bab iii dasar teori 103-j

BAB III

TEORI DASAR KOMPRESOR

3.1 Pengetahuan Umum Kompresor

Kompresor adalah satu diantara mesin-mesin fluida yang berfungsi untuk

merubah energi kinetik menjadi energi tekan dengan prinsip kerjanya

memindahkan fluida kompresibel dari tekanan rendah ke tekanan yang lebih

tinggi. Untuk menghasilkan udara bertekanan dapat dilakukan dengan dua cara,

yaitu :

Menurunkan volume ruang tertutup

Memberikan tambahan energi dengan sudu-sudu putar ke fluida.

Kompresor mempunyai bidang penggunaan yang luas mulai dari industri

kecil sampai ke industri perminyakan dan gas bumi serta petrokimia. Beberapa

jenis penggerak yang sering digunakan sebagai penggerak kompresor antara lain :

1. Elektromotor

2. Internal Combustion Engine (motor mesin, diesel, dan turbin gas)

3. Eksternal Combustion Engine (turbin uap)

Beberapa bentuk penggunaan kompresor yang ada sekarang ini, adalah

sebagai berikut:

1. Kompresor udara untuk berbagai keperluan.

2. Blower udara sederhana dalam pengolahan sulfur.

3. Blower udara kapasitas besar dalam unit katalis.

4. Kompresor refrigerant temperature rendah yang digunakan untuk unit

pengolahan ethylene dan P-ethylen.

5. Aliran gas tekanan tinggi, booster (penguat) dan kompresor gas aliran balik

hydrocarbon, Ammonia dan methanol sintesis plans.

39

3.2 Klasifikasi Kompresor

Kompresor dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

Grafik 3. Grafik Klasifikasi Compressor

1. Kompresor kerja positif (positive displacement compressor)

Pada jenis positive-displacement compressor, 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:

a. Kompresor Reciprocating

Di dalam industri, kompresor reciprocating paling banyak digunakan

untuk mengkompresi baik udara maupun refrigerant. Prinsip kerjanya seperti

pompa sepeda dengan karakteristik dimana aliran keluar tetap hampir konstan

pada kisaran tekanan pengeluaran tertentu. Juga, kapasitas kompresor

proporsional langsung terhadap kecepatan. Keluarannya, seperti denyutan.

Kompresor reciprocating tersedia dalam berbagai konfigurasi; terdapat empat

jenis yang paling banyak digunakan yaitu horizontal, vertical, horizontal balance-

40

opposed, dan tandem. Jenis kompresor reciprocating vertical digunakan untuk

kapasitas antara 50 – 150 cfm.

Gambar 1. Penampang melintang kompresor recriprocating

b. Kompresor Putar/ Rotary.

Kompresor rotary mempunyai rotor dalam satu tempat dengan piston

dan memberikan pengeluaran kontinyu bebas denyutan. Kompresor beroperasi

pada kecepatan tinggi dan umumnya menghasilkan hasil keluaran yang lebih

tinggi dibandingkan kompresor reciprocating. Biaya investasinya rendah,

bentuknya kompak, ringan dan mudah perawatannya, sehingga kompresor ini

sangat popular di industri. Biasanya digunakan dengan ukuran 30 sampai 200 hp

atau 22 KW sampai 150 KW. Jenis dari kompresor putar adalah:

Kompresor lobe (root blower)

Kompresor ulir

Jenis baling-baling putar/ baling-baling luncur

2. Kompresor kerja dinamik (non positive displacement compressor)

Kompresor dinamik memberikan energi kecepatan untuk aliran udara atau

gas yang kontinyu menggunakan impeller yang berputar pada kecepatan yang

sangat tinggi. Energi kecepatan berubah menjadi energi tekanan karena pengaruh

impeller dan volute pengeluaran atau diffusers.

41

Kompresor kerja dinamik terbagi dalam beberapa jenis, yaitu:

a. Radial flow (centrifugal) compressor

Kompresor radial adalah kompresor yang menggunakan sistem sentrifugal

dengan putaran tinggi (300-400 rpm). Biasanya digerakkan oleh turbin uap atau

turbin gas yang mempunyai karakteristik yang hampir sama. Kompresor ini

biasanya digunakan untuk supercharger motor berdaya besar, terutama diesel. Di

dalam kompresor radial, sifat-sifat gas yang dipindahkan terutama volume jenis

dan temperatur harus diperhitungkan.

Gambar 2. Kompresor Sentrifugal

b. Axial flow compressor

Pada kompresor aksial, umumnya fluida gas bergerak secara paralel

dengan shaft dinamik. Energi diberikan oleh blade rotor dan kemudian dirubah

menjadi energi kinetik oleh blade stator dengan pengaruh penambahan pada

densitas gas dan tekanan statis.

Gambar 3. Kompresor Aksial

42

http://www.agus.hostei.com/images/gambarku/Compressor.jpg

Tabel 1. Tabel Perbandingan beberapa jenis kompresor

Item putarReciprocating Baling-

balingUlir Putar Sentrifugal

Efisiensi pada bebanpenuh

Tinggi Medium - tinggi

Tinggi Tinggi

Efisiensi pada bebansebagian

Tinggi karenaBertahap-tahap/staging

Buruk: dibawah60% bebanpenuh

Buruk: dibawah60% beban penuh

Buruk:dibawah 60%beban penuh

Efisiensi tanpa beban(daya sama denganpersen beban penuh)

Tinggi(10% -25%)

Medium(30% -40%)

Tinggi– Buruk(25%- 60%)

Tinggi –Medium (20%- 30%)

Tingkat kebisingan Bising Tenang Tenang jikatertutup

Tenang

Ukuran Besar Kompak Kompak Kompak

Penggantian minyakpelumas

Sedang Rendah -

medium Rendah Rendah

Getaran Tinggi Hampir tidak ada

Hampir tidak ada

Hampir tidakada

Perawatan Banyak bagianperalatan yangdipakai

Sedikit bagianperalatan yangdipakai

Sangat sedikitbagian peralatanyang dipakai

Sensitifterhadap debudan udara

Kapasitas Rendah– tinggi Rendah –medium

Rendah-tinggi

Medium –Tinggi

Tekanan Medium– sangattinggi

Rendah –medium

Medium– tinggi

Medium –tinggi

43

3.3 Prinsip Kerja Kompresor Sentrifugal

Berdasarkan hukum kekekalan energi bahwa energi tidak dapat diciptakan

dan dimusnahkan, tetapi energi hanya dapat dikonversikan dari satu bentuk energi

ke energi lainnya. Demikian juga halnya dengan kompresor sentrifugal yang juga

menggunakan prinsip konversi energi untuk menaikkan tekanan. Dengan prinsip

sebagai berikut: “ Energi mekanik dari unit penggerak (energi putaran) yang

diteruskan pada impeler akan memberikan gaya sentrifugal kepada udara atau gas

sehingga memperbesar energi kinetiknya. Energi kinetik yang dimiliki gas atau

udara kemudian dirubah menjadi energi potensial (tekanan) didalam diffuser

dengan cara memperlambat laju kecepatan udara dan gas. Energi potensial akhir

keluar merupakan tekanan discharge dari kompresor sentrifugal tersebut”.

Prinsip kompresor sentrifugal adalah kompresor yang bekerja dengan

memberikan tambahan energi pada udara atau gas melalui gaya sentrifugal yang

diberikan oleh impelernya. Gas dihisap kedalam kompresor melalui saluran hisap

kemudian diteruskan ke diafragma yang berfungsi sebagai pengarah aliran dan

selanjutnya masuk impeler, yang kemudian impeler memberikan pusaran dengan

kecepatan yang sangat tinggi. Akibat dari putaran yang tinggi maka gas terlempar

keluar dari impeler karena adanya gaya sentrifugal yang terjadi, kemudian tekanan

dan kecepatan dari gas akan naik setelah gas lepas dari ujung impeler, gas

diperlambat dalam suatu saluran yang disebut diffuser. Yang ternyata lebih mudah

dan effisien untuk mempercepat aliran dibandingkan memperlambat karena

dengan diperlambat aliran cenderung tersebar dengan tidak terarah. Akibat dari

aliran tidak terarah akan menyebabkan adanya kecenderungan timbulnya aliran

turbulen dan arus steady, yaitu merubah energi kinetik menjadi energi panas dari

pada energi-energi tekanan. Oleh karena itu perlu di jaga aliran tersebut tetap

searah dengan memasang penyearah (Guide Vane).

44

Gambar 4. Kerja impeler dan difuser

Kompresor ini umumnya beroperasi pada putaran tinggi, diatas 3000

rpm digerakkan oleh motor listrik atau turbin uap. Untuk tekanan discharge

(keluaran) yang tinggi, dipakai kompresor bertingkat banyak (impelernya lebih

dari satu). Ada juga kompresor yang mempunyai aliran hisap bertingkat lebih

dari satu dengan pendingin antara (intercooler).

Kompresor sentrifugal pada umumnya memiliki karateristik :

Kondisi discharge seragam.

Kapasitas kecil sampai degan kapasitas besar.

Mampu memberikan performance yang lebih baik pada efisiensi yang

tinggi dengan beroperasi pada range tekanan dan kapasitas besar.

Tekanan discharge dipengaruhi oleh density dari udara atau gas.

Kompresor sentrifugal pada dasarnya mempunyai beberapa keuntungan

dan kekurangan yaitu:

Sangat realible mampu beroperasi dalam jangka waktu yang lama.

Kapasitas dan tekanan mudah diatur (baik dengan discharge valve atau

dengan variable speed).

Aliran secara kontinyu dan seragam.

Vibrasi atau getaran relatif lebih rendah.

Konstruksinya lebih rumit (perlu ketelitian dalam pemasangannya

agar efisiensi dapat dipertahankan).

Sangat peka terhadap sifat udara atau gas.

45

Biaya investasi relatif lebih tinggi.

3.4 Komponen Utama Kompresor Sentrifugal

Kompresor terdiri dari beberapa bagian yang fungsinya satu dengan yang

lain saling berhubungan, diantaranya adalah :

A. Bagian statis.

1. Casing

Casing merupakan bagian paling luar kompresor yang berfungsi :

Sebagai pelindung terhadap pengaruh mekanik dari luar.

Sebagai pelindung dan penumpu/pendukung dari bagian-bagian yang

bergerak.

Sebagai tempat kedudukan nozel suction dan discharge serta bagian diam

lainnya.

Vertical Split Casing Horizontal Split Casing

Gambar 5. Casing

2. Inlet Wall

46

Inlet wall adalah diafragma (dinding penyekat) yang dipasang pada sisi

suction sebagai inlet channel dan berhubungan dengan inlet nozzle. Karena

berfungsi sebagai saluran gas masuk pada stage pertama, maka materialnya harus

tahan terhadap abrasive dan erosi.

Gambar 6. Inlet Wall

3. Guide Vane

Guide vane di tempatkan pada bagian depan eye impeler pertama pada

bagian suction (inlet channel). Fungsi utama guide vane adalah mengarahkan

aliran agar gas dapat masuk impeller dengan distribusi yang merata. Konstruksi

vane ada yang fixed dan ada yang dapat di atur (movable) posisi sudutnya dengan

tujuan agar operasi kompresor dapat bervariasi dan dicapai effisiensi dan stabilitas

yang tinggi.

Gambar 7. Guide Vane

4. Eye Seal

47

Eye seal ditempatkan di sekeliling bagian luar eye impeller dan di tumpu

oleh inlet wall. Eye seal selalu berbentuk satu set ring logam yang mengelilingi

wearing ring impeller. Berfungsi untuk mencegah aliran balik dari gas yang

keluar dari discharge impeller (tekanan tinggi) kembali masuk ke sisi suction

(tekanan rendah).

Gambar 8. Eye seal

5. Difusser

Diffuser berfungsi untuk merubah energi kecepatan yang keluar dari

discharge impeler menjadi energi potensial (dinamis). Untuk multi stage dipasang

diantara inter stage impeler.

Gambar 9. Difusser

48

6. Return Bend

Return bend sering juga disebut crossover yang berfungsi membelokan

arah aliran gas dari diffuser ke return channel untuk masuk pada stage/ impeler

berikutnya. Return bend di bentuk oleh susunan diafragma yang dipasang dalam

casing.

Gambar 10. Return Bend

7. Return Channel

Return channel adalah saluran yang berfungsi memberi arah aliran gas dari

return bend masuk ke dalam impeler berikutnya. Return channel ada yang

dilengkapi dengan fixed vane dengan tujuan memperkecil swirl (olakan aliran gas)

pada saat masuk stage berikutnya sehingga dapat memperkecil vibrasi.

Gambar 11. Return Channel

49

8. Diafragma

Diafragma adalah komponen bagian dalam kompresor yang berfungsi

sebagai penyekat antar stage dan tempat kedudukan eye seal maupun inter stage

seal. Dengan pemasangan diafragma secara seri, akan terbentuk tiga bagian

penting, yaitu diffuser, return bend, dan return channel. Diafragma ditempatkan

didalam casing dengan hubungan tongue-groove sehingga mudah dibongkar

pasang.

Gambar 12. Diafragma

B. Bagian Dinamis

1. Shaft dan Shaft Sleeve

Shaft atau poros transmisi digunakan untuk mendukung impeler dan

meneruskan daya dari pengerak ke impeler. Untuk penempatan impeler pada shaft

di gunakan pasak (key) dan pada multi stage, posisi pasak di buat selang-seling

agar seimbang. Sedangkan jarak antar stage dari impeler di gunakan shaft sleeve,

yang berfungsi sebagai pelindung shaft terhadap pengaruh korosi, erosi dan abrasi

dari aliran dan sifat gas dan untuk penempatan shaft seal diantara stage impeler.

Gambar 13. Shaft dan Shaft Sleeve

50

2. Impeler

Suatu impeler berfungsi untuk menambah kecepatan (velocity) gas dengan

memutar sekeliling garing pusat (center line) dan menyebabkan gas bergerak

dari inlet wheel sampai ke tip (discharge), perbedaan gerak dari sumbu putar inlet

wheel dan dishcarge menyebabkan naiknya energi kinetik dengan akibat naiknya

kecepatan gas. Impeler adalah bagian dari rotor kompresor yang memberikan

tambahan energi kinetik pada fluida gas melalui sudu-sudunya (blade).

Berikut ini adalah beberapa tipe impeler:

Open impeler.

Semi open impeler.

Closed impeler.

Gambar 14. Impeler

Impeler dibuat dengan pengelasan machining atau pengecoran. Pada

proses pembuatan dan pengelasan, blade dilas pada hub disk bersatu yang

dibentuk dengan proses milling, lalu disambung ke cover disk dengan sambungan

keling. Pada pembuatan dan pengecoran, hub disk, cover disk, dan blade bersatu

semuanya. Setelah impeler selesai dibuat kemudian dibalancing dan di test pada

putaran tinggi dengan alat khusus drum, juga dipasang dengan sambungan kerut

keropos jumlah pada kompresor menunjukkan tingkat dari kompresor tersebut.

51

3. Bantalan (Bearing)

Bantalan (bearing) adalah bagian internal kompresor yang berfungsi untuk

mendukung beban radial dan aksial yang berputar dengan tujuan memperkecil

gesekan dan mencegah kerusakan pada komponen lainnya.

Pada kompresor sentrifugal terdapat dua jenis bantalan, yaitu:

Journal bearing: Digunakan untuk mendukung beban dengan arah radial

(tegak lurus poros).

Gambar 15. Journal Bearing

Thrust bearing: Digunakan untuk mendukung beban kearah aksial (sejajar

poros).

Gambar 16. Thrust bearing

52

3.5 Performance Kompressor Sentrifugal

Dalam penelitian performance kompresor sentrifugal ada beberapa

parameter yang diperhitungkan, yaitu:

1. Perbandingan kompresi (r).

2. Efisiensi politropis ( p).

3. Head politropis (Hp).

4. Gas Horse Power (GHP)

5. Daya (Brake horsepower).

1. Perbandingan Kompresi (r)

Perbandingan kompresi adalah perbandingan antara tekanan keluar

(discharge) terhadap tekanan masuk (suction) kompresor. Secara matematis

dapat ditulis sebagai berikut:

……………………………………………………..(1)1

Keterangan:

r = perbandingan kompresi

Pd = tekanan keluar (kg/cm2)

Ps = tekanan masuk (kg/cm2)

2. Efesiensi Politropis (ηp)

Efisiensi politropis adalah perbandingan antara kerja politropis aktual

dengan kerja adiabatis ideal. Efisiensi politropis dari suatu kompresor dapat

dihitung dengan persamaan:

………………………………………..…(2)2

Dimana nilai k dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

…………………………………………(3)3

Dan nilai n dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

1 Persamaan 1 & 2. Mc Graw-Hill Book Company Fluids Movers, pump, compressor, fans & blower. Hal 61

2 Persamaan 2. Mc Graw-Hill Book Company Fluids Movers, pump, compressor, fans & blower. Hal 61

3 Persamaan 3. www.agussuwasono.com/ teori dasar perhitungan unjuk kerja kompresor sentrifugal

3

53

…………………………………………....(4)4

Keterangan:

Ts = Temperatur gas masuk (oC)

Ps = Tekanan gas masuk (kg/cm2)

Pd = Tekanan gas keluar (kg/cm2)

Td = Temperatur gas masuk (oC)

k = Indeks kompresi

n = Eksponen politropis

3. Head Politropis (Hp)

Head atau tinggi tekanan adalah kerja ideal yang diperlukan untuk

menekan fluida per satuan berat fluida yang ditekan. Head ini tergantung pada

proses penekanan, jika proses penekanan berlangsung secara adiabatis maka

disebut head adiabatis, dan untuk proses yang berlangsung secara politropis

disebut head politropis.

Head adiabatis sering digunakan dalam analisis teoritis. Dalam

penilaian untuk kerja kompresor kali ini akan digunakan head politropis

karena lebih mendekati kondisi aktual. Head politropis dihitung dengan

menggunakan persamaan:

………………………………..(5)5

Dimana harga Cp adalah :



54

………………………………………………………......(6)6

Keterangan:

Hp = Head politropis (m)

Zav = Faktor kompresi rata-rata

R = Kostanta gas (1545/MW)

MW = Berat molekul fluida

Ts = Temperatur gas masuk (oC)

Ps = Tekanan gas masuk (kg/cm2)

Pd = Tekanan gas keluar (kg/cm2)

Td = Temperatur gas masuk (oC)

n = Eksponen politropis

Cp = Panas jenis pada tekanan konstan

4. Gas Horse Power(GHP)

Daya yang diterima oleh gas dinamakan gas power atau aerodynamic

power yang dapat dihitung dengan:

………………………………………....(7)7

`Keterangan:

m = Laju Aliran massa fluida (lb/s)

Hp = Head politropis (ft)

p = Efesiensi politropis (%)

5. Brake Horse Power (BHP)

Brake Horse Power (BHP) adalah daya sebenarnya yang dibutuhkan



55

untuk menekan fluida dari tekanan masuk menjadi tekanan keluar. BHP dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan:

…………...……………………………..(12)8

Keterangan:

Lm = Mechanical losses

GHP = Gas Horse Power (KW)

8.8 Persamaan 8. Lapina,Ronald P. Estimating Centrifugal Compresor Performance, Gulf Publisthing

Company, Houston,Texas,1982.

56

bab iii dasar teori 103-j

Documents