Kompresor

Kompresor atau pemampat adalah alat mekanik yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan zat alir mampu pampat, yaitu gas atau udara. Tujuan dari meningkatkan tekanan dapat untuk mengalirkan atau kebutuhan proses dalam suatu sistem proses fisika maupun kimia contohnya pada pabrik-pabrik kimia untuk kebutuhan reaksi. Secara umum kompresor dibagi menjadi dua jenis yaitu kompresor dinamik dan kompresor perpindahan positif.

Beberapa jenis mesin jet—seperti turbojet dan turbofan—memampatkan udara yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar. Turbin mesin jet menggerakkan kompresor udara pembakaran. Turbin jet menggerakkan kompresor aliran aksial dan sentrifugal yang merupakan bagian dari mesin jet.

 Fungsi 

Kompresor termasuk salah satu jenis mesin fluida sehingga termasuk pula ke dalam jenis mesin konversi energi. Energi dibutuhkan oleh kompresor untuk meningkatkan tingkatan energi bagi fluida kerja. Fungsi dari kompresor adalah memampatkan udara atau gas.

 Jenis 

 Penggerak mula 

 Turbin gas 
Turbin gas memberikan daya penggerak ke kompresor. Pemberian daya secara langsung melalui penghubungan antara turbin gas dengan kompresor.

 Kompresor dinamik 
Kompresor dinamik terbagi menjadi kompresor sentrifugal dan kompresor aksial.

 Kompresor perpindahan positif 
Kompresor perpindahan positif terbagi menjadi dua jenis, yaitu kompresor piston dan kompresor putar. Kompresor piston terbagi menjadi tiga macam yaitu kompresor piston aksi tunggal, kompresor piston aksi ganda dan kompresor piston diafragma. Sementara itu, kompresor putat terbagi menjadi lima macam yaitu kompresor ulir putra, kompresor cuping, kompresor baling-baling, kompresor cincin cair dan kompresor gilir.

 Kompresor sentrifugal 
Kompresor sentrifugal menggunakan cakram atau impeller yang berputar dalam housing yang berbentuk untuk memaksa gas ke tepi impeller, sehingga meningkatkan kecepatan gas. Bagian diffuser (saluran divergen) mengubah energi kecepatan menjadi energi tekanan. Kompresor ini terutama digunakan untuk layanan stasioner yang berkelanjutan dalam industri seperti kilang minyak , pabrik kimia dan petrokimia , serta pabrik pemrosesan gas alam. Aplikasinya dapat berkisar dari 100 tenaga kuda (75 kW) hingga ribuan tenaga kuda. Dengan beberapa tahap, kompresor ini dapat mencapai tekanan output tinggi yang lebih besar dari 1.000 psi (6,9 MPa).

Jenis kompresor ini, bersama dengan kompresor sekrup, banyak digunakan dalam sistem pendingin dan pendingin udara berskala besar. Terdapat kompresor sentrifugal dengan bantalan magnetik (terangkat secara magnetik) dan bantalan udara.

Banyak operasi pembuatan salju berskala besar (seperti resor ski ) menggunakan jenis kompresor ini. Kompresor ini juga digunakan dalam mesin pembakaran internal sebagai supercharger dan turbocharger . Kompresor sentrifugal digunakan dalam mesin turbin gas berukuran kecil atau sebagai tahap kompresi akhir turbin gas berukuran sedang.

Kompresor sentrifugal adalah kompresor terbesar yang tersedia, menawarkan efisiensi yang lebih tinggi di bawah beban parsial, mungkin bebas oli saat menggunakan bantalan udara atau magnetik yang meningkatkan koefisien perpindahan panas di evaporator dan kondensor, beratnya hingga 90% lebih ringan dan menempati ruang 50% lebih sedikit daripada kompresor resiprokal, andal dan biaya perawatannya lebih murah karena lebih sedikit komponen yang terkena keausan, dan hanya menghasilkan getaran minimal. Namun, biaya awalnya lebih tinggi, memerlukan pemesinan CNC yang sangat presisi , impeller perlu berputar pada kecepatan tinggi sehingga membuat kompresor kecil tidak praktis, dan lonjakan menjadi lebih mungkin terjadi. Lonjakan adalah pembalikan aliran gas, yang berarti bahwa gas berpindah dari sisi pembuangan ke sisi isap, yang dapat menyebabkan kerusakan serius, khususnya pada bantalan kompresor dan poros penggeraknya. Hal ini disebabkan oleh tekanan pada sisi pembuangan yang lebih tinggi daripada tekanan keluaran kompresor. Hal ini dapat menyebabkan gas mengalir bolak-balik antara kompresor dan apa pun yang terhubung ke saluran pembuangannya, yang menyebabkan osilasi.

 Kompresor aksial 
jmpl
jmpl|Kompresor aksial pada mesin jet
Kompresor aksial adalah kompresor putar dinamis yang menggunakan rangkaian airfoil seperti kipas untuk memampatkan cairan secara progresif. Kompresor ini digunakan di tempat yang membutuhkan laju aliran tinggi atau desain yang ringkas.

Deretan airfoil diatur dalam baris, biasanya berpasangan: satu berputar dan satu diam. Airfoil berputar, juga dikenal sebagai bilah atau rotor , mempercepat fluida. Airfoil stasioner, juga dikenal sebagai stator atau baling-baling, memperlambat dan mengarahkan ulang arah aliran fluida, mempersiapkannya untuk bilah rotor tahap berikutnya. Kompresor aksial hampir selalu multi-tahap, dengan luas penampang saluran gas berkurang sepanjang kompresor untuk mempertahankan bilangan Mach aksial yang optimal. Di luar sekitar 5 tahap atau rasio tekanan desain 4:1, kompresor tidak akan berfungsi kecuali dilengkapi dengan fitur-fitur seperti baling-baling stasioner dengan sudut variabel (dikenal sebagai baling-baling pemandu saluran masuk variabel dan stator variabel), kemampuan untuk memungkinkan sebagian udara keluar sebagian sepanjang kompresor (dikenal sebagai pendarahan antartahap) dan dibagi menjadi lebih dari satu rakitan berputar (dikenal sebagai kumparan kembar, misalnya).

Kompresor aksial dapat memiliki efisiensi tinggi; sekitar 90% politropik pada kondisi desainnya. Namun, harganya relatif mahal, memerlukan sejumlah besar komponen, toleransi yang ketat, dan material berkualitas tinggi. Kompresor aksial digunakan dalam mesin turbin gas berukuran sedang hingga besar , stasiun pompa gas alam, dan beberapa pabrik kimia.

 Penerapan 
Kompresor gas digunakan dalam berbagai aplikasi yang membutuhkan tekanan lebih tinggi atau volume gas lebih rendah:
 Dalam pengangkutan gas alam murni melalui pipa dari lokasi produksi ke konsumen, kompresor digerakkan oleh motor yang digerakkan oleh gas yang dikeluarkan dari pipa. Dengan demikian, tidak diperlukan sumber daya eksternal.
 Dalam transportasi kargo laut dan operasi kargo oleh pengangkut gas.
 Kilang minyak bumi, pabrik pengolahan gas alam, pabrik petrokimia dan kimia, serta pabrik industri besar serupa memerlukan kompresi untuk gas antara dan produk akhir.
 Peralatan pendingin dan penyejuk udara menggunakan kompresor untuk memindahkan panas dalam siklus refrigeran (lihat pendinginan kompresi uap).
 Sistem turbin gas memampatkan udara pembakaran yang masuk.
 Gas yang dimurnikan atau diproduksi dalam volume kecil memerlukan kompresi untuk mengisi tabung bertekanan tinggi untuk keperluan medis, pengelasan, dan penggunaan lainnya.
 Berbagai proses industri, manufaktur, dan pembangunan memerlukan udara bertekanan untuk menggerakkan peralatan pneumatik.
 Dalam pembuatan dan pencetakan tiup botol dan wadah plastik PET.
 Beberapa pesawat memerlukan kompresor untuk mempertahankan tekanan kabin di ketinggian.
 Beberapa jenis mesin jet —seperti turbojet dan turbofan— memampatkan udara yang dibutuhkan untuk pembakaran bahan bakar. Turbin mesin jet menggerakkan kompresor udara pembakaran.
 Dalam penyelaman bawah air, peralatan pernapasan mandiri, terapi oksigen hiperbarik, dan peralatan pendukung kehidupan lainnya, kompresor menyediakan gas pernapasan bertekanan baik secara langsung atau melalui wadah penyimpanan gas bertekanan tinggi, seperti tabung selam. Dalam penyelaman permukaan, kompresor udara umumnya digunakan untuk memasok udara bertekanan rendah (10 hingga 20 bar) untuk bernapas.
 Kapal selam menggunakan kompresor untuk menyimpan udara untuk digunakan kemudian dalam memindahkan air dari ruang apung guna menyesuaikan daya apung.
 Turbocharger dan supercharger adalah kompresor yang meningkatkan kinerja mesin pembakaran internal dengan meningkatkan aliran massa udara di dalam silinder, sehingga mesin dapat membakar lebih banyak bahan bakar dan karenanya menghasilkan lebih banyak tenaga.
 Kendaraan angkutan kereta api dan jalan raya berat menggunakan udara bertekanan untuk mengoperasikan rem kendaraan rel atau kendaraan jalan raya —dan berbagai sistem lainnya (pintu, wiper kaca depan, mesin, kontrol kotak roda gigi, dll.).
 Stasiun pengisian bahan bakar dan bengkel mobil menggunakan udara bertekanan untuk mengisi ban pneumatik dan menggerakkan peralatan pneumatik.
 Piston api dan pompa panas ada untuk memanaskan udara atau gas lainnya, dan mengompresi gas hanyalah salah satu cara untuk mencapai tujuan tersebut.
 Kompresor lobus putar sering digunakan untuk menyediakan udara dalam jalur pengangkutan pneumatik untuk bubuk atau padatan. Tekanan yang dicapai dapat berkisar dari 0,5 hingga 2 bar g.

 Pesawat terbang 
Pesawat terbang memanfaatkan konsep pemampatan udara luar agar dapat terbang. Pemampatan ini dihasilkan oleh kompresor dan menimbulkan udara tekanan tinggi. Aliran udara bertekanan tinggi kemudian menuju ke dalam ruang bakar dan bercampur dengan bahan bakar. Percampuran ini menghasilkan pembakaran yang kemudian meningkatkan temperatur dan tekanan bagi fluida kerja di dalamnya. Fluida bertekanan tinggi kemudian mengalir melewati turbin dengan kecepatan yang sangat tinggi hingga ke nosel. Gaya dorong kemudian timbul akibat adanya perbedaan antara kecepatan fluida masuk dengan fluida keluar. Ini didasarkan pada kondisi aksi dan reaksi pada Hukum III Newton. Gaya dorong yang dihasilkan kemudian menimbulkan gerakan ke arah horizontal dan vertikal. Sebagian gaya dorong diubah oleh sayap pesawat terbang menjadi gaya angkat.

 Efisiensi 
Pernyataan efisiensi kompresor dalam dua bentuk, yaitu efisiensi volumetrik dan efisiensi adiabatik. Efisiensi volumetrik diperoleh melalui perbandingan antara volume gas yang dihasilkan oleh kompresor, terhadap volume langkah torak yang dimiliki oleh kompresor. Sedangkan efisiensi adiabatik diperoleh melalui perbandingan antara daya yang dibutuhkan kompresor untuk memampatkan gas melalui siklus adiabatis, terhadap kebutuhan daya yang sebenarnya. Sikluus adiabatis pada efisiensi adiabatik bersifat teoretis.

Termodinamika kompresi gas
 Kompresor isentropik 
Kompresor dapat diidealkan sebagai perangkat yang dapat dibalikkan secara internal dan adiabatis , sehingga merupakan perangkat keadaan stabil isentropik , yang berarti perubahan entropi adalah 0.Cengel, Yunus A., and Michaeul A. Boles. Thermodynamics: An Engineering Approach. 7th Edition ed. New York: Mcgraw-Hill, 2012. Print.

Perubahan entalpi untuk proses aliran dapat dihitung.

dH = VdP +TdS

Isentropic dS isentropik adalah nol.

dH = VdP

Proses isentropik non-aliran seperti beberapa kompresor perpindahan positif mungkin menggunakan persamaan yang berbeda.

dH = PdV

Dengan mendefinisikan siklus kompresi sebagai isentropik , efisiensi ideal untuk proses tersebut dapat dicapai, dan kinerja kompresor ideal dapat dibandingkan dengan kinerja aktual mesin. Kompresi Isotropik sebagaimana digunakan dalam Kode ASME PTC 10 mengacu pada proses kompresi adiabatik reversibel

Efisiensi Isentropik Kompresor:


  adalah entalpi pada keadaan awal
  adalah entalpi pada keadaan akhir untuk proses sebenarnya
  adalah entalpi pada keadaan akhir untuk proses isentropik

 Meminimalkan pekerjaan yang dibutuhkan oleh kompresor 
 Membandingkan kompresor reversibel dengan kompresor ireversibel 
Perbandingan bentuk diferensial neraca energi untuk setiap perangkat.

Membiarkan  menjadi panas,  menjadi pekerjaan,  menjadi energi kinetik, dan  }menjadi energi potensial.

Kompresor Aktual:


Lebih-lebih lagi,  dan T adalah [suhu absolut] () yang menghasilkan:

atau

Oleh karena itu, peralatan yang memerlukan kerja seperti pompa dan kompresor (kerja bersifat negatif) memerlukan kerja yang lebih sedikit ketika beroperasi secara reversibel.

Effect of cooling during the compression process

 proses isentropik : tidak melibatkan pendinginan,
 proses politropik : melibatkan beberapa pendinginan
 proses isotermal : melibatkan pendinginan maksimum

Dengan membuat asumsi berikut, pekerjaan yang dibutuhkan kompresor untuk memampatkan gas dari  ke  adalah sebagai berikut untuk setiap proses:

  and 

 Proses aliran VdP
 Semua proses dapat dibalikkan secara internal
 Gas berperilaku seperti gas ideal dengan panas spesifik konstan

Isentropik  (,
Di mana ):



Politropik  ():



Isothermal ( or ):

Dengan membandingkan tiga proses reversibel internal yang mengompresi gas ideal dari  to , hasil penelitian menunjukkan bahwa kompresi isentropik () membutuhkan kerja terbanyak dan kompresi isotermal ( atau )  membutuhkan jumlah kerja paling sedikit. Untuk proses politropik () kerja berkurang seiring dengan berkurangnya eksponen, n, dengan meningkatkan pembuangan panas selama proses kompresi. Salah satu cara umum untuk mendinginkan gas selama kompresi adalah dengan menggunakan jaket pendingin di sekitar casing kompresor.

 Kompresor dalam siklus termodinamika ideal 
 Siklus Rankine Ideal 1->2 Kompresi isentropik dalam sebuah pompa
 Siklus Carnot Ideal 4->1 Kompresi isentropik
 Siklus Otto Ideal 1->2 Kompresi isentropik
 Siklus Diesel Ideal 1->2 Kompresi isentropik
 Siklus Brayton Ideal 1->2 Kompresi isentropik dalam sebuah kompresor
 Siklus Refrigeran Kompresi Uap Ideal 1->2 Kompresi isentropik dalam sebuah kompresor

CATATAN: Asumsi isentropik hanya berlaku dengan siklus ideal. Siklus dunia nyata memiliki kerugian yang melekat karena kompresor dan turbin yang tidak efisien. Sistem dunia nyata tidak benar-benar isentropik tetapi lebih diidealkan sebagai isentropik untuk tujuan perhitungan.

Temperatur
Kompresi gas meningkatkan suhu.

Untuk transformasi politropik suatu gas:


Pekerjaan yang dilakukan untuk kompresi politropik (atau ekspansi) gas ke dalam silinder tertutup.




Jadi


di mana p adalah tekanan, V adalah volume, n memiliki nilai yang berbeda untuk proses kompresi yang berbeda (lihat di bawah), dan 1 & 2 merujuk pada keadaan awal dan akhir.

 Adiabatik – Model ini mengasumsikan bahwa tidak ada energi (panas) yang ditransfer ke atau dari gas selama kompresi, dan semua kerja yang diberikan ditambahkan ke energi internal gas, sehingga menghasilkan peningkatan suhu dan tekanan. Kenaikan suhu teoretis adalah:Perry's Chemical Engineer's Handbook 8th edition
Perry, Green, page 10-45 section 10-76


dengan  T1 dan T2 dalam derajat Rankine atau Kelvin , p2 dan p1 adalah tekanan absolut dan  rasio kalor jenis (sekitar 1,4 untuk udara). Kenaikan rasio udara dan temperatur berarti kompresi tidak mengikuti rasio tekanan terhadap volume yang sederhana. Ini kurang efisien, tetapi cepat. Kompresi atau ekspansi adiabatik lebih mendekati model kehidupan nyata ketika kompresor memiliki insulasi yang baik, volume gas yang besar, atau skala waktu yang pendek (yaitu, level daya yang tinggi). Dalam praktiknya akan selalu ada sejumlah aliran kalor dari gas yang dikompresi. Jadi, membuat kompresor adiabatik yang sempurna akan membutuhkan insulasi panas yang sempurna dari semua bagian mesin. Misalnya, bahkan tabung logam pompa ban sepeda menjadi panas saat Anda memampatkan udara untuk mengisi ban. Hubungan antara temperatur dan rasio kompresi yang dijelaskan di atas berarti bahwa nilai  untuk proses adiabatik adalah  (rasio panas spesifik).

 Isotermal – Model ini mengasumsikan bahwa gas yang dikompresi tetap pada suhu konstan selama proses kompresi atau ekspansi. Dalam siklus ini, energi internal dikeluarkan dari sistem sebagai panas pada tingkat yang sama dengan yang ditambahkan oleh kerja mekanis kompresi. Kompresi atau ekspansi isotermal lebih mendekati model kehidupan nyata ketika kompresor memiliki permukaan pertukaran panas yang besar, volume gas yang kecil, atau skala waktu yang panjang (yaitu, level daya yang kecil). Kompresor yang memanfaatkan pendinginan antar tahap di antara tahap kompresi paling mendekati pencapaian kompresi isotermal yang sempurna. Namun, dengan perangkat praktis, kompresi isotermal yang sempurna tidak dapat dicapai. Misalnya, kecuali Anda memiliki tahap kompresi yang tak terbatas jumlahnya dengan intercooler yang sesuai, Anda tidak akan pernah mencapai kompresi isotermal yang sempurna.

Untuk proses isotermal,  }adalah 1, maka nilai integral kerja untuk proses isotermal adalah:


Ketika dievaluasi, kerja isotermal ditemukan lebih rendah daripada kerja adiabatik.

 Politropik – Model ini memperhitungkan kenaikan suhu dalam gas dan juga kehilangan energi (panas) pada komponen kompresor. Ini mengasumsikan bahwa panas dapat masuk atau keluar dari sistem, dan bahwa kerja poros masukan dapat muncul sebagai peningkatan tekanan (biasanya kerja yang berguna) dan peningkatan suhu di atas adiabatik (biasanya kerugian karena efisiensi siklus). Efisiensi kompresi kemudian merupakan rasio kenaikan suhu pada 100 persen teoretis (adiabatik) vs. aktual (politropik). Kompresi politropik akan menggunakan nilai   antara 0 (proses tekanan konstan) dan tak terhingga (proses volume konstan). Untuk kasus tipikal di mana upaya dilakukan untuk mendinginkan gas yang dikompresi oleh proses adiabatik, nilai  akan berada di antara 1 dan ..

 Kompresi bertahap 
Dalam kasus kompresor sentrifugal, desain komersial saat ini tidak melebihi rasio kompresi lebih dari 3,5 banding 1 dalam satu tahap (untuk gas biasa). Karena kompresi meningkatkan suhu, gas terkompresi harus didinginkan di antara tahap-tahap yang membuat kompresi kurang adiabatik dan lebih isotermal. Pendingin antar tahap (intercooler) biasanya menghasilkan beberapa kondensasi parsial yang dibuang dalam pemisah uap-cair .

Dalam kasus kompresor resiprokal kecil, roda gila kompresor dapat menggerakkan kipas pendingin yang mengarahkan udara sekitar melintasi intercooler kompresor dua tahap atau lebih.

Karena kompresor sekrup putar dapat menggunakan pelumas pendingin untuk mengurangi kenaikan suhu akibat kompresi, kompresor ini sangat sering melampaui rasio kompresi 9 banding 1. Misalnya, dalam kompresor selam biasa, udara dikompresi dalam tiga tahap. Jika setiap tahap memiliki rasio kompresi 7 banding 1, kompresor dapat menghasilkan tekanan 343 kali tekanan atmosfer (7 × 7 × 7 = 343 atmosfer). (343 atm atau 34,8  MPa atau 5,04  ksi)

 Motor penggerak 
Ada banyak pilihan motor yang menggerakkan kompresor:
 Turbin gas menggerakkan kompresor aliran aksial dan sentrifugal yang merupakan bagian dari mesin jet.
 Turbin uap atau turbin air dimungkinkan untuk kompresor besar.
 Motor listrik murah dan senyap untuk kompresor statis. Motor kecil yang cocok untuk suplai listrik rumah tangga menggunakan arus bolak -balik satu fasa. Motor yang lebih besar hanya dapat digunakan jika tersedia suplai listrik industri tiga fasa.
 Mesin diesel atau mesin bensin cocok untuk kompresor portabel dan kompresor pendukung.
 Pada mobil dan jenis kendaraan lain (termasuk pesawat terbang, kapal, truk, dll. yang menggunakan tenaga piston), tenaga mesin diesel atau bensin dapat ditingkatkan dengan mengompresi udara masuk, sehingga lebih banyak bahan bakar yang dapat dibakar per siklus. Mesin ini dapat menggerakkan kompresor menggunakan tenaga poros engkolnya sendiri (pengaturan ini dikenal sebagai supercharger ), atau, menggunakan gas buangnya untuk menggerakkan turbin yang terhubung ke kompresor (pengaturan ini dikenal sebagai turbocharger).

 Pelumasan 
Kompresor yang digerakkan oleh motor listrik dapat dikontrol menggunakan VFD atau power inverter, namun banyak kompresor hermetis dan semi-hermetis hanya dapat bekerja dalam kisaran atau pada kecepatan tetap, karena mereka mungkin termasuk pompa oli internal. Pompa oli internal dihubungkan ke poros yang sama yang menggerakkan kompresor, dan memaksa oli ke dalam bantalan kompresor dan motor. Pada kecepatan rendah, jumlah oli yang tidak mencukupi mencapai bantalan, yang akhirnya menyebabkan kegagalan bantalan, sementara pada kecepatan tinggi, sejumlah besar oli dapat hilang dari bantalan dan kompresor dan berpotensi masuk ke saluran pembuangan karena percikan. Akhirnya oli habis dan bantalan dibiarkan tidak terlumasi, yang menyebabkan kegagalan, dan oli dapat mencemari refrigeran, udara atau gas kerja lainnya.

 Lihat pula 
 Generator gas
 Bilah turbin
 Desain perhitungan kipas aksial
 Komponen mesin jet
 Kombustor
 Bahan bakar penerbangan
 Bahan bakar jet
 Propelan roket
 Propelan roket cair
 Gaya (fisika)
 Daya
 Laju
 Tekanan
 Efisiensi energi
 Mesin jet
 Turbojet
 Turbofan
 Propfan
 Turboshaft
 Turboprop
 Turbin gas
 Mesin reaksi
 Baling-baling
 Baling-baling pesawat

 Referensi 

 Daftar pustaka 




Kategori:Pemanasan, sirkulasi, dan pendinginan udara
Kategori:Teknologi gas
Kategori:Gas industri
Kategori:Mekanisme (keteknikan)
Kategori:Peralatan industri