5
BAB II LANDASAN TEORI DAN PERSAMAAN UMUM
2.1 Tekanan Jika suatu gas atau udara menempati suatu bejana tertutup maka pada dinding bejana tersebut akan bekerja suatu gaya. Gaya ini persatuan luas dinding disebut tekanan. Menurut teori ilmu fisika, gas terdiri dari molekul-molekul yang bergerak terusmenerus secara sembarang. Karena gerakan ini, dinding bejana yang ditempati akan mendapat tumbukan terus-menerus pula dari banyak molekul. Tumbukan inilah yang dirasakan sebagai tekanan pada dinding. Pemampatan fluida gas dapat dijelaskan dengan hukum Pascal yaitu tekanan yang dikenakan pada satu bagian fluida dalam wadah tertutup akan diteruskan ke segala arah sama besar. F
F
Gambar 2.1 Kompresi Fluida (Sumber : White, Frank M.Mekanika Fluida) Pada gambar diatas dijelaskan fluida ditempatkan dalam silinder dengan luas penampang A dan panjang langkahnya l dan dikompresi dengan gaya F melalui sebuah piston, sehingga tekanan fluida di dalam silinder adalah : ………………………………….1
Tekanan ini akan diteruskan ke semua titik dalam silinder dengan sama besar.
6
Jika temperatur gas dinaikan, maka gerakan molekul-molekul akan menjadi semakin cepat. Dengan demikian tumbukan pada dinding akan menjadi semakin sering dan dengan impuls yang semakin besar. Jadi meskipun volume bejana tetap, tekanan pada dinding akan menjadi lebih besar. 5 2.1.1
Tekanan Atmosfir Tekanan atmosfir yang bekerja di permukaan bumi dapat dipandang
sebagai berat kolom udara mulai dan permukaan bumi sampai batas atmosfir yang paling atas. Untuk kondisi standart, gaya berat kolo udara ini pada setiap 1 cm2 luas permukaan bumi adalah 1.033 kgf. Dengan kata lain dapat dinyatakan bahwa tekanan 1 atmosfir (1atm) = 1.033kgf/cm2 = 0.1013 MPa Tekanan atmosfir juga bisa dinyatakan dalam tinggi kolom air reksa (mm Hg), dimana, 1 atm = 760 mmHg
2.1.2
Tekanan Absolut (mutlak) Dan Tekanan Lebih Untuk menyatakan besarnya tekanan gas atau udara dalam suatu ruangan
atau pipa biasanya dipakai satuan kgf/cm2 atau Pa (Pascal). Dasar`yang dipakai sebagai harga nol dalam mengukur atau menyatakan tekanan ada dua macam. 1.
Jika harga nol diambil sama dengan tekanan atmosfir, maka tekanan yang diukur disebut tekanan lebih atau tekanan pada pressure gauge.
2.
Jika harga nol diambil sama dengan tekanan vacuum mutlak maka tekanan disebut tekanan absolute/mutlak.
Antara tekanan absolute dan tekanan lebih terdapat hubungan sebagai beikut : Tekanan absolute = Tekanan lebih (pressure gauge) + Tekanan atmosfir 2.1.3
Hubungan Antara Tekanan Dan Volume ,
Gambar 2.2 Ilustrasi Hubungan Tekanan dan Volume
7
Hubungan antara tekanan dan volume gas/udara dalam proses kompresi tersebut dapat diuraikan sebagai berikut. Jika selama kompresi, temperatur gas dijaga tetap maka pengecilan volume menjadi ½ kali akan menaikan tekanan menjadi 2 kali lipat. Demikian pula jika volume menjadi 1/3 kali, tekanan akan menjadi 3 kali lipat., demikian seterusnya. Jadi secara umum dapatdikatakan, “jika gas/udara dikompresi (atau diekspansikan) pada temperatur tetap, maka tekanannya akan berbanding terbalik dengan volumenya “. Pernyataan ini disebut hokum Boyle dan dapat dirumuskan pula sebagai beikut : Jika suatu gas mempunyai volume V1 dan tekanan P1 dimanpatkan (atau diespansikan pada temparatur tetap hingga volumenya menjadi V2 maka tekanannya akan menjadi P2 dimana: P1 x V1 = P2 x V2 dimana : P = absolute pressure V = volume gas Disini tekanan dapat dinyatakan dalam kgf/cm2 (atau Pa) dan volume dalam m3 Ilustrasi hukum ini dapat dilihat pada Gambar 2.1.
2.1.4 Hubungan Antara Temperatur Dan Volume Seperti halnya pada zat padat dan cair, gas/udara akan mengembang jika dipanaskan pada tekanan tetap. Dibandingkan dengan zat padat dan zat cair, gas/udara mempunyai koefisien muai jauh lebih besar. Dari pengukuran koefisien muai berbagai gas dapat dinyatakan dalam hokum Charles yang berbunyi: “semua macam gas apabila dinaikan temperaturnya sebesar 1oC pada tekanan tetap, akan mengalami pertambahan volume sebesar 1/273 dan volumenya pada 0oC. Sebaliknya apabila diturunkan temperaturnya sebesar 1oC, akan mengalami pengurangan volume dengan proporsi yang sama. Hukum ini dapat dirumuskan pula sebagai berikut. Jika suatu gas pada 0oC mempunyai volume sebesar V0,maka pada temperature T1oC untuk tekanan yang sama gas tersebut akan mempunyai volume V1 dimana,
8
…………………………………2 Lambang T menyatakan temperature dalam skala oC. Skala ini mempunyai harga 0o pada titik beku air dan harga 100o pada titik didih air pada tekanan 1 atmosfir. Disamping skala celcius, kita dapat memakai skala Kelvin (oK) dimana 0oK = 273 oC dan 273oK = 0oC. Temperatur yang didasarkan pada skala oK ini disebut temperature mutlak dengan lambang T. Jika temperatur dinyatakan dalam temperatur mutlak maka persamaannya adalah sebagai berikut : ……………………………………3
Sedangkan perubahan tekanan sendiri terhadap
emperature dan volume
udara dapat di definisikan melalui persamaan sebagai berikut …………………………..4
2.2
Sistem Udara Bertekanan.
2.2.1
Definisi. Sistem udara bertekanan adalah suatu sistem yang berfungsi untuk
menghasilkan, mengkondisikan dan mendistribusikan udara ke tempat pemakian yang diinginkan. Sistem udara tekan terdiri dari bagian suplai atau pemasokan, yang terdiri dari kompesor serta sistem pengkondisian udara, penyimpanan dan bagian permintaan (pengguna). Sistem perpipaan merupakan sistem yang kompleks, dimana sistem perpipaan mempunyai hubungan yang sangat erat dengan prinsip-prinsip analisa static dan dinamic stress, thermodinamic, dan teori aliran fluida untuk merencanakan keamanan dan efisiensi sistem pipa. Pada perancangan sistem instalasi diharapkan menghasilkan suatu jaringan instalasi pipa yang efisien dan afektive, dimana aplikasinya baik dari segi peletakan maupun segi keamanan dalam pengoperasian harus diperhatikan sesuai peraturan-peraturan klasifikasi maupun dari spesifikasi panduan instalasi dari
9
sistem pendukung permesinan. Peletakan dan pemilihan komponen penyusun perlu diperhatikan untuk mengurangi hal-hal yang tidak diinginkan seperti potensi kebocoran yang tinggi dan penurunan tekanan yang besar (head loss)
Gambar 2.3 Ilustrasi Sistem Udara Bertekanan Pada Umumnya (Sumber : www.agussuwasono.com/artikel/kompresor-dan-sistem-udara-tekan.)
Secara garis besar system udara bertekanan terdiri dari beberapa komponen penting, diantaranya : kompresor, air dryer, air receiver, air filter dan pipa distribusi (system pemipaan).
2.2.2
Penunjang system udara bertekanan System udara bertekanan terdiri dari beberapa kompenen penting,
diantaranya kompresor, air dryer, filter dan system pemipaan. 2.2.2.1 Kompresor Kompresor adalah alat mekanik yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan fluida mampu mampat, yaitu gas atau udara. Pada perinsipnya kerja kompresor adalah udara atau gas yang berasal dari lingkungan dihisap melalui inlet valve dan kemudian di kompresi dengan mekanisme tertentu dan setelah proses kompresi
10
udara dikeluarkan melalui saluran keluaran (discharge) untuk menuju sistem distribusi. Dikarenakan mekanisme kompresinya yang berbeda kompresor di dunia industri menjadi beraneka ragam jenisnya, maka dalam melakukan pemilihan kompresor harus dilakukan secara tepat yang sesuai dengan fungsinya. Hal tersebut dilakukan supaya udara yang dihasilkan sesuai dengan kebutuhan. Dalam menentukan pemilihan kompresor terdapat hal yang perlu diperhatikan diantaranya : Kapasitas beban pemakaian (volume beban) Tekanan pemakaian Kondisi lingkungan sekitar Kualitas udara Sumber energi yang tersedia Secara umum kompresor terbagi menjadi dua tipe utama yaitu positive displacement compressor dan dynamic compressor. Masing- masing tipe tersebut terdiri dari dua kategori utama,yaitu untuk positive displacement compressor, dua kategori yang masuk ke dalamnya adalah reciprocating compressor dan rotary compressor. Sedangkan dynamic compressor terbagi menjadi dua kategori utama, yaitu centrifugal dan aksial compressor.
Gambar 2.4 Diagram Jenis Kompresor (Sumber : http://ianatulkhoiroh.wordpress.com, natural-gasprocessing-process-overview/)
11
A. Kompresor Positive Displacement Perinsip kerja pada jenis positive-displacement compressor adalah sejumlah udara atau gas di trap dalam ruang kompresi dan volumenya secara mekanik menurun, menyebabkan peningkatan tekanan tertentu kemudian dialirkan keluar. Pada kecepatan konstan, aliran udara tetap konstan dengan variasi pada tekanan pengeluaran. Kompresor ini terbagi dalam dua jenis, yaitu: reciprocating dan putar/ rotary. 1. Kompresor Piston (reciprocating) Di dalam industri, kompresor reciprocating banyak digunakan untuk mengkompresi baik udara maupun refrigerant. Kompresor ini menggunakan piston yang dikendalikan oleh crankshaft untuk menghasilkan tekanan udara. Secara garis besar perinsip kerja dari kompresor resiprocating dibagi menjadi dua proses yaitu proses suction dan proses discharge, dimana pada suction proses gerakan crankshaft mengakibatkan posisi piston bergerak turun sehingga udara terhisap melalui suction, suction valve yang terbuka akibat hisapan tersebut mengalirkan udara memasuki ruang cylinder. Langkah selanjutnya, gerakan crankshaft mengakibatkan piston bergerak keatas sehingga menekan udara di dalam cylinder dan kemudian mengakibatkan tekanan, tekanan tersebut mengakibatkan valve discharge terbuka dan udarapun keluar melalui saluran discharge.
Gambar 2.5 Perinsip Kerja Kompresor Reciprocating (Sumber : http://batavia2008.blogspot.com, cara-kerja-komponen-ac.)
12
Jenis kompresor ini merupakan jenis kompresor moderen yang pertama kali dikembangkan. Tipe kompresor reciprocating biasanya bekerja pada putaran yang rendah berkisar antara 300 – 500 rpm dan tekanan kerja yang relative bervariasi yaitu 7 – 40 bar. Dikarenakan putaran rendah dan tekanan kerjanya yang lebih tinggi dari jenis kompresor lain, maka volume yang dihasilkan kompresor reciprocating relitive lebih rendah dibandingkan dengan jenis kompresor lain dengan tenaga penggerak yang sebanding.
Gambar 3. Kompresor Reciprocating Tiga Stage
Gambar 2.6 Kompresor Piston (Sumber : www.nomenclaturo.com, Terminology-of-reciprocating-Air Compressor) B. Kompresor Putar/ Rotary Kompresor ini menggunakan mekanisme putaran mesin untuk melakukan kompresi udara. Kompresor putar sendiri terdiri dari beberapa jenis diantaranya kompresor screw, kompresor sliding vane dan kompresor liquid piston. Kompresor rotari pada umumnya digunakan untuk perbandingan kompresi rendah dan kapasitas kecil hingga medium. Pada penggunaannya kompresor putar memiliki beberapa keuntungan diantaranya : Dapat berputar pada putaran tinggi, sehingga dimensinya relatif lebih kecil. Getaran mekanisnya lebih kecil.
13
Perawatannya lebih sederhana karena jumlah bagiannya lebih sedikit, misal tanpa katup dan mekanisme lain. Dapat memberikan debit yang lebih kontinyu dibandingkan dengan kompresor piston.
Pada kompresor putar jenis screw mekanisme kerjanya menggunakan single screw element maupun double rotating screw element yang terdapat dalam sebuah bagian dalam ruangan khusus, dimana proses kerja dari kompresor screw terdiri dari empat tahap yaitu akhir hisapan, awal kompresi, akhir kompresi dan pengeluaran seperti yang ditunjukan di bawah.
Gambar 2.7 Proses Kompresi Kompresor Screw (Sumber : Training Manual of Sullair Compressor)
1. Hisapan
3. Akhir Kompresi
2. Awal Kompresi
4. Keluaran
Rotasi pada bagian ini mengakibatkan terjadinya penurunan volume pada saluran angin. Kekosongan ini kemudian diisi oleh udara yang masuk melalui intake dan diberi tekanan sehingga terdorong ke bagian tabung penyimpanan. Kompresor ini berkerja pada putaran yang sedang yakni antara 2000 – 3000 rpm.
14
Gambar 2.8 Rotor Rotary Screw Kompresor (Double Screw) (Sumber : http://www.classzero.com, press_room-image_downloadscompressors.)
C. Kompresor Dinamis Kompresor dinamis terbagi menjadi dua jenis yaitu kompresor sentrifugal dan kompresor axial. 1. Kompresor sentrifugal. Kompresor udara sentrifugal merupakan kompresor dinamis, yang tergantung pada transfer energi dari impeller berputar ke udara, sehingga kompresor ini beroperasi pada putaran yang sangat tinggi yaitu berkisar antara 40.000 – 60.000 rpm. Momen putar ini dirubah menjadi tekanan tertentu dengan penurunan udara secara perlahan dalam difuser statis. Pada kompresor sentrifugal satu tingkat kenaikan tekanan yang dihasilkan kecil, sehingga supaya tekanan lebih besar kompresor sentrifugal didisain bertingkat atai multi stage dengan pendinginan. Kompresor udara sentrifugal adalah kompresor yang dirancang bebas minyak pelumas. Gir yang dilumasi minyak pelumas terletak terpisah dari udara dengan pemisah yang menggunakan sil pada poros dan ventilasi atmosferis. Sehingga kompresor sentrifugal ini termasuk klasifikasi kompresor oil free.
15
Gambar 2.9 Gambaran Sistem Alur Kompresor Sentrifugal Multi Stage (Sumber : Trainning Manual of Elliot Compressor)
Gambar 2.10 Impeler Kompresor Sentrifugal (Sumber : Trainning Manual of Elliot Compressor)
2. Kompresor Axial Kompresor
aksial adalah jenis kompresor yang mempunyai karakteristik aliran
udara yang mengalir sejajar dengan sumbu rotasi kompresor. Kompresor ini terdiri dari beberapa baris kaskade airfoil, beberapa baris rotor yang dihubungkan ke poros pusat dan berputar dengan kecepatan yang tinggi. Sedangkan stator tetap tidak berputar, fungsi stator sendiri adalah untuk meningkatkan tekanan dan
16
menjaga aliran dari sepiral sekitar sumbu dengan membawa aliran kembali sejajar dengan sumbu. Dibandingkan dengan kompresor sentrifugal, kompresor aksial dengan kebutuhan daya (rate of shaft work) yang sama akan menghasilkan head yang lebih kecil, tetapi kapasitas aliran (volumetric flowrate) yang lebih besar. Dengan demikian rasio tekanan P2/P1(presure ratio) untuk singel stagenya juga lebih rendah. Untuk mengatasi kekurangan ini, atau untuk memberikan head atau rasio tekanan yang sama, kompresor biasanya dibuat secara multistage, dengan tanpa membesar ukuran mesinnya ke arah radial.
Gambar 2.11 Sistem Kompresor Aksial ( Sumber : www.free-online-private-pilot-ground-school.com, turbine-engines.)
2.2.2.2 Air Dryer. Air dryer merupakan komponen yang berfungsi sebagai pengering udara dari uap air yang terkandung, dikarenakan udara yang dihisap kompresor selalu mengandung uapair. Kadar air ini harus ditekan serendah mungkin. Suhu dan tekanan udara menentukan kadar kelembaban udara. Makin tinggi suhu udara, makin banyak kadar uap air yang dapat diserap. Pada air dryer temperatur udara dikondisikan supaya sangat rendah yaitu mencapai suhu anomali air yaitu 0 sampai 4oC, massa jenis air terbesar diperoleh pada suhu 4 derajat
dengan
demikian titik jenuh dari kelembaban udara mencapai 100%, maka air akan menetes. Kondisi tersebut diciptakan untuk menghasilkan udara yang sesuai dan kualitas yang standar pada banyak kebutuhan. Udara yang dimanfaatkan untuk
17
mesin-mesin produksi pada dasarnya harus dalam keadaan yang tidak banyak mengandung uap air. Konsekuensi menggunakan udara basah deposito karat dan skala di pipa baja, meningkatnya perlawanan di aliran, merusak instrumen kontrol, korosi dan kerusakan katup elektromagnetik dan sistem pneumatik,dan banyak akibat lainnya. Oleh karena itu pada kondisi tersebut akan mempengaruhi kualitas produk dan mengakibatkan biaya pemeliharaan berlebihan. Gambaran system air dryer seperti yang ditunjukan gambar di bawah ini.
Gambar 2.12 Sistem Air Dryer (Sumber : Training Manual Sullair Air Dyer) 2.2.2.3 Air Receiver Untuk menyimpan udara yang sudah dikompresi oleh mesin kompresor, diperlukan sebuah tempat yang mampu menahan besarnya tekanan dari udara tersebut yaitu air receiver. Air receiver juga berfungsi untuk menjaga tekanan udara yang konstan di dalam sistem yang ada ,tanpa memperhatikan pemakaian dan supply yang berubah-ubah serta berfungsi sebagai penyediaan udara darurat ke sistem bila tiba-tiba terjadi kegagalan pada sumber. Permukaan tangki yang luas akan mendinginkan udara, sehingga embun dalam udara akan menjadi air. Oleh karena itu,penting pada tangki bagian bawah dipasang water drain untuk membuang air kondensasi. Ukuran tangki udara bertekanan sendiri sangat tergantung dari kebutuhan dan suplai udara.
18
Gambar 2.13 Tangki Udara ( Sumber : www.aircannonbiz.com, product/air-storage-tank.html)
2.2.2.4 Pipa Distribusi Pipa distribusi merupakan komponen yang berfungsi untuk menyalurkan atau mendistribusikan udara bertekanan untuk sampai ke pemakai atau mesin produksi. Pipa distribusi ini terdiri dari pipa header, pipa kapiler, fitting dan belokan (elbow). Sehingga pemilihan ukuran dan material merupakan factor yang sengat penting dalam perancangan jalur pipa distrbusi, dikarenakan hal tersebut sangat berkaitan dengan kualitas dan efektivitas udara yang di salurkan serta sangat mempengaruhi konsumsi energi dari mesin penghasil udara bertekanan (mesin kompresor)
Gambar 2.14 Pemipaan ( Sumber : Training Manual of Sullair Compressor)
19
2.2.2.5 After dan Pre Filter Komponen yang berfungsi untuk menyaring udara yang didistribusikan dari air yang masih terkandung, kotoran dan minyak. Perinsip dasarnya udara yang dikompresi melewati lapisan dalam dari elemen filter yang bertindak sebagai integral untuk menghilangkan kontaminan, sehingga partikel padat secara permanen terjebak dalam media filter sedangkan cairan dipisahkan pada bagian bawah elemen filter dan jatuh melalui drain valve. Kemampuan penyaringan pada after dan pree filter pada sistem udara pemipaan sangat tergantung dari material dan disain dari komponen itu sendiri, secara umum kemampuan penyaringan partikel padat pada after dan pree filter yaitu 5 micron.
Gambar 2.15 Konstruksi After /pre Filter (Sumber : Manual Training IFC(Intelligent Fllow Controllers) 2.3 Jenis Sistem Jalur Distribusi Udara Bertekanan Dalam mengklasifikasikan sistem udara bertekanan kita dapat membaginya menjadi dua dasar pemikiran yaitu berdasarkan penempatan kompresor dan berdasarkan layout sistem pemipaan. 2.3.1 Berdasarkan Penempatan Kompresor. Berdasarkan letak kompresor sistem pemipaan dibagi menjadi dua yaitu sistem sentralisasi dan desentralisasi. 2.3.1.1 Sistem Sentralisasi Sistem sentralisasi yaitu sistem dimana kompresor ditempatkan khusus pada satu tempat ruang kompresor.
Pada sistem ini terdapat beberapa keuntungan
diantaranya memudahkan perawatan dan monitoring karena semua compressor
20
berada dalam satu lokasi, memudahkan untuk penyediaan listrik dan air (jika unit compressor model water-cooled) karena tersentralisasi, jika seluruh plan menggunakan kualitas udara yang sama pada tekanan yang sama udara dapat disimpan pada satu area serta memiliki kemudahan untuk melakukan overhaul terutama jika di ruangan utama compressor tersedia alat pengangkat (lifting equipment). Selain keuntungan sistem ini pula mempuyai kelemahan yaitu penggunaan pipa dalam ukuran besar sehingga mahal, hal ini diperlukan untuk mengurangi pressure losses jika udara bertekanan ingin dialirkan ketempat yang jauh.
Gambar 2.16 Sistem Sentralisasi (Sumber : Training Manual of IFC(Intelligent Fllow Controllers))
2.3.1.2 Sistem Desentralisasi Sistem desentralisasi yaitu sistem dimana kompresor tidak ditempatkan pada satu ruangan kompresor saja melainkan kompresor ditempatkan di berbagai tempat disesuaikan dengan ruang pemakaian/departemen. Pada sistem ini terdapat beberapa ke untungan diantaranya pipa yang digunakan lebih pendek sehingga meminimalkan biaya pipa dan pressure drop, mampu menyediakan tekanan kerja yang sesuai dengan kebutuhan tiap bagian secara spesifik serta jika terjadi lonjakan kebutuhan pada salah satu bagian tidak akan mempengaruhi bagian yang lainnya. Selain keuntungan di atas sistem ini mempunyai beberapa kelemahan diantaranya perawatan terkadang menjadi terbengkalai karena compressor
21
diletakan di lokasi yang berbeda-beda, diperlukan electrical power dan air pada lokasi yang berbeda-beda serta menyulitkan pelaksanaan overhaul karena seringkali overhaul memerlukan peralatan khusus/ pengangkat.
Gambar 2.17 Sistem Desentralisasi (Sumber : Training Manual of IFC(Intelligent Fllow Controllers))
2.3.2
Berdasarkan Layout Sistem Pemipaan. Berdasarkan layout sistem pemipaan, maka sistem dibagi menjadi dua
kelompok yaitu sistem pipa loop dan sistem straight run (satu pipa utama). 2.3.2.1 Sistem Pipa Loop (pipa ring) Sistem pipa loop atau disebut juga sistem pipa ring merupakan sistem yang menempatkan pipa header mengelilingi atau melingkari plant pemakai. Untuk plant yang relative berbentuk persegi empat lebih baik menggunakan sistem Pipe Loop. Sistem ini juga memberikan peningkatan volume pipa (dapat berfungsi sebagai penyimpanan) dan aliran udara ke titik yang jauh dapat dijangkau dari dua arah. Selain itu sistem ini sesuai untuk compressed air system yang besar dengan sejumlah titik pemakaian. Hal ini memberikan keunggulan karena tiap peralatan di-supply dari dua arah sehingga kecepatan udara terbagi dan pressure drop berkurang.
22
Gambar 2.18 Sistem Pipa Loop (Sumber : Training Manual of IFC(Intelligent Fllow Controllers))
2.3.2.2 Sistem satu pipa utama (Straight Run) Sistem straight run atau disebut juga dengan system satu pipa utama, merupakan system yang menggunakan satu pipa header untuk menuju ke plant pemakaian. Sistem seperti ini cocok untuk plant yang berbentuk lorong panjang dapat menggunakan sistem ini karena biaya yang dikeluarkan untuk pipa header sangat rendah. Meskipun banyak hal yang harus dipertimbangkan untuk menggunakan sistem ini terutama berkaitan dengan pressure drop yang terjadi. Sistem ini mempunyai desain satu pipa header yang panjang dengan sejumlah cabang untuk mencapai titik-titik pemakaian.
Gambar 2.19 Sistem Pipa Satu Pipa Utama (Sumber : Training Manual of IFC(Intelligent Fllow Controllers))
23
2.4
Pengkajian Terhadap Kapasitas dan Spesifikasi Penunjang Sistem.
2.4.1
Kompresor Kapasitas kompresor adalah debit penuh aliran udara yang ditekan dan
dialirkan pada kondisi suhu total, tekanan total, dan diatur pada saluran masuk kompresor. Kapasitas kompresor biasanya dinyatakan dengan volume gas/udara yang diisap per satuan waktu (m3/s), Actual Cubic Feet per Minute (ACFM) atau Inlet Cubic Feet per Minute (ICFM). Untuk mengkaji kapasitas kompresor terdapat pendekatan persamaan, dimana untuk masing-masing kompresor berbeda tergantung dari jenis dari kompresor itu sendiri. Untuk mengetahui kapasitas dapat dilakukan dengan menggunakan pendekatan rumus, sebagai contoh pendekatan rumus untuk kompresor torak dan screw adalah sebagai berikut: Persamaan kapasitas untuk kompresor torak
..........................................5
Keterangan D = Diameter silinder (m) L = Panjang langkah torak (m) Z = Jumlah silinder n = Jumlah putaran poros per menit (menit-1) Persamaan kapasitas untuk kompresor screw (putar) ………………………6
Keterangan D = Diameter silinder (m) d = Diameter – luar silinder rotor (m) t = Tebal silinder (m) Z = Jumlah silinder
24
n = jumlah putaran poros per menit (menit-1) 2.4.2
Air Dryer Dalam menentukan kapasitas air dryer dalam sistem pemipaan udara
bertekanan didasarkan kepada seberapa kering udara yang diinginkan yang ditunjukan dengan nilai dew point yang mampu dicapai oleh air dryer ketika didalamnya terdapat aliran udara dengan volume tertentu. Sehingga pemilihan air dryer ditentukan oleh jumlah udara yang di suplai oleh kompresor (Free Air Delivery), semakin besar kapasitas volume udara yang mengalir maka semakin besar pula kapasitas air dryer yang harus tersedia dengan nilai dew poin yang dianjurkan. Terdapat beberapa ketentuan yang harus diperhatikan dalam merekomendasikan kapasitas air dryer diantaranya: Maksimum kapasitas aliran ( l/detik ) Maksimum temperatur titik embun ( oC ) Maksimum dan minimum tekanan udara masuk ( psi ) Maksimum dan minimum temperatur udara masuk ( oC ) Maksimum ambien temperatur ( oC ) Maksimum tekanan yang diinginkan ( psi )
2.4.3
Air Receiver Kapasitas air receiver adalah kemampuan tangki untuk menyimpan udara
sebagai cadangan atau mempertahankan tekanan sehingga tekanan dapat stabil. Kompresor dengan kondisi yang berbeban dan tidak berbeban (load unload) pada kompresor memungkinkan terjadinya fluktuasi tekanan di produksi, dengan demikian untuk menghindari hal tersebut pada sistem udara bertekanan harus dilengkapi dengan tangki udara. Untuk menentukan ukuran tangki itu sendiri didasarkan kepada volume kompresor (flow rate udara) yang masuk ,tekanan dan waktu. Adapun persamaan untuk mencari volume tangki yang di anjurkan adalah sebagai berikut: …………………………………….7 Jadi ………………………………...........8
25
Keterangan
2.4.4
V
= Volume Receiver Tank ( L )
Qc
= Kapasitas Kompresor (mm/s)
P1
= Tekanan maksimum (loading) ( psi )
P2
= Tekanan minimum (unloading) ( psi )
Pa
= Tekanan atmosfir (14.5 psi )
t
= Waktu tekanan maksimum ke tekanan minimum ( s )
Pipa dan sambungan (fitting) Kapasitas pipa adalah ketentuan besarnya volume udara bertekanan yang
dapat distribusikan oleh pipa dengan ukuran tertentu dari penghasil udara bertekanan menuju plant. Dalam menentukan kapasitas ukuran pipa dalam suatu sistem, maka kita harus mengetahui berapa volume udara bertekanan (flow rate) yang akan dialirkan dan panjang dari sistem itu sendiri. Dengan demikian kita harus dapat menentukan berapa kapasitas FAD(free air delivery) yang dihasilkan oleh kompresor. Hal tersebut bertujuan untuk meminimalkan terjadinya kehilangan energi tekan pada sistem (pressure loss), sehingga untuk menentukan dimensi pipa pada sistem udara bertekanan tidak terlepas dari perhitungan penentuan kehilangan tekanan yang diijinkan pada sistem. Dibawah ini adalah tabel untuk ukuran kapasitas pipa berdasarkan panjang dan volume udara yang mengalir di dalamnya. Adapun dalam melakukan perancangan system pemipaan hal yang perlu diperhatikan antara lain : 1. Diameter pipa harus dipilih yang sesuai untuk meminimalkan pressure drop serta pertimbangan kemungkinan adanya ekspansi. desain. 2. Fitting dan valve sebaiknya dipilih yang memberikan hambatan paling kecil terhadap aliran udara. 3. Semua pipa sebaiknya diberi penopang untuk meminimalkan pergerakan dan pergeseran. Hal ini membantu untuk meminimalkan terjadinya kebocoran dan memperpanjang usia pipa.
26
Sedangkan dalam melakukan pemilihan material pipa supaya sistem pemipaan dapat berfungsi efektive dan efisien, harus didasarkan pada ketentuan-ketentuan sebagai berikut : 1. Jenis fluida yang dialirkan. 2. Tekanan kerja dalam pipa, dimana pipa yang dipilih harus mempunyai spesifikasi kapasitas tekanan fluida yang dialirkan. 3. Temperatur kerja dalam pipa, pipa yang dipilih harus mempunyai spesifikasi kapasitas temperatur fluida yang dialirkan 4. Kualiatas fluida yang dikehendaki proses produksi.
2.5 Evaluasi Kerugian Udara Bertekanan. Tidak semua udara bertekanan yang dihasilkan oleh air compressor digunakan secara efisien untuk proses produksi. Menurut data statistik yang ada, pemborosan udara bertekanan terkadang mencapai 50% atau separuh dari yang dihasilkan oleh compressor. Terdapat 3 kategori besar yang mengakibatkan pemborosan udara bertekanan yaitu system losses, artificial demand dan poor practice.
Grafik 2.1 Persentase Pemakaian dan Losses Udara Bertekanan (Sumber : CAGI (Compressor Air and Gas Institute))
2.5.1
Artficial Demand Ketika pemakaian udara plant di-supply oleh udara yang lebih tinggi
tekanannya dibanding dengan yang dibutuhkannya maka konsumsi udara yang terjadi akan lebih daripada seharusnya. Kelebihan konsumsi udara tersebut mengakibatkan artificial demand. Berikut kemungkinan penyebab artificial demand yaitu :
27
Kelebihan supply udara bertekanan Air receiver yang tidak sesuai Tidak terkontrolnya pemakaian udara bertekanan (demand) Tidak tepatnya control pada air compressor
2.5.2
Poor Practices
Pengertian pemakaian poor practices sendiri adalah pemakaian udara bertekanan yang tidak ada hubungan secara langsung dengan kelangsungan system produksi. Adapun contoh dari pemakaian poor practies sendiri antara lain : Pemakaian udara bertekanan tinggi untuk membersihkan lantai dan mesin produksi Pemakaian udara bertekanan tinggi untuk membersihkan badan (safety hazard) Pemakaian (semburan) udara bertekanan untuk pendinginan saat cuaca panas Pembuangan udara bertekanan tinggi selama proses kondensasi
2.5.3
Rugi-rugi Sistem Kerugian yang terjadi pada sistem pemipaan dapat terjadi pada tekanan
maupun pada debit (flow) udara yang didistribusikan. Hal tersebut dapat disebabkan oleh terdapatnya kebocoran pada sistem maupun disebabkan oleh rancangan dari pada sistem itu sendiri (panjang pipa, tekukan, sambungan/fitting, dan lainnya) 2.5.3.1 Kebocoran Sistem Kebocoran sistem merupakan sumber pemborosan energi yang paling besar disamping itu juga kebocoran dapat berkontribusi terhadap kehilangan operasi lainnya. Kebocoran menyebabkan penurunan tekanan sistem, yang dapat membuat fungsi peralatan udara jadi kurang efisien, memberi pengaruh yang merugikan terhadap produksi. Ketika sistem mengalami kebocoran yang cukup besar, maka hal tersebut akan mengakibatkan beban kompresor menjadi lebih
28
besar sehingga waktu kondisi berbeban (full loading) akan meningkat dengan sendirinya konsumsi arus listrik akan semakin besar. Selain itu juga meningkatnya waktu operasi dapat juga menyebabkan permintaan perawatan kompresor itu sendiri semakin meningkat.
Kebocoran dapat berasal dari berbagai bagian dari
sistem, tetapi area permasalahan yang paling umum adalah: Sambungan pipa (fitting) Pengatur tekanan (regulator) Penjebak air (water trap) Drain kondensat Laju kebocoran adalah fungsi dari tekanan suplai dalam suatu sistem yang tidak terkendali dan meningkat dengan tekanan sistem yang lebih tinggi. Tingkat Kebocoran juga sebanding dengan kuadrat diameter orifice. (Lihat tabel di bawah ini.)
Tabel 2.1 Tabel Perbandingan Diameter dan Energi Terbuang Air Leakage – Power Loss Hole Diameter Air Leakage at 7 Bar Power Loss (mm) (kW) L/s cfm 0.4 2.5 5 0.06 1 5.7 12 0.37 1.6 12.6 27 0.97 3 23.4 50 3.36 6 35 74 15 10 65 138 37 (Sumber : CAGI (Compressor Air and Gas Institute)) Untuk mengetahui persentase dan flowrate udara yang terbuang akibat kebocoran sistem, kita dapat melakukan pengetesan sebagai berikut : 1. Matikan operasi peralatan yang menggunakan suplai udara bertekanan. 2. Jalankan mesin kompresor yang ada, biarkan sampai kondisi stabil. 3. Catat waktu rata-rata yang dibutuhkan kompresor untuk fasa load dan untuk fasa unload.
29
Setelah data didapat, kita dapat mengetahui presentasi dan flowrate udara yang terbuang dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
-
Persentasi kebocoran ……………………9
-
Jumlah volume yang terbuang ………………………………10
Dimana, T
= Waktu yang dibutuhkan fasa load ( s )
t
= Waktu yang dibutuhkan ketika fasa unload ( s )
Q
= Flowrate kapasitas kompresor ( m3/s )
Q loss = Flowrate udara yang terbuang ( m3/s )
2.5.3.2 Kehilangan Tekanan Pada Sistem Pemipaan. Kehilangan tekanan pada sistem pemipaan adalah besar tingkat kehilangan energi yang dapat mengakibatkan berkurangnya tekanan aliran udara dalam saluran. Secara umum kehilangan tekanan pada sistem disebabakan oleh dua faktor, diantaranya : Gesekan dengan dinding pipa (mayor pressure losses). Sambungan, belokan dan perubahan diameter pipa (minor pressur losses)
1.
Rugi-rugi Mayor Rugi mayor adalah rugi yang terjadi akibat adanya gesekan aliran fluida
dengan dinding pipa pada pipa lurus. Profil aliran fluida dalam pipa ditentukan dari bilangan Reynolds, yaitu : ………………………………..11
30
Keterangan, V = Kecepatan fluida (m/s) ρ = Masa jenis fluida (kg/m3) D = Diameter pipa (m) µ = Viskositas dinamik fluida (kg/ms)
Jenis aliran berdasarkan bilangan Reynold ada tiga macam .Aliran laminar, Re < 2300 Aliran transisi, 2300 < Re < 4000 Aliran turbulen, Re > 4000
Sedangkan persamaan untuk menentukan nilai massa jenis udara di dalam pipa didapat dari persamaan di bawah ……………………………………..12
Keterangan, Pabsolut = Pa ( tekanan alat ukur + tekanan atm ) R
= 287 J/Kg K( tabel termodinamika )
T
= 27 = ( 27˚ + 273˚ ) = 300˚K
Kecepatan fluida (V) pada Reynold dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut. ………….……………………….13 Sehingga …………….……………………….14
Keterangan, Q = Flow rate (m3/s) A = Luas penampang pipa (m2) V = Kecepatan fluida (m/s)
31
Selain itu juga penurunan tekanan dikarenakan gesekan pada pipa ditentukan oleh factor gesekan yang terjadi pada dinding pipa yang ditunjukan dengan nilai ( f ). Friction factor ( f ) dapat dicari melelui diagram Moody, sebelumnya harus diketahui terlebih dahulu nilai relative Roughnes. Relative Roughness dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut. ……………………………………..15 Dimana, e = Roughness pipa (dilihat dari table pipa roughness) D = Diameter pipa Sehingga perhitungan kehilangan tekanan (pressure loss) mayor menurut DarcyWeisbach, dapat dilakukan dengan menggunakan persamaan rumus. ………….………………16
Keterangan
2.
∆p
= Kehilangn tekanan mayor ( Pa )
f
= Friction factor (dapat dilihat dari Moody diagram)
L
= Panjang pipa (m)
D
= Diameter pipa (m)
V
= Kecepatan fluida (m/s)
ρ
= Masa jenis udara (kg/m3)
Kerugian Tekanan Minor (minor preassure loss) Rugi-rugi minor adalah kerugian tekanan yang disebabkan karena adanya
sambungan pipa (fitting) seperti katup (valve), belokan (elbow), saringan (strainer), percabangan (tee), losess pada bagian entrance, losses pada bagian axit, pembesaran pipa (expansion), pengecilan pipa (contraction) dan sebagainya.
32
Gambar 2.15 Jenis Sambungan (Sumber : Hertman, Williams (1981))
Kehilangan tekanan minor karena belokan dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :
...............................................17
Atau ...............................................18
Keterangan ∆p
= Losse Tekanan Minor (Psi)
f
= Friction factor (dapat dilihat dari Moody diagram)
ρ
= Masa jenis fluida (kg/m3)
L/De = Ekuivalent Lenght untuk asesoris
3.
V2
= Kecepatan Fluida Dalam Pipa (m/s)
K
= Koefisien Hambatan
Penurunan Tekanan Total Pemipaan Punurunan tekanan total pada pemipaan yang di sebabkan oleh jalur
distribusi pemipaan dapat dicari dengan menjumlahkan rugi-rugi mayor dengan rugi-rugi minor. Adapun persamaannya adalah sebagai berikut. Δp Total Pemipaan = Δp mayor + Δ minor ………………………………..19
33
2.5.3.3 Kerugian Tekanan Komponen. Selain kerugian mayor yang disebabkan oleh gesekan pada pipa dan kerugian minor yang disebabkan oleh sambungan-sambungan (fitting) pada pipa. Kerugian pun dapat disebabkan oleh beberapa komponen penunjang sistem, seperti diantaranya after filter, pre filter dan air dryer. Rugi-rugi yang disebabkan oleh komponen tersebut akan sangat besar, ketika kondisinya sudah kurang baik seperti filter lama tidak di ganti sehingga terjadi penyumbatan dan pada air dryer terjadi penyumbatan pada saluran epavorator dikarenakan terjadi frozen. Besar rugi-rugi atau penurunan tekanan maksimal diperbolehkan yang disebabkan oleh komponen di atas adalah sebagai berikut. Refrigerant dryer 8963.184 Pa (1.3 PSI) Line filter/pre filter dan after filter (kondisi masih baru) 19994.8 Pa (2.9 PSI) (Sumber : CAGI (Compressor Air and Gas Institute)
2.5.3.4 Kerugian Total Sistem (total system pressure loss) Dengan demikian kerugian total dalam suatu sistem pemipaan udara bertekanan merupakan penjumlahan dari kerugian mayor, kerugian minor dan kerugian komponen. Sehingga kerugian total pada sistem dapat dihitung dengan persamaan di bawah ini. ∆p total = ∆p mayor + ∆p minor + Δp kompoen………………………………..20 Keterangan ∆p
= Kerugian total (Pa)
Δp mayor
= Kerugian mayor (Pa)
∆p minor
= Kerugian minor (Pa)
Δp komponen = Kerugian komponen (Pa)
