Sistem Udara Tekan ~ Pendahuluan

Air Compressor di Pembangkit Listrik

1. Pendahuluan

Sistem udara tekan adalah sistem udara bertekanan, dimana tekanan udara tersebut akan menghasilkan gaya yang dapat digunakan untuk menggerakkan mekanisma suatu peralatan, seperti katup (valve), torak (piston), motor udara (air motor) dan penggerak (actuator) lainnya. Gerak yang dihasilkan dapat diatur atau dikendalikan (controlled), dapat berupa:

• gerak membuka atau menutup penuh (diskrit atau digit) dengan jarak gerak tetap tertentu, baik berupa gerak individu, atau gerak yang saling berkaitan (interlock) ataupun gerak yang berurutan (sequence) 
• gerak yang pembukaannya (jarak gerak) variasi beraturan (analog atau kontinyu). 

Sistem udara tekan ini disebut sistem Pneumatics (pneumatic berasal dari bahasa Latin yang berarti udara). Pengaturan atau pengendalian yang menggunakan sistem udara tekan disebut Pneumatic Control (pengaturan numatik), adapun peralatannya disebut Pneumatic devices (peralatan numatik).

Besar gaya gerak F (force) yang dapat dihasilkan oleh udara tekan dapat dihitung dengan rumusan berikut:

F = P x A

dimana: 

- P adalah tekanan udara tekan

- A adalah luas permukaan bergerak yang tertekan

1.1. Sifat-sifat udara

Udara terbuka terdapat dan tersedia secara gratis dimana-mana, dan udara adalah media yang ramah lingkungan (tidak menimbulkan pencemaran), terdiri dari nitrogen dan oksigen sebagai unsur utama dan beberapa unsur lainnya sebagai cemaran (polluted and pollutant). Udara bersifat dapat dikompres (compressible).

Keuntungannya (advantages):

• terdapat dan tersedia secara gratis dimana-mana
• ramah lingkungan (tidak menimbulkan pencemaran)
• tahan terhadap suhu tinggi dan terhadap perubahan suhu
• tidak memerlukan aliran balik (no need any return line)

Kerugian (disadvantages):

• bersifat kompresibel, sehingga tidak kukuh dan tegap
• reaksi kontrolnya lambat
• tekanan tidak bisa tinggi 
• tidak bisa untuk kontrol jarak jauh (remote control)
• mengandung cemaran/kontaminan (contaminant) yang merusak alat dan menggangu proses kontrol

1.2. Cemaran/kontaminan pada udara

Jenis-jenis cemaran/kontaminan yang terdapat pada udara tekan:

• Kotoran abu dan debu

Pada umumnya udara luar mengandungi antara 140 hingga150 partikel kotoran abu dan debu dalam setiap meter kubiknya. Kira-kira 80% dari abu dan debu tersebut berukuran kurang dari 2 mikron dan terlalu kecil untuk bisa tertangkap pada saringan udara masuk kompresor, sehingga akan tetap ada pada sistem udara tekan.

• Uap air, embun dan kabut air (aerosol)

Udara luar (atmospheric air) berisikan uap air (yaitu air dalam bentuk gas). Kemampuan udara untuk mengandungi air adalah tergantung pada suhunya. Semakin tinggi suhunya, semakin tinggi jumlah uap air yang dapat dikandungi air tersebut.

Selama pengkompresian, suhu udara akan naik cukup besar, yang menyebabkan kelembabannya masih tetap bertahan. Setelah pengkompresian, biasanya udara tersebut didinginkan hingga suhu yang diinginkan. Hal ini menyebabkan udara tak lagi mampu mempertahankan kelembabannya, yang mengakibatkan sebagian dari uap air pada udara tersebut mengembun/terkondensasi (condensated) menjadi air, yand kemudian dibuang keluar melalui saluran kuras (drain) yang dipasang setelah pendingin udara (after-cooler).

Udara yang meninggalkan kompresor sekarang telah 100% jenuh (saturated) dengan uap air, dan setiap pendinginan selanjutnya akan menyebabkan lebih banyak lagi uap pada udara tersebut yang mengembun menjadi air.

Sebenarnya, pengembunan (condensation) masih akan berlanjut terjadi di keseluruhan sistem, karena udara akan terus terdinginkan baik di tangki udara, pipa-pipa, silinder dan peralatan lainnya. 

Air (condensated) dan kabut air menyebabkan karat (corrosion) pada sistem-sistem penampungan/tangki dan pencatuan udara, merusak peralatan yang menggunakan udara tekan, menurunkan efisiensi dan menaikkan biaaya pemeliharaan. Air maupun uap air harus dibuang, sehingga system udara tekan dapat berjalan dengan baik dan efisien. 

• Karat dan kerak pipa (rust and pipescale)

Karat dan kerak pipa dapat ditemukan di dalam tangki udara dan sistem pemipaan yang basah (sistem tanpa alat pemurnian yang cukup) atau sistem yang dioperasikan masih basah sebelum dipasang alat pemurnian (purification). Akhirnya, cemaran (contamination) ini akan menyebabkan kerusakan dan macetnya (blockage) proses kerja peralatan yang menggunakan udara tekan (peralatan numatik dan kontrol numatik).

• Mikro-organisma (Micro-organisms)

Bacteri dan virus-virus juga terbawa ke dalam udara tekan melalui masukan kompresor; kehangatan dan kebasahan udara merupakan suasana yang cocok untuk pertumbuhan mikro-organisma.

• Cairan dan kabut minyak pelumas (Liquid oil and oil aerosols)

Semua kompresor menggunakan minyak pelumas di tingkat kompresinya untuk perapatan (sealing), pelumasan dan pendinginan.

Selama beroperasi, sebagian minyak pelumas akan terbawa bersama udara tekan dapam bentuk butiran atau kabut. Minyak ini akan bercampur dengan uap air menjadi asam sangat kuat (very acidic), yang menyebabkan kerusakan pada tangki udara, pipa pencatu udara dan peralatan pengguna udara tekan.

• Uap minyak (Oil vapour)

Selain kotoran debu dan uap air, udara luar juga mengandungi minyak dalam bentuk hidro-karbon yang tidak terbakar. Hidro-karbon yang tidak terbakar ini terisap kedalam kompresor dalam bentuk uap dan terbawa kedalam sistem udara tekan, yang kemudian didinginkan dan mengembun menjadi cairan minyak yang menjadi cemaran yang menyebabkan kerusakan.

Konsentrasi kandungan uap minyak pada tiap meter kubik udara luar berkisar antara 0,05 hingga 0,5 mg.

Kenapa minyak (oil) dipandang sebagai pencemar utama? Minyak dirasakan sebagai penyebab banyak masalah, sebagaimana dapat dilihat keluar dari buangan kuras (drain) dan katup keluaran. Pada umumnya, teramati berupa kondensat berminyak (oily condensate) yaitu minyak bercampur air.

Sebenarnya seberapa banyak air didalam sistem udara tekan? Jika seseorang mengukur jumlah air didalam suatu sistem udara tekan yang kecil, volumenya cukup mengagetkan. Suatu sistem udara tekan yang kecil berpengering udara dengan kapasitas 2,8 m3 per menit beroperasi selama 4000 jam pada kondisi suaca cerah yang agak dingin, akan menghasilkan 10.000 liter cairan embun (condensate liquid) per tahun. 

Jika kompresor dilumasi dengan minyak dan 2 mg/m3 minyak terbawa ke udara tekan, kemudian walaupun air kondensat yang dihasilkan terlihat pada buangan kuras menyerupai minyak, sebenarnya jumlah minyaknya kurang dari 0,1% dari keseluruhan valuma cairan, dan keserupaan minyak ini yang telah membuat anggapan yang salah.

Contoh diatas menggunakan suatu sistem udara tekan yang kecil dan menunjukkan besarnya voluma air kondensat yang dihasilkan. Jika sistem udara tekan yang besar beroperasi pada kondisi udara luar yang lebih panas dan lembab, dan beroperasi dengan waktu yang lebih lama, tentulah air kondensat yang dihasilkan jauh lebih banyak lagi.

1.3. Pemanfaatan Udara Bertekanan 

1.3.1. Sistem Numatik dan Elektro Numatik  (Pneumatic and Electro-pneumatic system)

Perhatikan gambar-gambar berikut ini.

Gambar 1

Jika katup pengarah aliran (directional valve) 1.1 digerakkan ke kanan oleh Z ke posisi seperti pada Gambar 1 diatas, maka udara bertekanan dari pencatu udara (air supply or compressor) akan mengalir melalui saluran P ke B pada katup pengarah aliran 1.1 menuju saluran (port) 1 pada silinder 1.0. 

Udara terus mengalir memasuki silinder, dan dengan tekanan yang dimilikinya akan menekan/mendesak torak (piston) menuju ke arah keluar/membuka (extended). Adapun udara yang ada disisi belakang torak akan tergusur keluar silinder melalui saluran (port) 2 menuju saluran A ke R pada katup pengarah aliran 1.1 untuk kembali ke udara luar.

Torak mendapat gaya F sebesar luas permukaan torak dikalikan dengan tekanan udara yang memasuki silinder. Torak kemudian digunakan untuk mendorong/menggerakkan beban yang dikenakan padanya. Beban tersebut dapat berupa memindah dan atau memegang benda kerja (working piece), membuka atau menutup katup, pintu, sirip (damper), dll.

Torak akan berhenti bergerak bila torak tersebut ataupun beban telah mencapai langkah gerak maksimumnya, atau bila gaya lawan dari beban lebih besar dari gaya yang bekerja pada torak (misalnya karena tekanan kurang).

Gambar 2.

Torak akan tetap pada posisi membuka (extended), dan silinder (sisi port 1) akan tetap bertekanan, selama katup pengarah aliran 1.1 masih berada pada posisi ini; sampai ada yang mengubah posisi katup pengarah aliran 1.1 kearah berlawanannya.

Jika katup pengarah aliran (directional valve) 1.1 digerakkan ke kiri oleh Y ke posisi seperti pada Gambar 2 diatas, maka udara bertekanan dari pencatu udara (air supply or compressor) akan mengalir melalui saluran P ke A pada katup pengarah aliran 1.1 menuju saluran (port) 2 pada silinder 1.0. Udara terus mengalir memasuki silinder, dan dengan tekanan yang dimilikinya akan menekan/mendesak torak (piston) menuju ke arah kedalam/menutup (retracted). Adapun udara yang ada disisi didepan torak akan tergusur keluar silinder melalui saluran (port) 1 menuju saluran B ke R pada katup pengarah aliran 1.1 untuk kembali ke udara luar.

Torak mendapat gaya F sebesar luas permukaan piringan torak dikurangi luas penampang batang torak dikalikan dengan tekanan udara yang memasuki silinder. Torak kemudian digunakan untuk menarik/menggerakkan beban yang dikenakan padanya. 

Beban tersebut dapat berupa memindah dan atau memegang benda kerja (working piece), membuka atau menutup katup, pintu, dll.

Torak akan berhenti bergerak bila torak tersebut ataupun beban telah mencapai langkah gerak maksimumnya, atau bila gaya lawan dari beban lebih besar dari gaya yang bekerja pada torak (misalnya karena tekanan kurang).

Torak akan tetap pada posisi menutup (retracted), dan silinder (sisi port 2) akan tetap bertekanan, selama katup pengarah aliran 1.1 masih berada pada posisi ini; sampai ada yang mengubah posisi katup pengarah aliran 1.1 kearah berlawanannya.

Dari contoh diatas, udara tekan (udara bertekanan) dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan (tarik-tolak atau buka-tutup) suatu benda ataupun peralatan. Peralatan gerak yang memanfaatkan udara tekan ini disebut penggerak numatik (pneumatic actuator), terdiri dari:

— Torak aksi tunggal (single acting piston) – gambar 3

— Torak aksi ganda (double acting piston) – gambar 4

— Motor udara (pneumatic motor or air motor)

— Diafrahma (pneumatic diaphragm cyclider) – gambar 5

Gambar 3. Torak aksi tunggal (Kiri) Gambar 4. Torak aksi ganda (Kanan)

Gambar 5. Diafragma 

Dengan penataan dan perancangan tertentu, sistem udara tekan ini dapat digunakan untuk menggerakkan beberapa peralatan secara beraturan, baik berturutan maupun berkaitan; misalnya untuk:

• membuka atau menutup katup-katup pada sistem pengolahan air
• membuka atau menutup katup-katup pada sistem udara tekan
• memasukkan dan mengeluarkan peralatan pembakar (burner) pada sistem pembakaran pada sistem PLTU
• mengatur urutan gerak benda kerja pada proses produksi (lihat Gambar 6) 

Gambar 6. Proses pemindahan kotak ke dalam karton

Dalam hal contoh-contoh diatas, udara yang digunakan pada umumnya bertekanan antara 4 hingga 10 bar; dan sistem ini disebut sistem numatik (Pneumatic system). 

Pengendalian/pengaturan dilakukan melalui katup-katup pengarah aliran (directional valve) dan katup pilot (pilot valve). Katup-katup pengaturan ini dapat digerakkan secara mekanis dengan tombol-tombol tekan atau batas (limit switch), pedal/tuas atau pun dengan tekanan udara itu sendiri. Jika digerakkan secara listrik menggunakan kumparan magnit (magnetic solenoid), maka sistem numatik ini sebut sistem elektro numatik (Electro-pneumatic System).

Pada sistem elektro numatik, kumparan magnit (magnetic solenoid) yang paling banyak digunakan adalah kumparan dengan listrik arus searah (DC) bertegangan 24 volt, dapat juga digunakan kumparan bertegangan 12 V, 48 V, 120 hingga 220 V, baik listrik arus searah DC maupun listrik arus bolak-balik AC.

Gambar 7 menunjukkan diagram gerak langkah, aliran udara dan rangkaian listrik untuk proses pemindahan kotak ke dalam karton seperti pada gambar 6. 

Displacement Step Diagram

Gambar 7. Diagram elektro-numatik

Pengaturan ada sistem elektro numatik ini juga tergantung dari jenis katup pengarah aliran (directional valve) dan katup pilot (pilot valve) yang dipergunakan.

Gambar 8. Katup Pilot (Pilot Valve 3/2 way)

Gambar 9. Katup Pilot (Pilot Valve 5/2 way)

Gambar 10. Torak numatik aksi ganda (double acting pneumatic piston)

1.3.2. Sistem Kontrol Numatik (Pneumatic Control System)

Gambar 11. Prinsip kontrol numatik 

Lihat gambar 11; tekanan udara masuk Pin dijaga tetap konstan oleh pengatur tekanan (pressure regulator). Pada posisi B terjadi kebocoran udara yang mengakibatkan penurunan tekanan keluar pada posisi Pout. Jika kebocoran pada B lebih besar, tekanan keluar Pout turun menjadi jauh lebih rendah dari pada tekanan masuk Pin; jika kebocoran pada B sedikit, tekanan keluar Pout turun menjadi sedikit lebih rendah dari pada tekanan keluar Pin. Besarnya kebocoran pada B tergantung dari seberapa jauh jarum B masuk kedalam pipa. 

Seberapa jauh jarum B masuk kedalam pipa, tergantung dari seberapa jauh tuas A digerakkan ke kiri atau ke kanan. Posisi jarum B (dan posisi tuas A) diatur sedemikian rupa, sehingga posisi maksimum jarum B masuk ke dalam pipa akan tetap menyebabkan kebocoran yang menghasilkan tekanan maksimum keluar Pout sebesar 15 psi; maksudnya, jarum B diatur/dibatasi tidak dapat menyumbat sempurna, tetap akan ada kebocoran udara minimal pada posisi B yang menyababkan tekanan keluar Pout tidak dapat naik lebih dari 15 psi.

Demikian juga dengan posisi maksimum jarum B keluar dari pipa akan menyebabkan kebocoran yang menghasilkan tekanan keluar Pout turun hingga minimum sebesar 3 psi; maksudnya, jarum B diatur/dibatasi tidak dapat membuka sempurna, tetap akan ada kebocoran udara maksimal pada posisi B yang menyababkan tekanan keluar Pout tidak turun lebih dari 3 psi.

Dengan menjaga tekanan masuk Pin tetap konstan (pada umumnya adalah sebesar 20 psi), dan dengan mengatur/mengendalikan posisi tuas A, akan diperoleh udara bertekanan Pout yang terkendali/terkontrol yang bervariasi antara 3 hingga 15 psi. Tekanan Pout ini selanjutnya digunakan pada penggerak (actuator) untuk melakukan gerak yang sebanding dengan tekanannya; misalnya digunakan untuk mengendalikan pembukaan katup kontrol air pengisi (feed water control valve) yang bertujuan untuk mengendalikan aliran air penambah. Lihat gambar 12 berikut.

Gambar 12. Penggerak numatik katup kontrol

Udara bertekanan Pout ini disebut udara kontrol numatik, dan sistem ini disebut sistem pengaturan numatik (Pneumatic Control system).

Dalam hal contoh-contoh diatas, udara catu yang digunakan pada umumnya bertekanan 1,4 bar (20 ÷ 25 psi). Pengendalian/pengaturan dilakukan dengan mengendalikan atau mengatur gerak atau posisi suatu alat yang membocorkan udara terus menerus. Pergerakan atau posisi jarum B atau tuas A (tekanan udara kontrol numatik) dapat diatur melalui:

• keseimbangan dua buah bellow – gambar 13
• kekuatan gaya kumparan magnit (solenoid) melawan pegas (spring)
• keseimbangan dua buah kumparan magnit (solenoid) - servo
• diafrahma (membran) melawan pegas
• bellow atau pun tabung (tube) Bourdon melawan pegas
• posisi ulir sekrup/baut melawan pegas

Gambar 13. Keseimbangan dua buah bellow 

Gambar 14. Pemanfaatan udara kontrol untuk mengendalikan pembukaan katup kontrol

Jika menggunakan kekuatan gaya kumparan magnit (magnetic solenoid), maka tenaga listrik yang digunakan adalah listrik arus searah dengan kuat arus antara 4 mili-amper hingga 20 mili-amper ( 4 ÷ 20 mA atau 0 ÷ 20 mA) yang setara dengan tekanan udara antara 3 ÷ 15 psi (atau sebaliknya antara 15 ÷ 3 psi), atau dengan kuat tegangan antara (–10 ÷ 10 volt DC) yang juga setara dengan tekanan udara antara 3 ÷ 15 psi (atau sebaliknya antara 15 ÷ 3 psi).

Udara bertekanan untuk keperluan sistem numatik (pneumatics system) dan sistem kontrol numatik (pneumatics control system) harus tersedia cukup dan berkualitas sangat baik, yaitu terus menerus dan bertekanan tetap, dan juga harus sangat kering dan sangat bersih (dibersihkan dari semua unsur-unsur kontaminasinya). Udara untuk keperluan kedua sistem ini disebut sistem udara instrumen (instrument air system). 

Disamping untuk menyediakan udara instrumen sebagai fungsi utamanya, sistem udara tekan juga berfungsi untuk menyediakan udara untuk keperluan umum (yang selain untuk sistem numatik dan sistem kontrol numatik) yang disebut dengan sistem udara serpis (Service air system), misalnya untuk keperluan membersihkan dan mengeringkan saringan-saringan, dimana kualitas udara serpis ini tidak diperlukan harus sangat baik. 

Gabungan kedua sistem udara instrumen (instrument air system) dan sistem udara serpis (service air system) ini desebut sistem udara tekan (compressed air system).

Kembali ke: Indeks Sistem Udara Tekan