RSS

Arsip Harian: Mei 8, 2011

Teori Dasar Perhitungan Unjuk Kerja Kompresor Sentrifugal

Unjuk kerja kompresor sentrifugal berkaitan dengan beberapa parameter utama, yaitu :

  • Head
  • Efisiensi
  • Kapasitas
  • Daya

Compressor

Untuk dapat mengetahui harga masing-masing parameter berdasarkan kondisi operasi, maka digunakan berbagai rumus perhitungan dan proses pendekatan. Kompresor sentrifugal didalam proses kerjanya dapat ditinjau dengan menggunakan dua pendekatan :

  1. Proses adiabatic (isentropic), yaitu proses dengan menggunakan asumsi ideal, dimana proses berlangsung pada entropi konstan (tidak ada panas yang masuk dan keluar) meskipun pada kenyataannya energi panas tidak bisa dirubah secara keseluruhan menjadi kerja, karena ada kerugian.
  2. Proses Politropik adalah proses kerja aktual yang dihasilkan oleh kompresor itu sendiri.

1. Head

1.1 Head isentropik
Head isentropik adalah kerja per satuan massa yang diperlukan oleh kompresor pada proses isentropic.
Yang ditujukan dalam rumus :

Rumus_12

1.2. Head Politropik
Head politropik adalah kerja per satuan massa yang diperlukan oleh kompresor pada proses polytropik reversible dengan kondisi gas masuk dan keluar kompresor yang sama.
Yang di tujukan dalam rumus :

Rumus_34

Perbedaan head isentropik dan head aktual, ditunjukan pada gambar Isentropic Versus Actual Compression Proses.

isentropic

Untuk mencari harga eksponen politropik (n) digunakan persamaan :

Rumus_n

Dimana :
T1 = Temperatur pada sisi suction.
T2 = Temperatur pada sisi discharge.
P1 = Tekanan pada sisi suction.
P2 = Tekanan pada sisi discharge.

Proses kompresi dalam kompresor dapat diasumsikan berlangsung secara isentropic, dimana gas masuk pada suhu dan tekanan tertentu (P1 dan T1), sehingga diperoleh harga entropi masuk (S1).

Pada proses isentropic dimana S1 = S21, dapat ditentukan suhu gas keluar kompresor yaitu T21 sedangkan pada proses aktual gas keluar kompresor pada suhu T2.

2. Efisiensi
2.1. Efisiensi isentropik
Effisiensi isentropic adalah perbandingan antara head isentropic dengan head aktual.
Effisiensi isentropic dapat dihitung dengan persamaan :

Rumus_5

2.2. Effisiensi Politropik
Efisiensi politropik dari sebuah kompresor merupakan perbandingan antara head politropik dengan head isentropik.
Rumus efisiensi politropik adalah :

Rumus_6

3. Kapasitas

Kapasitas kompresor sentrifugal dapat dinyatakan dalam berbagai bentuk seperti :

  1. Inlet volume flow (ICFM) atau actual inlet volume flow (ACFM).
  2. Standard inlet volume flow (SCFM) pada kondisi standard yaitu pada tekanan 14,7 psia dan suhu 60oF = 520o R.
  3. Mass flow rate : kapasitas yang dihitung dalam laju aliran massa dengan satuan lbm/minute.

Hubungan antara kondisi standard dengan kondisi inlet (actual), dapat digunakan persamaan gas ideal :

Rumus_7

Dimana :
Ps = Tekanan standard = 14,7 psia
Ts = Temperatur standard = 60o F = 520o R

maka didapat :

Rumus_icfm

Bila kapasitas dihitung dalam laju aliran massa, maka harus dilihat hubungan kapasitas dan laju aliran massa.

Rumus_8
Rumus_m

Catatan : Angka 144 merupakan faktor konversi dari psia ke lb/ft2 . Karena 1 foot-pound = 12 inch-pound, maka 1 lb/ft2 = 144 psi.

Bila dikoreksi terhadap faktor kompresibilitas, maka :

Rumus_m2

4. Daya
Ada beberapa daya yang berhubungan dengan gas :

4.1 Daya gas
Daya yang di terima oleh gas di namakan gas power atau aerodinamic power yang dapat dihitung dengan persamaan :

Rumus_9

4.2. Daya kompresor
Daya dihitung dengan persamaan :

Rumus_10

4.3. Daya penggerak
Dihitung dengan persamaan :

Rumus_11

5. Perhitungan Gas Propertis

Untuk menghitung gas propertis, digunakan langkah sebagai berikut :

    1. Siapkan data komposisi gas campuran dengan setiap mol fraksinya.
    2. Siapkan tabel berat molekul, tekanan kritis, dan temperatur kritis setiap fraksi gas.
    3. Masukan juga nilai kalor spesifik pada tekanan konstan, Cp untuk setiap gas, pada temperatur kondisi campuran. (dengan satuan berbasis mol, seperti Btu/lbm mol atau J/k mol. K).
    4. Hitung dan buat daftar kontribusi dari setiap gas untuk berat molekul, tekanan kritis, temperatur kritis dan panas spesifik dengan mengalikannya dengan mol fraksi setiap gas.
    5. Jumlahkan masing-masing kontribusi setiap gas hingga didapat parameter dalam kondisi campuran (BM mix, Pc mix, Tc mix dan Cp mix).
    6. Hitung nilai perbandingan panas spesifik, K dengan persamaan :

Rumus_k

    1. Hitung nilai tekanan reduksi (Pr) dan temperatur reduksi (Tr) untuk mendapatkan faktor kompesibilitas, dengan persamaan :

Rumus_pr

  1. Dimana P dan T adalah tekanan dan temperatur yang diukur (aktual).
  2. Dapatkan nilai faktor kompesibilitas (Z) dengan memplotkan nilai Pr dan Tr pada grafik kompresibilitas.

6. PARAMETER YANG MEMPENGARUHI UNJUK KERJA

Unjuk kerja kompresor centrifugal dipengaruhi oleh beberapa parameter, antara lain sebagai berikut :

1. Pengaruh Suhu Gas Masuk (T1)

Bila suhu gas masuk naik menyebabkan :

  • Kerapatan massa gas menurun pada kapasitas yang sama.
  • Laju aliran massa yang dihasilkan menurun.
  • Daya yang dibutuhkan oleh kompresor naik.
  • Pressure ratio menurun.
  • Begitu pula sebaliknya.

2. Pengaruh Tekanan Gas Masuk (P1)

Pada kompresor yang beroperasi pada putaran konstan dan laju aliran volume yang sama, maka penurunan tekanan gas masuk menyebabkan :

  • Laju aliran gas keluar kompresor turun.
  • Tekanan gas keluar kompresor turun.
  • Kebutuhan daya kompresor turun.
  • Untuk menjaga tekanan gas keluar kompresor yang konstan, maka kompresor diharuskan beroperasi dengan putaran tinggi, akibatnya daya yang dibutuhkan oleh kompresor bertambah.

3. Pengaruh Jenis Gas (S.G)
Bila jenis gas berubah komposisinya dan spesific gravity (S.G) gas turun menyebabkan :

  • Laju aliran massa menurun.
  • Daya yang dibutuhkan kompresor menurun.

4. Pengaruh Faktor Kompresibelitas (Z)

Faktor kompresibelitas gas sangat dipengaruhi oleh jenis/komposisi gas dan tekanan dan temperatur.
Bila Z naik dan kapasitas konstan menyebabkan :

  • Daya yang diperlukan kompresor naik.
  • Pressure ratio menurun.
  • Dan begitu pula sebaliknya.

5. Pengaruh Putaran Kompresor (n)

Perubahan putaran kompresor akan berpengaruh banyak terhadap karakteristik kompresor.
Dengan kenaikan putaran kompresor mengakibatkan :

  • Naiknya kapasitas/laju aliran massa sebanding dengan kenaikan putarannya.
  • Naiknya head yang sesuai dengan perbandingan putaran pangkat 2.
  • Naiknya kebutuhan daya yang diperlukan sesuai dengan perbandingan putaran pangkat 3.
  • Dan begitu pula sebaliknya.

Hal tersebut diatas dapat dilihat dari teori kesamaan sebagai berikut :

Rumus_kesamaan

6. Pengaruh Perubahan Diameter Luar Impeler (D2)

Perubahan ukuran diameter luar impeler mempunyai pengaruh yang sama dengan perubahan putaran.
Bila ukuran diameter luar impeler diperbesar dimana kompresor beroperasi pada putaran tetap, maka menyebabkan :

  • Kenaikan kapasitas sebanding dengan perbandingan kenaikan diameter.
  • Kenaikan head sebanding dengan perbandingan kenaikan diameter impeler pangkat 2.
  • Kenaikan daya yang diperlukan kompresor sesuai dengan perbandingan kenaikan diameter impeller pangkat 3.
  • Dan begitu pula sebaliknya.

Hal tesebut diatas dapat dilihat dari teori kesamaan sebagai berikut :

Rumus_kesamaan

7. Pengaruh Laju Aliran Massa (m)

Pada kondisi awal yang sama, maka kenaikan laju aliran massa mengakibatkan :

  • Kenaikan tenaga yang diperlukan kompresor. Dan begitu pula sebaliknya.

DAFTAR PUSTAKA

Frank L. Evans,Jr.  Equipment Design Hand book for Refineries and Chemical Plants, Gulf Publisthing Company, Texas,1979.
Lapina,Ronald P. Estimating Centrifugal Compresor Performance, Gulf Publisthing Company, Houston,Texas,1982.
Lyman F.Scheel, Gas Machinary,  Gulf Publisthing Company, Houston, Texas, 1972.

(Sumber: http://www.agussuwasono.com)

Iklan
 
 

Teori Dasar Kompresor Sentrifugal

1. Prinsip Kerja

Compressor
Kompresor adalah peralatan mekanik yang digunakan untuk memberikan energi kepada fluida gas/udara, sehingga gas/udara dapat mengalir dari suatu tempat ke tempat lain secara kontinyu.
Penambahan energi ini bisa terjadi karena adanya gerakan mekanik, dengan kata lain fungsi kompresor adalah mengubah energi mekanik (kerja) ke dalam energi tekanan (potensial) dan energi panas yang tidak berguna.
Sedangkan kompresor sentrifugal, termasuk dalam kelompok kompresor dinamik adalah kompresor dengan prinsip kerja mengkonversikan energi kecepatan gas/udara yang dibangkitkan oleh aksi/gerakan impeller yang berputar dari energi mekanik unit penggerak menjadi energi potensial (tekanan) di dalam diffuser.2. Karakteristik
Karakteristik kompresor sentrifugal secara umum sebagai berikut :
– Aliran discharge uniform.
– Kapasitas tersedia dari kecil sampai besar.
– Tekanan discharge dipengaruhi oleh density gas/udara.
– Mampu memberikan unjuk kerja pada efisiensi yang tinggi dengan beroperasi pada range tekanan dan kapasitas yang besar. 3. Bagian Utama Dan Fungsinya
Kompresor terdiri dari beberapa bagian yang fungsinya satu dengan yang lain saling berhubungan, diantaranya adalah :
3.1. 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.
Berikut contoh gambar dari tipe radial split barrel dengan bentuk selongsong dan ditutup bagian depan-belakang (rear-front cover).

split barel

2. Inlet Wall
Inlet wall adalah diafram (dinding penyekat) yang dipasang pada sisi suction sebagai inlet channel dan berhubungan dengan inlet nozle.
Karena berfungsi sebagai saluran gas masuk pada stage pertama, maka meterialnya harus tahan terhadap abrasive dan erosi.

inlet wall

3. Guide Vane
Guide vane di tempatkan pada bagian depan eye impeller 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.

Guide seal

4. Eye Seal
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 (lihat gambar 4).
Berfungsi untuk mencegah aliran balik dari gas yang keluar dari discharge impeller (tekanan tinggi) kembali masuk ke sisi suction (tekanan rendah).

eye seal

5. Diffuser
Diffuser berfungsi untuk merubah energi kecepatan yang keluar dari discharge impeller menjadi energi potensial (dinamis).
Untuk multi stage dipasang diantara inter stage impeller.

Diffuser

6. Labirinth Seal
Labirinth seal digunakan untuk menyekat pada daerah :
– Shaft dan diafragma sebagai shaft seal.
– Casing dan shaft sebagai casing seal.

Labirinth

7. Return Bend
Return bend sering juga disebut crossover yang berfungsi membelokan arah aliran gas dari diffuser ke return channel untuk masuk pada stage/impeller berikutnya. Return bend di bentuk oleh susunan diafragma yang dipasang dalam casing.
Bentuk dan posisi dari return bend ditunjukan pada gambar 7.

Return bend

8. Return Channel
Return channel adalah saluran yang berfungsi memberi arah aliran gas dari return bend masuk ke dalam impeller 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, lihat gambar 8.

Return channel

9. Diafragma
Diafram 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.

Diafragma

3.2. Bagian Dinamis
1. Shaft and Shaft Sleeve
Shaft atau poros transmisi digunakan untuk mendukung impeller dan meneruskan daya dari pengerak ke impeller. Untuk penempatan impeller pada shaft di gunakan pasak (key) dan pada multi stage, posisi pasak di buat selang-seling agar seimbang.
Sedangkan jarak antar stage dari impeller 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 impeller.

shaft

2. Impeller
Impeller berfungsi untuk menaikan kecepatan gas dengan cara berputar, sehingga menimbulkan gaya. Hal ini menyebabkan gas masuk/mengalir dari inlet tip (eye impeller) ke discharge tip. Karena adanya perubahan jari-jari dari sumbu putar antara tip sudu masuk dengan tip sudu keluar maka terjadi kenaikan energi kecepatan.
impeller
3. Bantalan (Bearing)
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 bearing, yaitu :
1. Journal bearing
Digunakan untuk mendukung beban dengan arah radial (tegak lurus poros).
2. Thrust bearing
Digunakan untuk mendukung beban kearah aksial (sejajar poros).4. Oil Film Seal
Oil film seal merupakan salah satu jenis seal yang digunakan dalam kompresor. Oil film seal terdiri dari satu atau dua seal ring.
Pada seal jenis ini diinjeksikan minyak (oil) sebagai penyekat/perapat (seal oil) antara kedua seal ring yang memiliki clearence sangat kecil terhadap shaft. Tekanan masuk seal oil dikontrol secara proporsional berdasarkan perbedaan tekanan sekitar 5 psi diatas tekanan internal gas dan perbedaan tekanan oil-gas selalu dipertahankan.
Sehubungan dengan kondisi operasi tidak selalu konstan, maka untuk mempertahankan perbedaan tekanan antar seal oil dan gas dapat sesuai dengan kondisi operasi, digunakan overhead tank.
Sistim overhead tank adalah memasang tanki penampung seal oil dengan ketinggian tertentu diatas kompresor dan level seal oil dalam tanki dikontrol melalui level control operated valve, kemudian tekanan gas stream dimasukan kedalam tanki melalui bagian atas (top) sehingga memberikan tekanan pada permukaan seal oil.
Dengan sistem overhead tank, maka head static seal oil secara otomatis dapat menyesuaikan dengan kondisi operasi kompresor, sehingga perbedaan tekanan oil-gas proses dapat dipertahankan konstan.
Gambar berikut menunjukan sistim overhead tank untuk seal oil pada oil film shaft seal with cylindrical bushing.

Overhead oil system

Selanjutnya untuk mengetahui perhitungan unjuk kerja kompresor sentrifugal