kompresor torak

1

Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret

KOMPRESOR TORAK

Oleh : Sidiq Adhi Darmawan

A. PENDAHULUAN

Kompresor adalah mesin yang digunakan untuk memampatkan udara atau gas.

Kompresor udara biasanya menghisap udara dari atmosfir. Namun ada pula yang menghisap

udara atau gas yang bertekanan lebih tinggi daripada tekanan atmosfir. Karena berfungsi sebagai

pemampat, maka fluida kerja dari kompresor harus bersifat compressible. Di sinilah yang

membedakan antara kompresor dengan pompa. Kompresor bekerja dengan fluida yang

compressibel , sedangkan pompa bekerja dengan fluida incompressible.

Fluida compressible setelah melewati kompresor maka sifatnya akan berubah yaitu

volumenya kecil, tekanan besar, kelembaban naik dan suhu naik. Sedangkan fluida compressible

setelah melewati pompa maka sifatnya tidak berubah.

Kompresor mempunyai kegunaan yang sangat lua hampir segala bidang baik di bidang

industri, pertanian, rumah tangga, dan sebagainya. Selain itu jenis dan ukurannya pun beraneka

ragam sesuai dengan pemakaiannya. Sebagai contoh penggunaan kompresor untuk

menggerakkan mesin pneumatik di suatu pabrik.

Secara umum kompresor dibedakan menjadi dua yaitu :

1. Kompresor Kerja Positif ( Positive Displacement Compressor )

Kompresor kerja posistif adalah kompresor yang mengkompresi energi dari energi

mekanik berupa gerakan piston / torak menjadi energi tekanan pada udara. Contoh

kompresor kerja positif adalah kompresor torak. Kompresor kerja positif dibagi menjadi :

a. Kompresor Kerja Bolak – Balik ( Reciprocating Compressor )

Kompresor ini disebut juga kompresor torak, karena dilengkapi dengan torak yang

bekerja bolak – balik. Pemasukan udara diatur oleh katub masuk dan dihisap oleh torak

yang gerakannya menjauhi katub, prinsip kerja dari kompresor ini menyerupai mesin 4

langkah dimanan terdapat katub hisap dan katub buang. Pada saat terjadi pengisapan,

tekanan udara di dalam silinder mengecil, sehingga udara luar akan masuk ke dalam

silinder secara alami. Pada saat gerak kompresi, torak bergerak dari titik mati bawah ke

2


titik mati atas sehingga udara di atas torak akan ditekan sampai udara tersebut memiliki

tekanan yang tinggi, selanjutnya udara bertekanan tersebut dimasukkan ke dalam

tabung penyimpan udara

Gambar 1. Prinsip Kerja Kompresor Torak

b. Kompresor Rotary

Kompresor rotary merupakan salah satu jenis kompresor yang beroperasi yang beroperasi

pada kecepatan tinggi dan umumnya menghasilkan keluaran (tekanan) yang lebih tinggi

dibandingkan kompresor kerja bolak – balik ( reciprocating compresor ).

2. Kompresor Dinamik ( Non Positive Displacement Compressor)

Kompresor dinamik adalah kompresor yang mengkonversi energi dari energi potensial

fluida ( udara ) menjadi energi kinetik berupa putaran impeller lalu menjadi energi tekan

udara. Contoh kompresor dinamik adalah kompresor sentrifugal dan kompresor aksial.

1. Kompresor Sentrifugal

Kompresor sentrifugal merupakan kompresor dinamis yang bergantung pada transfer

energi dari impeler yang berputar. Kompresor serntrifugal memiliki elemen berputar

yang sederhana, terpasang pada poros yang dihubungkan ke motor penggerak. Prinsip

kerja kompresor sentrifugal hampir sama dengan pompa sentrifugal.

3


Mula – mula impeler berputar sehingga menaikkan kecepatan udara / gas, kemudian

udara dengan kecepatan yang tinggi itu akan masuk ke diffuser. Pada diffuser udara

mengalamai perubahan energi kinetik menjadi energi tekan. Pada kompresor sentrifugal

satu tingkat kenaikan tekanan yang dihasilkan kecil, agar lebih besar kemudian

digunakan kompresor sentrifugal bertingkat dengan pendinginan. Proses kompresi untuk

kompresor bertingkat banyak sama seperti kompresor torak.

Gambar 2. Kompresor Sentrifugal

2. Kompresor Axial

Pada kompresor aliran axial, udara akan mendapat percepatan oleh sudu yang

terdapat pada rotor dan arah alirannya ke arah axial yaitu searah (sejajar) dengan sumbu

rotor. Jadi pengisapan dan penekanan udara terjadi saat rangkaian sudu – sudu pada rotor

itu berputar secara cepat. Putaran cepat ini mutlak diperlukan untuk mendapatkan aliran

udara yang mempunyai tekanan yang diinginkan.

4


B. PRINSIP KERJA KOMPRESOR TORAK

1. Prinsip kerja kompresor torak adalah sebagai berikut:

Tenaga mekanik dari penggerak mulai ditransmisikan melalui poros engkol dalam bentuk

gerak rotasi dan diteruskan ke kepala silang (cross head) dengan perantaraan batang

penghubung (connecting rod).

Pada kepala silang gerakan rotasi diubah menjadi gerak translasi yang diteruskan ke torak

melalui batang torak (piston rod).

Gerakan torak bolak balik dalam silinder mengakibatkan perubahan volume dan tekanan

sehingga terjadi proses pemasukan, kompresi, dan pengeluaran.

Gambar 3. Diagram P-V Kompresor Torak

Torak memulai langkah kompresi pada titik (1), torak bergerak kekiri dan gas

dimampatkan sehingga tekanannya naik ketitik (2). Pada titik ini tekanan di dalam silinder

mencapai harga tekanan Pd yang lebih tinggi dari pada tekanan di dalam pipa keluar, sehingga

katup keluar pada kepala silinder akan terbuka. Jika torak bergerak terus kekiri , gas akan

didorong keluar silinder pada tekanan tetap sebesar Pd. Dititik (3) torak mencapai titik mati atas,

yaitu titik akhir gerakan torak pada langkah kompresi dan pengeluaran.

5


Pada waktu torak mencapai titik mati atas ini, anatara sisi atas torak dan kepala silinder masih

ada volume sisa yang besarnya = Vc. Volume ini idealnya harus sama dengan nol agar gas dapat

didorong seluruhnya keluar silinder tanpa sisa. Namun dalam praktiknya harus ada jarak

(Clearance) di atas torak agar tidak membentur kepala silinder. Selain itu juga harus ada lubang-

lubang laluan pada katup-katup. Karena adanya volume sisa ini ketika torak mengakhiri langkah

kompresinya, di atas torak masih ada sejumlah gas dengan volume sebesar Vc dan tekanan

sebesar Pd.

Jika kemudian torak memulai langkah isapnya (bergerak kekanan), katup isap tidak dapat

terbuka sebelum sisa gas di atas torak berekspansi sampai tekanannya turun dari Pd menjadi Ps.

Katup isap baru mulai terbuka dititik (4) ketika tekanannya sudah mencapai tekanan isap Ps.

Disini pemasukan gas baru mulai terjadi dan proses pengisapan ini berlangsung sampai titik mati

bawah (1). Dari uraian di atas dapat dilihat bahwa volume gas yang diisap tidak sebesar volume

langkah torak sebesar Vs melainkan lebih kecil, yaitu hanya sebesar volume isap antara titik mati

bawah (1) dan titik (4).

Atau secara riil dapat dijelaskan sebagai berikut cara kerja kompresor torak :

Langkah pertama adalah langkah hisap, torak bergerak ke bawah oleh tarikan engkol. Di dalam

ruang silinder tekanan menjadi negatif di bawah 1 atm ( dibawah tekanan atmosfer), katup hisap

terbuka karena perbedaan tekanan dan udara terhisap. Kemudian torak bergerak keatas, katup

hisap tertutup dan udara dimampatkan. Karena tekanan udara mampat, katup ke luar menjadi

terbuka, dan udara akan keluar.

( i ) Isap :

Bila poros engkol berputar dalam arah panah,

sehingga torak bergerak ke bawah oleh tarikan

engkol. Maka terjadilah tekanan negatif ( di

bawah tekanan atmosfir ) di dalam silinder, dan

katup isap terbuka oleh perbedaan tekanan,

sehingga udara terhisap.

( i )

6


Gambar 4. Kerja Kompresor Kerja Tunggal

Untuk sistem kerja kompresor kerja ganda sebagai berikut :

Proses kerja kompresor kerja ganda tidak berbeda jauh dengan kerja tunggal. Pada kerja ganda,

setiap gerakan terjadi sekaligus langkah penghisapan dan pengkompresian. Dengan kerja ganda,

kerja kompresor menjadi lebih efisien.

Gambar 5. Kompresor Kerja Ganda

( ii ) Kompresi :

Bila torak bergerak dari titik mati bawah ke titik

mati atas, maka katup isap akan menutup dan udara

di dalam silinder dimampatkan.

( ii )

( iii ) Kompresi :

Bila torak bergerak ke atas, tekanan di dalam

silinder akan naik. Maka katup keluar akan terbuka

oleh tekanan udara, dan udara akan keluar

( iii )

7


2. Proses Kompresi Gas

Proses kompresi gas pada kompresor torak dapat dilakukan menurut tiga cara yaitu dengan

proses isotermal, adiabatik reversible, dan politropolik.

2.1 Kompresi Isotermal

Bila suatu gas dikompresikan. Maka ini berarti ada energi mekanik yang diberikan dari luar

kepada gas. Energi ini diubah menjadi energi pannas sehingga temperatur gas akan naik jika

tekananan semakin tinggi. Namun, jika proses ini dibarengi dengan pendinginan untuk

mengeluarkan panas yang terjadi, sehingga temperatur dapat dijaga tetap dan kompresi ini

disebut dengan kompresi isotermal (temperatur tetap). Proses isotermal mengikuti hukum

Boyle, maka persamaan isotermal dari suatu gas sempurna adalah:

P . v = tetap

Atau

P1 . v1 = P2 . v2

Dimana :

P : Tekanan absolut

v : Volume spesifik

Proses kompresi ini sangat berguna dalam analisis teoritis, namun untuk perhitungan

kompresor tidak banyak kegunaannya. Pada kompresor yang sesungguhnya, meskipun

selinder didinginkan sepenuhnya adalah tidak mungkin untuk menjaga temperatur yang tetap

dalam silinder. Hal ini disebabkan oleh cepatnya proses kompresi (beberapa ratus sampai

seribu kali permenit) di dalam silinder.

8


2.2 Kompresi Adiabatik

Jika silinder diisolasi secara sempurna terhadap panas, maka kompresi akan berlangsung

tanpa ada panas yang keluar dari gas atau masuk kedalam gas. Proses semacam ini disebut

adiabatik. Dalam praktiknya proses ini tidak pernah terjadi secara sempurna karena isolasi

terhadap silinder tidak pernah dapat sempurna pula. Namun proses adiabtaik reversible sering

dipakai dalam pengkajian teoritis prpses kompresi. Hubungan antara tekanan dan volume

dalam proses adiabatic dapat dinyatakan dalam persamaan :

P . vk = tetap

Atau

P1 . v1k = P2 . v2

k = tetap

𝑘 =𝐶𝑝

𝐶𝑣

Dimana :

k : Ratio panas jenis, untuk udara k = 1,4

Cp : Panas jenis pada tekanan tetap

Cv : Panas jenis pada volume tetap

Gambar 6. Proses Kompresi Isotermal

9


Jika rumus ini dibandingkan dengan rumus kompresi isotermal dapat dilihat bahwa untuk

pengecilan volume yang sama, kompresi adiabatic akan menghasilkan tekanan yang lebih

tinggi dari pada proses isotermal. Karena tekanan yang dihasilkan oleh kompresi adiabatic

lebih tinggi dari pada kompresi isotermal untuk pengecilan volume yang sama, maka kerja

yang diperlukan pada kompresi adiabatic juga lebih besar.

2.3 Kompresi Politropik

Kompresi pada kompresor yang sesungguhnya bukan merupakan proses isotermal, karena

ada kenaikan temperatur, namun juga bukan proses adiabtaic karena aada panas yang

dipancarkan keluar. Jadi proses kompresi yang sesungguhnya, ada di antara keduanya dan

disebut kompresi politropik. Hubungan antara P dan v pada proses politropik dapat

dinyatakan dengan persamaan:

P . vn = tetap

Atau

P1 . v1n = P2. V2

n = tetap

Dimana :

n : Indek politropik

Gambar 7. Proses Kompresi Adiabatik

10


Pada kondisi dimana tidak dilakukan pendinginan pada ruang kompresi (kompresor

sentrifugal pada umumnya), maka harga n > k. bila ada pendinginan pada ruang kompresi

(pada kompresor torak). Maka harga n terletak antara 1 < n < k. perhitungan dapat dilakukan

baik dengan pendekatan kondisi adiabatik reversible maupun kondisi politropik.

C. BAGIAN – BAGIAN KOMPRESOR TORAK

Berikut ini adalah gambaran umum mengenai kompresor torak :

Gambar 8. Gambaran Umum Kompresor Torak

Adapun bagian – bagian kompresor torak sebagai berikut :

1. Silinder dan Kepala Silinder

Silinder berbentuk silindris berfungsi sebagai tempat bergeraknya bolak - balik piston dan

sebagai tempat untuk menampung sementara udara yang dihisap dan tempat dilakukannya

proses pengompresian udara. Silinder untuk tekanan kurang dari 50 kgf/cm2 (4.9 Mpa)

pada umunya menggunakan besi cor sebagai bahan silindernya.

11


Gambar 9. Kompresor Kerja Tunggal Satu Tingkat ( Jenis Pendingin Udara )

2. Torak dan Cincin Torak

Torak merupakan komponen yang betugas untuk melakukan kompresi terhadap udara/

gas, sehingga torak harus kuat menahan tekanan dan panas. Torak juga harus dibuat seringan

mungkin untuk mengurangi gaya inersia dan getaran.

Pada kompresor tegak dengan pelumasan minyak, pada torak dipasangkan sebuah cincin

pengikis minyak yang dipasang pada alur terbawah. Sedangkan kompresor tanpa pelumasan,

cincin torak dibuat dari bahan yang spesifik yaitu karbon atau teflon.

Gambar 10. Torak Kompresor Bebas Minyak

12


3. Katup

Katup isap dan katup keluar yang dipergunakan pada kompresor dapat membuka dan

menutup sendiri sebagai akibat dari perbedaan tekanan yang terjadi antara bagian dalam

dan bagian luar silinder. Katup – katup ini membuka dan menutup untuk setiap langkah

bolak – balik dari torak.

Gambar 11. Katup Pita ( Reed Valve ) Gambar 12. Katup Kanal

Gambar 13. Katup Kepak Gambar 14. Katup Cincin

13


4. Poros Engkol dan Batang Torak

Poros engkol dan batang torak mempunyai fungsi utama untuk mengubah gerakan putar

menjadi gerakan bolak - balik.

5. Kotak Engkol

Kotak engkol adalah sebagai blok mesinnya kompresor yang berfungsi sebagai dudukan

bantalan engkol yang bekerja menahan beban inersia dari masa yang bergerak bolak-balik

serta gaya pada torak.

6. Pengatur Kapasitas

Laju volume udara yang dihasilkan oleh kompresor harus disesuaikan dengan jumlah udara

yang diperlukan. Jika kompresor dibiarkan berjalan sedangkan udara yang dihasilkan tidak

dipakai secara maksimal maka tekanan akan naik melebihi batas yang ditentukan dan bisa

berbahaya. Oleh karena itu kompresor dilengkapi dengan alat yang disebut pembebas

beban ( unloader ). Alat ini dapat mengatur volume udara yang dihisap sesuai dengan laju

aliran keluar yang dibutuhkan

D. APLIKASI KOMPRESOR DALAM KEHIDUPAN

Dalam kehidupan sehari-hari banyak ditemui penggunaan kompresor, antara lain :

1. Pengisi udara pada ban sepeda atau mobil

2. Sebagai penyemprot kotoran pada bagian-bagian mesin

3. Rem pada bis dan kereta api

4. Pintu pneumatik pada bis dan kereta api

5. Pemberi udara pada aquarium

6. Kipas untuk penyejuk udara

7. Blower untuk peniup tungku

8. Fan ventilator

9. Udara tekan pada pengecatan

10. Pengangkat mobil pneumatis

14


11. Transportasi gas solid dengan pneumatik pada industri kimia

12. Kendali otomatik pada pembakar dalam ketel uap.

Selain itu contoh penerapan sistem kerja pada kompresor torak paling sederhana, yaitu pada

pompa ban sepeda atau mobil, prinsip kerja kompresor dapat dijelaskan sebagai berikut. Jika

torak pompa ditarik keatas, tekanan di bawah silinder akan turun sampai di bawah tekanan

atmosfer sehingga udara akan masuk melalui celah katup hisap yang kendur. Katup terbuat

dari kulit lentur, dapat mengencang dan mengendur dan dipasang pada torak. Setelah udara

masuk pompa kemudian torak turun kebawah dan menekan udara, sehingga volumenya

menjadi kecil.

Gambar 15. Pompa Ban

Dari contoh pemakaian kompresor seperti di atas, terlihat bahwa kompresor

digunakan secara luas mulai dari rumah tangga sampai industri besar. Penggunaan udara

bertekanan mempunyai kelebihan dibandingkan dengan listrik atau hidrolik dalam hal-hal

berikut ini:

1. Konstruksi dan operasi mesin sangat sederhana .

2. Pemeliharaan dan pemeriksaan mesin dapat dilakukan dengan mudah.

3. Energi dapat disimpan

4. Kerja dapat dilakukan dengan cepat

Tekanan menjadi naik terus sampai

melebihi tekanan di dalam ban, sehingga

udara mampat dapat masuk ban melalui

katup (pentil). Karena diisi udara

mampat terusmenerus, tekanan di dalam

ban menjadi naik. Jadi jelas dari contoh

tersebut, proses pemampatan terjadi

karena perubahan volume pada udara

yaitu lebih kecil dari kondisi awal

15


5. Harga mesin dan peralatan relatif murah

6. Kebocoran udara yang sering terjadi tidak membahayakan.

E. GANGGUAN – GANGGUAN PADA KOMPRESOR

Surge

Surge terjadi bilamana compressor dalam operasinya tidak mempunyai cukup flow (

volume gas yang mengalir ). Pada saat itu, gas yang ada di pipa keluaran (discharge piping)

dapat mengalir balik menuju kompresor untuk sesaat. Kondisi ini akan menyebabkan getaran

tinggi dan merusak bearing serta seal kompresor. Kebanyakan kompresor hanya mampu

menahan surge beberapa kali saja sebelum mengalami kerusakan.

Surge dapat disebabkan meningkatnya permintaan head sistem padahal flow yang ada

tidak mencukupi. Atau dengan kata lain, kebutuhan pengeluaran lebih besar daripada

pemasukan, sehingga aliran pemasukannya (flow) tidak dapat mengejar kebutuhan

pengelurannya (head). Kondisi di lapangan dimana gas compressor diperlukan untuk gas lift,

juga sifat (nature) flowrate dari sumur-sumur gas sampai ke system menyebabkan flowrate

berubah-ubah, tidak steady, dan tidak dapat diprediksi dengan tepat, bahkan dapat terjadi

kondisi dimana tidak ada aliran yang memasuki kompresor. Hal-hal tersebut diatas dapat

menyebabkan surge.

Untuk mengantispasi kekurangan flow maka pada sistem gas kompresor diperlukan

recycle valve, kadang disebut surge control valve atau anti surge valve. Bila aliran yang

masuk (suction) ke kompresor berkurang maka recycle valve (anti surge valve) akan

membuka sehingga sebagian gas keluaran (discharge) kompresor akan mengalir ke suction

untuk membantu menambah flow suction tersebut.

Berikut ada contoh diagram penggunaan sistem anti surge valve :

16


Gambar 16. Contoh Diagram Penggunaan Sistem Anti Surge Valve

Pada diagram PFD, P&ID di atas, maupun pada kondisi di lapangan sesungguhnya, maka

akan didapat recycle piping mengarah ke scrubber seperti gambar diatas (garis yang berwarna

merah), tidak langsung ke suction kompresor.

Recycle piping tidak boleh langsung dialirkan ke suction kompresor akan tetapi harus

dilewatkan dulu ke scrubber hal ini disebabkan karena : apabila gas mengalir dari tekanan tinggi

ke tekanan yang lebih rendah (gas mengalami expansi) maka akan terjadi penurunan temperature

(temperature drop). Apabila sejumlah gas yang berada dalam ruangan yang kecil (pressure

tinggi) maka molekul gas tersebut akan saling bergesekan sehingga temperature-nya menjadi

tinggi. Bila pada ruangan yang lebih besar (pressure lebih rendah) maka gesekan molekulnya

akan berkurang sehingga temperaturenya lebih rendah. Jadi bila gas dari tekanan tinggi (dalam

hal ini discharge pressure) kemudian di-recycle ke tekanan lebih rendah (dalam hal ini suction

pressure), gas akan mengalami penurunan temperatur.

Penurunan temperatur tersebut tergantung pada komposisi gas dan differential pressurenya

(perbedaan pressure tinggi mula-mula dan pressure rendah tujuan). Jika penurunan temperature

17


tersebut sangat rendah, gas akan berkondensasi dan terbentuklah uap cairan bahkan hydrate. Hal

ini akan membahayakan compressor sehingga recycle piping tersebut diarahkan ke upstream

(sebelum) scrubber untuk memisahkan uap air sehingga gas yang akan memasuki kompresor

dalam keadaan bersih.

kompresor torak

Documents