1
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
KOMPRESOR TORAK
Oleh : Sidiq Adhi Darmawan
A. PENDAHULUAN
Kompresor adalah mesin yang digunakan untuk memampatkan udara atau gas.
Kompresor udara biasanya menghisap udara dari atmosfir. Namun ada pula yang menghisap
udara atau gas yang bertekanan lebih tinggi daripada tekanan atmosfir. Karena berfungsi sebagai
pemampat, maka fluida kerja dari kompresor harus bersifat compressible. Di sinilah yang
membedakan antara kompresor dengan pompa. Kompresor bekerja dengan fluida yang
compressibel , sedangkan pompa bekerja dengan fluida incompressible.
Fluida compressible setelah melewati kompresor maka sifatnya akan berubah yaitu
volumenya kecil, tekanan besar, kelembaban naik dan suhu naik. Sedangkan fluida compressible
setelah melewati pompa maka sifatnya tidak berubah.
Kompresor mempunyai kegunaan yang sangat lua hampir segala bidang baik di bidang
industri, pertanian, rumah tangga, dan sebagainya. Selain itu jenis dan ukurannya pun beraneka
ragam sesuai dengan pemakaiannya. Sebagai contoh penggunaan kompresor untuk
menggerakkan mesin pneumatik di suatu pabrik.
Secara umum kompresor dibedakan menjadi dua yaitu :
1. Kompresor Kerja Positif ( Positive Displacement Compressor )
Kompresor kerja posistif adalah kompresor yang mengkompresi energi dari energi
mekanik berupa gerakan piston / torak menjadi energi tekanan pada udara. Contoh
kompresor kerja positif adalah kompresor torak. Kompresor kerja positif dibagi menjadi :
a. Kompresor Kerja Bolak – Balik ( Reciprocating Compressor )
Kompresor ini disebut juga kompresor torak, karena dilengkapi dengan torak yang
bekerja bolak – balik. Pemasukan udara diatur oleh katub masuk dan dihisap oleh torak
yang gerakannya menjauhi katub, prinsip kerja dari kompresor ini menyerupai mesin 4
langkah dimanan terdapat katub hisap dan katub buang. Pada saat terjadi pengisapan,
tekanan udara di dalam silinder mengecil, sehingga udara luar akan masuk ke dalam
silinder secara alami. Pada saat gerak kompresi, torak bergerak dari titik mati bawah ke
2
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
titik mati atas sehingga udara di atas torak akan ditekan sampai udara tersebut memiliki
tekanan yang tinggi, selanjutnya udara bertekanan tersebut dimasukkan ke dalam
tabung penyimpan udara
Gambar 1. Prinsip Kerja Kompresor Torak
b. Kompresor Rotary
Kompresor rotary merupakan salah satu jenis kompresor yang beroperasi yang beroperasi
pada kecepatan tinggi dan umumnya menghasilkan keluaran (tekanan) yang lebih tinggi
dibandingkan kompresor kerja bolak – balik ( reciprocating compresor ).
2. Kompresor Dinamik ( Non Positive Displacement Compressor)
Kompresor dinamik adalah kompresor yang mengkonversi energi dari energi potensial
fluida ( udara ) menjadi energi kinetik berupa putaran impeller lalu menjadi energi tekan
udara. Contoh kompresor dinamik adalah kompresor sentrifugal dan kompresor aksial.
1. Kompresor Sentrifugal
Kompresor sentrifugal merupakan kompresor dinamis yang bergantung pada transfer
energi dari impeler yang berputar. Kompresor serntrifugal memiliki elemen berputar
yang sederhana, terpasang pada poros yang dihubungkan ke motor penggerak. Prinsip
kerja kompresor sentrifugal hampir sama dengan pompa sentrifugal.
3
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
Mula – mula impeler berputar sehingga menaikkan kecepatan udara / gas, kemudian
udara dengan kecepatan yang tinggi itu akan masuk ke diffuser. Pada diffuser udara
mengalamai perubahan energi kinetik menjadi energi tekan. Pada kompresor sentrifugal
satu tingkat kenaikan tekanan yang dihasilkan kecil, agar lebih besar kemudian
digunakan kompresor sentrifugal bertingkat dengan pendinginan. Proses kompresi untuk
kompresor bertingkat banyak sama seperti kompresor torak.
Gambar 2. Kompresor Sentrifugal
2. Kompresor Axial
Pada kompresor aliran axial, udara akan mendapat percepatan oleh sudu yang
terdapat pada rotor dan arah alirannya ke arah axial yaitu searah (sejajar) dengan sumbu
rotor. Jadi pengisapan dan penekanan udara terjadi saat rangkaian sudu – sudu pada rotor
itu berputar secara cepat. Putaran cepat ini mutlak diperlukan untuk mendapatkan aliran
udara yang mempunyai tekanan yang diinginkan.
4
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
B. PRINSIP KERJA KOMPRESOR TORAK
1. Prinsip kerja kompresor torak adalah sebagai berikut:
Tenaga mekanik dari penggerak mulai ditransmisikan melalui poros engkol dalam bentuk
gerak rotasi dan diteruskan ke kepala silang (cross head) dengan perantaraan batang
penghubung (connecting rod).
Pada kepala silang gerakan rotasi diubah menjadi gerak translasi yang diteruskan ke torak
melalui batang torak (piston rod).
Gerakan torak bolak balik dalam silinder mengakibatkan perubahan volume dan tekanan
sehingga terjadi proses pemasukan, kompresi, dan pengeluaran.
Gambar 3. Diagram P-V Kompresor Torak
Torak memulai langkah kompresi pada titik (1), torak bergerak kekiri dan gas
dimampatkan sehingga tekanannya naik ketitik (2). Pada titik ini tekanan di dalam silinder
mencapai harga tekanan Pd yang lebih tinggi dari pada tekanan di dalam pipa keluar, sehingga
katup keluar pada kepala silinder akan terbuka. Jika torak bergerak terus kekiri , gas akan
didorong keluar silinder pada tekanan tetap sebesar Pd. Dititik (3) torak mencapai titik mati atas,
yaitu titik akhir gerakan torak pada langkah kompresi dan pengeluaran.
5
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
Pada waktu torak mencapai titik mati atas ini, anatara sisi atas torak dan kepala silinder masih
ada volume sisa yang besarnya = Vc. Volume ini idealnya harus sama dengan nol agar gas dapat
didorong seluruhnya keluar silinder tanpa sisa. Namun dalam praktiknya harus ada jarak
(Clearance) di atas torak agar tidak membentur kepala silinder. Selain itu juga harus ada lubang-
lubang laluan pada katup-katup. Karena adanya volume sisa ini ketika torak mengakhiri langkah
kompresinya, di atas torak masih ada sejumlah gas dengan volume sebesar Vc dan tekanan
sebesar Pd.
Jika kemudian torak memulai langkah isapnya (bergerak kekanan), katup isap tidak dapat
terbuka sebelum sisa gas di atas torak berekspansi sampai tekanannya turun dari Pd menjadi Ps.
Katup isap baru mulai terbuka dititik (4) ketika tekanannya sudah mencapai tekanan isap Ps.
Disini pemasukan gas baru mulai terjadi dan proses pengisapan ini berlangsung sampai titik mati
bawah (1). Dari uraian di atas dapat dilihat bahwa volume gas yang diisap tidak sebesar volume
langkah torak sebesar Vs melainkan lebih kecil, yaitu hanya sebesar volume isap antara titik mati
bawah (1) dan titik (4).
Atau secara riil dapat dijelaskan sebagai berikut cara kerja kompresor torak :
Langkah pertama adalah langkah hisap, torak bergerak ke bawah oleh tarikan engkol. Di dalam
ruang silinder tekanan menjadi negatif di bawah 1 atm ( dibawah tekanan atmosfer), katup hisap
terbuka karena perbedaan tekanan dan udara terhisap. Kemudian torak bergerak keatas, katup
hisap tertutup dan udara dimampatkan. Karena tekanan udara mampat, katup ke luar menjadi
terbuka, dan udara akan keluar.
( i ) Isap :
Bila poros engkol berputar dalam arah panah,
sehingga torak bergerak ke bawah oleh tarikan
engkol. Maka terjadilah tekanan negatif ( di
bawah tekanan atmosfir ) di dalam silinder, dan
katup isap terbuka oleh perbedaan tekanan,
sehingga udara terhisap.
( i )
6
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
Gambar 4. Kerja Kompresor Kerja Tunggal
Untuk sistem kerja kompresor kerja ganda sebagai berikut :
Proses kerja kompresor kerja ganda tidak berbeda jauh dengan kerja tunggal. Pada kerja ganda,
setiap gerakan terjadi sekaligus langkah penghisapan dan pengkompresian. Dengan kerja ganda,
kerja kompresor menjadi lebih efisien.
Gambar 5. Kompresor Kerja Ganda
( ii ) Kompresi :
Bila torak bergerak dari titik mati bawah ke titik
mati atas, maka katup isap akan menutup dan udara
di dalam silinder dimampatkan.
( ii )
( iii ) Kompresi :
Bila torak bergerak ke atas, tekanan di dalam
silinder akan naik. Maka katup keluar akan terbuka
oleh tekanan udara, dan udara akan keluar
( iii )
7
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
2. Proses Kompresi Gas
Proses kompresi gas pada kompresor torak dapat dilakukan menurut tiga cara yaitu dengan
proses isotermal, adiabatik reversible, dan politropolik.
2.1 Kompresi Isotermal
Bila suatu gas dikompresikan. Maka ini berarti ada energi mekanik yang diberikan dari luar
kepada gas. Energi ini diubah menjadi energi pannas sehingga temperatur gas akan naik jika
tekananan semakin tinggi. Namun, jika proses ini dibarengi dengan pendinginan untuk
mengeluarkan panas yang terjadi, sehingga temperatur dapat dijaga tetap dan kompresi ini
disebut dengan kompresi isotermal (temperatur tetap). Proses isotermal mengikuti hukum
Boyle, maka persamaan isotermal dari suatu gas sempurna adalah:
P . v = tetap
Atau
P1 . v1 = P2 . v2
Dimana :
P : Tekanan absolut
v : Volume spesifik
Proses kompresi ini sangat berguna dalam analisis teoritis, namun untuk perhitungan
kompresor tidak banyak kegunaannya. Pada kompresor yang sesungguhnya, meskipun
selinder didinginkan sepenuhnya adalah tidak mungkin untuk menjaga temperatur yang tetap
dalam silinder. Hal ini disebabkan oleh cepatnya proses kompresi (beberapa ratus sampai
seribu kali permenit) di dalam silinder.
8
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
2.2 Kompresi Adiabatik
Jika silinder diisolasi secara sempurna terhadap panas, maka kompresi akan berlangsung
tanpa ada panas yang keluar dari gas atau masuk kedalam gas. Proses semacam ini disebut
adiabatik. Dalam praktiknya proses ini tidak pernah terjadi secara sempurna karena isolasi
terhadap silinder tidak pernah dapat sempurna pula. Namun proses adiabtaik reversible sering
dipakai dalam pengkajian teoritis prpses kompresi. Hubungan antara tekanan dan volume
dalam proses adiabatic dapat dinyatakan dalam persamaan :
P . vk = tetap
Atau
P1 . v1k = P2 . v2
k = tetap
𝑘 =𝐶𝑝
𝐶𝑣
Dimana :
k : Ratio panas jenis, untuk udara k = 1,4
Cp : Panas jenis pada tekanan tetap
Cv : Panas jenis pada volume tetap
Gambar 6. Proses Kompresi Isotermal
9
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
Jika rumus ini dibandingkan dengan rumus kompresi isotermal dapat dilihat bahwa untuk
pengecilan volume yang sama, kompresi adiabatic akan menghasilkan tekanan yang lebih
tinggi dari pada proses isotermal. Karena tekanan yang dihasilkan oleh kompresi adiabatic
lebih tinggi dari pada kompresi isotermal untuk pengecilan volume yang sama, maka kerja
yang diperlukan pada kompresi adiabatic juga lebih besar.
2.3 Kompresi Politropik
Kompresi pada kompresor yang sesungguhnya bukan merupakan proses isotermal, karena
ada kenaikan temperatur, namun juga bukan proses adiabtaic karena aada panas yang
dipancarkan keluar. Jadi proses kompresi yang sesungguhnya, ada di antara keduanya dan
disebut kompresi politropik. Hubungan antara P dan v pada proses politropik dapat
dinyatakan dengan persamaan:
P . vn = tetap
Atau
P1 . v1n = P2. V2
n = tetap
Dimana :
n : Indek politropik
Gambar 7. Proses Kompresi Adiabatik
10
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
Pada kondisi dimana tidak dilakukan pendinginan pada ruang kompresi (kompresor
sentrifugal pada umumnya), maka harga n > k. bila ada pendinginan pada ruang kompresi
(pada kompresor torak). Maka harga n terletak antara 1 < n < k. perhitungan dapat dilakukan
baik dengan pendekatan kondisi adiabatik reversible maupun kondisi politropik.
C. BAGIAN – BAGIAN KOMPRESOR TORAK
Berikut ini adalah gambaran umum mengenai kompresor torak :
Gambar 8. Gambaran Umum Kompresor Torak
Adapun bagian – bagian kompresor torak sebagai berikut :
1. Silinder dan Kepala Silinder
Silinder berbentuk silindris berfungsi sebagai tempat bergeraknya bolak - balik piston dan
sebagai tempat untuk menampung sementara udara yang dihisap dan tempat dilakukannya
proses pengompresian udara. Silinder untuk tekanan kurang dari 50 kgf/cm2 (4.9 Mpa)
pada umunya menggunakan besi cor sebagai bahan silindernya.
11
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
Gambar 9. Kompresor Kerja Tunggal Satu Tingkat ( Jenis Pendingin Udara )
2. Torak dan Cincin Torak
Torak merupakan komponen yang betugas untuk melakukan kompresi terhadap udara/
gas, sehingga torak harus kuat menahan tekanan dan panas. Torak juga harus dibuat seringan
mungkin untuk mengurangi gaya inersia dan getaran.
Pada kompresor tegak dengan pelumasan minyak, pada torak dipasangkan sebuah cincin
pengikis minyak yang dipasang pada alur terbawah. Sedangkan kompresor tanpa pelumasan,
cincin torak dibuat dari bahan yang spesifik yaitu karbon atau teflon.
Gambar 10. Torak Kompresor Bebas Minyak
12
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
3. Katup
Katup isap dan katup keluar yang dipergunakan pada kompresor dapat membuka dan
menutup sendiri sebagai akibat dari perbedaan tekanan yang terjadi antara bagian dalam
dan bagian luar silinder. Katup – katup ini membuka dan menutup untuk setiap langkah
bolak – balik dari torak.
Gambar 11. Katup Pita ( Reed Valve ) Gambar 12. Katup Kanal
Gambar 13. Katup Kepak Gambar 14. Katup Cincin
13
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
4. Poros Engkol dan Batang Torak
Poros engkol dan batang torak mempunyai fungsi utama untuk mengubah gerakan putar
menjadi gerakan bolak - balik.
5. Kotak Engkol
Kotak engkol adalah sebagai blok mesinnya kompresor yang berfungsi sebagai dudukan
bantalan engkol yang bekerja menahan beban inersia dari masa yang bergerak bolak-balik
serta gaya pada torak.
6. Pengatur Kapasitas
Laju volume udara yang dihasilkan oleh kompresor harus disesuaikan dengan jumlah udara
yang diperlukan. Jika kompresor dibiarkan berjalan sedangkan udara yang dihasilkan tidak
dipakai secara maksimal maka tekanan akan naik melebihi batas yang ditentukan dan bisa
berbahaya. Oleh karena itu kompresor dilengkapi dengan alat yang disebut pembebas
beban ( unloader ). Alat ini dapat mengatur volume udara yang dihisap sesuai dengan laju
aliran keluar yang dibutuhkan
D. APLIKASI KOMPRESOR DALAM KEHIDUPAN
Dalam kehidupan sehari-hari banyak ditemui penggunaan kompresor, antara lain :
1. Pengisi udara pada ban sepeda atau mobil
2. Sebagai penyemprot kotoran pada bagian-bagian mesin
3. Rem pada bis dan kereta api
4. Pintu pneumatik pada bis dan kereta api
5. Pemberi udara pada aquarium
6. Kipas untuk penyejuk udara
7. Blower untuk peniup tungku
8. Fan ventilator
9. Udara tekan pada pengecatan
10. Pengangkat mobil pneumatis
14
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
11. Transportasi gas solid dengan pneumatik pada industri kimia
12. Kendali otomatik pada pembakar dalam ketel uap.
Selain itu contoh penerapan sistem kerja pada kompresor torak paling sederhana, yaitu pada
pompa ban sepeda atau mobil, prinsip kerja kompresor dapat dijelaskan sebagai berikut. Jika
torak pompa ditarik keatas, tekanan di bawah silinder akan turun sampai di bawah tekanan
atmosfer sehingga udara akan masuk melalui celah katup hisap yang kendur. Katup terbuat
dari kulit lentur, dapat mengencang dan mengendur dan dipasang pada torak. Setelah udara
masuk pompa kemudian torak turun kebawah dan menekan udara, sehingga volumenya
menjadi kecil.
Gambar 15. Pompa Ban
Dari contoh pemakaian kompresor seperti di atas, terlihat bahwa kompresor
digunakan secara luas mulai dari rumah tangga sampai industri besar. Penggunaan udara
bertekanan mempunyai kelebihan dibandingkan dengan listrik atau hidrolik dalam hal-hal
berikut ini:
1. Konstruksi dan operasi mesin sangat sederhana .
2. Pemeliharaan dan pemeriksaan mesin dapat dilakukan dengan mudah.
3. Energi dapat disimpan
4. Kerja dapat dilakukan dengan cepat
Tekanan menjadi naik terus sampai
melebihi tekanan di dalam ban, sehingga
udara mampat dapat masuk ban melalui
katup (pentil). Karena diisi udara
mampat terusmenerus, tekanan di dalam
ban menjadi naik. Jadi jelas dari contoh
tersebut, proses pemampatan terjadi
karena perubahan volume pada udara
yaitu lebih kecil dari kondisi awal
15
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
5. Harga mesin dan peralatan relatif murah
6. Kebocoran udara yang sering terjadi tidak membahayakan.
E. GANGGUAN – GANGGUAN PADA KOMPRESOR
Surge
Surge terjadi bilamana compressor dalam operasinya tidak mempunyai cukup flow (
volume gas yang mengalir ). Pada saat itu, gas yang ada di pipa keluaran (discharge piping)
dapat mengalir balik menuju kompresor untuk sesaat. Kondisi ini akan menyebabkan getaran
tinggi dan merusak bearing serta seal kompresor. Kebanyakan kompresor hanya mampu
menahan surge beberapa kali saja sebelum mengalami kerusakan.
Surge dapat disebabkan meningkatnya permintaan head sistem padahal flow yang ada
tidak mencukupi. Atau dengan kata lain, kebutuhan pengeluaran lebih besar daripada
pemasukan, sehingga aliran pemasukannya (flow) tidak dapat mengejar kebutuhan
pengelurannya (head). Kondisi di lapangan dimana gas compressor diperlukan untuk gas lift,
juga sifat (nature) flowrate dari sumur-sumur gas sampai ke system menyebabkan flowrate
berubah-ubah, tidak steady, dan tidak dapat diprediksi dengan tepat, bahkan dapat terjadi
kondisi dimana tidak ada aliran yang memasuki kompresor. Hal-hal tersebut diatas dapat
menyebabkan surge.
Untuk mengantispasi kekurangan flow maka pada sistem gas kompresor diperlukan
recycle valve, kadang disebut surge control valve atau anti surge valve. Bila aliran yang
masuk (suction) ke kompresor berkurang maka recycle valve (anti surge valve) akan
membuka sehingga sebagian gas keluaran (discharge) kompresor akan mengalir ke suction
untuk membantu menambah flow suction tersebut.
Berikut ada contoh diagram penggunaan sistem anti surge valve :
16
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
Gambar 16. Contoh Diagram Penggunaan Sistem Anti Surge Valve
Pada diagram PFD, P&ID di atas, maupun pada kondisi di lapangan sesungguhnya, maka
akan didapat recycle piping mengarah ke scrubber seperti gambar diatas (garis yang berwarna
merah), tidak langsung ke suction kompresor.
Recycle piping tidak boleh langsung dialirkan ke suction kompresor akan tetapi harus
dilewatkan dulu ke scrubber hal ini disebabkan karena : apabila gas mengalir dari tekanan tinggi
ke tekanan yang lebih rendah (gas mengalami expansi) maka akan terjadi penurunan temperature
(temperature drop). Apabila sejumlah gas yang berada dalam ruangan yang kecil (pressure
tinggi) maka molekul gas tersebut akan saling bergesekan sehingga temperature-nya menjadi
tinggi. Bila pada ruangan yang lebih besar (pressure lebih rendah) maka gesekan molekulnya
akan berkurang sehingga temperaturenya lebih rendah. Jadi bila gas dari tekanan tinggi (dalam
hal ini discharge pressure) kemudian di-recycle ke tekanan lebih rendah (dalam hal ini suction
pressure), gas akan mengalami penurunan temperatur.
Penurunan temperatur tersebut tergantung pada komposisi gas dan differential pressurenya
(perbedaan pressure tinggi mula-mula dan pressure rendah tujuan). Jika penurunan temperature
17
Sidiq Adhi Darmawan – Universitas Sebelas Maret
tersebut sangat rendah, gas akan berkondensasi dan terbentuklah uap cairan bahkan hydrate. Hal
ini akan membahayakan compressor sehingga recycle piping tersebut diarahkan ke upstream
(sebelum) scrubber untuk memisahkan uap air sehingga gas yang akan memasuki kompresor
dalam keadaan bersih.