SIDANG TUGAS AKHIR

Studi Eksperimental Profil Getaran dan Tekanan

Ruang Silinder Kompresor Torak Single stage,

Single-acting: Pengaruh Perubahan Profil Valve

Seat pada Sisi Discharge

Nama : David Andreas Siregar

NRP : 2107100172

ABSTRAK

Kompresor torak banyak digunakan dalam dunia industri untuk berbagai keperluan, baik yang digunakan sebagai main unit ataupun auxiliary. Dalam pemanfaatannya, bagian katup kompresor torak adalah yang paling umum mengalami kegagalan. Kegagalan tersebut bisa diminimalisir dengan desain katup yang baik.

Penelitian dilakukan dengan mengidentifikasi karakteristik getaran dan tekanan pada ruang silinder akibat proses buka-tutup valve pada kompresor torak single-stage, single-acting. Pengukuran getaran dan tekanan dilakukan pada crank-angle yang sama, sehingga grafik waveform dari getaran dapat dibandingkan dengan grafik tekanan ruang silinder pada crank-angle yang sama. Variabel yang divariasikan adalah profil valve seat sisi discharge dan tekanan kerja kompresor.

Hasil penelitian menunjukkan pemberian sudut ketirusan pada lubang valve seat sisi discharge akan menurunkan level getaran, terjadinya peningkatan tekanan maksimum ruang silinder, rentang bukaan katup discharge yang lebih lama, perbaikan efisiensi volumetris kompresor, dibandingkan dengan valve seat profil normal.

Peningkatan tekanan kerja kompresor mengakibatkan peningkatan level getaran, penurunan rentang waktu proses buka-tutup katup tekan maupun katup hisap, penurunan efesiensi volumetris.

Kata kunci : Kompresor torak, valve seat, karakteristik getaran dan tekanan

Latar Belakang

• Aplikasi Kompresor torak adalah jenis yang paling umum dijumpai di

dunia industri

• Kegagalan komponen katup adalah bagian dari kompresor torak yang

paling sering mengalami kegagalan

• Kegagalan pada katup discharge adalah yang paling sering dijumpai

Perumusan Masalah

• Kajian penelitian dititikberatkan pada valve seat sisi discharge pada

kompresor torak single stage single acting

• Valve seat profil normal dijadikan baseline pada kajian eksperimental

• Modifikasi geometri akan memberikan pola getaran dan tekanan yang

berbeda

Tujuan Penelitian

• Mengetahui karakteristik getaran dan tekanan ruang silinder jika terdapat

perubahan geometri profil valve seat pada sisi tekan

• Mengetahui pengaruh variasi beban terhadap sinyal getaran dan tekanan

ruang silinder.

• Menghasilkan referensi bagi analis yang berkepentingan untuk mengetahui

karakteristik operasi kompresor torak, jika terjadi perubahan komponen

pada valve seat.

• Pembelajaran aplikasi analisis getaran untuk condition monitoring pada

kompresor torak.

Batasan Masalah

• Kompresor torak yang digunakan adalah jenis single stage, single acting

dengan katup tekan berbentuk pelat datar dengan udara sebagai fluida

kerja.

• Parameter yang dianalisa adalah akselerasi getaran getaran yang diukur

pada bagian luar cylinder head dan tekanan pada ruang silinder.

• Variasi yang diinvestigasi adalah perubahan geometri profi valve seat pada

sisi tekan.

• Percobaan dilakukan untuk tekanan atau beban kerja yang bervariasi yang

disesuaikan dengan spesifikasi kompresor.

• Pada masing-masing kondisi pengujian, temperatur kerja fluida dianggap

sama.

Dasar Teori

• Klasifikasi Kompresor

Siklus Kompresor Torak

10

CY

LIN

DE

R P

RE

SS

UR

E

Ps

Pd

VOLUME

SUCTION VALVE

DISCHARGE VALVE

Udara luar

Tangki penampung

PV Diagram

11

•

Pd

CY

LIN

DE

R P

RE

SS

UR

E

SUCTION VALVE

DISCHARGE VALVE

Udara luar

Ps

Tangki penampung

PV Diagram

VOLUME

12

CY

LIN

DE

R P

RE

SS

UR

E

• Ps

Pd

PV Diagram

Udara luar

Tangki penampung

VOLUME

compression

COMPRESSION

•

• CY

LIN

DE

R P

RE

SS

UR

E

Udara luar

Tangki penampung

Pd

Ps

PV Diagram

VOLUME

DISCHARGE

VALVE OPENS

14

•

•

•

CLEARANCE VOLUME

CY

LIN

DE

R P

RE

SS

UR

E

Udara luar

Tangki penampung

VOLUME

Pd

Ps

PV Diagram

STROKE VOLUME

DISCHARGE

DISCHARGE

VALVE CLOSES

15

•

•

• C

YL

IND

ER

PR

ES

SU

RE

Pd

Ps

PV Diagram

VOLUME

Udara luar

EXPANSION

16

•

•

•

• CY

LIN

DE

R P

RE

SS

UR

E

Tangki penampung

Pd

Ps

PV Diagram

VOLUME

Udara luar

SUCTION

VALVE OPEN

17

•

•

•

• CY

LIN

DE

R P

RE

SS

UR

E

Pd

Ps

PV Diagram

Tangki penampung

Udara luar

SUCTION

VOLUME SUCTION

VALVE CLOSE

Grafik PV dan P-θ ideal

Pola getaran kompresor torak jenis single stage, single acting

Komponen Katup Discharge

Valve seat

Valve head

valve plate

Spring

Discharge port

Stop plate (guard)

METODOLOGI PERCOBAAN

Variable yang diukur adalah:

• Akselerasi getaran pada cylinder head

• Tekanan ruang silinder

Optical tachometer

Pressure transducer

accelerometer

Profil Valve Seat

Modifikasi profil

Profil A, sudut 10° dengan ¼ t, ½ t , ¾ t, dimana t = 8 mm

Profil B, sudut 20° dengan ¼ t, ½ t , ¾ t, dimana t = 8 mm

Profil C, sudut 30° dengan ¼ t, ½ t , ¾ t, dimana t = 8 mm

Profil D, sudut 40° dengan ¼ t, ½ t , ¾ t, dimana t = 8 mm

θ

A B

B C

Mekanisme gerak katup

Diagram Alir Penelitian

START

Memasang sensor getaran

dan tekanan di cylinder head

Menjalankan kompresor dan

memastikan temperatur kerja

relatif sama

Mengambil data getaran dan

tekanan kerja yang sesuai

dengan variasi

Valve seat sisi normal dan yang

dimodifikasi telah diuji semua

Rekam data getaran dan

tekanan untuk setiap valve

seat

Analisa data getaran dan

tekanan dari hasil

pengukuran

END

Mengganti valve seat sisi

tekan dengan profil

modifikasi yang lain

1. Studi Pustaka dan Setting

Perangkat Lunak

2. Memasang Profil Normal dan

Menyiapkan Kompresor

Y

N

Waveform getaran dan P-θ diagram, valve seat profil normal (3 bar)

HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Getaran dan tekanan untuk profil normal

6 bar

5 bar

4 bar

3 bar

2 bar

LMF - Comp Recip

CPV - PTS=CV2 CV3 CV4 CV5 CV6

Revolution Number

Acc

ele

ra

tio

n i

n G

-s

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Plot

Span

-6

6

07-MAY-12 13:51:26

CPV -CV2

07-MAY-12 13:53:10

CPV -CV3

07-MAY-12 13:55:04

CPV -CV4

07-MAY-12 13:56:49

CPV -CV5

07-MAY-12 14:09:10

CPV -CV6

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 45 90 135 180 225 270 315 360

cyli

nd

er p

ress

ure

(k

Pa)

crank angle (degree)

P - θ diagram (normal)

2 bar

3bar

4bar

5bar

6bar

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400 500 600 700

cyli

nd

er p

ress

ure

(k

Pa)

cylinder volume (cc)

P - V diagram (normal)

2 bar

3bar

4bar

5bar

6bar

Pengaruh Sudut Ketirusan LMF - Comp Recip

CPV - PTS=CV1 CV2 CV3 CV4 CV5

Revolution Number

Acc

ele

rati

on

in

G-s

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Plot

Span

-6

6

16-JUN-12 23:07:08

CPV -CV1

16-JUN-12 23:07:40

CPV -CV2

16-JUN-12 23:09:16

CPV -CV3

16-JUN-12 23:10:28

CPV -CV4

16-JUN-12 23:14:56

CPV -CV5

Waveform getaran, α = 30o, ½ t

2 bar

3 bar

4 bar

5 bar

6 bar

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 45 90 135 180 225 270 315 360

cyli

nd

er p

ress

ure

(k

Pa)

crank angle (degree)

P - θ diagram (30, 1/2t)

2bar

3bar

4bar

5bar

6bar

Efesiensi volumetris pada tekanan kerja 4 bar

Pengaruh Kedalaman Ketirusan

LMF - Comp Recip

CPV - PTS=CV1 CV2 CV3 CV4 CV5

Revolution Number

Acc

ele

ra

tio

n i

n G

-s

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Plot

Span

-6

6

17-JUN-12 02:59:13

CPV -CV1

17-JUN-12 02:59:50

CPV -CV2

17-JUN-12 03:06:07

CPV -CV3

17-JUN-12 03:01:44

CPV -CV4

17-JUN-12 03:03:18

CPV -CV56 bar

5 bar

4bar

3 bar

2 bar

Waveform getaran, ½ t, α=40o

Akselerasi getaran

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 45 90 135 180 225 270 315 360

cy

lin

der

pre

ssu

re (

kP

a)

crank angle (degree)

P - θ diagram (P =4 bar)

1/4t, 20

1/2t, 20

3/4t,20

normal

Pengaruh Tekanan Kerja

Tekanan kerja yang semakin tinggi

Level getaran

Buka tutup katup discharge

Efisiensi volumetris

KESIMPULAN

• Pada umumnya, terjadi perbaikan pola getaran dengan pemberian ketirusan pada

lubang valve seat sisi tekan. Perbaikan akan berkurang jika pemberian ketirusan

ditingkatkan dari 30o menjadi 40o.

• Terjadi rentang bukaan katup discharge yang lebih lama sebagai akibat pemberian

ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan, utamanya disebabkan oleh proses buka

katup discharge yang berlangsung lebih awal daripada saat buka katup discharge

dari profil normal.

• Pada umumnya, terjadi peningkatan tekanan discharge dengan pemberian ketirusan

pada lubang valve seat sisi tekan.

• Sebagai akibat peningkatan dari beban/tekanan kerja kompresor, terjadi

peningkatan level getaran, penurunan rentang waktu proses buka-tutup katup tekan

maupun katup hisap, dan peningkatan tekanan discharge.

• Secara umum terjadi perbaikan efesiensi volumetris kompresor dibandingkan

dengan valve seat profil normal. Perbaikan akan berkurang jika sudut ketirusan

ditingkatkan dari 30° menjadi 40°, dan tebal ketirusan dari ½ t menjadi ¾ t.

• Tekanan kerja yang semakin tinggi cenderung menurunkan efesiensi volumetris

kompresor.

SARAN

• Pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan yang

disertai dengan penambahan sudut fillet pada ‘ujung’ tirus

(tidak bersudut tajam seperti yang dilaporkan pada T.A. ini).

• Pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan dalam

arah yang ‘terbalik’ dari yang dilaporkan pada T.A. ini.

• Pencarian nilai sudut optimal dan kedalaman optimal pada

pemberian ketirusan pada lubang valve seat sisi tekan.

REFERENSI [1]. Foreman, Skip, "Compressor Valves and Unloders for Reciprocating

Compressors”, Dresser-Rand Technology, pp. 1-19, New York, 2002.

[2]. Lawrence Berkeley National Laboratory, Improving Compressed Air System

Performance, US Department of Energy, Washington, DC., 2003.

[3]. Raju, K. Nagabhushan, Industrial Energy Conservation Techniques : Concepts,

Applications And Case studies, Atlantic Publishers and Distibutors, New Delhi,

2007.

[4]. Sustainable Energy Development Office, “Compressed Air Systems”. Perth 2002.

[5]. Hanlon, P. C, Compressor Handbook, McGraw-Hill Companies, New York, 2001.

[6]. Girdhar, Paresh, Practical Machinery Vibration Analysis and Predictive

Maintenance, Integra Software Services Pvt. Ltd, Pondicherry, India, 2004.

[7]. Bloch, Heinz P, and Hoefner, John J, Reciprocating Compressor Operation and

Maintenance, Gulf Publishing Company, Houston, 1996.

[8]. Rovaris, Joao B., and C.J. Deschamps, ‘’Large Eddy Simulation Applied To

Reciprocating Compressors’’, Journal Of Barzilian Society Of Mechanical Science

& Engineering, vol.XXVIII, no. 2. pp.208-215, 2006.

[9]. Y. Ma, Y.N. Gan, X.Y. Peng, Z.W. Xing, “Experimental investigation of the

discharge valve dynamics in a reciprocating compressor for trans-critical CO2

refrigeration cycle’’, Elsevier Ltd, pp. 1-9, China, 2010.

Sekian dan Terimakasih