah. Kompresor ulir/sekrup dan kompresor sentrifugal (radial) berada dalam pilihan kondisi keduanya antara kompresor torak dan kompresor aksial.
Gambar V.5 Diagram pemilihan kompresor
Pompa dan Kompresor
67
Pemakaian kompresor Kompresor udara umumnya digunakan untuk kebutuhan udara tekan dalam berbagai kegiatan produksi dan jasa dengan berbagai variasi tekanan dan kapasitas. Sedangkan kompresor untuk berbagai jenis gas yang bukan udara sebagai fluida kerja, banyak digunakan sebagai peralatan utama dalam kegiatan industri proses.
5.3 Sifat-sifat udara dan gas Fluida yang dialirkan baik udara atau pun gas mempunyai kerapatan atau massa jenis ( ρ) yang kecil, namun dapat berubah bila dipengaruhi oleh tekanan dan suhu, sesuai persamaan gas ideal berikut :
PV = mRT atau Pv = RT atau P = ρRT dimana: P = tekanan (Pa) T = suhu absolut gas/udara (K) V = volume gas/udara (m3) v = volume/massa (m3 /kg) R = tetapan gas spesifik (J/kg.K), untuk udara R = 287 J/kg.K m = massa gas/udara (kg) ρ = massa jenis (kg/m3) Karena terjadinya pemampatan maka kerapatan gas atau udara akan berubah, semakin tinggi pemampatan maka kerapatannya akan semakin besar, artinya ketika terjadi pemampatan volumenya menjadi kecil, sedangkan massanya tetap sehingga massa jenisnya akan semakin besar. m1 = m2 ρ1.V1 = ρ2 . V2, karena V1 > V2, maka ρ1 < ρ2 Misalnya udara pada suhu 15 °C dan tekanan 1 bar mempunyai ρ =1,21 kg/m3, tetapi ketika udara yang bertekanan 6 bar pada suhu 20 °C massa jenisnya menjadi 7,15 kg/m3. Bila gas atau udara dipanaskan pada tekanan tetap, maka gas/udara akan mengembang yang berarti akan mengalami pertambahan volume, sebaliknya bila didinginkan maka akan mengalami penyusutan/pengecilan volume, hal ini juga terjadi pada zat padat dan zat cair, namun gas/udara mempunyai koefisien muai yang lebih besar dibanding zat padat atau pun zat cair. Hukum Charles menyatakan bahwa semua jenis gas bila dipanasi atau dinaikan suhunya sebesar 1 °C pada tekanan tetap, maka akan mengalami pertambahan volume sebesar t/273 dari volume pada 0 °C, sebaliknya bila diturunkan sebesar 1 °C, maka akan mengalami pengurangan volume dengan proporsi yang sama. Hukum Charles ini dapat dirumuskan sebagai berikut: Jika suatu gas memiliki Pompa dan Kompresor
68
volume V0 pada suhu 0 °C, maka pada temperatur t1 °C mempunyai volume sebesar t V0 1 1 dan pada temperatur t2 volumenya menjadi: 273 t V2 = 1 2 273 Perbandingan V1 dan V2 adalah:
t V0 1 1 V1 273 t1 273 t 2 t 2 273 V2 V0 1 273 Bila t1 dan t2 adalah dalam satuan °C, maka t1 + 273 adalah sama dengan suhu dalam satuan derajat Kelvin (K) atau T= t + 273. Jadi perbandingan V1 dan V2 V T jika temperatur dinyatakan, ditulis sebagai berikut: 1 1 V2 T2 o Sifat udara standar adalah pada suhu 20 C (293 K), tekanan absolut 1 atm, kelembaban relatif 65 %, massa jenis 1,204 kg/m3, kalor jenis (cp):1,005 kJ/kg o C, dan rasio kalo jenis k = cp/cv = k =1,4.
5.4 Prinsip kompresi Contoh nyata dari kompresor jenis perpindahan yang paling umum dan sederhana adalah pompa ban untuk sepeda atau mobil seperti diperlihatkan dalam Gambar V.6. Cara kerjanya adalah jika torak ditarik ke atas, tekanan dalam silinder di bawah torak akan menjadi negatip (lebih kecil dan tekanan atmosfir) sehingga udara akan masuk melalui celah katup isap. Katup mi terbuat dan kulit, dipasang pada torak, yang sekaligus berfungsi juga sebagai perapat torak. Kemudian jika torak ditekan ke bawah, volume udara yang terkurung di bawah torak akan mengecil sehingga tekanan akan naik. Katup isap akan
Gambar V.6 Prinsip kompresi
Pompa dan Kompresor
69
menutup dengan merapatkan celah antara torak dan dinding silinder. Jika torak ditekan terus, volume akan semakin kecil dan tekanan di dalam siliñder akan naik melebihi tekanan di dalam ban. Pada saat tersebut udara akan terdorong masuk ke dalam ban melalui pentil (yang berfungsi sebagai katup keluar). Maka tekanan di dalam ban akan semakin bertambah besar. Pada kompresor yang sesungguhnya torak tidak digerakkan dengan tangan melainkan dengan motor melalui poros engkol seperti diperlihatkan dalam Gambar V.1. Dalam hal ini katup isap dan katup keluar dipasang pada kepala silinder. Adapun sebagai penyimpan energi dipakai tangki udara. Tangki ini dapat dipersamakan dengan ban pada pompa ban. Kompresor semacam ini di mana torak bergerak bolak-balik disebut kompresor bolak-balik. Pada Gambar V.7 memperlihatkan diagram hubungan antara tekanan (P) dan volume (V) pada kompresor satu tingkat.
Gambar V.7 Diagram P-V kompresor satu tingkat
Pada langkah 1-2-3 kurva P-V pada Gambar V.7 menerangkan terjadinya perubahan dari titik 1 bergerak ke titik 2 dengan memampatkan gas hingga tekanan naik. Pada titik 2 tekanan di dalam silinder mencapai harga tekanan Pd yang lebih tinggi daripada tekanan di dalam pipa keluar (tangki tekan), sehingga katup keluar pada kepala silinder akan terbuka. Torak akan terus bergerak ke titik 3 sehingga gas akan terdorong keluar dengan tekanan sebesar Pd. Pada langkah 3-4-1, titik 3 merupakan titik mati atas dari torak, sehingga pada silinder masih tersedia volume sisa sebesar Vc dengan tekanan Pd. Idealnya Vc harus sama dengan nol. Tapi hal ini tidak mungkin dapat dibuat karena dikhawatirkan terjadinya tabrakan antara kepala torak dengan kepala silinder. Selain itu juga, harus ada lubang-lubang laluan pada katup sehingga clearence nol tidak mungkin dibuat. Ketika torak memulai langkah isapnya, katup isap tidak akan terbuka sebelum sisa gas di atas torak berekspansi sampai tekanannya Pompa dan Kompresor
70
turun dari Pd sampai Ps. Tekanan Ps ini tercapai pada titik 4. Mulai dari titik 4 sampai titik 1 terjadi pemasukan gas yang disebut proses pengisapan. Kompresor dua tingkat Pada Gambar V.8 menjelaskan tentang hubungan antara tekanan dan volume pada kompresor dua tingkat.
P Garis isotermik D
Garis adiabatik D’ Penghematan kerja A
B C V
Gambar V.8 Diagram P-V kompresor dua tingkat Keterangan pada Gambar V.8. C-B : Udara dikompresikan dalam silinder pertama B-A : Udara didinginkan di dalam intercooler A-D : Udara dikompresikan pada silinder kedua Titik D : Titik akhir pada proses kompresi dua tingkat Titik D’: Titik akhir pada proses kompresi satu tingkat Proses kompresi Jenis proses kompresi udara atau gas yang terjadi pada kompresor adalah: Kompresi isotermal Kompresi adiabatik/ isentropik Kompresi politropik Pompa dan Kompresor
71
Persamaan umum proses kompresi dapat dituliskan seperti berikut :
PV n = tetap dimana pada proses kompresi isotermal harga n =1, proses kompresi adiabatik harga n = k, dan proses kompresi politropik harga n adalah 1 < n < k. Harga k = cp/cv (rasio kalor jenis) untuk udara = 1,4 dan harga n = 1,1 –1,35. Kompresi isotermal Jika suatu gas atau udara dikompresikan, maka ada energi mekanik yang diberikan dari luar kepada gas atau udara. Energi tersebut salah satunya diubah menjadi energi panas/kalor. Bila proses kompresi dibarengi dengan pendinginan, maka energi panas atau kalor tidak akan terjadi sehingga temperaturnya tetap terjaga. Kompresi dengan cara ini disebut kompresi isothermal (suhu/temperatur tetap).
P1V1 P2V2 tetap Kompresi adiabatik Bila silinder diisolasi secara sempurna terhadap panas, maka kompresi akan berlangsung tanpa ada panas yang keluar dari gas atau masuk ke dalam gas. Kompresi semacam ini disebut kompresi adiabatik. Dalam praktiknya, kompresi adiabatik tidak ada yang sempurna karena isolasi silinder tidak pernah dapat sempurna. Untuk pengecilan volume yang sama, kompresi adiabatik menghasilkan tekanan yang lebih tinggi dari kompresi isothermal, sehingga kerja kompresi adiabatik lebih besar dari kerja isothermal. Dalam kompresi adiabatik tidak ada panas yang dibuang keluar silinder (atau dimasukkan) sehingga seluruh kerja mekanis yang diberikan dalam proses mi akan dipakai untuk menaikkan temperatur gas. Temperatur yang dicapai oleh gas yang keluar dari kompresor dalam proses adiabatik dapat diperoleh secara teoritis dan persamaan berikut:
dimana, Td: Temperatur mutlak gas keluar kompresor (K) T: Temperatur isap gas masuk kompresor (K) m: Jumlah tingkat kompresi; m = 1, 2, 3,”. (Untuk m > 1, rumus tersebut mencakup proses pendinginan pada pendingin antara (intercooler), sehingga proses kompresi keseluruhan dari Ps menjadi Pd bukan proses adiabatik murni). Kompresi politropik Kompresi pada kompresor yang sesungguhnya bukan merupakan proses isothermal, karena ada kenaikan temperatur, namun juga bukan proses adiabatik, karena ada panas yang dipancarkan keluar. Jadi proses kompresi yang Pompa dan Kompresor
72
sesungguhnya ada diantara keduanya yang disebut kompresi politropik. Tabel V.1 memperlihatkan hubungan antara volume dan tekanan pada berbagai proses kompresi. Tabel V-1 Hubungan antara volume dan tekanan pada berbagai kompresi
5.5 Spesifikasi kompresor Persyaratan-persyaratan yang perlu dipertimbangkan dalam pengadaan dan pembelian kompresor adalah sebagai berikut: 1) Maksud penggunaan kompresor. 2) Tekanan isap 3) Tekanan keluar 4) Jenis dan sifat-sifat gas yang ditangani 5) Temperatur dan kelembaban gas 6) Kapasitas aliran (volume) gas yang diperlukan 7) Peralatan untuk mengatur kapasitas (jenis, otomatik atau manual, bertingkat banyak). 8) Cara pendinginan (dengan udara atau dengan air). Muka, temperatur, dan tekanan air pendingin, bila dipakai pendinginan air. 9) Sumber tenaga (frekuensi, tegangan, kapasitas daya dan sumber). 10) Kondisi dan lingkungan tempat instalasi. 11) Jenis pengrak mula (motor listrik atau motor bakar torak). 12) Putaran penggerak mula.
Pompa dan Kompresor
73
13) Jenis kompresor: - Pelumasan minyak atau bebas minyak - Kompresor torak atau putar - Jumlah tingkat kompresi - Permanen atau portabel 14) Jumlah kompresor Pada spesifikasi kompresor, besaran yang terpenting adalah laju volume atau kapasitas udara atau gas yang dikeluarkan dan tekanan kerjanya. Semua itu harus disesuaikan dengan kebutuhan yang diperlukan oleh peralatan yang akan dilayani. Sehingga spesifikasi utama yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan kompresor adalah kapasitas, tekanan, dan performansi. Kapasitas Pada kompresor torak angka kapasitas yang dicantumkan pada katalog biasanya menyatakan perpindahan torak dan bukan laju volume yang dihasilkan, dimana perpindahan torak dapat dirumuskan sebagai berikut:
Qth
D 2 4
xSxN
dimana: Qth = perpindahan torak (m3/mnt) D = diameter torak (m) S = panjang langkah torak (m) N = putaran (rpm) Sedangkan volume gas (kapasitas) yang sebenarnya adalah hasil perkalian antara perpindahan torak dengan efisiensi volumetrisnya. Tetapi pada kompresor putar umumnya pada katalog tertulis kapasitas sesungguhnya. Tekanan Pada saat menentukan tekanan kerja kompresor harus diingat bahwa uadara atau gas harus disalurkan ke tabung atau tangki tekan dan peralatan yang memerlukannya. Karena itu, besarnya tekanan normal kompresor harus diambil sama dengan tekanan yang diperlukan oleh peralatan yang bersangkutan ditambah dengan kerugian tekanan di pendingin akhir dan pipa-pipa penyalur. Namun perlu juga diingat bahwa tekanan normal kompresor yang diambil tidak boleh jauh melebihi tekanan kerja sistem, sebab apabila kompresor bekerja dengan tekanan jauh dibawah tekanan normalnya, maka efisiensi adiabatik keseluruhannya akan menjadi terlalu rendah. Variasi tekanan yang masih dapat dianggap tidak merugikan adalah tidak lebih dari 20% dibawah tekanan spesifikasi kompresor. Dengan variasi sebesar ini efisiensi kompresor tidak terlalu banyak berkurang dari harga maksimumnya.
Pompa dan Kompresor
74
Performansi Setelah kapasitas dan tekanan udara yang diperlukan sudah ditetapkan, maka kompresor yang sesuai harus dipilih. Namun apabila terdapat beberapa kompresor yang memenuhi, maka perlu dilakukan pertimbangan ekonomis. Kompresor yang mempunyai efisiensi tinggi akan memberikan ongkos operasi rendah, namun harga belinya mahal. Begitu pula bentuk konstruksi mempengaruhi harga beli dimana konstruksi kompresor dua tingkat dengan pendingin udara antara (intercooler) yang memerlukan daya lebih rendah dibanding kompresor satu tingkat akan memiliki harga yang lebih mahal. Hal-hal lain yang perlu diperhatikan dalam pemilihan kompresor adalah: 1. Biaya investasi: harga kompresor, motor penggerak, peralatan dan instalasi listrik, peralatan pembantu (accessories), biaya pembangunan gedung, pondasi, dan lain-lain. 2. Biaya operasi: biaya tenaga listrik, bahan bakar (untuk penggerak dengan motor bakar), minyak pelumas, dan air pendingin. 3. Biaya pemeliharaan; biaya penggantian suku cadang, perbaikan, dan overhaul.
5.6 Soal-soal 1. Apa itu kompresor? 2. Jelaskan prinsip kerja kompresor! 3. Jelaskan perbedaan antara kompresor, booster dan pompa vakum 4. Klasifikasikan kompresor berdasarkan cara kerjanya 5. Apa perbedaan kompresor perpindahan positip dan kompresor rotadinamik 6. Jelaskan perbedaan antara kompresor, blower dan fan 7. Gambarkan diagram P-V proses kompresor satu tingkat 8. Tuliskan persamaan umum gas ideal dan jelaskan arti notasi yang digunakan 9. Apa gunanya pendingin antar (intercooler) pada kompresor bertingkat 10. Apa yang dimaksud dengan proses isotermal, proses adiabatis dan proses politropik?
Pompa dan Kompresor
75
BAB VI KOMPRESOR TORAK Tujuan Pembelajaran Umum Mampu memahami sistem dan prinsip kerja kompresor torak, dan mampu menentukan efisiensi dan daya kompresor Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mampu menjelaskan sistem dan prinsip kerja kompresor torak 2. Mampu memahami dan menentukan efisiensi kompresor 3. Mampu memahami dan menentukan daya kompresor Kompresor torak menggunakan torak (piston) yang digerakkan oleh poros engkol. Kompresor torak dapat berupa stasioner atau portabel, satu atau multi tingkat, dan dapat digerakkan dengan motor listrik atau motor bakar (motor bensin, mesin gas, motor diesel, turbin gas). Kompresor torak kecil daya mulai dari 3,5 - 22 kW (5 - 30 HP) umumnya dijumpai di industri umumnya sebagai utilitas udara tekan dan khusus untuk kerja intermiten (intermittent duty). Kompresor torak skala besar hingga 750 kW (1000 HP) masih banyak dijumpai aplikasi di industri besar. Namun jumlahnya semakin berkurang dan digantikan dengan beberapa jenis kompresor yang lain seperti misalnya kompresor ulir dan kompresor sentrifugal. Tekanan keluaran (discharge) berkisar dari rendah hingga sangat tinggi (hingga 35 MPa atau 5000 psi). Dalam aplikasi tertentu, misalnya kompresor udara, kompresor torak multi-stage double-acting adalah sangat efisien dibanding jenis lain, akan tetapi ukurannya lebih besar dan berisik (noisier). dan lebih mahal bila dibanding jenis rotari.
6.1 Konstruksi kompresor 6.1.1 Silinder dan kepala silinder Silinder harus cukup kuat untuk menahan tekanan yang ada. Untuk tekanan kurang dari 50 kgf/cm2 (4,9 MPa) umumnya dipakai besi cor sebagai bahan silinder. Permukaan dalam silinder harus disuperfinis sebab cincin torak akan meluncur pada permukaan ini. Untuk memancarkan panas yang timbul dari proses kompresi, dinding luar silinder diberi sirip-sirip. Sirip-sirip ini dimaksud untuk memperluas permukaan yang memancarkan panas pada kompresor dengan pendinginan udara, seperti terlihat pada Gambar VI.1 Kompresor dengan pendinginan air diperlengkapi dengan selubung air di dinding luar silinder seperti terlihat pada Gambar VI.2. Tutup silinder (atau
kepala silinder) terbagi menjadi dua ruangan, satu sebagai sisi isap dan yang lain sebagi sisi keluar. Sisi isap diperlengkapi dengan katup isap dan pada sisi keluar terdapat katup keluar. Pada kompresor kerja ganda terdapat tutup atas silinder dan tutup bawah silinder. Sebagaimana pada silinder, tutup silinder harus cukup kuat untuk menahan tekanan. Biasanya dibuat dari besi cor dan dinding luarnya diberi sirip-sirip pemancar panas atau selubung air pendingin.
Gambar VI.1 Kompresor kerja tunggal satu tingkat (pendinginan udara)
Gambar VI.2 Kompresor kerja tunggal satu tingkat (pendinginan air)
6.1.2 Torak dan cincin torak Torak harus cukup tebal untuk dapat menahan tekanan dan terbuat dari bahan yang cukup kuat. Untuk mengurangi gaya inersia dan getaran yang ditimbulkan oleh getaran bolak-balik, torak harus dirancang seringan mungkin bentuknya juga harus sesuai untuk dapat mengatasi pengaruh pemuaian karena pengaruh pada langkah kompresi. Pompa dan Kompresor
77
Cincin torak dipasang pada alur-alur di sekeliling torak dan berfungsi mencegah kebocoran antara permukaan torak dan silinder. Jumlah cincin torak bervariasi tergantung pada perbedaan tekanan antara sisi atas dan sisi bawah torak. Tetapi biasanya pemakaian 2 sampai 4 buah cincin dapat dipandang cukup untuk kompresor dengan tekanan kurang dari 10 kgf/cm2 (0,98 MPa). Dalam kompresor kerja tunggal dengan silinder tegak, juga dipergunakan cincin penyapu minyak yang dipasang pada alur paling bawah dari alur cincin yang lain. Cincin ini tidak dimaksud untuk mencegah kebocoran udara, dan melulu untuk menyeka minyak yang terpercik pada dinding dalam silinder. Kompresor bebas minyak juga umum dipakai untuk mendapatkan udara tekan yang bersih tidak tercampur uap minyak. Dalam hal ini, permukaan dalam silinder tidak dilumasi. Sebagai gantinya dipakai karbon atau teflon yang bersifat melumasi sendiri sebagai bahan untuk cincin torak dan cincin pengikut. Pada sebelah dalam dari cincin torak ini dipasang cincin penegang yang menekan cincin torak pada permukaan dalm silinder. Gambar VI.3 memperlihatkan torak sebuah kompresor bebas minyak.
Gambar VI.3 Torak dari kompresor bebas minyak
6.1.3
Katup Katup isap dan katup keluar yang dipergunakan pada kompresor dapat membuka dan menutup sendiri sebagai akibat dari perbedaan tekanan yang terjadi antara bagian dalam dan bagian luar silinder. Katup-katup ini membuka dan menutup untuk setiap langkah bolak-balik dari torak. Karena itu, frekuensi kerjanya adalah yang paling tinggi di antara bagianbagian lain dari kompresor. Katup keluar selalu bekerja pada kondisi yang sangat berat karena harus melakukan udara dengan temperatur tinggi dan sering macet karena karbid yang terbentuk dari minyak yang terbawa oleh aliran udara. Jadi katup ini merupakan bagian yang memerlukan perhatian khusus. Katup terdapat dalam berbagai konstruksi. Namun yang umum dipakai saat ini adalah Pompa dan Kompresor
78
jenis-jenis katup cincin, katup pita (reed), katup kanal, dan katup kepak (flapper). Gambar VI.4 memperlihatkan jenis katup katup cincin, katup pita dan katup kanal. Katup cincin memperlihatkan katup isap. Katup keluar mempunyai kontruksi yang agak berbeda di mana bagian atas dan bagian bawahnya terbalik. Selain itu, baut katup dipasang dari atas dan dikencangkan. Dudukan katup dan sangkar katup dikencangkan dengan baut dan mur katup. Plat katup dipasang di antara dudukan katup dan sangkar katup. Plat katup ditekan pada dudukan katup oleh pegas katup. Bila perbedaan tekanan antara sebelah dalam dan sebelah luar katup menjadi lebih besar daripada gaya yang ditimbulkan oleh pegas katup, maka plat katup akan terangkat dan udara akan mengalir melalui lubang-lubang laluan pada dudukan katup dan sangkar katup ke dalam silinder.
Gambar VI.4 Jenis katup pada kompresor torak
Katup pita terdiri dari dudukan katup (1) yang mempunyai lubang laluan berbentuk segi empat (2), plat katup yang tipis dan ringan (3) (tebalnya 0,3-0,5 mm), dan sangkar katup (4) untuk mebatasi angkatan plat katup. Plat katup pada saat terbuka akan melengkung membentuk busur dan menjadi lurus kembali pada saat menutup rapat lubang-lubang pada dudukan katup. Meskipun plat katup ini ringan dan mudah bergerak, namun tidak dapat terangkat tinggi-tinggi sehingga untuk mendapatkan luas laluan yang cukup besar, ukuran pita harus cukup besar pula. Katup kanal juga mempunyai lubang laluan udara berbentuk segi empat. Kebocoran dicegah dengan plat katup yang berbentuk alur. Pada sisi belakang Pompa dan Kompresor
79
katup plat terdapat pegas segi empat yang dilengkungkan menjadi busur. Katup kanal dibatasi geraknya oleh penahan. Gambar VI.7 memperlihatkan konstruksi katup kepak. Plat katup ditetapkan pada salah satu pinggirnya dan pinggir yang lain dibiarkan bebas. Jadi katup ini membuka dan menutup karena elastisitasnya sendiri dan oleh perbedaan tekanan udara yang terjadi. Dengan konstruksi yang demikian itu, katup ini tidak memerlukan penjaga plat katup dan pegas katup. Selain itu, plat katup ini sangat ringan sehingga tidak menimbulkan banyak suara. Karena itu, katup jenis ini banyak dipakai untuk kompresor kecil.
Gambar VI.5 Konstruksi katup kepak
6.1.4 Poros engkol dan batang penggerak Poros engkol dan batang penggerak merupakan bagian-bagian yang penting untuk mengubah gerak putar menjadi gerak bolak-balik. Poros engkol ditumpu oleh bantalan utama. (lihat Gbr 2.6). Batang penggerak dipasang pada pen engkol yang letaknya eksentrik terhadap sumbu putar. Pada titik yang bersebrangan dengan pen engkol ini terhadap sumbu putar, terdapat pengimbang untuk mengurangi getaran pada waktu poros engkol berputar. Pada ujung poros engkol terdapat kopling untuk meneruskan daya dari penggerak mula (pada hubungan langsung). Jika kompresor digerakkan melalui sabuk-V, maka pada ujung poros engkol dipasang sebuah puli-V yang berfungsi pula sebagai roda Pompa dan Kompresor
80
gaya. Poros engkol biasanya terbuat dari baja tempa karena memerlukan kekuatan yang besar dan ketahanan yang cukup terhadap keausan. Ujung yang besar dari batang penggerak dipasang pada pen engkol dan ujung yang kecil dihubungkan pada torak melalui pen torak pada kompresor kerja tunggal, dan dihubungkan dengan kepala silang melalui pen silang pada kompresor kerja ganda. Pada kedua ujung ini dipasang metal bantalan. Batang penggerak biasanya terbuat dari baja tempa. Sebagai bantalan dipakai logam putih atau bantalan bola. Bantalan pada ujung yang kecil agak berbeda bebannya dari bantalan biasa. Bantalan ini menerima beban tumbukan yang besar karena gerakan bolak-balik dan tekanan gas yang berubah-ubah setiap putaran. Dengan demikian cara pelumasan dan bahan metal harus dipilih secara seksama. Biasanya untuk bantalan ini dipergunakan paduan tembaga.
6.1.5 Kotak engkol Kotak engkol merupakan komponen penting pada kompresor dan harus menopang bantalan utama poros engkol dengan kokoh. Bantalan utama tersebut harus menahan gaya inersia dari masa yang bergerak bolak-balik serta gaya pada torak. Dengan demikian kotak engkol harus mempunyai kekakuan yang tinggi dan deformasi yang sekecil mungkin. Sebagai bantalan utama dapat dipilih dari berbagai jenis yang ada tergantung pada ukuran kompresor. Bantalan jenis luncur yang biasa dipakai ada yang terbelah dua dan terbelah empat dengan logam pendukung dari baja cor atau baja tempa yang dilapisi logam putih. Bantalan metal presisi juga dapat dipakai. Bantalan gelinding juga banyak dipakai, terutama yang berjenis bola dan rol kerucut.
6.1.6 Alat pengatur kapasitas Laju volume udara yang dihasilkan oleh kompresor harus dapat disesuaikan jumlah udara yang diperlukan. Jika kompresor dibiarkan berjalan sedangkan udara yang dihasilkan tidak dipakai maka tekanan akan naik melebihi batas yang berbahaya. Karena itu, kompresor harus dilengkapi dengan alat yang disebut pembebas beban (unloader). Alat ini dapat mengatur laju volume udara yang diisap sesuai dengan laju aliran yang keluar dibutuhkan. Pembebas beban dapat digolongkan menurut azas kerjanya yaitu: (a) pembebas beban katup isap (b) pembebas beban celah katup (c) pembebas beban trotel isap (d) pembebas beban dengan pemutus otomatik. Untuk kompresor torak, jenis (a) dan (d) adalah yang paling banyak dipakai pada saat ini. Untuk mengurangi beban pada waktu kompresor di start, agar penggerak mula dapat berjalan lancar, maka pembebas beban dapat dioperasikan
Pompa dan Kompresor
81
secara otomatis atau manual. Pembebas beban jenis ini disebut pembebas beban awal. Pembebas beban katup isap Jenis ini sering dipakai pada kompresor berukuran kecil atau sedang. Cara ini menggunakan katup isap dimana plat katupnya dapat dibuka terus pada langkah isap maupun langkah kompresi sehingga udara dapat bergerak keluar masuk silinder secara bebas melalui katup ini tanpa terjadi kompresi. Hal ini berlangsung secara berikut. (Lihat Gambar VI.6). Jika kompresor bekerja maka udara akan mengisi tangki udara sehingga tekanannya akan naik sedikit demi sedikit. Tekanan ini disalurkan ke bagian bawah katup pilot dari pembebasan beban. Jka tekanan di dalam tangki udara masih rendah, maka katup akan tetap tertutup karena pegas atas dari katup pilot dapat mengatasi tekanan tersebut. Namun jika tekanan di dalam tangki udara naik sehingga dapat mengatasi gaya pegas tadi maka katup isap akan didorong sampai terbuka. Udara tekan akan mengalir melalu pipa pembebas beban dan menekan torak pembebas beban pada tutup silinder ke bawah. Maka katup isap akan terbuka dan operasi tanpa beban mulai. Selama kompersor bekerja tanpa beban, tekanan di dalam tangki udara akan menurun terus karena udara dipakai, sedangkan penambahan udara dari kompresor tidak ada. Jika tekanan turun melebihi batas maka gaya pegas dari katup pilot akan mengalahkan gaya dari tekanan tangki udara. Maka katup pilot akan jatuh, laluan udara tertutup, dan tekanan di dalam pipa pembebas beban menjadi sama dengan tekanan atmosfir. Dengan demikian torak pembebas beban akan terangkat oleh gaya pegas, katup isap akan kembali pada posisi normal, dan kompresor bekerja biasa mengisap dan memampatkan udara.
Gambar VI.6 Cara kerja pembebasan beban katup isap
Pompa dan Kompresor
82
Pembebas beban dengan pemutus otomatik Jenis ini dipakai untuk kompresor-kompresor yang relatif kecil, kurang dari 7,5 kW. Disini dipakai tombol tekanan (pressure switch) yang dipasang pada tangki udara. Motor penggerak akan dihentikan oleh tombol tekanan ini secara otomatis bila tekanan udara di dalam tangki udara melebihi batas tertentu. Sebaliknya jika tekanan di dalam tangki udara turun sampai batas minimal yang ditetapkan, maka tombol akan tertutup dan motor akan hidup kembali. Pembebas beban jenis ini banyak dipakai pada kompresor kecil sebab katup isap pembebas beban yang berukuran kecil agak sukar dibuat. Selain itu, motor berdaya kecil dapat dengan mudah dihidupkan dan dimatikan dengan tombol tekanan.
6.1.7 Pelumasan Bagian-bagian kompresor torak yang memerlukan pelumasan adalah bagianbagian yang saling meluncur seperti silinder, torak, kepala silang, metal-metal bantalan batang penggerak dan bantalan utama. Tujuan pelumasan adalah untuk mencegah keausan, merapatkan cincin torak dan paking, mendinginkan bagianbagian yang saling bergesek, dan mencegah pengkaratan. Pada kompresor kerja tungggal yang biasanya dipergunakan sebagai kompresor yang berukuran kecil, pelumasan kotak engkol dan silinder disatukan. Sebaliknya kompresor kerja ganda yang biasanya dibuat untuk ukuran sedang dan besar dimana silinder dipisah dari rangka oleh paking tekan, maka harus dilumasi secara terpisah. Dalam hal ini pelumasan untuk silinder disebut pelumasan dalam dan pelumasan untuk rangkanya disebut pelumasan luar. Untuk kompresor kerja tunggal yang berukuran kecil, pelumasan dalam maupun pelumasan luar dilakukan secara bersama dengan cara pelumasan percik atau dengan pompa pelumas jenis roda gigi. Pelumasan percik seperti diperlihatkan dalam Gambar VI.7, menggunakan tuas pemercik minyak yang dipasang pada ujung besar batang penggerak. Tuas ini akan menyerempet permukaan minyak di dasar kotak engkol sehingga minyak akan terpercik ke silinder dan bagian yang lain di dalam kotak engkol. Metoda pelumasan paksa seperti diperlihatkan seperti dalam Gambar VI.8, menggunakan pompa roda gigi yang dipasang pada ujung poros engkol. Putaran poros engkol akan diteruskan ke poros pompa ini melalui sebuah kopling jenis Oldham. Minyak pelumas mengalir melalui saringan minyak oleh isapan pompa. Oleh pompa tekanan minyak dinaikkan sampai mencapai harga tertentu lalu dialirkan ke semua bagian yang memerlukan melalui saluran di dalam poros engkol dan batang penggerak. Sebuah katup pembatas tekanan untuk membatasi tekanan minyak dipasang pada sisi keluar pompa roda gigi.
Pompa dan Kompresor
83
Gambar VI.7 Pelumasan percik
Gambar VI.8 Pelumasan paksa
Kompresor berukuran sedang dan besar menggunakan pelumasan dalam yang dilakukan dengan pompa minyak jenis plunyer secara terpisah, seperti diperlihatkan dalam Gambar VI.9. Adapun pelumasan luarnya dilakukan derngan pompa roda gigi yang dipasang pada ujung poros engkol seperti terlihat dalam Gambar VI.10. Pompa roda gigi harus dipancing sebelum dapat bekerja. Untuk itu disediakan pompa tangan yang dipasang paralel dengan pompa roda gigi. Pada jalur pipa minyak pelumas juga perlu dipasang rele tekanan. Rele ini akan bekerja secara otomatis menghentikan kompresor jika terjadi penurunan tekanan minyak sampai di bawah batas minimum. Jika pompa mengisap udara karena tempat minyak kosong atau permukaannya terlalu rendah maka rele akan bekerja dan kompresor berhenti. Pompa dan Kompresor
84
Gambar VI.9 Sistem pelumasan minyak dalam
Gambar VI.10 Sistem pelumasan minyak luar
Pompa dan Kompresor
85
6.1.8 Peralatan pembantu Untuk dapat bekerja dengan sempurna, kompresor dilengkapi dengan beberapa peralatan pembantu. Peralatan yang penting diantaranya adalah sebagai berikut: Saringan Udara Jika udara yang diisap kompresor mengandung banyak debu maka silinder dan cincin torak akan cepat aus bahkan dapat terbakar. Karena itu kompresor harus dilengkapi dengan saringan udara yang dipasang pada sisi isapnya. Saringan yang banyak dipakai saat ini terdiri dari tabung- tabung penyaring yang berdiameter 10 mm dan panjangnya 10 mm. Tabung-tabung ini ditempatkan didalam kotak belubang-lubang atau keranjang kawat, yang dicelupkan dalam genangan minyak.udara yang diisap kompresor harus mengalir melalui minyak dan tabung-tabung yang lembab oleh minyak. Dengan demikian, jika ada debu yang terbawa akan melekat pada saringan, sehingga udara yang masuk kompresor menjadi bersih. Aliran melalui saringan tersebut sangat turbulen dan arahnya membalik hingga sebagian besar dari partikel-partikel debu akan tertangkap disini. Gambar VI.11 memberikan contoh sebuah kompresor dengan saringan udara jenis genangan minyak.
Gambar VI.11 Saringan udara jenis genangan minyak
Katup pengaman Katup pengaman harus dipasang pada pipa keluar dari setiap tingkat kompresor. Katup ini harus membuka dan membuang udara keluar jika tekanan melebihi 1,2 kali tekanan normal maksimum dari kompresor. Pengeluaran udara harus berhenti secara tepat jika tekanan sudah kembali sangat dekat pada tekanan normal maksimum. Gambar VI.12 memperlihatkan penampang sebuah katup pengaman.
Pompa dan Kompresor
86
Gambar VI.12 Penampang katup pengaman
Tangki udara Tangki udara dipakai untuk menyimpan udara tekan dan jika ada kebutuhan udara tekan yang berubah-ubah jumlahnya dapat dilayani dengan lancar. Dalam hal kompresor torak dimana udara dikeluarkan secara berfluktuasi, tangki udara akan memperhalus aliran. Selain itu, udara yang disimpan di dalam tangki udara akan mengalami pendinginan secara pelan-pelan dan uap air yang mengembun dapat terkumpul didasar tangki untuk sewaktu-waktu dibuang. Dengan demikian udara yang disalurkan ke pemakai selain sudah dingin, juga tidak terlalu lembab. Peralatan pengaman yang lain Kompersor juga memiliki alat-alat pengaman untuk menghindari kecelakaaan, yaitu: a. Alat penunjuk tekanan, rele tekanan udara dan rele tekanan minyak b. Alat penunjuk temperatur dan relai termal (untuk temperatur udara keluar, temperatur udara masuk, temperatur air pendingin, temperatur minyak, dan temperatur bantalan) c. Relai aliran air, untuk mendeteksi aliran yang berkurang atau terhenti
6.1.9 Penggerak mula dan transmisi daya poros Penggerak mula Sebagai penggerak kompresor umumnya dipakai motor listrik atau motor bakar torak. Adapun macam, sifat-sifat, dan penggunaan masing-masing jenis penggerak tersebut dapat diuraikan seperti di bawah ini: Motor listrik Motor listrik dapat diklasifikasikan atas motor induksi dan motor sinkron. Motor induksi mempunyai faktor daya dan efisiensi yang lebih rendah dari pada motor sinkron. Motor induksi terdapat dalam dua jenis, yaitu jenis sangkar bajing (squirel-cage) dan jenis rotor lilit (wound rotor). Motor sinkron dipakai bila Pompa dan Kompresor
87
diperlukan daya besar di mana pemakaian daya merupakan faktor yang sangat menentukan. Motor bakar torak Motor bakar torak biasanya digunakan untuk kompresor portable. Untuk daya kecil sampai 5,5 kW dapat dipakai motor bensin, dan untuk daya yang lebih besar dipakai motor diesel. Transmisi daya poros Pada motor listrik dapat menggunakan sabuk-V, kopling tetap, dan rotor terpadu. Untuk motor torak digunakan sabuk-V, kopling tetap, atau kopling gesek. Sabuk-V Keuntungan transmisi ini dapat digunakan pada putaran kompresor yang dapat dipilih bebas sehingga dapat dipakai motor putaran tinggi. Kerugiannya adalah pada kerugian daya yang disebabkan oleh slip antara puli dan sabuk, serta kebutuhan ruangan yang lebih besar untuk pemasangan. Transimisi ini sering digunakan untuk kompresor kecil dengan daya kurang dari 75 kW. Kopling tetap Hubungan dengan kopling tetap memberikan efisiensi keseluruhan yang tinggi serta pemeliharaan yang mudah. Namun cara ini memerlukan motor dengan putaran rendah, dan motor dengan putaran rendah harganya mahal. Transmisi ini hanya sesuai untuk kompresor berdaya antara 150-450 kW. Rotor terpadu (direct rotor) Pada cara ini poros engkol kompresor menjadi satu dengan poros motor. Dengan cara ini ukuran mesin dapat menjadi lebih ringkas sehingga tidak memerlukan banyak ruang. Pemeliharaannya lebih mudah, namun untuk ini diperlukan motor yang dibuat secara khusus. Kopling gesek Cara ini digunakan untuk menggerakkan kompresor kecil dengan motor bakar torak. Di sini motor dapat distart tanpa beban dengan membuka hubungan kopling. Namun untuk kompresor dengan fluktuasi momen puntir yang besar diperlukan kopling yang dapat meneruskan momen puntir yang besar pula.
6.2 Efisiensi dan daya kompresor Pada proses kompresor torak terdapat dua macam efisiensi yang penting, yaitu efisiensi volumetrik dan efisiensi adiabatik keseluruhan. Efisiensi volumetris Perhatikan sebuah kompresor torak dengan diameter silinder D(m), langkah torak S (m), dan putaran N (rpm) seperti diperlihatkan dalam Gambar VI.13(a). Dengan ukuran seperti ini kompresor akan memampatkan volume gas sebesar Vs = (Л D2/4) x S (m3) untuk setiap langkah kompresi yang dikerjakan dalam setiap putaran poros engkol. Jumlah volume gas yang dimampatkan per menit Pompa dan Kompresor
88
disebut perpindahan torak. Jadi jika poros kompresor mempunyai putaran N (rpm) maka Perpindahan torak = Vs x N = (Л D2/4) x S.x N (m3/min)
Gambar VI.13 Langkah torak
Persamaan di atas hanya berlaku untuk kompresor kerja tunggal. Kompresor ini hanya menggunakan ruang di sisi kin torak (Gambar VI.13(a)) untuk bekerja memampatkan udara. Pada kompresor torak kerja ganda, pemampatan gas terjadi bukan hanya pada waktu torak bergerak ke kin, tetapi juga pada waktu torak bergerak ke kanan, karena ruang di sebelah kanan torak berlaku juga sebagai kompresor (Gambar VI.13(b)). Luas penampang efektif silinder di sebelah kanan torak adalah Л/4(D2 - d2), di mana d (m) adalah diameter batang torak. Dengan demikian untuk kompresor yang bekerja ganda berlaku rumus sebagai berikut: Perpindahan torak = (Л D2/4).S.N + Л/4(D2 – d2).S.N = Л/4(2D2 – d2).S.N (m3/min) Efisiensi volumetrik didefinisikan sebagai perbandingan antara volume gas yang dihasilkan dengan volume perpindahan torak, yang dapat dituliskan sebagai berikut:
v
Qs Qth
dimana: Qs = Volume gas yang dihasilkan pada kondisi tekanan dan temperatur isap (m3/min) Qth = Perpindahan torak (m3/min) Besarnya efisiensi volumetris mi dapat dihitung secara teoritis berdasarkan volume gas yang dapat diisap secara efektif oleh kompres pada langkah isapnya, seperti telah diuraikan di atas. Dan perhitungan tersebut diperoleh rumus yang dapat ditulis sbb:
Pompa dan Kompresor
89
Harga ηv yang sesungguhnya adalah sedikit lebih kecil dan harga yang diperoleh dan rumus di atas karena adanya kebocoran melalui cincin torak dan katupkatup, serta tahanan pada katup-katup. Dalam Gambar VI.14 diperlihatkan pengaruh ε dan Pd/Ps pada efisiensi volumetris. Sehubungan dengan hal-hal di atas dapat dimengerti jika efisiensi volumetris juga tergantung pada faktor-faktor rancangan kompresor seperti bentuk dan ukuran silinder, serta bentuk, ukuran, dan susunan katup-katup.
Gambar VI.14 Efisiensi volumetris dan perbandingan tekanan
Beberapa faktor yang mempengaruhi efisiensi volumetrik : 1. Pengaruh volume sisa. 2. Pengaruh ekspansi gas yang terisap. 3. Perbandingan kompresi. 4. Volume silinder. 5. Kecepatan putar.
Pompa dan Kompresor
90
Efisiensi adiabatis Eisiensi adiabatik keseluruhan didefinisikan sebagai daya yang diperlukan untuk memampatkan gas dengan siklus adiabatik (menurut perhitungan teoritis), dibagi dengan daya yang sesungguhnya diperlukan oleh kompresor pada porosnya. Efisiensi adiabatis dapat dituliskan sebagai berikut:
ad
Lad Ls
dimana: Lad = Daya adiabatis teoritis (kW) Ls = Daya yang masuk pada poros kompresor (kW) Daya kompresor Besarnya daya adiabatik teoritis dapat dihitung dengan rumus:
k 1 m.k Ps.Qs Pd mk Lad x x 1 (kW) k 1 6120 Ps dimana: Ps = Tekanan isap tingkat pertama (kgf/m2 abs) Pd = Tekanan keluar dari tingkat terakhir (kgs/m2 abs) Qs = Jumlah volume gas yang keluar dari tingkat terakhir (m3/mnt), Dinyatakan pada kondisi tekanan dan temperatur isap k = Cp/Cv m = Jumlah tingkat kompresi Jika dalam rumus digunakan satuan tekanan dalam Pa, maka:
k 1 m.k Ps.Qs Pd mk Lad x x 1 (kW) k 1 60000 Ps Tabel VI.1 menunjukkan harga-harga daya adiabatik teoritis yang diperlukan untuk mengkompresikan 1 m3/min udara dengan kondisi standar sebagai hasil perhitungan berdasarkan rumus di atas. Dari tabel terlihat bahwa daya yang diperlukan untuk kompresi dua tingkat harganya lebih kecil dari pada kompresi satu tingkat. Harga yang lebih rendah ini diperoleh pada kompresor dua tingkat yang menggunakan pendingin antara (intercooler) di antara tingkat pertama dan tingkat ke dua. Penggunaan pendingin antara akan memperkecil kerja kompresi. Jika tidak digunakan pendingin antara, maka daya yang diperlukan untuk kompresi dua tingkat adalah sama besarnya dengan daya untuk satu tingkat, pada perbandingan tekanan yang sama.
Pompa dan Kompresor
91
Sebagai contoh, dari Tabel VI.1 terbaca bahwa untuk kmpresi 1 tingkat sampai 7 kgf/cm (g) atau 8,033 kgf/cm2 abs, diperlukan daya sebesar 4,7074 kW. Daya sebesar 4,7074 kW tersebut juga akan diperlukan untuk kompresi dua tingkat tanpa pendingin antara. Namun jika digunakan pendingin antara maka daya yang diperlukan menjadi sebesar 4,0227 kW. Tabel VI-1 Daya yang diperlukan untuk kompresi adiabatis teoritis
Semakin tinggi efisiensi adiabatik keseluruhan sebuah kompresor, berarti semakin kecil daya poros yang diperlukan untuk perbandingan kompresi dan kapasitas yang sama. Selanjutnya, karena harga daya adiabatis teoritis untuk kompresor satu tingkat berbeda dengan harga untuk kompresor dua tingkat, maka memperbandingkan efisiensi kompresor harus dilakukan di antara yang sama jumlah tingkatnya. Sebagai kesimpulan dapat dikemukakan bahwa efisiensi diabatik keseluruhan merupakan petunjuk bagi baik buruknya performansi dan ekonomi sebuah kompresor. Adapun efisiensi volumetris hanya merupakan suatu koefisien yang diperlukan oleh perencana kompresor dan tidak penting artinya bagi pemakai. Pompa dan Kompresor
92
6.3 Soal-soal 1. Sebutkan komponen utama kompresor torak 2. Sebutkan jenis alat pembebas beban dan jelaskan singkat prinsip kerjanya 3. Apa fungsi katup pengaman dan jelaskan prinsip kerjanya 4. Sebuatkan dan jelaskan jenis penggerak mula kompresor 5. Apa yang dimaksud dengan efisiensi volumetris? 6. Tuliskan persamaan untuk menetukan efisiensi volumetris, jelaskan arti notasi yang digunakan dan satuannya 7. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi volumetrik 8. Apa yang dimaksud dengan efisiensi adiabatis? 9. Tuliskan persamaan untuk menghitung daya adiabatis, jelaskan arti notasi yang digunakan dan satuannya 10. Sebuah kompresor torak satu tingkat mempunyai efisiensi volumetris sebesar 63 %, perpindahan torak sebesar 7,94 m3/min, dan memampatkan udara dari atmosfir standar menjadi 7 kgf/cm (g). Efisiensi adiabatik keseluruhan ditaksir sebesar 70%. Hitung daya motor yang diperlukan untuk menggerakkan kompresor.
Pompa dan Kompresor
93
BAB VII KOMPRESOR SENTRIFUGAL, BLOWER, FAN
Tujuan Pembelajaran Umum Mampu memahami sistem dan prinsip kerja, dan mampu menentukan efisiensi dan daya kompresor sentrifugal, blower dan fan. Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mampu menjelaskan sistem dan prinsip kerja kompresor sentrifugal 2. Mampu menjelaskan sistem dan prinsip kerja blower dan fan
Semua bentuk dan konstruksi kompresor sentrifugal, blower dan fan berjenis turbo/rotadinamik baik aliran sentrifugal/radial, aliran campur dan aliran aksial. Karakteritik kompresor sentrifugal, blower dan fan pada dasarnya identik dengan karakteristik pompa tekanan dinamis khususnya sentrifugal. Yang membedakan antara kompresor, blower dan fan adalah operasi tekanan kerjanya, dan bukannya debit.
7.1 Kompresor sentrifugal Kompresor sentrifugal menggunakan impeler untuk menekan gas, dan difusor mengkonversikan energi kecepatan/kinetik menjadi energi tekanan. Kompresor sentrifugal sangat baik untuk penggunaan kontinyu, pelayanan stasioner di industri seperti oil refineries, chemical and petrochemical plants and natural gas processing plants. Daya berkisar dari 100 HP (75 kW) hingga ribuan HP. Kompresor udara sentrifugal adalah kompresor yang dirancang bebas minyak pelumas. Roda gigi yang dilumasi minyak pelumas terletak terpisah dari udara dengan pemisah yang menggunakan sil pada poros dan ventilasi atmosferis. Sentrifugal merupakan kompresor yang bekerja kontinyu, dengan sedikit bagian yang bergerak, dan lebih sesuai digunakan pada volume yang besar dimana dibutuhkan bebas minyak pada udaranya. Gambar VII.1 memperlihatkan contoh sebuah kompresor sentrifugal satu tingkat, sedangkan Gambar VII.2 menunjukkan komponen-komponen utamanya
Kompresor ini dikenal berbeda karakteristiknya jika dibandingkan dengan mesin reciprocating. Perubahan kecil pada rasio kompresi menghasilkan perubahan besar pada hasil kompresi dan efisiensinya. Mesin sentrifugal lebih sesuai
diterapkan untuk kapasitas besar. Penggunan lain kompresor jenis ini adalah untuk supercharger atau turbocharger dan turbin gas skala kecil.
Gambar VII.1 Kompresor sentrifugal satu tingkat
Gambar VII.2 Komponen utama pompa sentrifugal
Pada kompresor sentrifugal multi stages (Gambar VII.3), dapat menghasilkan tekanan hingga 10.000 psi (69 MPa).
Pompa dan Kompresor
95
Gambar VII.3 Kompresor sentrifugal multi tingkat
Kompresor aliran campur (Diagonal or mixed-flow compressors) Kompresor aliran campur adalah serupa dengan kompresor sentrifugal, namun memiliki komponen kecepatan radial dan aksial pada keluaran rotor/impeler. Kompresor aksial (Axial-flow compressors) Kompresor aksial kompresor rotadinamik menggunakan susunan pasangan aerofoils yang terdiri untuk mengkompresikan fluida kerja. Kompresor aksial digunakan untuk kebutuhan debit/ kapasitas yang besar. Kompresor aksial adalah multi-stages, memiliki efisiensi tinggi (s.d 90 %). Namun harganya relatif mahal, memerlukan banyak komponen/part, toleransi yang ketat, dan material kualitas tinggi. Aplikasinya di stasiun pemompaan gas alam, chemical plant, dan untuk turbin gas skala medium hingga besar.
Gambar VII.4 Kompresor aksial
Pompa dan Kompresor
96
Surjing (surging) pada kompresor Kompresor turbo (sentrifugal atau aksial), adalah merupakan jantungnya di banyak industri proses. Sering kompresor merupakan operasi yang kritis pada suatu plant. Surging mereprentasikan suatu gangguan terhadap kompresor dan proses. Pencegahan surging sangat penting dengan pengendalian proses karena surging menyebabkan downtime yang mahal dan kerusakan mekanik kompresor. Banyak yang beranggapan bahwa surging dapat dianalogikan dengan kavitasi pada pompa sentrifugal. Namun kenyataannya tidaklah demikian. Surging didefinisikan sebagai suatu osilasi sendiri (self oscillation) dari tekanan discharge dan debit/kapasitas, termasuk terjadinya pembalikan aliran (flow reversal). Setiap kompresor sentrifugal dan aksial mempunyai kombinasi karakteristik head maksimum dan debit minimum. Menuju kondisi tersebut surging akan terjadi. Selama surging, pembalikan aliran sering disertai dengan penurunan tekanan. Surjing dapat mengakibatkan: 1). Osilasi tekanan dan debit yang cepat menyebabkan ketidakstabilan proses 2) Kenaikan suhu di dalam kompresor 3) Compressor tripping 4) Kerusakan mekanis kompresor yang meliputi: - Beban bantalan radial selama awal surging - Beban bantalan thrust sebagai akibat loading and unloading -Terjadinya kontak komponen stasioner dan putar bila overloaded pada thrust bearing. - Seal rubbing
7.2 Blower Blower (peniup) dapat mencapai tekanan yang lebih tinggi daripada fan, sampai 1 bar(g). Blower dapat juga digunakan untuk menghasilkan tekanan negatif untuk sistim vakum di industri. Blower sentrifugal dan blower positive displacement merupakan dua jenis utama blower. Blower sentrifugal Blower sentrifugal (Gambar VII.4) terlihat lebih seperti pompa sentrifugal daripada fan. Impelernya digerakan oleh gir dan berputar 15.000 rpm. Pada blower multi-tahap, udara dipercepat setiap melewati impeler. Pada blower tahap tunggal, udara tidak mengalami banyak belokan, sehingga lebih efisien. Blower sentrifugal beroperasi melawan tekanan 0,35 sampai 0,70 kg/cm2, namun dapat mencapai tekanan yang lebih tinggi. Satu karakteristiknya adalah bahwa aliran udara cenderung turun secara drastis begitu tekanan sistim meningkat, yang dapat merupakan kerugian pada sistim pengangkutan bahan yang tergantung pada volum udara yang mantap. Oleh karena itu, alat ini sering digunakan untuk penerapan sistim yang cenderung tidak terjadi penyumbatan. Pompa dan Kompresor
97
Gambar VII.5 Blower sentrifugal
Blower jenis positive-displacement Blower jenis positive displacement memiliki rotor, yang "menjebak" udara dan mendorong- nya melalui rumah blower. Blower ini me nyediakan volum udara yang konstan bahkan jika tekanan sistimnya bervariasi. Cocok digunakan untuk sistim yang cenderung terjadi penyumbatan, karena dapat menghasilkan tekanan yang cukup (biasanya sampai mencapai 1,25 kg/cm2) untuk menghembus bahan-bahan yang menyumbat sampai terbebas. Mereka berputar lebih pelan daripada blower sentrifugal (3.600 rpm) dan seringkali digerakkan dengan belt untuk memfasilitasi perubahan kecepatan.
7.3 Fan Terdapat dua jenis fan (kipas), fan sentrifugal menggunakan impeler berputar untuk menggerakan aliran udara, dan fan aksial menggerakan aliran udara sepanjang sumbu fan. Fan sentrifugal Fan sentrifugal (Gambar VII.5) meningkatkan kecepatan aliran udara dengan impeler berputar. Kecepatan meningkat sampai mencapai ujung blades dan kemudian diubah ke tekanan. Fan ini mampu menghasilkan tekanan tinggi yang cocok untuk kondisi operasi yang kasar, seperti sistim dengan suhu tinggi, aliran udara kotor atau lembab, dan handling bahan. Fan sentrifugal dikategorikan oleh bentuk bladenya sebagaimana diringkas dalam Tabel VII.1.
Pompa dan Kompresor
98
Gambar VII.6 Fan sentrifugal
Pompa dan Kompresor
99
Tabel VII-1 Karakteritik berbagai fan sentrifugal Jenis fan dan blade Fan radial dengan blades datar (Gambar VII.6.a,b)
Fan yang melengkung kedepan, dengan blade yang melengkung kedepan (Gambar VII.6.c)
Backwardinclined fan, dengan bladesyang miring jauh dari arah perputaran: datar, lengkung, dan airfoil (Gambar VII.6.d)
Keuntungan
Kerugian
Cocok untuk tekanan statis tinggi (sampai 1400 mmWC) dan suhu tinggi Rancangannya sederhana sehingga dapat dipakai untuk unit penggunaan khusus Dapat beroperasi pada aliran udara yang rendah tanpa masalah getaran Sangat tahan lama Efisiensinya mencapai 75% Memiliki jarak ruang kerja yang lebih besar yang berguna untuk handling padatan yang terbang (debu, serpih kayu, dan skrap logam) Dapat menggerakan volum udara yang besar terhadap tekanan yang relatif rendah Ukurannya relatif kecil Tingkat kebisingannya rendah (disebabkan rendahnya kecepatan) dan sangat cocok untuk digunakan untuk pemanasan perumahan, ventilasi, dan penyejuk udara (HVAC) Dapat beroperasi dengan Perubahan tekanan statis (asalkan bebannya tidak berlebih ke motor) Cocok untuk sistim yang tidak menentu pada aliran udara tinggi Cocok untuk layanan forceddraft Fan dengan blade datar lebih kuat Fan dengan blades lengkung lebih efisien (melebihi 85%) Fan dengan blades air-foil yang tipis adalah yang paling efisien
Hanya cocok untuk laju aliran udara rendah sampai medium
Hanya cocok untuk layanan penggunaan yang bersih, bukan untuk layanan kasar dan bertekanan tinggi Keluaran fan sulit untuk diatur secara tepat Penggerak harus dipilih secara hati-hati untuk menghindarkan beban motor berlebih sebab kurva daya meningkat sejalan dengan aliran udara Efisiensi energinya relative rendah (55-65%) Tidak cocok untuk aliran udara yang kotor (karena bentuk fan mendukung terjadinya penumpukan debu) Fan dengan blades air-foil kurang stabil karena mengandalkan pada pengangkatan yang dihasilkan oleh tiap blade Fan blades air-foil yang tipis akan menjadi sasaran erosi
Pompa dan Kompresor
100
Fan Aksial Fan aksial menggerakan aliran udara sepanjang sumbu fan. Cara kerja fan seperti impeler pesawat terbang: blades fan menghasilkan pengangkatan aerodinamis yang menekan udara. Fan ini terkenal di industri karena murah, bentuknya yang kompak dan ringan. Jenis utama fan dengan aliran aksial (impeler, pipa aksial dan impeler aksial) diringkas dalam Tabel VII.2.beserta Gambar VII.7.
Gambar VII.7 Fan aksial
Pompa dan Kompresor
101
Tabel VII-2 Karakteristik berbagai fan aksial Jenis fan Fan propeler (Gambar VII.7.a, b)
Fan pipa aksial, pada dasarnya fan propeler yang ditempatkan dibagian dalam silinder (Gambar VII.7.c)
Fan dengan baling-baling aksial (Gambar VII.7.d)
Keuntungan
Kerugian
Menghasilkan laju aliran udara yang tinggi pada tekanan rendah Tidak membutuhkan saluran kerja yang luas (sebab tekanan yang dihasilkannya kecil) Murah sebab konstruksinya yang sederhana Mencapai efisiensi maksimum, hampir seperti aliran yang mengalir sendiri, dan sering digunakan pada ventilasi atap Dapat menghasilkan aliran dengan arah berlawanan, yang membantu dalam penggunaan ventilasi Tekanan lebih tinggi dan efisiensi operasinya lebih baik daripada fan propeller Cocok untuk tekanan menengah, penggunaan laju aliran udara yang tinggi, misalnya pemasangan saluran HVAC Dapat dengan cepat dipercepat sampai ke nilai kecepatan tertentu (karena putaran massanya rendah) dan menghasilkan aliran pada arah berlawanan, yang berguna dalam berbagai penggunaan ventilasi Menciptakan tekanan yang cukup untuk mengatasi kehilangan di saluran dengan ruang yang relatif efisien, yang berguna untuk pembuangan Cocok untuk penggunaan tekanan sedang sampai tinggi (sampai 500 mmWC), seperti induced draft untuk pembuangan boiler Dapat dengan cepat dipercepat sampai ke nilai kecepatan tertentu (disebabkan putaran massanya yang rendah) dan menghasilkan aliran arah berlawanan, yang berguna dalam berbagai penggunaan ventilasi Cocok untuk hubungan langsung ke as motor Kebanyakan energinya efisien (mencapai 85% jika dilengkapi dengan fan airfoil dan jarak ruang yang kecil)
Efisiensi energi nya relatif rendah Agak berisik
Relatif mahal Kebisingan aliran udara sedang Efisiensi energi nya relatif rendah (65%)
Relatif mahal dibanding fan impeler
Pompa dan Kompresor
102
7.4 Soal-soal 1. Jelaskan prinsip kerja kompresor sentrifugal 2. Jelaskan prinsip kerja kompresor aksial 3. Jelaskan perbedaan karakteristik antara kompresor sentrifugal dan kompresor aksial 4. Apa yang dimaksud dengan surjing pada kompresor dan apa pengaruhnya terhadap kondisi dan kinerja kompresor? 4. Jelaskan prinsip kerja blower sentrifugal dan jelaskan karakteristiknya 5. Jelaskan prinsip kerja blower jenis perpindahan positip dan jelaskan karakteristiknya 6. Jelaskan prinsip kerja fan radial dan jelaskan karakteristiknya 7. .Jelaskan prinsip kerja fan aksial dan jelaskan karakteristiknya
Pompa dan Kompresor
103
BAB VIII PEMASANGAN DAN PERAWATAN KOMPRESOR Tujuan Pembelajaran Umum Memahami prinsip dasar dan pertimbangan dalam pemsangan/instalasi, penggerak mula, dan perawatan/pemeliharaan kompresor Tujuan Pembelajaran Khusus 1. Mampu memahami prinsip pemasangan/instalasi kompresor 2. Mampu mengenal jenis penggerak mula kompresor 3. Mampu memahami prinsip perawatan/pemeliharaan kompresor
8.1 Pemasangan dan operasi kompresor Hal-hal yang perlu dipertimbangkan dalam pemasangan dan operasi kompresor: 1. Pemilihan Tempat - Instalasi harus dipasang dekat dengan tempat yang memerlukan udara tekan - Didaerah sekitar kompresor tidak boleh ada gas/zat yang mudah terbakar dan meledak - Pemeliharaan dan pemeriksaan harus dapat dilakukan dengan mudah - Ruangan harus terang, cukup luas, dan berventilasi baik - Temperatur ruangan harus lebih rendah dari 40 0 C - Kompreor harus ditempatkan didalam ruangan ( aman ) 2. Kondisi Pengisapan Pengisapan udara dari atmosfir perlu dijaga dengan baik sesuai petunjuk berikut ini : - Temperatur udara yang diisap harus dijaga serendah mungkin dan tidak lebih dari 40 oC - Kandungan debu disekitar tempat pengisapan harus dapat dijaga sekecil mungkin. - Udara harus sekering mungkin 3. Instalasi dan Pemipaan Pondasi Pondasi harus kuat menahan beban dari kompresor sehingga kompresor dapat berada tetap ditempatnya dan tidak bergeser atau melesak.
Pemasangan Sebelum kompresor dipasang, pondasi beton harus dipastikan sudah mengeras sepenuhnya, dan letak serta ukuran lubang baut harus benar. Pemipaan Kompresor pada umumnya dipergunakan instalasi pemipaan sehingga pemasangan pipa – pipa harus cermat dan benar, pemasangan yang tidak benar dapat menimbulkan retakan atau kerusakan lainnya. Pipa yang diperlukan dalam instalasi kompresor terdiri dari pipa keluar, pipa pembebas beban, dan pipa pendinginan. Kabel Listrik Pemasangan kabel-kabel listrik harus menggunakan bahan kabel yang memenuhi standar yang berlaku. Beberapa petunjuk umum dalam instalasi kabel listrik: Ukuran dan kapasitas kabel, sekering dan tombol-tombol harus ditentukan dengan hati- hati. Jika kabel terlalu panjang atau ukurannya terlalu kecil, dapat terjadi penurunan tegangan yang terlalu besar. Penggerak Mula Ada beberapa pilihan sistem penggerak mula (prime mover), untuk meggerakkan kompresor. a. Turbin gas untuk penggerak kompresor skala sedang hingga besar b. Turbin uap dan turbin air untuk penggerak kompresor skala besar Motor listrik: motor induksi, motor sinkron Motor bakar torak: motor bensin (< 5,5 kW), mesin gas, motor disel
8.2 Perawatan kompresor 8.2.1 Pemeriksaan Pemeriksaan harian Setiap hari sebelum dioperasikan, kompresor harus diperiksa menurut buku manualnya seperti, : pemeriksaan permukaan minyak, pembuang air pengembun, pengukur tekanan, katup pengatur, tombol tekanan, katup pengaman, dll. Pemeriksaan rutin Kompresor udara harus diperiksa secara periodik, jangka waktu pemeriksaan rutin bervariasi tergantung pada masing – masing produk. Prosedur pemeriksaan Setelah pembongkaran, bagian – bagian kompresor seperti katup udara, silinder, Cincin torak dan poros engkol harus diperiksa secara cermat.
Pompa dan Kompresor
105
8.2.2 Gangguan dan mengatasinya Kompresor tidak banyak mengalami gangguan jika pemeriksaan harian dan rutin dilaksanakan dengan taratur. Gangguan juga dapat timbul dari perubahan kondisi kerja atau pemeliharaan yang salah. Penanganan gangguan hendaknya didasarkan atas analisis dan dilaksanakan secara sistematis Pembebanan lebih dan pemanasan lebih pada motor - Pemilihan motor Jika daya yang diperlukan kompresor lebih besar dari pada kemampuan motor maka motor akan menjadi panas. - Slip pada sabuk, putaran terbalik, dan efek roda gaya yang tak cukup Sabuk yang slip mengakibatkan putaran kompresor menurun sehingga efek roda gaya akan berkurang dan momen puntir akan berfluktuasi, selebihnya akan terjadi panas dan sabuk dapat terbakar - Viskositas minyak pelumas Jika viskositas minyak terlalu tinggi, tahanan dari bagian bagian yang saling meluncur pada kompresor akan menjadi besar, sehingga kompresor akan memerlukan daya lebih besar pada putaran normalnya. - Pengisian lebih (supercharging ) karena pulsasi tekanan Pulsasi tekanan dapat terjadi dalam pipa-pipa karena pengisapan dan pengeluaran yang terputus pada kompresor torak. Jika frekuensi pribadi kolom udara didalam pipa isap bertepatan dengan frekuensi langkah pengisapan torak, maka terjadi gejala pengisian lebih, yang mana laju volume udara yang diisap bertambah besar sehingga daya yang diperlukan naik - Penyumbatan pada saringan isap dan pipa. Tahanan isap pada saringan ini dapat meningkat jika menjadi kotor oleh debu atau benda lain yang terperangkap. Akibatnya volume udara yang diisap akan menurun Pemanasan lebih pada udara keluar Kondisi lingkungan dalam ruang kompresor Temperatur udara keluar kompresor dapat naik secara menyolok karena pemanasan udara yang diisap dari keliling kompresor. Biasanya temperatur udara luar yang boleh diisap dibatasi sampai 40 oC. jika udara yang diisap naik temperaturnya, maka temperatur udara tekan yang dihasilkan akan naik pula. Katup pengaman sering terbuka Katup pengaman yang biasanya dipasang disisi keluar kompresor adalah sebuah katup pembebas tekanan untuk membatasi tekanan keluar supaya tidak naik jauh dari tekanan normalnya. Jika tekanan kerja pembebas beban disetel pada harga yang tinggi, maka tekanan keluar dapat dapat mencapai harga yang tinggi pula diatas normal Pompa dan Kompresor
106
Bunyi dan getaran - Kelonggaran yang berlebihan karena keausan Kelonggaran antara bagian-bagian yang saling meluncur menjadi terlalu besar, maka dapat terjadi bunyi ketukan didalam kompresor yang berasal dari pukulan karena kelonggaran pada torak dan silinder, bantalan-bantalan pada pen torak, pen engkol, dan poros engkol. - Pemasangan dan pelurusan Getaran yang terjadi dapat dicegah dengan penempatan yang stabil diatas tanah atau lantai dan pemasangan yang benar - Getaran sabuk dan fluktuasi momen puntir Getaran sabuk terjadi jika fluktuasi tegangan sabuk yang berputar menjadi berlebihan karena fluktuasi momen puntir kompresor. Untuk mencegahnya harus dipergunakan roda gaya yang cukup besar guna mengurangi fluktuasi momen puntir, atau tegangan sabuk ditambah secukupnya untuk mengurangi perbandingan fluktuasi tegangan sabuk - Getaran pipa Untuk mencegah getaran pada pipa, resonansi getaran kolom udara maupun resonansi getaran mekanis struktur pipa harus dihindari. Getaran struktur dapat dicegah dengan memperkuat atau menambah jumlah tumpuan pipa. Korosi Korosi dapat timbul menurut berbagai kondisi seperti berikut ini : - Kandungan bahan korosif dalam udara isap - Permbesan air laut - Minyak pelumas yang memburuk - Pemburukan minyak dalam bahan tembaga - Hal khusus ( contoh sabuk – V )
8.3 Soal-soal 1. Sebutkan dan jelaskan tentang hal-hal yang perlu dipertimbangkan dalam pemasangan kompresor 2. Sebutkan dan jelaskan tentang hal-hal yang perlu dipertimbangkan dalam pemasangan kompresor 3. Bagaimana cara mengatasi adanya gangguan bunyi dan getaran pada sistem kompresor
Pompa dan Kompresor
107
REFERENSI
1. Compressors and Compressed Air Systems, www.energyefficiencyasia.org, UNEP, 2006: 2. Fans and Blowers, www.energyefficiencyasia.org, UNEP, 2006 3. Fritz Dietzel, Alih Bahasa Dakso Sriyono, Turbin, Pompa dan Kompresor, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1996. 4. Granet, Irving, Fluid Mechanics for Engineering Tehnology, Second Edition, Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New York, 1881, ISBN 0-13-322610-7 5. Karassik, I. J. and Carter, R., Centrifugal Pumps: Selection, Operation and Maintenance, McGraw Hill Book Company, 1960, ISBN 07-033359-9 6. Pumps and Puming Systems, www.energyefficiencyasia.org, UNEP, 2006 7. Sayers, A.T., Hydraulic and Compressible Flow Turbomachineries, McGrawHill Book Company, London, 1990. 8. Sahdev, M., Centrifugal Pumps: Basics Concepts of Operatian, Maintenance and Troubleshootings, Part I & II, Associate Content Writer Presented at The Chemical Engineer’s Resource Page, www.cheresources.com 9. Sularso,Tahara, Pompa dan Kompresor : Pemilihan, Pemakaian dan Pemeliharaan, Pradnya Paramita, Jakarta, 1996. 10. Turton, R.K., Principles of Turbomachinery, Second Edition, Chapman & Hall, London, 1995, ISBN0 412 60210 5 11. Tyler G. Hick, P.E & T.W Edward, P.E., Alih Bahasa Zulffli Harahap, Tenologi Pemakaian Pompa, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1996.
