Udara tekan dari kompresor sampai titik pakai: jenis kompresor, debit udara bebas, tangki penerima, pengering, titik embun tekanan, filter, kondensat, dan jaringan pipa

Setiap pagi, katup pneumatik pembuangan air pada beberapa washer-extractor di sebuah laundry bekerja tersendat, dan pelipat linen kadang berhenti dengan galat tekanan udara. Sekali sebulan satu katup solenoid harus diganti karena macet. Teknisi yang menelusuri jalur udara menemukan kompresor di gudang sempit tanpa ventilasi, tangki penerima dengan katup pembuang di bawahnya yang sudah berkarat dan tidak pernah dibuka, tidak ada pengering, dan pipa udara yang turun ke setiap mesin dari bawah pipa utama.

Udara panas dari kompresor membawa uap air. Udara itu mendingin semalaman di pipa, airnya mengembun, terkumpul di titik rendah, dan pagi harinya terdorong ke katup dan silinder pertama yang bekerja. Minyak dari kompresor bercampur dengan air menjadi lumpur yang membuat katup macet. Masalahnya bukan di mesin cuci, melainkan di sistem udara tekan. Bab ini menjelaskan cara udara tekan dibuat, dikeringkan, disimpan, dan diantarkan sampai mesin.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sistem udara tekan kecil dan menengah di laundry, dapur, dan rumah sakit, dari kompresor sampai titik pakai. Unit penyiap udara di mesin, silinder, katup arah, dan konsumsi udara silinder ada di Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika; kebocoran, kendali kompresor, dan energi udara tekan ada di bab kebocoran dan energi udara tekan; neraca utilitas di Bab 1. Hukum gas, tekanan parsial, dan titik embun ada di Fisika 191, dan kompresi gas dari sisi termodinamika di Fisika 196. Isolasi energi sebelum membuka sistem udara tekan ada di bab isolasi energi non-listrik. Sumbernya adalah narasi Fluida dan Termal, narasi Utilitas Industri, dan pengetahuan teknik umum yang ditandai di peta sumber. Tekanan kerja, ukuran tangki, kelas mutu udara, dan persyaratan bejana tekan mengikuti data pabrik, perancang, dan peraturan yang berlaku; angka di bab ini adalah angka latihan atau nilai literatur umum.

Udara tekan di laundry dan dapur

Buku termodinamika dalam narasi mencatat bahwa kompresor udara dipakai luas di industri untuk memenuhi kebutuhan proses dan menjalankan perkakas serta peralatan pneumatik. Di laundry, udara tekan menggerakkan katup pembuangan dan katup uap pneumatik pada washer-extractor, silinder pada setrika gulung, pelipat, dan pengumpan linen, serta pistol semprot untuk membersihkan. Di dapur dan ruang cuci piring, pemakaiannya lebih kecil, misalnya untuk katup dan alat pembersih.

Udara tekan adalah salah satu bentuk energi yang paling mahal di fasilitas: hanya sebagian kecil energi listrik kompresor yang sampai sebagai kerja di silinder, karena sebagian besar menjadi panas di kompresor. Karena itu udara tekan dipakai untuk tugas yang memang memerlukannya, bukan untuk meniup debu dan mendinginkan orang.

Jenis kompresor

Buku termodinamika teknik dalam narasi menjelaskan bahwa kompresor piston terdiri dari susunan piston dan silinder, sistem pendingin, katup isap dan katup tekan, batang penghubung, dan engkol; bahwa pada kompresor putar, rotor dan rumahnya menggantikan piston dan silinder; dan menampilkan skema kompresor lobus. Buku pengetahuan teknik refrigerasi dalam narasi mencatat bahwa kompresor scroll juga dikenal sebagai pompa scroll.

Kompresor juga dibedakan menurut minyaknya. Kompresor berpelumas minyak memasukkan sedikit minyak ke udara, sehingga udara memerlukan penyaring minyak bila dipakai dekat linen atau bahan makanan. Kompresor bebas minyak lebih mahal tetapi tidak membawa minyak dari ruang kompresinya; minyak dari udara isap yang tercemar tetap mungkin ada. Untuk tekanan yang lebih tinggi, kompresi dibagi dua tahap dengan pendinginan di antaranya; buku yang sama memberi contoh kompresor dua tahap dengan pendinginan antara penuh yang mengirim udara pada 16 bar.

Debit udara bebas dan daya

Kapasitas kompresor dinyatakan sebagai debit udara bebas, yaitu volume udara per menit diukur pada keadaan isap, biasanya mendekati tekanan atmosfer. Satu meter kubik udara bebas yang dimampatkan ke 7 bar menempati volume sekitar $1{,}013/8{,}013 = 0{,}126$ m³ dari volume semula pada suhu yang sama, menurut hukum gas di Fisika 191. Kebutuhan mesin dan kapasitas kompresor dibandingkan dalam satuan debit udara bebas yang sama, bukan dalam volume udara bertekanan.

Ukuran efisiensi yang praktis adalah daya spesifik, yaitu daya listrik dibagi debit udara bebas, misalnya kilowatt per meter kubik per menit. Buku termodinamika dalam narasi mendefinisikan efisiensi motor sebagai perbandingan daya mekanis keluaran terhadap daya listrik masukan; daya spesifik menggabungkan efisiensi motor, efisiensi kompresor, dan kerugian lain. Semakin tinggi tekanan keluaran, semakin besar daya untuk debit yang sama. Sebagai nilai literatur umum, menaikkan tekanan keluaran sekitar 1 bar menaikkan daya sekitar 6 sampai 8 persen, sehingga tekanan disetel serendah yang masih cukup untuk mesin terjauh. Kendali kompresor dan penghematannya dibahas di bab kebocoran dan energi udara tekan.

Panas kompresi dan ruang kompresor

Memampatkan udara menaikkan suhunya. Buku katup dan perpipaan dalam narasi mencatat bahwa keadaan aliran nyata dapat berada di antara adiabatik dan isotermal; kompresor nyata lebih dekat ke adiabatik, sehingga udara keluar dari ruang kompresi dapat sangat panas sebelum didinginkan. Pendingin akhir di kompresor menurunkan suhu udara mendekati suhu ruang, dan sebagian besar uap air mengembun di sana dan di tangki penerima.

Kompresor membuang hampir seluruh energi listriknya sebagai panas ke ruangannya. Ruang kompresor yang tertutup, seperti gudang pada kasus pembuka, menjadi panas, sehingga kompresor mengisap udara panas yang lebih ringan dan lebih lembap, kapasitasnya turun, dan suhu kerjanya naik sampai pengaman memutus. Ruang kompresor memerlukan ventilasi yang cukup untuk membuang panas itu, udara isap yang sejuk, bersih, dan kering, serta jarak bebas di sekeliling kompresor menurut petunjuk pabrik. Panas kompresor juga dapat dipulihkan untuk memanaskan air, seperti dibahas di bab efisiensi energi rak ini. Permukaan panas dan bising kompresor ditangani seperti di bab panas dan uap dan bab kebisingan.

Air di dalam udara tekan

Udara atmosfer selalu membawa uap air. Buku termodinamika dalam narasi menyebut udara atmosfer yang tidak mengandung uap air sebagai udara kering, dan buku teknik refrigerasi mencatat bahwa suhu titik embun adalah suhu jenuh yang sesuai dengan tekanan parsial uap air. Ketika udara dimampatkan, tekanan parsial uap air naik sebanding dengan tekanan total. Udara bertekanan yang didinginkan kembali ke suhu ruang menjadi jenuh, dan kelebihan uap airnya mengembun (Contoh 4).

Air cair di jaringan udara tekan menyebabkan:

1. Karat di pipa baja dan tangki, yang serpihannya terbawa ke katup.
2. Pelumas di katup dan silinder tercuci, sehingga katup macet dan seal aus.
3. Lumpur air dan minyak di saringan dan katup solenoid, seperti pada kasus pembuka.
4. Tetesan air ke linen atau bahan makanan dari pistol semprot dan alat pembersih.

Pengering dan titik embun tekanan

Titik embun tekanan adalah suhu titik embun udara pada tekanan kerjanya. Bila suhu udara di pipa tidak pernah turun di bawah titik embun tekanannya, air tidak mengembun di pipa. Dua jenis pengering yang lazim:

1. Pengering pendinginan: mendinginkan udara tekan sampai beberapa derajat di atas titik beku, membuang air yang mengembun, lalu memanaskannya kembali dengan udara yang masuk. Titik embun tekanannya sekitar 3 sampai 7 °C (nilai literatur umum), cukup untuk ruangan yang tidak pernah sedingin itu.
2. Pengering adsorpsi: melewatkan udara melalui bahan penyerap air yang diregenerasi berkala. Titik embun tekanannya jauh di bawah nol, dipakai bila pipa melewati ruang dingin atau udara harus sangat kering. Regenerasinya memakai sebagian udara tekan atau panas.

Titik embun tekanan berbeda dengan titik embun setelah udara dilepas ke tekanan atmosfer. Udara dengan titik embun tekanan 3 °C pada 7 bar mempunyai titik embun atmosfer sekitar −23 °C (Contoh 5), sehingga kedua angka itu tidak boleh dicampur ketika membaca data pengering.

Filter dan minyak

Filter di jaringan udara tekan dipasang menurut tugasnya:

1. Pemisah air atau filter kasar setelah pendingin akhir dan tangki, untuk butiran air dan serpihan karat.
2. Filter koalesensi untuk butiran minyak dan air yang sangat halus, biasanya sebelum pengering adsorpsi dan sebelum titik pakai yang peka.
3. Filter karbon aktif untuk uap minyak dan bau, bila udara menyentuh makanan atau linen.

Buku sistem hidraulik dalam narasi menggambarkan prinsip filter pemisah air yang lazim; prinsip yang sama dipakai untuk udara tekan: aliran dibelokkan dan diputar sehingga butiran terlempar ke dinding dan turun ke mangkuk penampung. Setiap filter menambah rugi tekan, dan rugi tekan itu naik ketika elemennya kotor. Penunjuk beda tekanan di rumah filter memberi tahu kapan elemen diganti. Unit penyiap udara di setiap mesin, dengan filter, pengatur tekanan, dan bila perlu pelumas, dibahas di Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika.

Tangki penerima

Tangki penerima menyimpan udara tekan, meredam denyut kompresor piston, memberi tempat air mengendap dan dibuang, dan memenuhi kebutuhan sesaat yang melebihi kapasitas kompresor. Ukuran tangki untuk menutup kekurangan sesaat dihitung dari:

$V = \frac{(Q_{\text{butuh}} - Q_{\text{kompresor}})\,t\,p_0}{p_1 - p_2}$

dengan $Q$ dalam debit udara bebas, $t$ lama kebutuhan puncak, $p_0$ tekanan atmosfer, dan $p_1 - p_2$ penurunan tekanan yang diizinkan selama puncak (Contoh 6). Tangki yang lebih besar juga mengurangi jumlah siklus hidup dan mati kompresor.

Tangki penerima adalah bejana bertekanan, sehingga memerlukan katup pengaman, manometer, katup pembuang di titik terendah, dan izin serta pemeriksaan berkala bila termasuk golongan yang diatur peraturan bejana tekan. Buku perancangan plumbing dalam narasi mencatat bahwa pada kompresor piston, katup searah dipasang di hilir tangki penerima; katup searah juga lazim dipasang antara kompresor dan tangki agar tangki tidak mengalir balik ke kompresor saat berhenti. Karat di dalam tangki yang tidak pernah dibuang airnya menipiskan dindingnya dari dalam, tanpa terlihat dari luar.

Pembuangan kondensat

Kondensat terkumpul di pendingin akhir, tangki penerima, pengering, filter, dan titik rendah pipa. Setiap titik itu memerlukan pembuang:

1. Manual: katup yang dibuka operator setiap hari. Mudah dilupakan, seperti pada kasus pembuka.
2. Berpewaktu: katup solenoid yang membuka beberapa detik setiap beberapa menit. Murah, tetapi membuang udara tekan bila disetel terlalu sering atau terlalu lama.
3. Berbasis level: membuka hanya ketika kondensat terkumpul. Tidak membuang udara, tetapi perlu dirawat.

Kondensat dari kompresor berpelumas minyak mengandung minyak. Kondensat itu dilewatkan pemisah minyak dan air sebelum masuk saluran buangan, karena minyak mencemari air limbah dan mengganggu pengolahan limbah seperti di Bab 17 · Laundry.

Jaringan pipa dan rugi tekan

Jaringan udara tekan yang baik memenuhi beberapa aturan:

1. Pipa utama berbentuk cincin bila mesin tersebar, sehingga udara dapat mencapai setiap mesin dari dua arah dan rugi tekannya kecil.
2. Kemiringan pipa utama sekitar 1 sampai 2 persen ke arah titik pembuang, dengan kaki pembuang di titik rendah.
3. Cabang dari atas pipa utama, dengan leher angsa, sehingga air yang mengalir di dasar pipa tidak turun ke mesin. Kasus pembuka memakai cabang dari bawah.
4. Ukuran pipa dipilih agar kecepatan udara bertekanan di pipa utama sekitar 6 m/s atau kurang (nilai literatur umum; Contoh 7), dan rugi tekan dari kompresor sampai titik pakai terjauh kecil, misalnya sekitar 0,1 sampai 0,3 bar termasuk pengering dan filter (nilai literatur umum).
5. Bahan pipa yang tahan karat atau dilapis, seperti aluminium, baja tahan karat, atau baja galvanis; pipa plastik hanya yang dirancang dan dinilai untuk udara tekan, karena pipa plastik air biasa dapat pecah berkeping-keping.
6. Katup isolasi pada setiap cabang dan setiap mesin, sehingga mesin dapat diisolasi tanpa mematikan seluruh sistem.

Selang yang terlalu kecil, sambungan cepat yang sempit, dan saringan kotor di dekat mesin sering memberi rugi tekan lebih besar daripada seluruh pipa utama. Manometer di keluaran kompresor dan di titik pakai terjauh menunjukkan di mana tekanan hilang.

Contoh kerja

Contoh 1. Volume udara bertekanan. Satu meter kubik udara bebas pada 30 °C dimampatkan ke 7 bar dan didinginkan kembali ke 30 °C. Volumenya $1 \times 1{,}013/8{,}013 = 0{,}126$ m³.

Contoh 2. Daya spesifik. Kompresor 10 kW mengirim 1,2 m³/menit udara bebas pada 7 bar (angka latihan). Daya spesifiknya $10/1{,}2 = 8{,}3$ kW per m³/menit. Nilai ini dibandingkan dengan data pabrik dan dengan pengukuran sebelumnya, bukan dengan kompresor jenis lain pada tekanan lain.

Contoh 3. Menurunkan tekanan. Mesin terjauh hanya memerlukan 6 bar di masuknya, dan rugi tekan jaringan 0,3 bar, tetapi kompresor disetel 8 bar. Menurunkan setelan ke sekitar 6,5 bar memotong sekitar 1,5 bar, yang menurut nilai literatur umum dapat mengurangi daya kompresor sekitar 9 sampai 12 persen.

Contoh 4. Air yang mengembun. Kompresor pada Contoh 2 mengisap udara 30 °C dengan kelembapan relatif 80 persen. Tekanan uap jenuh air pada 30 °C sekitar 4,24 kPa, sehingga kandungan airnya sekitar $0{,}622 \times 3{,}39/(101{,}3 - 3{,}39) = 0{,}0215$ kg per kg udara kering. Massa udara keringnya sekitar 1,35 kg/menit, sehingga air yang masuk sekitar 1,74 kg/jam. Setelah dimampatkan ke 7 bar dan didinginkan ke 30 °C, udara jenuh hanya dapat membawa sekitar $0{,}622 \times 4{,}24/(801{,}3 - 4{,}24) = 0{,}0033$ kg/kg, yaitu sekitar 0,27 kg/jam. Sekitar 1,48 kg/jam mengembun, hampir 12 L dalam 8 jam kerja.

Contoh 5. Titik embun tekanan dan atmosfer. Pengering pendinginan memberi titik embun tekanan 3 °C pada 7 bar. Tekanan parsial uap air pada titik embun itu sekitar 0,757 kPa. Ketika udara dilepas ke 1,013 bar, tekanan parsialnya turun menjadi sekitar $0{,}757 \times 1{,}013/8{,}013 = 0{,}096$ kPa, yang sesuai dengan titik embun sekitar −23 °C. Sisa air setelah pengering hanya sekitar 0,05 kg/jam dari 1,74 kg/jam yang masuk.

Contoh 6. Ukuran tangki penerima. Selama 1 menit, kebutuhan puncak melebihi kapasitas kompresor sebesar 0,5 m³/menit udara bebas, dan tekanan boleh turun dari 8 ke 6 bar. Volume tangki $V = 0{,}5 \times 1 \times 1{,}013/(8 - 6) = 0{,}25$ m³, sekitar 250 L, ditambah volume pipa dan cadangan.

Contoh 7. Kecepatan di pipa utama. Debit 1,2 m³/menit udara bebas pada 7 bar menjadi sekitar $1{,}2/60 \times 1{,}013/8{,}013 = 0{,}0025$ m³/s udara bertekanan. Di pipa berdiameter dalam 15,8 mm kecepatannya sekitar 12,9 m/s, di 20,9 mm sekitar 7,4 m/s, dan di 26,6 mm sekitar 4,5 m/s. Pipa 26,6 mm memenuhi batas sekitar 6 m/s dan memberi ruang untuk tambahan mesin.

Contoh 8. Pembuang berpewaktu yang terlalu sering. Pembuang berpewaktu membuka 5 detik setiap 2 menit dan melepaskan sekitar 0,2 m³/menit udara bebas selama terbuka (angka latihan). Udara yang terbuang rata-rata $0{,}2 \times 5/120 = 0{,}0083$ m³/menit, sekitar 0,7 persen kapasitas kompresor Contoh 2, terus-menerus, termasuk ketika tidak ada kondensat.

Contoh 9. Panas ke ruang kompresor. Kompresor 10 kW yang bekerja penuh membuang hampir 10 kW panas ke ruangannya. Untuk membatasi kenaikan suhu ruang 5 °C dengan udara ventilasi berkalor jenis volumetrik sekitar 1,2 kJ/(m³·K), diperlukan sekitar $10/(1{,}2 \times 5) = 1{,}7$ m³/s udara, yaitu sekitar 6.000 m³/jam.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan bila:

1. Pipa, selang, filter, atau tangki akan dibuka sementara masih bertekanan; isolasi, buang tekanan, dan buktikan nol seperti di bab isolasi energi non-listrik. Tangki penerima menyimpan energi walaupun kompresor sudah mati.
2. Katup pengaman tangki penerima tidak ada, diganjal, atau bocor terus.
3. Tangki penerima berkarat di luar, penyok, atau kondensatnya berwarna karat pekat; dinding dalamnya mungkin sudah menipis.
4. Pipa plastik yang tidak dinilai untuk udara tekan dipakai di jaringan.
5. Udara tekan dipakai untuk membersihkan pakaian atau badan, atau diarahkan ke orang; udara dapat menembus kulit dan merusak telinga dan mata.
6. Kompresor terlalu panas, memutus berulang, atau berbunyi tidak biasa.
7. Pekerjaan memerlukan membuka kompresor atau mengubah setelan pengaman di luar kewenangan; ikuti Bab 1 · Keselamatan.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Air di pipa udara berasal dari kebocoran pipa air." Air berasal dari uap air di udara isap yang mengembun setelah dimampatkan dan didinginkan.

"Tekanan lebih tinggi lebih aman untuk mesin." Tekanan lebih tinggi memboroskan energi dan menambah kebocoran; yang perlu cukup adalah tekanan di mesin terjauh.

"Titik embun 3 °C dan −23 °C pasti dua pengering berbeda." Keduanya dapat berarti udara yang sama, diukur pada tekanan kerja dan pada tekanan atmosfer.

"Kompresor bebas minyak berarti udara pasti bebas minyak." Uap minyak dari udara isap yang tercemar tetap dapat masuk.

"Tangki penerima hanya tempat menyimpan." Tangki juga tempat air mengendap dan harus dibuang setiap hari.

"Pipa air plastik cukup untuk udara." Pipa plastik yang tidak dinilai untuk udara tekan dapat pecah berkeping-keping.

Hubungan dengan bab lain

Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika membahas unit penyiap udara dan silinder di mesin, Bab 1 neraca utilitas, bab kebocoran dan energi udara tekan kelanjutan bab ini, Fisika 191 hukum gas dan titik embun, Fisika 196 kompresi gas, bab isolasi energi non-listrik, Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti, bab kebisingan dan bab panas dan uap untuk ruang kompresor, dan Bab 17 · Laundry limbah cair untuk kondensat berminyak.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Berapa volume 2 m³ udara bebas setelah dimampatkan ke 6 bar dan didinginkan ke suhu semula?
2. Kompresor 15 kW mengirim 2,0 m³/menit udara bebas. Berapa daya spesifiknya?
3. Kebutuhan puncak melebihi kapasitas kompresor 0,8 m³/menit selama 2 menit, dan tekanan boleh turun dari 7 ke 6 bar. Berapa volume tangki penerima?
4. Mengapa cabang udara diambil dari atas pipa utama?
5. Mengapa titik embun tekanan lebih penting daripada titik embun atmosfer untuk mencegah air di pipa?
6. Mengapa ruang kompresor perlu ventilasi?

Kunci jawaban beralasan

1. $2 \times 1{,}013/7{,}013 = 0{,}29$ m³, karena volume berbanding terbalik dengan tekanan mutlak pada suhu tetap.
2. $15/2{,}0 = 7{,}5$ kW per m³/menit, dibandingkan dengan data pabrik pada tekanan yang sama.
3. $V = 0{,}8 \times 2 \times 1{,}013/(7 - 6) = 1{,}6$ m³, ditambah volume pipa dan cadangan.
4. Air mengalir di dasar pipa utama; cabang dari atas mencegah air itu turun ke mesin.
5. Air mengembun di pipa bertekanan bila suhu pipa turun di bawah titik embun pada tekanan kerja itu, bukan pada tekanan atmosfer.
6. Hampir seluruh energi listrik kompresor menjadi panas; udara isap panas menurunkan kapasitas dan memicu pengaman suhu.

Referensi