BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Praktikum Prestasi Mesin merupakan kegiatan yang dilaksanakan untuk melengkapi perkuliahan mata kuliah Konversi dan Konservasi Energi. Pada praktikum ini, terdapat beberapa alat yang baik secara langsung maupun tidak langsung berkaitan dengan proses konversi dan konservasi energi, seperti: 1. motor diesel, 2. motor otto, 3. turbin pelton, 4. kompresor, 5. pompa aksial, 6. pompa sentrifugal, 7. refrigeration training unit, dan 8. heat pump. Percobaan dilakukan dengan pengamatan dan pengambilan data secara langsung terhadap mesin-mesin tersebut, sehingga kita dapat mengetahui secara umum karakteristik dari mesin-mesin tersebut. 1.2 Tujuan
50
Embed
Mohammad Luthfi Setyana - 1106139506 - Laporan Praktikum Komresor
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Praktikum Prestasi Mesin merupakan kegiatan yang dilaksanakan untuk
melengkapi perkuliahan mata kuliah Konversi dan Konservasi Energi. Pada
praktikum ini, terdapat beberapa alat yang baik secara langsung maupun tidak
langsung berkaitan dengan proses konversi dan konservasi energi, seperti:
1. motor diesel,
2. motor otto,
3. turbin pelton,
4. kompresor,
5. pompa aksial,
6. pompa sentrifugal,
7. refrigeration training unit, dan
8. heat pump.
Percobaan dilakukan dengan pengamatan dan pengambilan data secara
langsung terhadap mesin-mesin tersebut, sehingga kita dapat mengetahui secara
umum karakteristik dari mesin-mesin tersebut.
1.2 Tujuan
Pengujian terhadap sebuah Reciprocating Air Compressor (RAC) bertujuan
untuk menyelidiki sifat-sifat dari kompresor udara bertingkat ganda atau lebih.
Sifat-sifat yang diselidiki antara lain adalah: massa udara, rasio kompresi,
temperatur, harga nilai index politropis, kerja politropis, efisiensi volumetris,
kerja isotermal, kerja mekanis, efisiensi, dan analisa psikometris.
2
BAB II
DASAR TEORI
Kompresor udara bertingkat ganda terdiri dari GT102 (tingkat pertama) dan
GT102/2 (tingkat kedua) yang masing-masingnya terpasang pada sebuah lori yang
terpisah.
Tingkat pertama dapat digunakan secara terpisah atau tersendiri tanpa tingkat
kedua, sedangkan bila diinginkan sebuah kompresor bertingkat ganda, maka dengan
pipa udara (hose) tingkat pertama dapat dihubungkan pada tingkat kedua secara tepat
sehingga akan terbentuk sebuah kompresor bertingkat ganda lengkap dengan sistem
intercooling.
Tingkat Pertama (GT102)
Tingkat pertama ini memiliki dua silinder dengan sistem pendinginan udara.
Digerakkan oleh DC Dynamometer Motor yang kecepatannya dapat diatur untuk
meneruskan putaran motor kepada kompresor V-belt dengan perbandingan kecepatan
3,57:1.
Kecepatan kompresor dapat diukur dengan tachometer listrik dan dapat juga
dibaca langsung pada panel instrumen. Suatu pegas pengimbang dipasang untuk
mengukur besar momen torsi motor, sedang daya listrik dapat diukur dengan
instrumen yang terpasang pada kontrol kabinet. Sebuah orifice dipasang untuk
mengukur jumlah aliran massa dari kompresor.
Temperatur dapat diukur pada setiap titik yang dikehendaki dalam siklus
dengan menggunakan multipoint temperature dan thermocouple. Temperatur wet
bulb dan dry bulb digunakan untuk mengukur kelembaban udara sebelum dan
sesudah kompresi.
Tingkat Kedua (GT102/2)
Tingkat kedua ini juga digerakkan oleh sebuah DC Dynamometer Motor yang
kecepatannya dapat diatur seperti pada tingkat pertama. Putaran motor diteruskan
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
3
kepada kompresor dengan menggunakan V-belt dengan perbandingan kecepatan
3,57:1.
Tingkat kedua ini memiliki 2 silinder yang mempunyai ukuran yang lebih
kecil dibandingkan dengan silinder tingkat pertama. Di sini tidak dibutuhkan
receiver. Pemakaian daya tekanan dan temperatur pada setiap titik dalam siklus
diukur dengan peralatan yang sama dengan peralatan pada tingkat pertama.
Pada tingat kedua ini dipasang sebuah intercooler dengan pendingin air.
Udara bertekanan dari tingkat pertama dilewatkan melalui intercooler sebelum
memasuki tingkat kedua atau dapat langsung memakai tingkat kedua tanpa harus
melewati intercooler. Sebuah instrumen dipasang untuk mengukur flowrate dari air
pendingin serta temperatur masuk dan keluar udara dan air.
Sebagai alat tambahan pada tiap tingkat dipasang penunjuk tekanan Maihak
Indicator yang berguna untuk pembuatan diagram P-V. Alat ini dipasang di kepala
silinder dari setiap kompresor dan digerakkan oleh suatu mekanisme yang
dihubungkan pada bagian crankcase.
Setiap motor dilengkapi dengan panel kontrol yang berisi variable
transformer dan rectifier serta dilengkapi pula dengan alat pengatur putaran. Kontrol
unit kabinet hanya dapat dihubungkan dengan arus listrik satu fase pada tegangan
220-240 Volt frekuensi 50-60 Hertz. Pemakaian daya maksimum pada setiap tingkat
tidak akan melebihi 2,2 kW.
Data Teori
Instrumen yang digunakan sebagai berikut:
Tingkat Pertama (GT.102)
Motor
a. Spring balance untuk menghitung momen
b. Voltmeter
c. Amperemeter
Tekanan udara
a. Bourdon gauge untuk menghitung delivery pressure
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
4
b. Manometer untuk menghitung inlet pressure
Massa udara yang mengalir
a. Sharp edged orifice
b. Dua manometer untuk orifice differential dan down steam pressure
Temperatur
Thermocouple dengan multipoint indicator yang berfungsi sebagai penghitung:
a. Temperatur dari udara yang akan masuk ke dalam kompresor
b. Temperatur dari udara yang keluar
c. Temperatur udara yang masuk ke dalam orifice
Kelembaban (Humidity)
a. Termometer wet bulb dan dry bulb untuk inlet dan delivery
Tingkat Kedua (GT.102/2)
Motor
a. Spring balance untuk menghitung momen
b. Voltmeter
c. Amperemeter
Kompresor
Electrical Tachometer
Tekanan udara
Bourdon gauge untuk menghitung delivery pressure
Intercooler
Rotameter untuk water flow
Temperatur
Termometer dengan multipoint indicator yang berfungsi sebagai
penghitung:
a. Temperatur dari udara yang masuk intercooler
b. Temperatur dari udara yang keluar intercooler
c. Temperatur udara yang masuk ke kompresor
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
5
d. Temperatur udara yang keluar dari kompresor
e. Temperatur air yang masuk ke intercooler
f. Temperatur air yang keluar dari intercooler
Data Teknik
Tingkat Pertama (GT102)
Number of cylinder : 2
Bore : 66,7 mm
Stroke : 63,5 mm
Swept volume : 374 l/min. pada putaran 850 rpm
Compressor speed range : 425 – 850 rpm
Max. delivery pressure : 10,3 bar
Drive belt ratio : 3,57:1
Motor power : 2,2 kW
Free air delivery : 262 l/min.
Air receiver volume : 107 liter
Tingkat Kedua (GT102/2)
Number of cylinder : 2
Bore : 50,8 mm
Stroke : 50,8 mm
Swept volume : 156 l/min. pada putaran 850 rpm
Compressor speed range : 425 – 850 rpm
Max. delivery pressure : 10,3 bar
Drive belt ratio : 3,57:1
Motor power : 2,2 kW
Motor speed range : 0 – 3000 rpm
Free air delivery : 106 l/min.
Intercooler water flow : 200 l/jam
Gabungan Tingkat Pertama dan Kedua (Tingkat Ganda)
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
6
Dimension: Length : 1450 mm
Width : 610
Height : 1780 mm
Electrical supply: 220-240 Volt, 50-60 Hz
Single phase 2,2 kW for cash stage
Weight: GT102/2: 182 kg
Dalam operasinya reciprocating air compressor (RAC) ataupun sebuah
kompresor mengisap sejumlah udara dengan volume tertentu masuk ke dalam
silinder. Udara yang diisap ini di dalam silinder ditekan secara politropis sehingga
mengakibatkan suatu kenaikan tekanan dan temperatur. Dara tekanan ini mengalir
melalui "Spring loaded out disc valve" ke "discharge system”:
Udara akan keluar secara kontinu sampai piston mencapai titik mati bawah
(TMB), sejumlah udara berikutnya akan terhisap melalui spring loaded disc valve dan
proses akan berulang kembali. Dari diagram P-V yang ideal untuk kompressor satu
tingkat dibawah ini dapat dilihat siklus yang dijalani oleh udara tersebut.
Teori Umum Dari Kompresi
Gambar 1
Keterangan gambar : a b = langkah kompresi
b c = langah buang
Vc = Volume sisa
Vs = Va – Vc = volume lengkap
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
7
V = Va – Vd = volume isi
Dari suatu siklus kompressor, proses penekanan dan pengembangan tidak
mengikuti proses adiabatis ataupun isothermal, ini berarti index politropis untuk
proses penekanan dan pengembangan (n) terletak diantara 1.0 dan 1.4 dimana PVn =
konstan. Kerja politropis Vpj = yang ditunjukan oleh luas diagram P-V adalah:
persamaan tersebut dapat juga ditulis:
(1)
Diagram dibawah ini memperlihatkan sebuah bentuk dari diagram P-V yang
sebenarnya yang berbeda dengan diagram P-V yang ideal, yang mana seperti terlihat
pada gambar terlihat titik-titik ujung mempunyai bentuk yang membulat.
Gambar 2
Kerja yang ditunjukkan:
dimana: Ap = luas penampang piston
Ls = langkah
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
8
N = putaran
Ataupun ditulis
W1 = Pm Ap Ls N (2)
Diagram ini memperlihatkan sebuah diagram P-V yang ideal dari sebuah
kompressor bertingkat ganda. Disini penekanan berlangsung dalam dua tingkat, yang
mana akan ada suatu tekanan perantara (P1) yang terletak diantara P1 dan P2. Dalam
hal ini dianggap tidak tekanan yang hilang diantara tingkat tersebut.
Gambar 3
Dengan menggunakan persamaan (1) untuk siklus penekanan didapatkan
(3)
Suatu yang tidak boleh dilupakan dalam pembahasan kompressor adalah
mengenai efesiensi, yang mana efesiensi volumetris praktis sebuah kompressor.
Efisiensi volumetris adalah perbandingan antara besarnya massa udara yang
dikeluarkan sebenarnya dengan harga maksimum secara teoritis.
Efisiensi volumetris dapat didefinisikan sebagai berikut:
(4)
Karena Vs = Va, maka persamaan (4) dapat juga ditulis sebagai berikut:
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
9
Karena :
Karena : (5)
Dari persamaan (5) diatas dilihat bahwa apabila tekanan "naik" akan
menyebabkan efisiensi volumetris “turun”. Oleh karena itu ntuk mendapatkan nilai
perbandingan efesiensi volumetris yang tinggi pada umumnya digunakan kompressor
tingkat ganda atau lebih. Hal ini akan lebih menyempurnakan jumlah udara yang
diberikan pada suatu nilai perbandingan dan dapat mengurangi jumlah daya yang
dibutuhkan untuk mencapai nilai perbandingan tertentu.
Aspek-Aspek Teoritis Tambahan
Berikut ini diberikan suatu ringkasan yang ada hubungannya dengan teori
Psikrometris dan juga suatu analisa thermodinamis dari sebuah intercooler.
1. Spesifikasi Humidity (Moisure Content)
Udara dalam keadaan tekanan normal terdiri dari sejumlah uap air.
Kandungan uap air tersebut banyaknya tergantung pada keadaan atmosfir. Dan dalam
suatu proses penekanan serta kemudian dianjurkan daengan perbandingan pada
keadan normal, maka perbandingan campuran itu dapat berubah. Spesifik Humidity
adalah:
Dimana : Va dan Vv adalah mempunyai spesifik volume.
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
10
Bila dianggap uap air mempunyai sifat sebagai gas sempurna, kemudian
dengan hukum Dalton dari "Partai Pressure" diketahui:
Pv = mv . Rv . Tv dan Pa . V = ma . Ra . Ta
Untuk Ta = Tv, maka:
(6)
dimana: Ra = gas konstan untuk udara kering = 0,2871 KJ/kg.K
Rv = gas konstan untuk uap air = 0,14615 KJ/kg.K
Bila uap air dalam keadaan jenuh, Pv hanya merupakan fungsi naik, maka
persentase kandungan uap air menjadi kurang, pengurangan didapat dari
pengembunan.
2. Relative Humidity (Q)
(7)
Dengan menggunakan sistim thermometer tabung kering dan tabung basah
pengurangan relative dari temperatur tabung basah terhadap tabung kering bisa didapatkan.
Dan dari tabel yang diberikan nilai relative Humidity dapat ditemukan.
3. Pembahasan Intercooler
Intercooler adalah tabung perpindahan panas, dimana temperatur udara yang
keluar dari tingkat pertama didinginkan sampai mencapai harga terendah.
Panas yang diambil oleh air:
Q’w = mw . Qpw (T26-T24) (8)
Panas yang diberikan oleh udara:
Q’a = ma . Qpa (T23-T24) (9)
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
11
Karena thermocouple yang digunakan untuk mendapatkan harga-harga dari
T23 -T24 dipasang dekat intercooler, maka akibatnya terdapat kehilangan panas yang
sangat kecil dan tidak dapat dihitung. Secara Umum:
Q'a = Q'w + Losses (10)
Sehingga efisiensi thermal adalah:
(11)
Dalam hal ini sangat sulit untuk menghitung jumlah panas yang sebenarnya
diberikan oleh udara, disebabkan oleh losses yang tidak dihitung. Maka disini yang
lebih pendting untuk diketahui dari sebuah heat exchanger adalah "thermal ratio"
yang didefinisikan sebagai berikut:
(12)
Berdasarkan data-data yang didapat dari pengujian dapat dilakukan analisa
terhadap kompressor yang telah diuji tersebut dengan menggunakan rumus-rumus
berikut ini.
Rumus-rumus Untuk Perhitungan
1. Analisa Massa Udara (kg/s)
(13)
Dimana: ∆p = Orifice Diferential Head (mmH2O)
P3 = Orifice plate down stream pressure (Bar abs)
= 9,8 . 10-5. P3 + P0
P3 = Penunjukan pada manometer (mmH2O)
P0 = Tekanan atmosfer (Pa abs)
T3 = T’3 + 273.15 (K)
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
12
2. Kompresi Ratio (γP)
Tingkat Pertama:
(14)
Tingkat Pertama:
(15)
3. Temperatur Ratio (γP)
Tingkat Pertama:
(16)
Tingkat Kedua:
(17)
4. Harga Index Politropis (n)
Bila: P1 .Vn1 = P2 . Vn
2 dan P1 + (T2/T1)n/n-1 .P2
Dengan cara menurunkan rumus diatas maka akan diperoleh harga n, yaitu:
5. Kerja politropis (Wp 1)
Dari persamaan (1):
(18)
Dimana: m’a = Aliran massa udara (kg/s)
R = Konstanta gas = 0.2871 (kj/kg/K)
T1 = Temperatur Udara masuk (K)
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
13
n = Index politropis
γ = Pressure Ratio
6. Efisiensi Volumetris
Dari persamaan (4) didapatkan:
Aliran Massa udara yang sebenarnya: m’a
Untuk kompresor tingkat pertama:
“Swept air mass flow” =
(19)
Untuk kompresor tingkat kedua:
“Swept air mass flow” =
(20)
Pada persamaan (20) besarnya temperature dan tekanan adalah
penting, selama tingkat kedua mempunyai udara masuk dengan tekanan P21
dan temperature T21.
Maka efisiensi volumetrik:
Untuk tingkat pertama:
(21)
Untuk tingkat kedua:
(22)
dengan menggambarkan diagram η vol – δp’ akan terlihat bahwa harga
efisiensi volumetrik akan menurun sebanding dengan pertambahan p’.
7. Kerja Isothermal (WIs)
Untuk tingkat pertama:
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
14
Wis = ma . RT11 .ln. γP1 (23)
Untuk tingkat kedua:
Wis = ma . RT21 .ln. γP2 (24)
8. Kerja Indicated (Wi)
Untuk tingkat pertama:
W1 = Pm1 . A1 . L1 . N1 . Z1 (25)
Untuk tingkat kedua:
W1 = Pm2 . A2 . L2 . N1 . Z1 (26)
Pm = Indicated steam pressure, dimana Pm = K. Ad/Xs
Dengan: K = Konstanta pegas =39.1 kpa/mm
Ad = Luas indicator diagram (mm2)
Xs = Jangka/stroke dari diagram indicator (mm)
Untuk kompresor tingkat pertama, bore x stroke = 66,7 mm x 63,4 mm,
jumlah silinder = 2. Untuk kompresor tingkat kedua, Bore X stroke = 50.8,
jumlah silinder =2.
9. Kerja Mekanis (Wmech)
Dimana:
K = Putaran Motor Listrik = 3,53 .N1 / 60 atau (3.53 x N2)
Tq = Momen puntir (N-m) = F . R
F = Menunjukan spring balance (N)
R = Broke arm radius = 160 mm = 0.160 m
Jadi: Wmech1 = 0.0591 . 10-3 . N1 . F1 (kw)
(27)
Wmech2 = 0.0591 . 10-3 . N2 . F2 (kw)
(28)
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
15
10. Input Daya Motor Listrik
Suplai daya listrik total = armature power + field power
=
Field power mempunyai nilai tetap, pada 20 volt DC dan arus 0.4 ampere.
11. Harga-harga Efisiensi
Efisiensi termal : ηis=
W is
Wi
(29)
Efisiensi isotermal overall : ηis . o=
W is
W mech
(30)
Efisiensi mekanis : ηmech=
W i
W mech
(31)
12. Analisa Psikometris
Dari tabel dapat dicari harga relative humidity pada bagian masuk Q1
dan bagian Q3, berdasarkan selisih temperatur dry bulb dengan temperatur wet
bulb (TD - Tw) pada temperatur TD. Dan berdasarkan harga Q3, dari tabel
tersebut juga dapat dicari tekanan uap air jenuh (Pvsat) pada temperatur TD1.
Maka
Pv=Q . Pvsat(32)
dan
Laporan Praktikum KKE 2013 Universitas Indonesia
16
W =0 ,622×PvPo−Pv
(33)
Dimana spesific humidity adalah:
m' vm' a
sehingga aliran rata-rata dari
massa uap air yang mengalir adalah: M V 1=W . m .
Dengan cara yang sama, dapat dicari harga dari aliran rata-rata massa
uap air (MV2). Dan dengan mengumpulkan air yang mengendap pada
intercooler atau pada receiver akan dapat diperiksa perbedaan antara MV1 dan