Kompressor udaraAlat yang digunakan untuk menaikkan tekanan udara dengan cara memampatkan volumenya.

Kompressor bolak balik satu tingkat.Salah satu jenis kompressor bolak balik yang sederhana adalah kompressor yang seluruh kompressinya berlangsung dalam satu selinder, yang biasanya disebut dengan kompressor satu tingkat.Dalam hal kompressor ideal diasumsikan sebagai berikut:

(1) tidak ada kerugian tekanan pada katup masuk dan katup buang;(2) tekanan pada langkah isap dan langkah buang adalah konstan;(3) kompressor tidak mempunyai ruang rugi;(4) seluruh proses kompressinya berlangsung pada satu selinder.

Secara termodinamis, kompressor satu selinder, satu tingkat ditunjuukkan pada gambar 5.

Dari gambar 5, pada saat piston berada pada akhir langkah tekan (titik a), jumlah udara di dalam selinder adalah nol. Ketika piston mulai bergerak melakukan langkah isap, maka katup isap akan terbuka, katup buang tertutup, pada saat itu udara masuk selinder dengan kondisi tekanan p1. Katup isap akan tetap terbuka sampai akhir langkah isap (titik b). Ketika piston mulai bergerak memampatkan udara, kedua katup tertutup, sehingga tekanan dan temperatur udara naik. Proses kompressi ini dapat berlangsung secara isotermis, adiabatis, atau politropik. Pada saat udara mencapai tekanan p2 (titik c), maka katup buang terbuka, dan selanjutnya piston terus menekan, sehingga udara bertekanan tinggi keluar dari selinder.Misalkan p1,V1,T1 merupakan kondisi udara sebelum kompressi, dan p2,V2,T2 merupakan kondisi udara setelah kompressi, maka apabila:

(1) Proses kompressinya mengikuti persamaan pVn = konstan, berarti:

; Dari persamaan , didapat:

(2) Apabila kompressinya adiabatis, maka persamaan usaha yang dibutuhkan menjadi:

(3) Apabila kompressinya berlangsung isotermis, pV = konstan, maka persamaan usaha yang dibutuhkan menjadi:

Karena p1V1 = p2V2 , maka:

Beberapa istilah dalam kompressor:1. Reciprocating Compressor, yaitu kompressor yang memampatkan udara dengan

menggunakan piston yang bekerja bolak balik di dalam selinder.2. Single acting Compressor, yaitu kompressor yang memampatkan udara hanya

dalam satu ujung selinder;3. Double acting Compressor, yaitu kompressor yang dapat memampatkan udara

pada kedua ujung selinder.

Contoh perhitungan:

1. Double acting Compressor dengan daya indikator 50 HP, mengisap udara pada kondisi 1 atm, 15 oC, selanjutnya memampatkan udara secara politropik (n = 1,2) sampai 6 atm, dengan putaran N = 100 rpm, dan kecepatan piston rata-rata Cm = 150 meter per menit. Ditanyakan ukuran selinder !

Jawab:Pi = 50 HP = 50 x 746 = 37300 Watt

N = 100 rpm = = 1,7 rps

W = pmVs , dimana pm = tekanan efektif rata-rata Vs = Volume langkah = V1

pm = 2,115 x 105 Pa.

Pi = pm x V x N x 2 = pm x A x l x N x 2

= pm x A x Cm Cm = 2 x l x N = = 2,5 ms-1.

37 300 = 2,115 x 105 x A x 2,5 A = 0,0703 m2

d = 0,299 meter

d = 30 cm

Cm = 2 l N

2. Kompressor udara tipe single stage digunakan untuk memampatkan udara 72 m3

udara per menit, dari 1 atm, 15 oC menjadi 8 atm. Tentukan temperatur akhir kompressi, kerja yang dibutuhkan, daya dan kalor terbuang untuk masing masing proses yaitu: (1) isotermis, (2) adiabatik, dan (3) politropik (n = 1,25).

Jawab:(1) Untuk kondisi isotermis,

T1 = 273 + 15 = 288 KT2 = T1 = 288 KV1 = 72 m3s-1

p1V1 = p2V2

Kalor terbuang,

(2) Untuk proses adiabatis:

m3 per menit.

W= 207 x 105 Joule per menit.

Kalor yang terbuang, Q = W + U

;

U = Cv (T2 – T1) Cp = Cv + R Cp - Cv = R

k – 1 =

Q = - 13,54 x 105 kal per menit.

Atau:

Kompressor torak dua tingkat.Diagram indikator ideal untuk kompressor dua tingkat dilukiskan pada gambar 6, dengan asumsi sebagai berikut:

(1) masing-masing selinder bekerja dengan proses yang sama, yaitu apabila selinder yang bekerja adiabatis, maka yang kedua juga adiabatis, demikian pula bila isotermis ataupun politropik.

(2) Masing-masing selinder tidak mempunyai clearance volume.

(3) Udara yang keluar dari intercooler temperaturnya sama dengan udara yang masuk selinder tekanan rendah.

(4) Udara yang masuk pada langkah isap dan yang keluar pada langkah tekan berlangsung secara isobar.

p p3

Hpc

p2

Lpc p1

Misalnya kondisi udara yang masuk selinder tekanan rendah adalah p1 Pa dan volumenya V1 m3. Udara/gas yang masuk selinder tekanan tinggi adalah p2 Pa dan volumenya V2 m3, sedangkan p3 adalah tekanan akhir. Sebagai ilustrasi untuk menerangkan perubahan tekanan pada kedua selinder dilukiskan pada gambar 7. Mula-mula udara masuk dan dimampatkan pada selinder tekanan rendah (Low Pressure Cylinder = LPC) dari tekanan p1 sampai p2, kemudian masuk ke intercooler. Di dalam intercooler udara didinginkan secara isobar sehingga terjadi transfer kalor ke air pendingin. Selanjutnya keluar dari

k = konstanta adiabatisn = konstanta politropikm = Jumlah tingkat

intercooler udara dimampatkan pada selinder tekanan tinggi (High Pressure Cylinder = HPC) secara adiabatik sampai tekanan p3.

Kerja yang dibutuhkan per siklus:(1) Pada LPC (Low Pressure Cylinder)

(2) Pada HPC (High Pressure Cylinder)

Total kerja yang dibutuhkan: Wt = W1 – W2

Apabila intercooler sempurna, maka p1V1 = p2V2, sehingga persamaan total kerja dibutuhkan menjadi:

Kerja yang dibutuhkan untuk menggerakkan kompressor akan menjadi minimum ketika titik d berada pada garis isotermal, hal ini dipenuhi apabila:

Dalam bentuk umum apabila ada m tingkat:

Untuk kompressi politropik:

Pengaruh ruang rugi (clearance volume) dalam kompressor torak Dalam keadaan sesunguhnya keberadaan ruang rugi pada kompressor merupakan suatu keadaan yang sulit dihindari, dengan beberapa alasan mekanis antara lain menghindari terjadinya benturan antara piston dengan katup. Volume di dalam selinder pada saat piston berada pada akhir langkah ditambah volume ruang yang menuju katup disebut volume ruang rugi (clearance volume).

Volume ruang rugi secara teoritis ditunjukkan dalam p-V diagram gambar-8. Dalam hal ini udara bertekanan akan diekspansikan kembali selama langkah isap sampai titik 4. Apabila selama langkah ekspansi dan kompressi mengikuti persamaan pVn = konstan, maka kerja yang dilakukan selama langkah kompressi tanpa clearance volume adalah:

Kerja yang dilakukan selama langkah ekspansi:

Kerja yang dilakukan per siklus adalah:

V1 – V4 = Volume isap = Volume langkah efektif.

Kerja bersih yang dilakukan selama siklus kompressi adalah:

Efisiensi VolumetrisEfisiensi volumetris kompressor torak didefinisikan sebagai perbandingan antara volume udara yang masuk kompressor dengan volume langkah torak per satuan waktu.

Dari proses 3-4 gambar 8 dapat ditulis persamaan:

C = Clearance ratio

C(V1 – V3) = V3

CV1 – CV3 = V3

CV1 = V3 + CV3

Rotary CompressorYaitu kompressor yang memampatkan udara dengan prinsip rotary.Apabila dibandingkan dengan kompressor torak yang bekerja bolak balik, kompressor rotary mempunyai rotor sebagai faktor primer yang bergerak dengan kecepatan tinggi. Kompressor rotary cocok untuk mensupply udara dalam jumlah besar (sampai 3 000 m3 per menit) dan mempunyai kenaikan tekanan relatif rendah sampai 10 atm. Salah satu jenis kompressor rotary ditunjukkan pada gambar-9, udara diisap masuk dengan tekanan p1 dan dimampatkan sampai tekanan p2, dan berlangsung pada volume konstan. Apabila kompressi udara pada kompressor rotary mengikuti persamaan pVk = konstan, maka kerja teoritis kompressor adalah:

Kerja kompressor aktual,

Wk = (p2 – p1)V1

Apabila ;

Cp = Cv + R

Dari persamaan ini terlihat bahwa efisiensi akan turun apabila perbandingan tekanannya naik.

Contoh perhitungan:1. Kompressor udara dua tingkat dilengkapi intercooler menghasilkan udara

bertekanan 30 atm, dengan kondisi udara mula-mula 1 atm, 27 oC. Apabila kedua selinder mempunyai langkah sama, tentukan perbandingan diameter kedua selinder untuk kondisi efisiensi maksimum, dan mengikuti persamaan pVn = konstan.Jawab:

Gambar 10 ya Pada HPC, Vd = V2

Pada LPC, Vb = V1

Dari kurva b-c,

Dari proses tekanan konstan c-d:

2. Tentukan efisiensi kompressor rotary yang menghasilkan 0,04 m3s-1, dengan memampatkan udara dari 1 atm menjadi 1,6 atm; k = 1,4.

Kerja aktual = (p2 – p1)V = (1,6 – 1) x 1,013 x 105 x 0,04 = 0,0243 x 105 Nm