Kompressor Bolak-Balik (Reciprocating Compressor)

Kompresor bolak-balik bekerja seperti pompa sepeda. Suatu torak (piston) digerakkan oleh potor listrik, melalui poros engkol dan batang penghubung (connecting rod), mengecilkan voluma udara di dalam tabung (cylinder), mendorong/menekan (mengkompres) udara ke tekanan yang lebih tinggi.

Kompresor aksi tunggal mempunyai langkah tekan hanya pada satu arah, sedangkan kompresor aksi ganda melakukan langkah tekan setiap torak piston bergerak maju maupun mundur. Kompresor bolak-balik biasanya berjenis kompresor bertingkat banyak yang terdiri dari beberapa tingkat (multi-stage compressors). Kompresor bertingkat banyak menekan (mengkompres) udara di tingkat awal, kemudian udara itu didinginkan, selanjutnya dikompres lagi di tingkat yang kedua, dan mungkin lagi di tingkat ketiga dan/atau keempat tergantung pada tekanan akhir yang diperlukan.

Kompresor aksi ganda bertingkat banyak (multi-stage double-acting compressors) adalah kompresor kapasitas besar yang paling efisien; tetapi lebih bising dan lebih mahal.

Udara keluaran kompresor bolak-balik dikontrol dengan katup curah (unloader), dimana piston bekerja terhadap tahanan udara bertekanan sangat rendah, sehingga sangat kecil enerji yang terbuang. Itulah sebabnya kompresor bolak-balik jenis ini cukup efisien pada operasi beban tidak tetap (load – unload). Kompresor yang paling banyak digunakan pada sistem udara tekan pada pembangkit tenaga listrik adalah jenis Kompresor bolak-balik (Reciprocating compressor).

Ada dua jenis kompresor, yaitu: 

• tabung (cylinder) tanpa pelumas
• tabung (cylinder) berpelumas

Gambar 1. Kompresor bolak-balik (Reciprocating) tanpa pelumas (oil free) dan bagian-bagiannya

Gambar 2. Kompresor bolak-balik (Reciprocating) dengan pelumas dan bagian-bagiannya

Selain jenis torak (piston) biasa,ada juga yang menggunakan plunyer rata (plain plunger), lihat gambar 3. Kompresor jenis ini mengisap dan menekan udara pada saat torak bergerak maju atau pun mundur.

Gambar 3. Torak jenis plunyer rata (plain plunger)

Prinsip operasi Kompresor bolak-balik

Torak (piston) dihubungkan ke poros engkol (crankshaft) dengan sebuah tangkai (rod). Ketika poros engkol (crankshaft) berputar yang menyebabkan torak bergerak bolak balik didalam tabung (cylinder). Katup masuk (suction valve) dan katup keluar (discharge valve) digunakan untuk menangkap udara di dalam tabung (cylinder) selama proses berlangsung.

Langkah isap (intake stroke)

Ketika torak bergerak menjauh dari katup keluar, akan terjadi efek hampa (vacuum) didalam tabung. Apabila tekanan di dalam tabung lebih rendah dari pada tekanan sisi masuk akan menyebabkan katup masuk terbuka dan udara terisap masuk ke dalam tabung.

Langkah tekan dan buang (compression stroke & discharge)

Ketika torak berbalik arah dan bergerak kearah katup keluar, torak akan menekan udara, tekanan akan naik dan katup masuk menutup, dan udara terperangkap dan tertekan dalam tabung. Torak terus bergerak kearah katup keluar dan terus menekan (mengkompres) udara di dalam tabung, hingga memaksa katup keluar membuka menyebabkan udara tertekan keluar meninggalkan tabung menuju pipa keluaran (discharge piping). Katup masuk (gambar 4) dan katup buang (gambar 6) digerakkan oleh pegas dan mekerja secara otomatis akibat perbedaan tekanan antara tabung kompresor dan pipa keluar akibat pergerakan torak.

Gambar 4  Katup masuk jenis poppet (poppet valve)

Gambar 5 Katup masuk atau keluar jenis pelat

Gambar 6. Katup keluar jenis cincin tekanan tinggi

Komponen-komponen utama

• Rumah engkol (Crankcase)

Rumah engkol (lihat gambar 7) terbuat dari besi tuang atau kerangka baja yang difabrikasi berbentuk U, bagian atas dibuka untuk memasangkan poros engkol. Untuk mencegah bagian dari membuka dan menutup akibat gaya dudukan engkol (throws), maka diikat dengan baut puntir dan pengatur jarak (spacers), ditempatkan langsung diatas bantalan utama (main bearings). 

Bantalan utama pada setiap engkol, dilengkapi tutup yang dapat dibuka untuk memudahkan pemasangan dan rumah babbit bantalan (babbitted bearingliner shell) yang mudah dilepas. 

Pengatur jarak berkunci (keyed spacer) lebih disukai karena mudah dilepas untuk mengapai penutup bantalan.

Gambar 7. Rumah engkol dan poros engkol

• Poros engkol (Crankshaft)

Poros engkol merupakan jantung dari kompresor dan merupakan bagian yang paling mahal. Setiap tingkat torak ditempa dan pengimbang berat dibautkan untuk menyeimbangkan berat bolak-balik dari kepala silang (crosshead) dan torak (piston). 

Jika rumah engkol bergerak pada pondasi, akan menyebabkan dudukan engkol membuka dan menutup pada setiap putaran yang menyebabkan lelah (fatigue) dan patah (breakage). Untuk itu, ukuran pada ujung buka dudukan engkol harus diambil secara periodic sambil memutar poros engkol 360 derajat. Prosedur ini disebut mengambil lenturan poros engkol (taking crankshaft deflection) dan direkomendasikan dicek setip tahun (annual check). 

• Batang penyambung (Connecting rod)

Batang penyambung dilengkapi dengan tutup pengencang berbaut puntir ke badan pada ujung poros. Lihat gambar 8.

Belahannya berlapis pelat tipis (shimmed) yang dapat diganti jika rusak. Lengan penjepit (wrist pin) bebas mengambang dan dijaga dengan tutup didalam kepala silang (crosshead), yang membuat batang penyambung menemukan titik tengahnya.

Gambar 8. Penampang bagian menunjukkan penyangga tabung silinder (1), kepala silinder ujung engkol dan kuras (2), torak dan batang torak, kepala silang luncur dan batang penyambung (connecting rod) 

• Kepala silang (Crosshead)

Kepala silang Lihat (gambar 9) bergerak diantara dua pemandu (guide) dengan celah (clearance) satu mils (0.001 inci) per inci diameter. Biasanya diberati sehingga kelembaman masa (mass inertia) seluruh bagian yang bergerak bolak-balik menjadi cukup untuk membalikkan tegangan (stress) pada lengan penjepit, walaupun ketika salah satu sisi torak bertekanan. Jika hal ini tidak terpenuhi. Lengan penjepit akan menyapu seluruh minyak dari sisi yang bertekanan dan akan terpaku atau menjadi macet (menempel).

Gambar 9. Batang pemisah kompresor kepala silang luncur (kiri) dan batang torak (kanan)

• Pelumasan (Lubrication)

Pelumasan keseluruhan bagian dilakukan oleh sebuah pompa pelumas yang digerakkan oleh ujung poros atau oleh pompa yang dipasang terpisah. Pompa mengisap minyak dari penampung minyak rumah poros dan mepompakannya melalui pendingin dan saringan (biasanya 25 mikron), kemudian pemipaan ke bantalan utama. Poros engkol berlubang mulai dari permukaan bantalan utama hingga permukaan bantalan batang penyambung. Dari sini, minyak mengalir melalui didalam batang torak ke lengan penjepit, dan dari sana melalui lubang ke permukaan luncur kepala silang. Cincin penyapu minyak pada ujung kerangka akan mencegah kebocoran minyak keluar sepanjang batang torak. Karena laluan minyak yang berliku-liku ini, diperlukan pelumasan awal sebelum menjalankan (start-up) kompresor. Hal ini dilakukan dengan suatu pompa pelumas bantu (auxiliary lube pump).

• Bahan tabung (Cylinder Materials)

Hingga tekanan 1000 psi, tabung biasanya dibuat dari besi tuang. Diatas tekanan kerja ini, biasanya digunakan baja tuang atau baja tempa. Besi tuang nodular lebih baik dari besi tuang. Tabung silinder harus mempunyai permukaan luncur (liner) yang dapat diganti-ganti. Biasanya dibuat dari besi tuang karena kemampuan lumas dan geseknya. Permukaan luncur (liner) harus dihaluskan hingga 10 – 20 mils.

• Perekat tabung (Cylinder Sizing)

Selimut (jacket) pendingin, bahan pelumas dan paking dan bahan ring membatasi suhu tabung. Suhu keluar udara tekan maksimum sebaiknya adalah 275 F (135 C), batas absolut suhu operasi adalah 375 F (190 C). Menggunakan persamaan umum termodinamik dengan batas diatas, rasio rancang (design ratio) per tabung bisa disetel (set). Tekanan rancang dan tegangan beban pada batang torak tidak boleh dilampaui, oleh sebab itu beban batang harus diperiksa pada setiap tabung silinder.

Beban batang (rod) detentukan sebagai berikut: 

R.L. = P2 × AHE – P1 × ACE

dimana: 

R.L. = rod load in compression in pounds

AHE = cylinder area at head end in any one cylinder

ACE = cylinder area at crank end, usually ACE = AHE – area of rod

P2 = discharge pressure, psia

P1 = suction pressure, psia

Batas beban batang telah ditentukan oleh pabrik. Pabrikan lain ingin beban tekan pada batang lebih rendah dari pada kompresi. Dalam hal ini, batas diatas dicek dengan membnalikkan AHE and ACE. Bagaimanapun, spesifikasi tambahan untuk mengutamakan keandalan perusahaan pemakai selalu memaksakan batas pada tegangan maksimum yang diijinkan bekerja pada area dasar ulir netto batang piston. Batas ini sangat didasarkan pada pengalaman dilapangan dan berhubungan dengan batasan tambahan batang lebih dari pada pengabaian tegangan batang itu sendiri.

Kompresor dibawah 500 psi (35 bar), seperti kompresor udara, biasanya diukur dengan pertimbangan suhu. Beban batang rod biasanya menjadi faktor pembatas pada penggunaan diatas tekanan diatas.

• Pendinginan tabung (Cylinder Cooling)

Pada proses pengkompresian, tekanan lebih tinggi adalah normal. Oleh karena itu, rasio tekanan adalah rendah. Rasio tekanan kompresi rendah menyebabkan kenaikan suhu juga rendah. Pendinginan tabung termosipon (thermosiphon) dipilih dengan batas suhu keluar kira-kira 200 F (95 C). Pendinginan termosipon merupakan pengisian selimut jaket dengan air atau fluida pendingin yang cocok dan cukup, dan membiarkan panas mengalir dari dinding luar tabung. Tujuan pengisian selimut jaket adalah untuk memperoleh distribusi panas yang merata dikeseluruhan tabung silinder.

Suhu diatas 200 F (95 C), cairan pendingin harus disirkulasikan. Penggunaan air tawar dihindari karena menyebabkan kerak (deposit) pada selimut jaket yang sulit dibersihkan. Untuk itu digunakan siklus pendingin tertutup yagn terdiri dari tangki cairan pendingin (reservoir), pompa sirkulasi dan penukar panas (heat exchanger). 

Istilah lama ”lebih dingin lebih baik” tidak selalu benar. Suhu tabung silinder dibawah titik embun (dew point) gas yang dikompres harus dihindari pengembunan penyebab gumpalan cairan dan korosi pada tabung. Oleh karena itu, sebagian cairan pendingin harus diby-passkan dari penukar panas dengan mengkontrol suhunya. 

Dianjurkan dipasang termostat dan pemanas pada tangki, dan pendingin tetap dialirkan/disirkulasikan walaupun kompresor stop atau stand-by untuk menjaga suhu tabung tetap diatas suhu embun.

Cairan pendingin biasanya 50% ethylene glycol dan air untuk mencegah pembekuan. Panas jenis cairan ini lebih rendah dari air. Oleh karena itu ukuran penukar panas harus diperhitungkan, walaupun akan menggunakan pendingin air.

Katup-katup kompresor merupakan bagian paling kritis, yang memerlukan pemeliharaan lebih dari bagian lainnya. Katup sangat sensitif terhadap cairan dan benda keras yang terkandung pada udara yang mengalirinya yang dapat menyebabkan pelat dan pegasnya patah. 

Ketika terangkat, katup bisa membentur oelinfungnya dan terpantul ke dudukannya berulang-ulang dalam satu langkah isap ataupun tekan. Hal ini disebut denyutan katup (valve flutter) penyebab pelat katup patah. Gas ringan seperti hidrogen sangat sering menyebabkan kejadian ini. Hal ini dapat dikurangi dengan membatasi pengangkatan pelat katup dan kecepatannya dengan rumus API:

V = D × 144/A

Dimana ::

V = kecepatan rata-rata .................. feet/minute

D = perpindahan silinder ………………. cubic feet/minute

A = total luas katup masuk per silinder, tinggi angkat X luas keliling katup X jumlah katup per silinder …………. in2

Pembuat kompresor kadang tidak setuju dengan ketentuan diatas, karena menyebabkan kecepatan katup pada tabing aksi ganda (double-acting cylinder) menjadi setengah harga tabing aksi tunggal (single-acting cylinder). Untuk itu, data pabrik tabing aksi ganda (double-acting cylinder) selalu mencantumkan kecepatan katup dua kali kecepatan API, dan hati-hati menemukan kecepatan katup mana yang diberikan. Untuk gas lebih berat (berat molekul = 20), dipilih kecepatan API = 3580 fpm, dan untuk gas ringan = 7000 fpm.

Pabrikan selalu menggunakan katup masuk dan buang yang dapat saling ditukar. Hal ini bisa menyebabkan katup pada tempat yang salah, sehingga mengakibatkan seluruh katup atau batang rod atau tabung rusak. Untuk mencegah ini, katup harus diberi tanda dan tempat yang sebenarnya. 

• Torak (Piston)

Torak (piston) biasa dibuat dari besi tuang dan kadang berlubang untuk mengurangi berat. Lubang ini terisi gas (jika digunakan untuk gas mudah terbakar) dan berbahaya kebakaran ketika dibuka untuk pemeliharaan, sehingga tabung dan torak harus dibilas sebelum dibongkar.

Torak besar dibuat dari aluminium untuk mengurangi berat, dengan celah dimeter (clearance) hingga 20 mils per inci untuk pemuaian (expansi). Cincin gesek ( rider ring) selalu digunakan pada torak besi tuang, dan harus pada torak aluminium. Seluruh piston harus diputar 90O setiap tahun untuk mencegah gesekan tidak merata. Muatan beban torak dan cincin gesek didasarkan pada satuan tegangan yang dihitung dari setengah berat batang dan torak (dalam puond, dibagi dengan diameter torak, dikali panjang torak (dalam in2). Batas normal nya 5 psi untuk teflon, 12 psi untuk besi tuang, 14 psi untuk perunggu dan 22 psi untuk metal Allen. Cincin tekan Teflon cocok untuk tekanan hingg 500 psi. Beban lebih besar lagi, bahan bantalan babbit digunakan untuk cincin gesek dan perunggu untuk cincin tekan. Cincin tekan teflon selalu dilengkapi cincin pengembang dibawahnya. Hal ini harus dihindari, karena jika teflonnya habis, cincin pengembang (expander ring) akan merusak tabung. Rancangan torak dan cincin yang ada akan melindungi cincin tekan terhadap tabung tanpa cincin pengembang.

• Batang Torak (Piston Rod)

Batang torak terpasang didalam kepala silang (crosshead) dan harus dikunci, dengan mur kunci (locknut) atau penjepit (pin) agar tidak lepas. Batang torak disetel didalam kepala silang untuk menyamai celah ujung piston didalam tabung, dengan cara memutar poros kompresor menekan timah lunak, kemudian diukur tebalnya, hal ini disebut celah tubruk (bump clearance).

Batang ini harus keras karena akan melalui padatan (paking). Beberapa batang dilapisi krom (chrome plated); tapi ini membuat masalah juga terutama pada kompresor tekanan tinggi yang banyak mengeluarkan panas. Hal ini mudah menyebabkan retak-retak seperti jaringan laba-laba pada lapisan krom, dan selanjutnya mengelupas dan merusak padatan packing.

Yang lebih baik adalah menggunakan batang yang dikeraskan dengan nyala api (flame-hardened rod). Karena gesekan terjadi, batang yang dilapisi karbid tungsten (tungsten carbide) akan lebih tahan lama. Kompresor tekanan tinggi biasanya menggunakan batang menjulur lebih panjang melalui piston dan keluar kepala tabung untuk mengimbangi beban tekanan auat beban batang (rod load) pada piston. Batang berlebih (menjulur) ini disebut batang ekor (tail rod). Ekor batang dikenal untuk menembus dan dan keluar dari tabung serperti sebuah peluru (missile). Untuk keandalan pemakaian, semua batang ekor harus dimasukkan dalam rumah lotak penangkap yang cukup kuat untuk menahan batang ekor jika terjadi kerusakan.

• Pemadat (Packing)

Pemadat (packing) kompresor terdiri dari dua cincin yang berpasangan sipasang didalam mangkok/tabung yang terbuat dari baja atau besi tuang, ujung terbukanya membelakangi sisi bertekanan. Mangkok/tabung dan tutupnya diikat dengan baut, pada tutupnya terdapat beberapa lubang yang diborkan untuk saluran udara (vent), minyak dan kuras (drain). Keseluruhan mangkok/tabung dan padatan packing ini harus terpasang lurus segaris (aligned) setiap kali dibangkar pasang.

Gambar 10. Penampang pemadat (packing area)

Jika teflon digunakan sebagai bahan pemadat untuk tekanan yang lebih dari 500 psi (35 bar), biasanya ditambahi cincin bantu (back-up) dari logam (metallic) untuk mencegah teflon terdesak keluar dari mangkok/tabung pemadat 

Pabrikan kompresor menyediakan tabung pemisah (distance piece) antara tabung silinder dan rumah engkol (lihat gambar 22) uuntuk laluan memasang pemadat (packing). Tabung pemisah (distance piece) diperlukan agar tersedia ruang yang cukup untuk membongkar-pasang mangkok/tabung dan mengganti cincin-cincin pemadat.

• Paking (Gaskets)

Tutup tabung, tutup katup, dan katup dipasangkan ke tabung dengan paking (gasket). Gasket metalik lebih banyak digunakan. Pabrikan-pabrikan selalu menawarkan gasket non-metalik, yang kadang bikin masalah bocor, terutama untuk kompresi gas ringan. Biasanya, dudukan gasket harus bersih (lapped) untuk memperoleh perapatan (seal) yang baik. Besi lunak atau cincin V-ring metalik memberi hasil yang terbaik. Cincin O-ring terbatas empat cara pada tutup katup juga memberi hasil yang baik, tapi sebaiknya jangan digunakan karena gampang rusak terutama bila tutup diturunkan.


Kembali ke: Kompresor (Compressor)