Dasar Kompresi Gas Pada Kompresor

Tanpa kita sadari sebelumnya sering kali kita melihat dan menggunakan aplikasi kompresor dalam kebutuhan sehari-hari. Contoh yang umum dan paling sederhananya adalah pompa ban untuk sepeda atau mobil. Cara kerjanya torak ditarik ke atas sehingga menyebabkan tekanan dalam silinder di bawah torak akan menjadi negatif atau lebih kecil dari tekanan atmosfer dan udara akan masuk melalui katup isap. Kemudian jika torak ditekan ke bawah maka volume udara akan terkurung di bawah torak dan akan mengecil sehingga tekanannya pun akan naik. Jika turun naik torak tersebut dilakukan secara terus menerus maka volume akan semakin kecil dan tekanan di dalam silinder akan naik dan akan melebihi tekanan dalam ban tersebut. Udara yang dimampatkan tersebut akan terdorong masuk melalui pentil ke dalam ban.  Akibatnya tekanan di dalam ban akan semakin tinggi dan ban terlihat lebih besar jika kita lihat secara fisik. 

Gambar 1. Pompa Ban

(sumber: 1.bp.blogspot.com)

Penggunaan udara tekan maupun kompresor sangat luas sebagai sumber tenaga. Dalam keseharian dapat kita kenal di antaranya pada:

1.    Rem pada bis dan kereta api, serta pembuka atau penutup lainnya

2.    Udara tekan untuk pengecatan

3.    Penggerak bor gigi pada peralatan dokter gigi

4.    Pemberi udara pada akuarium

5.    Pompa air panas pada sumber air panas

6.    Pembotolan minuman

Selain dalam kehidupan sehari-hari udara tekan juga dipakai hampir di semua industri pembuatan tambang, keramik, kimia, makanan, perikanan, pekerjaan sipil, dan pembangunan gedung. Adapaun kelebihan yang dimiliki oleh udara tekan yang dihasilkan oleh kompresor dibandingkan dengan listrik dan tenaga hidrolik dalam hal berikut ini:

1.    Konstruksi dan operasi mesin sangat sederhana

2.    Pemeliharaan dan pemeriksaan dapat dilakukan dengan mudah

3.    Energi dapat disimpan

4.    Kerja dapat dilakukan dengan tepat

5.    Harga mesin dan peralatannya relatif murah

6.   Kebocoran udara yang terjadi tidak akan terlalu membahayakan serta tidak menimbulkan pencemaran

Untuk mengetahui lebih jelasnya bagaimana proses pemampatan udara yang dilakukan oleh kompresor maupun udara tekan kita dapat belajar mengenai teori kompresi, proses kompresi gas, efisiensi volumetrik dan adiabatik, akan dijelaskan secara ringkasnya di bawah ini:

     I.        Teori Kompresi

a.    Hubungan antara tekanan dan volume
   Selain contoh ban sepeda, dalam keseharian kita juga dapat melihat pada alat penyuntik. Jika penyuntik tanpa jarum tersebut kita tutup dengan ujung jari dan tangkainya kita dorong maka akan terasa adanya tekanan yang bertambah besar. Kejadian ini sama seperti yang terjadi pada pompa ban sepeda akibat mengecilnya volume dalam silinder karena dimampatkan oleh torak.

     Hubungan antara tekanan dan volume gas tadi dapat diuraikan sebagai berikut. Jika selama kompresi temperatur gas tetap dijaga (tidak bertambah panas) maka pengecilan volume menjadi ½ kali akan menaikan tekanan menjadi 2 kali lipatnya begitu juga jika ¼ kali akan menjadi 4 kali lipat pula. Artinya “jika gas dikompresikan pada temperatur tetap maka tekanannya akan berbanding terbalik dengan volume” seperti hukum Boyle yang menyatakan:

P₁V₁  =  P₂V₂  = Tetap

         Dinyatakan dalam kgf/cm² atau Pa dan volume dalam m³

b.    Hubungan antara temperatur dan volume

Hukum Charles menyebutkan bahwa “semua macam gas apabila dinaikkan temperatur sebesar 1°C pada tekanan tetap, akan mengalami perubahan volume sebesar 1/273 dari volumenya pada 0°C. Sebaliknya apabila diturunkan temperaturnya sebesar 1°C, akan mengalami pengurangan volume dengan proporsi
yang.” Hal ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

Pada temperatur t2°C untuk tekanan yang sama gas mempunyai volume

Jika persamaan 1 dibagi dengan persamaan 2 menjadi:

Lambang t menyatakan temperatur dalam skala °C. Di samping skala Celcius orang dapat memakai Kelvin (°K) dimana 0°K = -273 °C. Temperature skala °K disebut temperatur mutlak dengan lambang T. Hubungan antara t dengan T dapat dituliskan:

Jika temperatur dinyatakan dalam temperatur mutlak (°K) maka dapat dituliskan sebegai berikut:

Jadi karena persamaan di atas Hukum Charles dapat pula dikatakan “Pada proses tekanan tetap, volume gas berbanding lurus dengan temperatur mutlaknya”.

c.    Persamaan Keadaaan

Hukum Boyle dan Charles dapat digabungkan menjadi hukum Boyle Charles yang dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dimana       P : Tekanan mutlak (kgf/m²) atau Pa

                 V : Volume (m³)

                 G : Berat Gas (Kgf) atau (N)

                 T : Temperatur mutlak (°K)

                 R : Konstanta Gas (m/°K)

Harga R berbeda untuk masing-masing gas. Untuk udara kering harga R = 29,27 m/°K sedangkan untuk udara lembab R = 29,46 m/°K

Persamaan di atas dapat pula ditulis secara lain sbb:

Dimana v : V/G adalah volume spesifik (m³/kgf) karena v = 1/γ dimana γ = berat jenis (kgf/m³) maka persamaan di atas dapat pula dituliskan sebagai berikut:

         Dapat pula dituliskan sebagai berikut:

Gas yang memnuhi persamaan ini disebut gas ideal

     II.        Proses Kompresi Gas

Proses kompresi gas ini terbagi atas cara kompresi dan perubahan temperatur:

a.    Cara Kompresi

Dapat dilakukan menurut tiga cara yaitu proses isotermal, adiabatik, dan politropik. Perlakuannya adalah sebagai berikut:

(1)  Kompresi Isothermal

Jika satu gas dikompresikan, maka ada energi mekanik yang diberikan dari luar kepada gas. Energi ini pun berubah menjadi panas dan temperaturnya naik jika tekanan semakin tinggi. Namun jika dibarengi dengan pendinginan temperatur dapat dijaga tetap. Ini disebut dengan kompresi isothermal (temperatur tetap). Hal ini dapat ditulis sebagai berikut berdasarkan Pers. 7:

              Yang ekuivalen dengan hukum Boyle

Kompresi ini sangat berguna dalam analisa teoritis namun untuk perhitungan tidak banyak kegunaannya untuk kompresor. Hal ini disebabkan tidak mungkin untuk menjaga temperatur udara yang tetap dalam silinder karena cepatnya proses kompresi.

(2)  Kompresi Adiabatik

Proses adiabatik terjadi jika silinder diisolasi secara sempurna terhadap panas. Pada prakteknya proses ini tidak pernah terjadi secara sempurna karena isolasinya terhadap silinder juga tidak pernah dapat sempurna pula. Hanya saja sering kali dipakai dalam kajian teoritis proses kompresi.

Hubungan antara tekanan dan volume:

Di mana k = Cp/Cv, dengan Cp= 1,005 kJ/(Kg°C) dan Cv=0,712 kJ/(Kg°C)

Jika dibandingkan dengan proses isothermal dapat dilihat bahwa untuk pengecilan volume yang sama, proses adiabatik akan menghasilkan tekanan yang Lebih tinggi. Contohnya berdasarkan rumus yang telah ada, jika volume diperkecil menjadi ½, maka kompresi adiabatik menjadi 2,64 kali lipat sedangkan kompresi isothermal hanya 2 kali lipat. Namun kerja yang diperlukan pada kompresi Dian=batik juga lebih besar.

(3)  Kompresi Politropik

Kompresi yang sesungguhnya bukan merupakan proses isothermal maupun adiabatik tetapi diantara keduanya yaitu kompresi politropik.

Hubungan antar P dan v dapat dirumuskan sebagai berikut:

n Disebut indeks politropik dan harganya terletak antara 1 (Proses Isothermal) dan k (proses adiabatik). Jadi 1 < n < k. Untuk Kompresor biasa n = 1,25 ~ 1,35

Gambar 2. Hubungan antara volume dan tekanan pada berbagai kompresi

b.    Perubahan Temperatur

Temperatur gas dapat berubah tergantung pada jenis proses yang dialami, hubungan antara temperatur dengan tekanan adalah sebagai berikut:

(1)  Kompresi Isothermal

Seperti yang telah dijelaskan pada cara kompresi isothermal di atas dalam proses ini temperatur dijaga tetap sehingga tidak berubah.

(2)  Proses Adiabatik

Tidak ada panas yang dibuang keluar silinder pada proses ini ataupun dimasukkan sehingga fungsinya sendiri untuk menaikkan temperatur gas. Secara teoritis temperatur yang dicapai oleh gas keluar adalah:

Di mana Td  : Temperatur gas keluar kompresor (°K)

             Ts  : Temperatur Isap gas masuk kompresor (°K)

  m : jumlah tingkat kompresi; m= 1, 2, 3,... (untuk m > 1 tersebut mencakup proses pendinginan pada intercooler, sehingga keseluruhan kompresi bukan murni proses adiabatik

   k : Cp/Cv, perbandingan panas jenis gas

Gambar 3. Perbandingan tekanan dan temperatur kompresi

dalam kompresi adiabatik (m=1)

(3)  Proses Politropik

Temperatur pada kompresor yang sesungguhnya, tergantung pada ukuran dan jenisnya, dan biasanya diusahakan serendah-rendahnya. Untuk menghitung temperatur kompresi dapat dengan menggunakan persamaan seperti proses adiabatik.

     III.        Efisiensi Volumetrik Dan Adiabatik

Terdapat efisiensi yang penting dalam proses kompresi yaitu efisiensi volumetrik dan adiabatik yang akan dijelaskan di bawah ini.

a.    Efisiensi Volumetrik

     Efisiensi volumetris dapat didefinisikan sebagai berikut:

          Dimana: Qs      : volume gas yang dihasilkan (m³/min)

                      Qth    : perpindahan torak (m³/min)

    Besarnya efisiensi volumetris ini dapat dihitung secara teoritis berdasarkan volume gas yang diisap secara efektif oleh kompres pada langkah isapnya. Dari perhitungan tersebut diperoleh rumus sebagai berikut:

        Di mana: E  : Vc/Vs, volume sisa (clearence) relatif

             Pd : Tekanan keluar dari silinder tingkat pertama (kgf/cm²  abs)

             Ps  : Tekanan isap dari silinder tingkat pertama (kgf/cm²  abs)

              n  : koefisien ekspansi gas yang tertinggal di dalam volume sisa 

       Efisiensi volumetris juga tergantung pada faktor-faktor rancangan kompresor seperti bentuk ukuran silinder, dan susunan katup-katup.

Gambar 4. Efisiensi volumetris dan perbandingan tekanan

b.    Efisiensi Adiabatik Keseluruhan

Banyak faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi pada kompresor seperti tahanan aerodinamik di dalam katup-katup, saluran-saluran, pipa-pipa, kerugian mekanis, pendingin dan lain-lain. Oleh karena itu sangat sulit menentukan secara tepat pengaruh masing-masing dari faktor tersebut. Maka digabungkan dalam efisiensi adiabatik keseluruhan.

Efisiensi adiabatik sendiri dapat didefinisikan sebagai daya yang diperlukan untuk memampatkan gas dengan siklus adiabatik dibagi dengan daya yang sesungguhnya diperlukan oleh kompresor pada porosnya. Dalam rumus dapat dituliskan sebagai berikut:

            Dimana ηad  : Efisiensi adiabatik keseluruhan (dinyatakan dalam persen)

                    Lad  : Daya adiabatik teoritis (kW)

                    Ls    : Daya yang masuk pada kompresor (kW)

Besarnya daya adiabatik teoritis dapat dihitung dengan rumus: 

    Ps  : Tekanan isap tingkat pertama (Kgf/m² abs)

    Pd : Tekanan keluar dari tingkat akhir (Kgf/m² abs)
   Qs  : Jumlah volume gas yang keluar dari tingkat terakhir (m³/min)
    k   : Cp/Cv
    m  : Jumlah tingkat kompresi

Setelah Kita mengetahui dasar-dasar kompresi pada kompresor akan dilanjutkan bagaimana cara menghitung daya kompresor, jenis penggerak dan transmisi daya poros, penentuan spesifikasi kompresor beserta pemilihan bahan pada tulisan selanjutnya.

Demikianlah penjelasan tentang kompresi gas pada kompresor, untuk lebih jelas dan lengkapnya silahkan membaca referensi di bawah ini:
Sularso, haruo tahara, 1994. Pompa Dan Kompresor : Pemilihan, Pemakaian Dan. Pemeliharaan, Jakarta : Pradya Paramita.