KOMPRESSOR

KOMPRESSOR

Klasifikasi Kompressor a. Berdasarkan cara kenaikan tekanan b. Berdasarkan tekanan c. Berdasarkan kapasitas d. Berdasa kan fluida yang dialirkan e. Berdasarkan penggerak f. Berdasarkan pendinginan g. Berdasarkan susunan silinder (untuk kompressor torak)

A. Berdasar Cara Kenaikan Tekanan 1. POSITIVE DISPLACEMENT COMPRESSOR

kenaikan tekanan terjadi karena berkurangnya

volume di dalam silinder, Jenisnya :

• KOMPRESOR TORAK (Reciprocating Compressor)

• KOMPRESOR ROTARY (Rotary Compressor)

• KOMPRESOR MEMBRAN (Membrane Compressor)

2. DYNAMIC COMPRESSOR

Kenaikan tekanan terjadi karena tenaga kinetis dirubah menjadi tenaga tekanan didalam diffuser. Jadi fungsi diffuser untuk menurunkan fluida, sehingga mengakibatkan kenaikan tekanan fluida. Jenis MULTIBLADE COMPRESSOR : Centrifugal Axial Jet compressor

B. Berdasar Tekanan 1. Kompresor tekanan rendah ≤ 25 atm

2. Kompresor tekanan sedang 25–100 atm

3. Kompresor tekanan tinggi 100-500 atm

C. Berdasar Kapasitas 1. Kapasitas kecil ≤ 160 m³/jam

2. Kapasitas sedang 160-4000 m³/jam

3. Kapasitas besar ≥ 4000 m³/jam

D. Berdasar Fluida yang dialirkan 1. Kompresor udara

2. Kompresor gas

E. Berdasar Penggerak

1. Turbin

2. Motor bakar

3. Motor listrik

F. Berdasar Pendingin

1. Udara

2. Air

G. Berdasar Susunan Silinder (untuk kompresor torak)

1. Berjajar / segaris

2. Bentuk V

3. Bentuk W

Positive Displacement compressor Kompresor torak (reciprocating compressor)

Konsep dasar Kerja yang dilakukan oleh gas/uap dapat digambarkan sebagai berikut :

Gaya pada torak : F = p.A Kerja : dW = F.dx = p A dx = p dV W = ∫pdv

W positive : dv > 0 ekspansi

W negative : dv < 0 kompressi

Tinjauan termodinamika

a. Specific heat :

Jumlah kalor : dQ = w c dT

c = dQ/wdT

Cv = (dQ/wdT)v Cp = (dQ/wdT)p

Cp /Cv = k

b. Internal energy :

Jika v constant, maka dV = 0 , jadi W = 0

Berarti tidak ada kerja.

∫dQ = ∫w cv dT = ∫dU

U2–U1 = w cv (T2–T1) = selisih tenaga dalam

c. Enthalpy : p = constan, p=c

• ∫dQ = ∫w cp dT = ∫dH

• H2-H1 = w cp (T2–T1) = selisih enthalpy

Persamaan Keadaan Gas Sempurna :

pV= RT p1V1 = RT1, p2v2 = RT2

pV= wRT p1V1 = wRT1, p2v2 = wRT2

d. Entropy :

dq = Tds, ds = dq/T

= cv(dT/T) + p(dV/T)

ds = cv(dT/T)+R(dV/V)

∫ds = ∫cv(dT/T)+∫R(dV/V)

• Jadi : s2-s1 = cv ln(T2/T1) + R ln(V2/V1)

• = selisih entrophy

• Macam-macam Perubahan Keadaan Gas: – 1. isobaris p=c

– 2. isochoris V=c

– 3. isothermis T=c

– 4. adiabatis dQ=c

– 5. polytropis pVn =c

1. Isobaris = Polytropis pVn , n=0

• pV = wRT

• P = const, maka V1/V2=T1/T2

• W’ = p(V2-V1)

• T2

• Q1-2= w∫ cpdT

• T1

• Q1-2= wcp(T2-T1)

2. Isochoris : = Polytropis pVn, n=∞

V=const

P1/P2=T1/T2

• T2

• Q1-2= w ∫ cvdT = w cv (T2-T1)

T1

3. Isothermis : = Polytropis pVn, n=1 p1V1= p2V2= pV= wRT1= konstan

dQ = w cv dT + pdV

dQ = pdV = dW

4. Adiabatis : dQ = wcvdT + pdV = 0

pV = wRT d(pV) = d(wRT), pdV + vdp = wRdT Vdp + pdV

dT = -----------

wR

• Jadi : wcv(Vdp + pdV) + wRpdV = 0 • Substitusi cp = cv + R • Maka : • cp pdV + cv Vdp = 0

cp /cv = γ, sehingga γ (dV/V) + (dp/p) = 0

ln p + γ ln V = konstan

• pVγ = C, persamaan ini adalah persamaan curve adiabatis.

• V = wRT/p, jadi : T2/T1 = (p2/p1)γ-1/γ

• ∫ dQ = ∫ wcvdT +∫ pdV = 0

• Wad = (U1-U2) = wcv (T1-T2)

Dari hubungan : cp – cv = R, cp/cv = γ, R = (γ-1)cv

R w

Jadi : Wad = ------ T1 [1-(p2/p1) (γ-1)/γ]

γ – 1

p1V1

atau : Wad = ------ [1-(p2/p1) (γ-1)/γ]

γ – 1

Dari persamaan : p1V1

γ = p2V2

γ = pVγ

V2 V2

Wad = ∫ pdV = p1V1γ

∫ (dV/Vγ )

V1 V1

p1V1γ

Wad = ---------- [ V21-γ – V1

1-γ ] 1-γ

p1V1 Wad = ---------- [ (V2/V1)

1-γ – 1 ]

1-γ p1V1 Wad = − ------- [(V1/ V2 )

γ-1 – 1 ] γ-1 p1V1 Wad = ---------- [ 1 – (p2/p1)(γ-1)/γ ] γ-1

5. Polytropis Kurva polytropis mengikuti persamaan : pVn = C

p1V1n = p2V2

n log p1 + n log V1 = log p2 + n log V2 log p1 - log p2

n = ---------------

log V2 - log V1

Contoh soal : Berapa temperatur akhir setelah terjadi kompresi adiabatis

dari R12, ammonia, udara dan helium, jika perbandingan kompresi = 4 dan temperatur awal = -15oC ?

Diketahui : γ R12 = 1,13, γ ammonia = 1,313, γ udara = 1,40 dan γ helium = 1,66.

Kompresor torak tanpa ruang rugi Diagram p-V dan silinder dapat digambarkan sebagai berikut :

Kerja yang diberikan pada fluida selama 1 (satu) siklus :

• W’c = - [ W’ + W’d – W’s ]

– W’c = kerja yang diberikan pada fluida selama 1 siklus, kerja kompresor, dinyatakan oleh luasan (1234)

– W’ = kerja selama kompresi, kerja kompresi, dinyatakan oleh luasan (a12b)

– W’d = kerja selama pembuangan (discharge), kerja pembuangan, dinyatakan oleh luasan (b23o)

– W’s = kerja yang dilakukan oleh fluida selama pengisapan (suction), kerja isap, dinyatakan oleh luasan (o41a)

Kerja kompresor dalam diagram p-V dinyatakan oleh luasan (1234), dengan notasi W’c

• Kerja kompresi antara 1-2 :

• V2

• W’ = ∫ p dV,

• V1 kerja ini negative, karena dV < 0

Kompresi diumpamakan berjalan secara polytropis : pVn = C. Bila eksponen n bertambah besar, maka kerja kompresi bertambah kecil, tetapi kerja kompresor bertambah besar.

Terlihat kerja isothermal terkecil. Besar n = 1 : pV = p1V1 = p2V2

Kerja kompresi isothermis : V2 W’isoth = ∫ pdV V1

V2

• W’isoth = ∫ p1V1 (dV/V) = - p1V1 ln (V1/V2)

V1

= - p1V1 ln (p2/p1) = - wRT1 ln (p2/p1) Kerja kompresor total bila kompresi berjalan secara

isothermis = kerja non flow, seperti terlihat sebagai berikut :

W’isoth.comp. = p1V1 - p1V1 ln (p2/p1) - p2V2 = - p1V1 ln (p2/p1) Keterangan : garis isothermal sangat berpengaruh pada

kompresor bertingkat.

• Untuk proses adiabatis :

p1V1γ = p2V2

γ = pVγ 1/γ V = V1 (p1/p)

• W’ad.c = - ∫ V dp p2

= - V1 (p1)1/γ ∫ p-1/γ dp p1 γ = - V1p1

1/γ(------) p1γ-1/γ [(p2/p1)γ-1/γ – 1]

γ-1

γ = - (------) p1V1 [(p2/p1)γ-1/γ – 1] γ-1

γ

Wad.c = - (------) wRT1 [(p2/p1)γ-1/γ – 1] γ-1

Kerja total kompresor tanpa volume p2 ruang rugi : W’c = - ∫ Vdp p1

Didepan telah didapatkan : p1V1 Wad = ---------- [ 1 – (p2/p1)(γ-1)/γ ] γ-1

• Jadi tampak jelas bahwa kerja adiabatis kompresor adalah perkalian antara γ dengan kerja adiabatis non flow.

• W’ad.c = γ x W’ad. non flow.

Untuk proses polytropis γ menjadi n : n W’pol.c = - ----- wRT1 [(p2/p1)(n-1)/n - 1] n-1 Contoh : Hitung kerja adiabatis kompresor yang

memampatkan udara 25 m3 dari tekanan 1 ata ke tekanan 3,3 ata. Diketahui konstanta udara n = 1,4.

W’ad.c = - (1,4/(1,4-1)) 10.000 25 [(3,3/1)(1,4-1)/1,4 – 1] = - 355.687

Kompressor dengan ruang rugi

• Pada kompresor yang sesungguhnya selalu ada ruang rugi. Ini dimaksudkan untuk :

1. Thermal expansion 2. Toleransi toleransi : C = 0,005L + 0,5 mm L = langkah (stroke) piston Perbandingan antara volume ruang rugi (Vo) terhadap

volume yang dilalui piston (vp) : ε = Vo/Vp Besar ε tergantung pada susunan dari katub-katub dalam

silinder dan pada kecepatan rata-rata piston (cm). Ε pada umumnya ≤ 5%.

• Pada beberapa jenis kompresor kadang-kadang sampai 12-13%.

• Fluida yang terjebak dalam ruang rugi setelah kompresi dan pembuangan, akan berekspansi selama langkah isap.

• Perbandingan antara Vs dan Vp disebut dengan efisiensi volumetris :

• ηvol = Vs/Vp

Pada kompresor dengan kecepatan tinggi (cm>3m/detik) besar ε diambil lebih besar dari besaran diatas.

Pada kompresor dengan perbandingan kompresi ί ≈ 2, maka proses reekspansi (proses 3-4) kira-kira adiabatis.

• Jadi : V4 = V0 (p2/p1)1/γ • Vp+V0-V4 Vp+ εVp- ε Vp (p2/p1)1/γ

• ηvol = ---------- = ---------------------- • Vp Vp

ηvol = 1+ ε- ε(p2/p1)1/γ

ηvol = 1- ε [(p2/p1)1/γ-1] Pada kompresor dengan perbandingan kompresi ί ≥ 4,

maka proses reekspansi (proses 3-4) dianggap polytropis : pVm = C.

Menurut FRANKEL besar m bervariasi sesuai dengan tekanan.

Pada kompresor bertingkat banyak, untuk : Tingkat I, m diambil = 1,20

Tingkat II, m diambil = 1,25

Tingkat III, m diambil = 1,30

Tingkat IV, m diambil = 1,35

Tingkat ≥ V, m diambil = γ

Dengan catatan : tekanan isap (pi) pada tingkat I = tekanan atmosphere.

Besar efisiensi volumetris dapat juga dilihat pada “grafik” sebagai fungsi dari : n, p2/p1 dan ε.

Besar kerja per siklus dari kompresi dan reekspansi:

n m W’ = - ----- p1V1 [(p2/p1)

(n-1)/n - 1] + ----- p2V3 [(1-p1/p2)

(n-1)/n]

n-1 m-1

n m W’ = - ----- p1V1 [(p2/p1)

(n-1)/n - 1] + ----- p1V4 [(p2/p1)

(m-1)/m-1]

n-1 m-1

Kalau : Vs = V1 - V4 dan m = n Maka :

n W’ = ----- p1Vs [(p2/p1)(n-1)/n – 1] n-1

Catatan : pengaruh ruang rugi terhadap kerja kompresor, jika eksponen polytropis maka untuk ekspansi = m dan untuk kompresi = n.

KOMPRESOR BERTINGKAT BANYAK (Kompresor bertingkat 1, 2, 3 dan 4)

• Apabila perbandingan kompresi dinaikkan, maka temperatur akhir akan naik dan ηv akan turun. Temperatur akhir yang tinggi akan mempengaruhi operasi atau kerja katub buang, pelumasan.

• Pada daerah-daerah minyak akan berbahaya, dapat menyebabkan kebakaran dan lain-lain.

• Bila kebutuhan akan perbandingan kompresi yang tinggi tidak dapat dihindari, maka perbandingan kompresi total dapat dibagi dalam beberapa tingkat.

• Diagram pV dapat digambarkan sebagai berikut :

Dalam hal ini kerja kompresor : − − Besar W’ minimal dapat dicari, sebagai berikut : misal : Kalau jumlah tingkat n, maka :

]1)[(]1)[('1

21

1 1111

n

n

x

nn

x

p

p

nn

p

p

nn wRTwRTW

]2)()[(1

21

111

n

n

x

nn

x

p

p

p

p

nnwRTW

]2)()[(' 2

1

1

1

z

p

pz

p

p

z

wRT

nn

x

xW

z

zzz

x

p

zp

p

zp

p

zp

p

pz

z

wRT

dpdW

ppp

zx

z

z

zx

zx

z

z

zx

x

21

2

)('

1

2

1

1

1

2

1

11 0][

1

2

21

22

1

2

1

21

1

21

p

p

pp

p

p

p

p

p

p

pp

p

p

x

x

x

ppp

012

3

1

2

0

1 .......p

p

p

p

p

p

p

p

p

p n

n

n

p

V

xp

1

23

4

'1'2

isothermis

polytropis

polytropis

Daya Kompresor Kebutuhan daya kompresor tingkat 1 dapat dihitung menurut hubungan :

• , P = daya kompresor, hp; W=kerja,kgm.

• , P = daya kompresor, kW; W=kerja, kgm.

•

• Daya yang diperlukan untuk proses :

1. Isothermis :

2. Adiabatis :

102.60

75.60

W

W

P

P

kWVpP

hpVpP

p

p

p

pVpW

iso

p

p

p

pVpW

iso

iso

iso

,lnln

,lnln

1

2

1

211

1

2

1

211

11612010000

61206120

11450010000

45004500

kWVpP

hpVpP

p

p

p

pVp

ad

p

p

p

pVp

ad

],1)[(]1)[(

],1)[(]1)[(

1

1

2

1

1

211

1

1

2

1

1

211

111612010000

16120

111450010000

14500

Untuk kompresor n tingkat, daya yang dibutuhkan adalah jumlah dari daya yang dibutuhkan pada tiap-tiap tingkat.

Pada kompresor satu silinder, single acting, hp-indikator dapat dihitung dari hubungan :

Dimana :

• A = luas piston, cm2

• pim = Mean Effective pressure, kg/cm2 (dapat dihitung dari diagram pV)

• L = langkah piston, m

• N = putaran, rpm

• Cm = kecepatan piston rata-rata, m/det.; =1,5-5 m/det. ( cm = LN/30 )

• Untuk kompresor n tingkat :

n

i

iadnad

n

i

iisoniso

PP

PP

1

..

1

..

hpihp mimim AcpALNp,

75.275.60

n

i

in ihpihp1

Efisiensi : efisiensi isothermis efisiensi adiabatis efisiensi mekanis

• Efisiensi isothermal :

Efisiensi mekanis :

• Efisiensi isothermal overall :

• Efisiensi adiabatis :

• Efisiensi adiabatis overall :

ihp

P

isoiso

acthp

ihp

m

act

iso

hp

P

misooiso

ihp

P

adad

act

ad

hp

P

madoad

Shaf Horse Power (SHP)

Ai = luas piston individual pada tiap-tiap tingkat (cm2)

Pim= mean effective pressure pada tingkat yang bersangkutan (atm),

didapat dari diagram pV.

• Jadi :

• Apabila kompresor ini digerakkan oleh motor listrik, daya motor :

• ηt= efisiensi transmisi, bila memakai perantaraan transmisi (roda gigi, belt dan lain-lain)

• Selanjutnya daya listrik yang diperlukan :

kWhpShpm

imim

m

imim pAcpAc,,

102.275.2

kWhpShpp

pVp

p

pVp

oisooiso,ln,ln

1

211

1

211

102.6075.60

kWhpShpp

pVp

p

pVp

oadoad],1)[(],1)[(

1

1

211

1

1

211

102.60175.601

t

shp

mN

15.1

mott

shp

listrN

Volume udara, gas (fluida) yang dapat dikompresikan :

i = 1, untuk kompresor “single acting”

i = 2, untuk kompresor “double acting”

A = luas piston (luas penampang),

atau jumlah luas piston pada kompresor silinder banyak

L = langkah piston

N = putaran poros (rpm)

ηvo = efisiensi volumetris overall

≈ 4-6% lebih rendah dari ηvol

Kecepatan piston rata-rata : cm = LN/30

cm ≤ 2m/det, kompresor kecil

cm ≤ 3m/det, kompresor sedang

cm ≤ 5m/det, kompresor besar

menitm

voiALNV3

,

Perbandingan langkah piston dan diameternya =ν atau ν = L/D yang besarnya tergantung dari tekanan akhir dan kecepatan kompresor, maka untuk kompresor dengan 1 silinder :

• Untuk :

Vaccum pump dan kompresor udara kecepatan tinggi : ν ≥ 0,5

Kompresor pada pesawat pendingin : ν ≈ 0,8

Kompresor untuk amonia : ν ≈ 1

Kompresor tekanan tinggi : ν = 4 - 6

• Luas piston efektive pada tingkat lain, dengan menganggap putaran N, panjang langkah L dan efisiensi volumetric-overall sama setiap tingkat, maka :

• (w=V/v, kg/min)

voNDiV 3

4

vomcDiV 302

4

n

nn

V

Ai

V

Ai

V

Ai .........

2

22

1

11

nnn pAipAipAi .........222111

Daya input maksimal pada kompresor Proses polytropis Perbandingan kompresi : r = p2/p1

• Daya kompresor :

• Untuk kompresor dengan ruang rugi : (V0 = ruang rugi)

• Harga daya maksimal didapat bila persamaan ini di deferensialkan terhadap r dan harus = 0.

• Soal :

• Hitung ukuran utma kompresor udara dua tingkat, empat silinder, konstruksi differential piston yang memampatkan 25 m3/min udara bebas ke tekanan akhir 8 atg, jika putaran kompresor 600 rpm, perbandingan panjang langkah piston dengan diameternya = 0,6 dan efisiensi volumetric overall = 82%.

kWrP nnVp

nn

pol ],1[1

11

102.601

)]1(1[1

1 nrVVV PVP

]1][1[11

1

102.601

n

nnP rrP

Vp

nn

pol

Jawab :

1A2A

voNDiV 3

4

• Untuk 1 silinder :

• L = νD = 0,180 m

• Luas piston tingkat 2 :

• A2/A1 = p1/p2 ; A2 = 706,86. ⅓ = 235,62 cm2

• Luas “piston trnk” = A2 – A1 = 471,24 cm2

• Diameter = d = 24,5 cm.

• Luas sebenarnya : A2 = π/4 (302 – 24,52)

• = 235,42 cm

• Kecepatan piton rata-rata : cm = (0,18.600)/30 = 3,6 m/det.

mDNDiV

vol 300,04

3

4

D d