PERANCANGAN DAN ANALISA SCROLL EXPANDER DARI SCROLL COMPRESSOR

PERANCANGAN DAN ANALISA SCROLL EXPANDER DARI SCROLL COMPRESSOR

Andrearto Saleh Perdana Departemen Teknik Mesin – Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus Baru UI Depok, Jawa Barat, 16424, Indonesia Juli 2014

Abstrak Kompresor adalah suatu alat mekanik yang digunakan untuk meningkatkan tekanan fluida mampu mampat (compressible) seperti gas. Dalam perkembangannya, kompresor sebagai alat mekanik mengalami perubahan dari segi kerja dan sistem sebagai akibat dari kemajuan teknologi yang semakin pesat. Salah satunya adalah pengembangan scroll compressor menjadi sebuah expander. Scroll expander mempunyai efisiensi yang tinggi yang dapat digunakan pada Organic Rankine Cycle. Penulisan skripsi ini bertujuan untuk merancang sebuah scroll expander dari scroll compressor disertai dengan analisa pengujian dan perhitungan counterweight pada shaft scroll expander Kata kunci

: scroll expander, shaft , counterweight, Kompresor, scroll compressor dampak krisis energi masih dirasakan oleh masyarakat Indonesia. Masyarakat Indonesia mempunyai ketergantungan yang besar terhadap bahan bakar fosil saat ini. Produksi minyak bumi Indonesia semakin tahun semakin berkurang karena menipisnya sumber – sumber minyak bumi yang ada di Indonesia. Akibatnya, untuk saat ini kita harus mengimpor BBM untuk mencukupi permintaan terhadap bahan bakar fosil. Impor minyak bumi ini menyebabkan pemerintah harus menanggung kerugian demi pemenuhan kebutuhan masyarakat akan bahan bakar fosil.

1. Introduksi Permasalahan energi merupakan masalah klasik yang dihadapi oleh tiap negara di dunia tidak terkecuali Indonesia. Pemerintah Indonesia selalu berpikir keras untuk menata kebijakan mengenai energi tiap tahunnya demi menjaga pasokan sumber energi untuk masa depan. Contoh kebijakan yang pemerintah telah keluarkan yaitu adanya Kebijakan Energi Nasional yang dijadikan sebagai landasan untuk pengembangan dan peningkatan kapasitas penyediaan energy ke depan yang disebut dengan energy mix dengan komposisi batubara 32.7%, gas bumi 30.6%, minyak bumi 26.2%, PLTA 2.4%, panas bumi 3.8% dan lainnya 4.4% [1]. Kemudian, pemerintah mengeluarkan instruksi presiden nomor 10 tahun 2005 mengenai penghematan energi [2]. Di sektor pembangkit, PLN membuat kebijakan tarif yang didasari reward and punishment, yaitu pemberian diskon bagi masyarakat yang mampu menghemat listrik dan pembayaran lebih bagi masyarakat yang melampaui penggunaan listriknya.

Melihat permasalahan yang ada, penelitan di bidang energi terbarukan sangat dibutuhkan untuk dapat mengurangi ketergantungan kita terhadap bahan bakar fosil di masa depan. Organic Rankine Cycle (ORC) merupakan penemuan yang tepat untuk menghadapi permasalahan energi saat ini. Aplikasi penggunaan Organic Rankine Cycle sangat luas termasuk pada sistem pembangkit. Teknologi ORC cocok diaplikasikan pada sumber panas yang bermacam – macam seperti exhaust, proses pembuangan panas

Walaupun telah dilakukan berbagai macam kebijakan untuk menjaga pasokan sumber energi di masa depan, namun Depertemen Teknik Mesin-‐FTUI

Perancangan dan analisa..., Andrearto Saleh Perdana, FT UI, 2014

Universitas Indonesia

pada industri, pembuangan alami dan matahari [3].

Tabel 2.1 Karakteristik dan spesifikasi scroll compressor ZR22K3-PFJ

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan sebuah scroll expander yang mempunyai efisiensi yang tinggi yang dapat digunakan pada Organic Rankine Cycle (ORC). Expander berfungsi sebagai sumber tenaga pada siklus ORC. Faktor – faktor seperti efisiensi, jumlah tenaga yang dihasilkan serta kebutuhan operasi adalah beberapa hal yang penting dalam aspek perancangan scroll expander ini. 2. Material dan Metode Kompresor yang dipilih adalah kompresor merk Copeland dengan tipe ZR22K3-PFJ. Dasar pemilihan tipe kompresor tersebut ada pada sistem kerja scroll expander yang sederhana sehingga membutuhkan modifikasi yang tidak terlalu banyak untuk bisa menjadi scroll expander. Tipe R22 dipilih berdasarkan performa refrigerant R22 pada ORC yang telah diuji sebelumnya menunjukkan efisiensi siklus dan output yang tinggi jika dibandingkan dengan refrigeran lainnya[18].Scroll compressor yang dipilih mempunyai radial dan axial compliant scroll. Teknologi compliant scroll mempunyai kelebihan dalam hal sealing dibandingkan tipe constraint dikarenakan masalah kebocoran merupakan masalah utama kerugian efisiensi pada scroll expander. Tabel 3.1 menjelaskan karakteristik dan spesifikasi dari scroll compressor ZR22K3- PFJ yang telah dipilih dari pabrik

Scroll kompressor yang akan dimodifikasi merupakan scroll kompressor yang telah digunakan oleh mahasiswa sebelumnya dalam proyek ini. Berikut adalah gambar dari scroll compressor yang telah dikerjakan sebelumnya.

Gambar 2.1 Scroll compressor ZR22K3 PFJ Scroll compressor yang utuh telah dipotong menjadi 3 bagian yaitu bagian bawah, tengah dan atas dimana tiap bagiannya dimodifikasi dengan memberikan flange. Pemotongan menjadi 3 bagian berguna agar nantinya scroll Depertemen Teknik Mesin-‐FTUI



compressor yang akan dijadikan scroll expander dapat dilakukan kegiatan bongkar – pasang secara mudah. Flank tersebut berguna sebagai tempat baut untuk mengikat antara bagian bawah dan tengah maupun tengah dan atas. Selain itu, pada flange di tiap bagian, terdapat alur melingkar yang berguna sebagai tempat peletakkan O-ring. O- ring disini berguna untuk seal peredam kebocoran yang terdapat pada bagian flank tiap bagian.

Gambar 2.3 Shaft scroll expander awal

Gambar 2.4 Bearing housing kondisi awal

Gambar 2.2 Kondisi scroll expander awal Pada bagian shaft, Proyek sebelumnya masih menggunakan shaft asli dari scroll compressor tersebut tetapi dilakukan modifikasi pada bagian ujung bawah. Modifikasi yang dilakukan adalah pengecilan diameter shaft bagian bawah agar bisa fit dengan ukuran ball bearing yang akan dipasang. Diameter awal adalah 25 mm dilakukan pengecilan menjadi 17 mm menggunakan mesin bubut. Bearing dirakit pada sebuah bearing housing dimana bearing housing tersebut akan disambung pada rangka bawah dengan 3 buah baut.

Gambar 2.5 Assembly shaft pada scroll expander awal Modifikasi – modifikasi yang dilakukan pada proyek sebelumnya ini tidak bisa membuat scroll dan shaft bergerak ketika diberikan tekanan angin sampai 6 bar. Sehingga pada proyek ini, akan dilakukan modifikasi tahap selanjutnya dan mencari

Depertemen Teknik Mesin-‐FTUI



masalah yang menyebabkan expander tidak bisa bekerja

scroll

3. Hasil dan Analisis

3.1 Eksperimen Tahap I Pada tahap ini, telah dilakukan identifikasi dimana ada kemungkinan scroll tidak bisa bergerak dikarenakan ketika dilakukan eksperimen, tekanan input kurang. Berdasarkan referensi yang ada, parameter kerja dari scroll expander adalah sebagai berikut :

Gambar 3.1 Top Cover scroll expander yang dilubangi

Tabel 3.1 Desain preliminary [3]

Gambar 3.2 Saluran input yang telah dimodifikasi

Dimana jika dilihat pada tabel diatas, tekanan minimal dengan fluida kerja R245fa adalah 80 psi dan dengan R134a adalah 60 psi. Fluida kerja yang kita gunakan adalah udara/angin dimana mempunyai massa jenis yang berbeda dengan R245fa ataupun R134a, sehingga tekanan minimal pasti lebih besar dari parameter diatas. Identifikasi masalah ini menjadikan pertimbangan untuk melakukan modifikasi tahap I.

Gambar 3.3 Assembly saluran input pada top cover

Scroll expander diuji dalam 2 kondisi, yaitu open drive (terbuka) dan closed drive (tertutup). Pengujian menggunakan nitrogen sebagai fluida kerja yang mendekati fluida kerja refrigeran R245fa maupun R134a. Pada kondisi closed drive dimana scroll expander akan diuji dalam kondisi tertutup, dilakukan modifikasi pada saluran inlet agar fluida bisa masuk ke lubang inlet. Modifikasi yang dilakukan adalah sebagai berikut :

Gambar akhir dari modifikasi eksperimen tahap 1 serta analisa

dan

Gambar 3.4 Gambar 2d hasil modifikasi tahap 1 Depertemen Teknik Mesin-‐FTUI



3.2 Eksperimen Tahap 2 Pada eksperimen proyek sebelumnya, scroll expander diuji dengan menggunakan shaft yang berasal dari pabrikan. Ada indikasi awal bahwa shaft bawaan dari pabrik ini terlalu berat sehingga gerakan scroll yang esentrik tidak bisa membuat shaft berputar. Ini dikarenakan torsi awal dari shaft ini sangat besar dan salah satu faktornya apabila kita menggunakan shaft bawaan pabrik tersebut. Tahap II ini dilakukan modifikasi dengan membuat 2 shaft baru. Shaft pertama terbuat dari aluminium sedangkan shaft yang kedua terbuat dari. carbon steel. Pembuatan shaft dari aluminium dan carbon steel ini diharapkan dapat mengurangi besarnya torsi awal dari bergeraknya shaft ini sehingga shaft tersebut akhirnya dapat bergerak sebagai akibat dari gerakan scroll. Berikut adalah gambar shaft yang telah dibuat dengan menggunakan bahan aluminium dan shaft yang terbuat dari carbon steel.

Gambar 3.5 Gambar 3d hasil modifikasi tahap 1 Analisa Tahap 1 Pada pengujian tahap 1 ini, scroll expander tidak bisa berjalan dengan parameter orbiting scroll menggerakkan shaft dan shaft kemudian berotasi. Saat orbiting scroll diberi tekanan tanpa disambungkan dengan shaft, orbiting scroll bisa bergerak secara esentrik. Namun ketika orbiting scroll dihubungkan dengan shaft, baik orbiting scroll maupun shaft tidak bergerak sama sekali. Tekanan input sudah diperbesar hingga mencapai 10 bar ketika diuji dengan nitrogen namun tidak menunjukkan ada tanda – tanda scroll expander bergerak. Ada indikasi masalah bahwa shaft yang digunakan terlalu berat sehingga membuat gerakan orbiting scroll tidak mampu membuat shaft berputar. Selain itu, posisi shaft terhadap orbiting scroll tidak center yang menyebabkan posisi shaft miring. Posisi shaft yang miring ini kemudian membuat shaft tersangkut pada diameter bawah scroll base sehingga shaft tidak bisa bergerak bebas. Dari hasil temuan ini kemudian dilakukan modifikasi dan analisa tahap 2.

Gambar 3.6 Shaft Carbon Steel

Gambar 3.7 Shaft Aluminium Depertemen Teknik Mesin-‐FTUI



Selain pembuatan shaft, pada tahap 2 ini juga dibuat 2 buah counterweight dengan berat dan ukuran yang berbeda. Pembuatan counterweight ini dilakukan dengan adanya indikasi bahwa shaft membutuhkan momen putar yang besar sehingga counterweight ini berfungsi sebagai momen putar awal dan saat shaft berputar nantinya. Gambar 3.6 adalah gambar dari large counterweight dan small counterweight tersebut.

Gambar 3.9 Bearing 6205 Perhitungan Desain Shaft Perhitungan desain shaft dilakukan agar shaft yang akan dipakai dan didesain nantinya sesuai dengan beban yang ada pada scroll expander serta bisa bertahan dengan lama. Perhitungan desain shaft dilakukan dengan menggunakan persamaan – persamaan sebagai berikut : !

! !! = !! × !! !

Gambar 3.8 2 Counterweight

(3.1)

!

Dimana : Modifikasi bearing diperlukan untuk mendapatkan performa optimal dari putaran shaft. Bearing yang digunakan pada proyek sebelumnya menggunakan bearing standar untuk sepeda motor yang mana menurut kami tidak sesuai untuk shaft scroll expander dalam hal performa untuk mengurangi gesekan ketika berputar maupun nyawa bearing dalam hal ketahanannya.

!! = Tegangan geser izin (kg/mm2) !! = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2) !!! = Safety factor bergantung kepada jenis bahan !!! = Safety factor bergantung kepada bentuk poros (harga 1.3 – 3.0) Batas kelelahan puntir adalah 18% dari kekuatan tarik !! . Nilai safety factor tersebut diambil dengan melakukan perhitungan sebagai berikut :

Bearing pada proyek ini diganti dengan bearing merk SKF W6205 ball bearing yang terbuat dari stainless steel ini mempunyai kelebihan dalam hal performa untuk mengurangi gesekan, mampu bekerja pada kecepatan yang tinggi, dan kemampuan untuk tahan terhadap gaya radial dan axial. Perhitungan pemilihan ball bearing berdasarkan pada perhitungan yang ada [3]. Gambar menunjukkan spesifikasi ball bearing yang dipakai.

! !.!"

= 5.6

(3.2)

Nilai 5.6 diambil untuk bahan SF dan 6.0 untuk bahan S-C dengan pengaruh massa dan baja paduan. Nilai !!! diambil 6 karena dalam perencanaan pemilihan bahan diambil jenis S 50 C Diameter Poros Persamaan untuk menentukan diameter poros adalah sebagai berikut :




!! =

!.! !!

!! !! !

! !

Tabel 3.2 Tabel kekuatan tarik material carbon

(3.3)

Dimana : !! = Diameter poros (mm) !! = Kekuatan tarik bahan (kg/mm2) !! = Faktor koreksi terjadinya tumbukan

kemungkinan

!! = Faktor koreksi terjadinya beban lentur

kemungkinan

!! =

Setelah dilakukan perhitungan, tegangan geser lebih kecil dari tegangan geser yang diperbolehkan (!! < !! ) maka poros dengan material tersebut cukup aman.

Faktor koreksi yang dianjurkan ASME ada dua, yaitu faktor koreksi kemungkinan terjadinya tumbukan dan terjadinya beban lentur. Faktor koreksi akibat terjadinya tumbukan dinyatakan dengan !! , dimana nilainya untuk beban secara halus sebesar 1,0. Jika terjadi sedikit kejutan atau tumbukan dipilih sebesar 1,0 – 1,5. Jika beban dikenakan dengan kejutan atau tumbukan besar, maka dipilih sebesar 1,5 – 3,0. Faktor koreksi untuk beban lentur mempunyai nilai antara 1,2 -2,3.

Perhitungan ball bearing Perhitungan bearing life dilakukan untuk meyakinkan agar bearing yang dipilih tidak akan rusak saat dilakukan tes. Gaya dinamik dari bearing 6201-RSL terhitung pada C10= 7.28 KN dan untuk gaya statik terhitung pada 2.3 KN [23]. Besarnya gaya radial yaitu Fr = 674 N dan gaya axial adalah Fa = 25.1 N. Gaya aksial merupakan penjumlahan dari gaya – gaya terhadap sumbu aksial termasuk counterweight, shaft, scroll, dan bushing. Gaya radial tersebut didapat melalui perhitungan sebagai berikut :

Dari persamaan – persamaan diatas maka : !=

16 ×674 = 0.219 !/!!! ! ×25!

25 = 36,5 25 36,5

! 0.219 ×3600

! !.!!

!,!!

!"#ℎ = !"ℎ × !

! = 0.219 ×3600

!"ℎ =

! = 0,317 ×3600×0,219 = 0.249 !" 0,219 = 59,25 !"## 3600

Sehingga 16 ×59,25 != = 0,0193 !"/!!! ! ×25!

!

×!

(3.5)

!"ℎ

= Volume poros

!

= Diameter poros

L

= Panjang poros

!

= Massa jenis poros

Sehingga !×25! ×27 = 84326171 !!! !"ℎ = 4

Maka untuk tegangan izin yang diperbolehkan dengan poros jenis S 50 C dengan kekuatan tarik sebesar !! = 62 !"/!!! . Sesuai dengan tabel dibawah berikut : Depertemen Teknik Mesin-‐FTUI

!×! !

(3.4)

Dimana :

Momen Puntir ! = 9,74 ×10! ×

62 = 7,38 !"/!!! 6× 1,4

!"#ℎ = 84326171 ×10!! × 8000 = 674 !



Karena parameter yang didapatkan lebih rendah dari e, kita menggunakan X1 dan Y1=0 untuk menghitung gaya efektif Bearing life dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut :

Bload1 i

Bload1 j

Bload2 i

Fa Fr Bload2 j 3600 RPM. Shaft berotasi pada Parameter

!!" (!! !! 60 )!/! = !! (!! !! 60)!/! (3.6) Dimana : !! = Rated life (Jam) !! = Rated speed (RPM) !! = Desired life (Jam) a = 3 untuk ball bearing !! !! 60 merupakan banyaknya revolusi yang terjadi dimana untuk bearing SKF sebesar 106 [36]. Dengan memasukkan parameter – parameter yang ada maka : !! =

V=1 karena terjadi perputaran. Maka besarnya gaya dapat dihitung yaitu : F! 25.1 = = 0.0109 C! 2300

Ini menunjukkan bawa bearing 6201-RSL tidak akan gagal saat dilakukan tes. Gaya dinamik dan statik yang terhitung pada bearing W6205 adalah 11.9 dan 7.65 KN [3]. Nilai tersebut lebih tinggi dari bearing yang lain sehingga bearing 6205 diharapkan mempunyai nyawa yang lebih lama dari periode tes

Dari nilai ini, maka didapatkan parameter e dengan melihat tabel 11-1 [36] Tabel 4.2 Radial load factor untuk ball bearing [36]

Identifikasi masalah alignment telah dilaksanakan dimana untuk mengatasi masalah tersebut perlu adanya penentuan titik tengah yang baru pada scroll expander mengingat pada proyek sebelumnya shaft masih belum berada pada titik tengah yang tepat. Untuk menentukan alignment yang tepat, modifikasi dilakukan pada bearing housing. Bearing housing yang lama diganti dengan bearing housing yang baru. Sebelum dilakukan Pembuatan bearing housing yang baru, dilakukan penandaan titik tengah pada scroll expander dengan mesin bubut sehingga bearing housing akan dipasang dengan referensi titik tengah tersebut. Bearing housing yang

Dari nilai yang didapatkan, maka nilai e sebesar 0.19. Parameter ini kemudian dibandingkan dengan rasio berikut : 25.1 !! = = 0.0372 !!! 1 . 674


!! !! 60 !!" ! ( ) !! 60 !! 10! 7280 ! = ( ) 3600×60 674 ! = 5.8 ×10 !"#

%$



baru ini diharapkan membuat shaft berada pada posisi tengah mengikuti referensi titik tengah yang ada. Adapun gambar 3.10 adalah gambar bearing housing yang baru.

Gambar 3.10 Bearing housing modifikasi Gambar 3.13 Gambar 3d hasil modifikasi tahap II Analisa Tahap 2 Setelah dilakukan proses modifikasi tahap 2 ini, scroll expander tidak bisa berjalan dengan parameter orbiting scroll menggerakkan shaft dan shaft kemudian berotasi. Saat orbiting scroll diberi tekanan tanpa disambungkan dengan shaft, orbiting scroll bisa bergerak secara esentrik. Namun ketika orbiting scroll dihubungkan dengan shaft, baik orbiting scroll maupun shaft tidak bergerak sama sekali. Hasil ini sama dengan apa yang didapatkan pada eksperimen tahap 1. Tekanan input sudah dikondisikan sesuai dengan parameter yang ada yaitu sekitar 10 bar menggunakan nitrogen atau kompresor. Masalah yang ditemukan pada tahap 2 ini yaitu walaupun kedudukan shaft sudah center terhadap bearing housing bawah namun shaft tetap tidak bisa bergerak berputar ketika dihubungkan dengan orbiting scroll. Ada indikasi masalah pada housing scroll expander sehingga dilakukan modifikasi tahap 3.

Gambar 3.11 Shaft assembly pada bearing housing modifikasi Gambar akhir dari modifikasi eksperimen tahap II serta analisa

dan

3.3.3 Eksperimen Tahap 3 Modifikasi tahap 3 ini dimulai dengan meneliti sistem kerja dari scroll expander. Ada indikasi ketika scroll expander tidak berjalan, ini dikarenakan transfer gerakan antara orbiting scroll dengan shaft tidak berjalan dengan baik. Untuk itu dilakukan modifikasi dengan variasi media transfer

Gambar 3.12 Gambar 2d hasil modifikasi tahap II




orbiting scroll dan shaft menggunakan bearing. Shaft pada scroll compressor, telah diganti dengan shaft modifikasi yang dapat dihubungkan dengan small bearing ukuran diameter dalam 12 mm serta diameter luar 32 mm pada bagian ujung esentrik shaft tersebut. Gambar 4.19 merupakan gambar shaft modifikasi pada scroll expander dan gambar 4.20 merupakan gambar bearing 6201.

Gambar 3.16 Saluran intake dengan teflon Orbiting scroll telah dilakukan pembesaran diameter sebesar 32 mm pada bagian bawah tempat kontak antara shaft dengan scroll sehingga small bearing dapat masuk.

Gambar 3.14 Shaft Modifikasi pada ujung esentrik Gambar 3.17 Perbesaran diameter pada orbitting scroll

Gambar 3.15 Bearing 6201 Gambar 3.18 Perbandingan diameter pada orbitting scroll modifikasi

Lubang inlet scroll compressor, telah dilakukan modifikasi dengan membuat saluran noozle yang terbuat dari teflon untuk menghindari terjadinya kebocoran dan mendapatkan input udara optimal


Cover bawah scroll kompresor, dilakukan centering dan alignment dengan referensi flange cover bagian bawah untuk menentukan titik tengah dudukan bearing dan shaft. Gambar 3.19 merupakan proses alignment cover bawah.



Gambar akhir dari modifikasi eksperimen tahap III serta analisa

dan

Gambar 3.21 Gambar 2d modifikasi tahap 3

Gambar 3.19 Proses centering pada dudukan scroll expander

Analisa Tahap 3

Dudukan vertical bearing, dilakukan pengelasan pada 4 titik agar dudukan bearing berada pada posisi tetap dan tidak berubah

Setelah dilakukan proses modifikasi tahap 3 ini, scroll expander tidak bisa berjalan dengan parameter orbiting scroll menggerakkan shaft dan shaft kemudian berotasi. Saat orbiting scroll diberi tekanan tanpa disambungkan dengan shaft, orbiting scroll bisa bergerak secara esentrik.Perbesaran diameter orbiting scroll dan penambahan small bearing sebagai modifikasi sistem kerja pada orbiting scroll tidak bisa membuat shaft bergerak. Analisa dilakukan dengan mencari penyebab lain dan didapatkan bahwa shaft terlihat masih miring dan macet pada bagian scroll base. Masalah lain yang timbul yaitu shaft tidak bisa dilakukan proses adjustment secara lurus pada bearing housing dikarenakan posisi bearing housing tetap akibat pengelasan. Masalah ini kemudian akan dipecahkan pada eksperimen selanjutnya.

Gambar 3.20 Pengelasan pada bearing housing

3.4 Eksperimen Tahap 4 Pada scroll base, ditemukan masalah misalignment dimana terjadi touching antara shaft dengan sleeve yang terdapat pada bagian bawah scroll base. Masalah ini membuat shaft tidak bisa bergerak bebas karena tersangkut. Modifikasi dilakukan Depertemen Teknik Mesin-‐FTUI



dengan memperbesar lubang sleeve scroll base menjadi sebesar 38 mm. Gambar 4.26 merupakan gambar scroll base setelah diameter diperbesar.

Gambar 3.24 Bearing housing yang telah dichamfer Orbitting scroll, pada lubang yang menghubungkan shaft dengan orbiting scroll, dipasang peek mod dengan diameter dalam 12 mm, diameter luar 32 mm menggantikan small bearing untuk menguji apakah shaft bisa bergerak secara rotasi atau tidak jika menggunakan konektor yang diam.

Gambar 3.22 Perbesaran diameter pada scroll base Pada housing scroll compresor, ditemukan misalignment dimana ketika housing dan cover bawah scroll compresor dihubungkan terjadi offset sejauh 5 mm. Selain itu posisi scroll base terhadap housing ditemukan miring ketika dilakukan pengukuran pada 4 titik. alignment dengan mesin bubut dilakukan pada housing dengan referensi permukaan scroll base. Gambar 3.23 merupakan housing yang telah dilakukan proses perataan

Gambar 3.25 peek mood pada shaft Gambar akhir dari modifikasi eksperimen tahap 4 serta analisa

dan

Gambar 3.23 Perataan permukaan pada flange scroll expander Bearing housing scroll compressor, dilakukan modifikasi dengan menchamfer bagian pinggir dari housing bearing serta meratakan dinding permukaan cover bawah scroll compressor. Ini dilakukan agar terjadi self adjustment saat dilakukan pemasangan shaft. Gambar 3.24 merupakan bearing housing setelah dilakukan proses chamfer.


Gambar 3.26 Gambar 2d hasil modifikasi tahap 4



Analisa Tahap 4 Setelah dilakukan proses modifikasi tahap 4 ini, scroll expander bisa berjalan dengan parameter orbiting scroll menggerakkan shaft dan shaft kemudian berotasi namun dengan kecepatan yang sangat lambat..Perbesaran diameter scroll base dan penambahan peek mood sebagai modifikasi sistem kerja untuk menggantikan small bearing bisa membuat shaft bergerak secara lambat. Walaupun bisa bergerak secara lambat, ada indikasi bahwa pergerakan shaft ini dikarenakan oleh getaran shaft bukan rotasi secara alami sebagai akibat dari sistem kerja scroll expander . Setelah dilakukan pengecekan pada eksperimen tahap 4 ini, terdapat kerusakan pada bearing scroll expander. Gambar 3.27 merupakan gambar bearing yang rusak setelah dilakukan eksperimen tahap 4.

Gambar 3.28 Pemasangan peek mood pada scroll base Gambar akhir dari modifikasi eksperimen tahap 5 serta analisa

dan

Gambar 3.29 Gambar 2d hasil modifikasi tahap 5 Gambar 3.27 Bearing 6205 yang rusak

Analisa Tahap 5

Kerusakan pada bearing ini diakibatkan oleh getaran shaft yang ditahan oleh bearing. Karena getaran shaft tersebut tertahan, maka shaft berputar rotasi secara lambat. Masalah ini kemudian akan dipecahkan pada eksperimen selanjutnya agar shaft berotasi secara natural dan normal.

Setelah dilakukan proses modifikasi tahap 5 ini, scroll expander tidak bisa berjalan walau sudah diberi peek mood pada bagian scroll base. Shaft berada pada posisi yang terjepit ketika dimasukkan dengan peek mood sehingga ketika diberi input tekanan, baik scroll dan shaft tidak bergerak sama sekali. 3.7 Analisa Counterweight

3.6 Eksperimen Tahap 5 Scroll base compressor, dilakukan modifikasi dengan menambahkan sleeve dari peek mod pada lubang bawah orbiting base dengan clearance 0.1mm. Gambar 3.28 merupakan scroll base yang telah diberi peek mood.


Penggunaan counterweight bertujuan untuk mengurangi getaran dikarenakan ketidakseimbangan pada peralatan yang berputar. Ketidakseimbangan ini dikarenakan oleh gaya – gaya yang terjadi pada shaft maupun gerakan orbitting scroll. Untuk menghitung ukuran dan



posisi dari counterweight tersebut, kita menggunakan persamaan gaya sentrifugal. Gaya sentrifugal merupakan gaya yang menyebabkan pergerakan dari shaft scroll expander yang diekspresikan melalui persamaan berikut. !! = !!! !

Tabel 4.3 Hasil perhitungan massa dan jarak counterweight Massa (g)

Panjang (mm)

Cw Besar 358 g Cw Kecil 281 g Massa oversize 10% (g)

(3.7)

Cw Besar Cw Kecil

Dimana :

L1 L2 Rscw Rlcw Roc

393.8 309.1

105 80 25 25 3.3

m = massa dari benda yang berotasi (g) ω = kecepatan angular (rad/s) r = Jarak massa yang berotasi terhadap titik tengah rotasi (m)

Counterweight kecil

Semua massa pada shaft tersebut mempunyai kecepatan angular yang sama sehingga kita bisa menghilangkan ω dari persamaan.

Pertama, kita mencari total monen pada titik B melalui persamaan berikut

Rsc

(3.8)

Sedangkan untuk momen pada titik A dengan referensi arah yang sama.

!!! = !!" !!" (!! + !! ) − !!" !!" !! = 0 (3.9)

Dengan menetapkan parameter – parameter yang ada , persamaan diatas dapat diselesaikan. Dalam menetapkan

parameter yang ada, disarankan untuk memaksimalkan !! , !!" dan !!" dan meminimalisir !! agar meminimalisir massa dari counterweight tersebut. Tabel 4.3 Menjelaskan hasil perhitungan dari desain counterweight tersebut dengan msc sebesar 891 g.


A

L2

Counterweight Besar

L1 B

!!! = !!" !!" !! − !!" !!" !! = 0

dan counterweight


Orbitting

Gambar 3. 30 Skema momen pada shaft


Tabel 4.4 Balance quality grades

Dimana : !! = Toleransi Balance (!") G = Balance Grade ! = Kecepatan (rpm) Sehingga !! =

10 ×2.5 = 6.9 !" 3600 (1000)

Hasil simulasi pembebanan dgn solidwork Kondisi balance

Melihat tabel diatas, maka scroll compressor termasuk pada kategori G2.5 untuk peralatan seperti compressor dan machine- tool drives sehingga dipilih G 2.5. Untuk mendapatkan nilai permissible unbalance, menggunakan persamaan sebagai berikut : !=

!"#! ×! ×!

(3.10)

!

Dimana Variasi pembebanan dengan pengubahan material counterweight

U = Nilai Unbalance yang diperbolehkan G = Kode Grade (mm/sec) M = Massa Rotor (kg) N = RPM pada servis maksimum Maka jika diketahui N = 3600 rpm dengan G2.5 dan M sebesar 5.4 kg maka !=

9549 ×2.5 ×5.4 = 35.8 !/!! 3600

Untuk mendapatkan toleransi balance, menggunakan persamaan sebagai berikut: !! =

!" ×! (

(3.11)

! ) !"""




Variasi pembebanan dengan pengubahan ukuran counterweight

Variasi pembebanan dengan mengubaha jarak L1 dan L2, pengubahan material counterweight

Variasi pembebanan dengan mengubah material shaft

Variasi Pembebanan dengan mengubah jarak L1 dan L2, perbesaran ukuran counterweight

Variasi Pembebanan dengan mengubah jarak L1 dan L2




Perhitungan yang dilakukan untuk batas toleransi unbalance sebesar 6.9 !" dikaitkan dengan simulasi displacement mengindikasikan bahwa shaft akan berjalan secara tidak seimbang (unbalance) ketika sudah melampaui angka 6.9 !", tabel dibawah menunjukkan variasi counterweight shaft yang termasuk kategori unbalance dan balance berdasarkan angka toleransi 6,9 !" Tabel 4.5 Variasi counterweight

Variasi dengan pengubahan jarak L1 dan L2, ukuran dan material counterweight

Displacement Max 40 20 0

Dari simulasi diatas, maka dapat dilihat bahwa displacement terbesar yaitu sebesar 36, 6367 mm sedangkan displacement terkecil yaitu 0 mm. Displacement terbesar terjadi saat jarak Counterweight besar dan kecil diubah menjadi 150 mm dan 200 mm dengan mengubah ukuran counterweight menjadi lebih besar yaitu dengan tinggi sebesar 50 mm dan 40 mm. Angka Resultant Displacement pada simulasi solidwork merupakan resultan dari sumbu x, y dan z sehingga terlihat bahwa arah displacement menuju kebawah shaft


Displacement Max 1 2 3 4 5 6 7 8

Displacement min 0.2 0.1

Displacement min

0 1 2 3 4 5 6 7 8



4. Kesimpulan Dari keseluruhan eksperimen dan simulasi yang dilakukan dalam perancangan scroll expander ini, pada akhirnya dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: •

•

[1]http://www.esdm.go.id/batubara/doc_do wnload/714-blue-print-pengelolaan-energinasional-pen.html , 21-4-2014 [2] http://www.dephut.go.id/INFORMASI/Inp res/10_05.htm , 21-4-2014 [3] Harada J. Kevin, “Development of small scale scroll compressor,” Oregon State University : 2010 [4] A. Fraas, Engineering evaluation of energy systems, New York:McGraw-Hill, 1982 [5] B. Saleh, G. Koglbauer, M. Wendland, dan J. Fischer,”Working fluids for lowtemperature organic Rankine cycles,” Energy, vol. 32, no. 7, pp. 1210-1221, 2007 [6]http://www.powerfromthesun.net/Book/ chapter12/chapter12.html , 15-5-2014 [7] A. Schuster, S. Karellas, dan R. Aumann, “Efficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cycles,”Energy, vol.35, no.2, pp. 10331039, 2010

Panjang (mm)

Cw Besar 358 g Cw Kecil 281 g Massa oversize 10% (g) Cw Besar 393.8 Cw Kecil 309.1

L1 L2 Rscw Rlcw Roc

105 80 25 25 3.3

[8] A. Schuster, S. Karellas, E. Kakaras, dan H. Spliethoff, “ Energetic and economic investigation of Organic Rankine Cycle applications,” Applied Thermal Engineering, vol .29, no. 8,pp. 1809-1917,2009.

Variasi ukuran counterweight, jarak L1 dan L2, material counterweight, material shaft akan mempengaruhi pergeseran resultan gaya pada counterweight dan shaft yang mengakibatkan shaft tidak akan seimbang dan berjalan dengan mulus


Hasil desain akhir dari scroll expander ada pada lampiran 1.

Referensi

Shaft pada scroll expander dapat bergerak sebagai akibat dari mekanisme orbiting scroll pada scroll expander, namun gerakan shaft tidak sesuai yang diharapkan yaitu berotasi. Shaft bergerak esentrik mengikuti gerakan orbiting scroll.Ini dikarenakan oleh kesalahan misalignment dari awal yang susah sekali untuk diperbaiki. Missalignment ini terjadi karena 2 hal. Pertama, kedudukan scroll base yang miring terhadap cover. Kedua, antara housing dengan cover bawah dibuat tidak dalam satu sumbu yang sama. Walaupun sudah dilakukan berbagai cara untuk mengakali masalah ini, akan tetapi sulit sekali untuk memposisikan shaft pada posisi center yang sempurna Hasil perhitungan massa dan jarak counterweight adalah sebagai berikut : Massa (g)

•

•

[9] T. Hung,”A review of organic rankine cycles (ORCs) for the recovery of lowgrade waste heat,”Energy, vol.22, no.7, pp. 661-667, 1997. [10] S.A. Klein, Engineering Equation Solver (EES). fchart.com: F-Chart Software,2009



[11] T.Hung,” Waste heat recovery of organic rankine cycle using dry fluids,” Energy Conversion and Management, vol.42, no.5, pp. 539-553, 2001.

for reverse osmosis desalination,” Desalination, vol. 203, no. 1, pp. 366-374, 2007

[12] C. Ennis, Scientific assessment of ozone depletion 2006 : pursuant to article 6 of Montreal protocol on substances that deplete the ozon layer. eneva: WMO, 2007.

[20] X. Wang, L. Zhao, J. Wang, W. Zhang, X. Zhao dan W. Wu,” Performance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fa,” Solar Energy, vil. 84, no. 3, pp. 353- 364, 2010

[13] P. Mago, L. Chamra, K. Srinivasan, dan C. Somayaji,” An examination of regenerative organic rankine cycles using dry fluids,” Applied Thermal Engineering, vol. 28, no. 8, pp. 998-1007, 2008

[21] T. Saitoh, N. Yamada, dan S. Wakashima,” Solar Rankine Cycle system using scroll expander,” Journal of Environment and Engineering, vol. 2, no. 4, pp. 108-719, 2007

[14] P.J. Mago, L.M. Chamra, dan C. Somayaji,” Performance analysis of different working fluids for use in organic Rankine cycles,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, vol. 221, no.3, pp. 255-263, 2007

[22] R. B. Peterson, H. Wang, and T. Herron, “Performance of a small-scale regenerative Rankine power cycle employing a scroll expander,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, vol. 222, no. 3, pp. 271-282, 2008.

[15] J. Larjola,” Electricity from industrial waste heat using high-speed organic Rankine cycle (ORC),”International Journal of Production Economics, vol. 41, no.1, pp. 227-235, 1995.

[23] H. J. Kim, J. M. Ahn, I. Park, and P. C. Rha, “Scroll expander for power generation from a low-grade steam source,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, vol. 221, no. 5, pp. 705-711, 2007.

[16] M. Moran, Fundamentals of engineering thermodynamics, 5th ed. [Hoboken NJ?]: Wiley, 2004

[24] V. Lemort, S. Quoilin, C. Cuevas, and J. Lebrun, “Testing and modeling a scroll expander integrated into an Organic Rankine Cycle,” Applied Thermal Engineering, vol. 29, no. 14, pp. 30943102, 2009

[17] O. Badr, P. Ocallaghan, dan S. Probert,” Performances of Rankine- cycle engines as functions of their expanders’ efficiencies,” Applied Energy, vol. 18, no.1, pp. 15-27, 1984

[25] G. Xiaojun, L. Liansheng, Z. Yuanyang, and S. Pengcheng, “Research on a Scroll Expander Used for Recovering Work in a Fuel Cell,” International Journal Of Thermodynamics, vol. 7, no. 1, pp. 1-8, Mar. 2004.

[18] D. Manolakos, G. Kosmadakis, S. Kyritis dan G. Papadakis,” Identification of behavior and evaluation of performance of small scale, lowtemperature Organic Rankine Cycle system coupled with a RO desalination unit, “ Energy, vol. 34, no. 6, pp 767-774, 2009

[26] T. Yamamoto, “Design and testing of the Organic Rankine Cycle,” Energy, vol. 26, no. 3, pp. 239-251, 2001.

[19] D. Manolakos, G. Papadakis, S. Kyritsis, dan K, Bouzianas,”Experimental evaluation of an autonomous lowtemperature solar Rankine cycle system Depertemen Teknik Mesin-‐FTUI

[27] W. Yagoub, P. Doherty, and S. Riffat, “Solar energy-gas driven micro-CHP



[35]http://www.copeland.thainair.com/Scr oll/ZR22K3-PFJ.pdf , 9-4-2014

system for an office building,” Applied Thermal Engineering, vol. 26, no. 14, pp. 1604-1610, 2006.

[36] Richard G. Budynas and J. Keith Nisbett, Shigley’s Mechanical Engineering Design, 8th ed. McGraw-Hill Science/Engineering/Math, 2006

[28] J. Baek, E. Groll, and P. Lawless, “Piston-cylinder work producing expansion device in a transcritical carbon dioxide cycle. Part I: experimental investigation,” International Journal of Refrigeration, vol. 28, no. 2, pp. 141-151, 2005.

[29] B. Zhang, X. Peng, Z. He, Z. Xing, and P. Shu, “Development of a double acting free piston expander for power recovery in transcritical CO2 cycle,” Applied Thermal Engineering, vol. 27, no. 8, pp. 1629-1636, 2007. [30] B. Yang, X. Peng, Z. He, B. Guo, and Z. Xing, “Experimental investigation on the internal working process of a CO2 rotary vane expander,” Applied Thermal Engineering, vol. 29, no. 11, pp. 22892296, 2009. [31] M. Mohd.Tahir, N. Yamada, and T. Hoshino, “Efficiency of Compact Organic Rankine Cycle System with Rotary-VaneType Expander for Low-Temperature Waste Heat Recovery,” International Journal of Environmental Science And Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 11-16, 2010. [32] G. Haiqing, M. Yitai, and L. Minxia, “Some design features of CO swing piston expander,” Applied Thermal Engineering, vol. 26, no. 2, pp. 237-243, 2006. [33] J. A. Mathias, J. R. Johnston, J. Cao, D. K. Priedeman, and R. N. Christensen, “Experimental Testing of Gerotor and Scroll Expanders Used in, and Energetic and Exergetic Modeling of, an Organic Rankine Cycle,” Journal of Energy Resources Technology, vol. 131, no. 1, p. 012201, 2009. [34] Reid D. Austin, “ Low temperature power generation using HFE-7000 in a rankine cycle,” San Diego State University : 2010




PERANCANGAN DAN ANALISA SCROLL EXPANDER DARI SCROLL COMPRESSOR

Recommend Documents