Kebocoran dan energi udara tekan: biaya kebocoran, uji waktu muat dan penurunan tekanan, deteksi, menurunkan tekanan, kendali kompresor, dan daya spesifik

Seorang teknisi tinggal setelah jam kerja untuk memeriksa sebuah pengering yang bermasalah. Laundry sudah sepi, semua mesin berhenti, tetapi ia mendengar kompresor udara di ruang belakang menyala, bekerja sekitar 15 detik, berhenti, lalu menyala lagi kurang dari satu menit kemudian. Tidak ada mesin yang memakai udara. Seluruh udara yang dihasilkan kompresor malam itu keluar melalui kebocoran.

Minggu berikutnya, survei dengan alat pendeteksi ultrasonik menemukan dua puluh tiga kebocoran: sambungan cepat yang aus, selang yang retak di dekat mesin, mangkuk filter yang tidak rapat, katup pembuang kondensat yang macet terbuka, dan silinder dengan seal yang bocor. Tidak satu pun terdengar di siang hari ketika ruang cuci bising. Bab ini menjelaskan cara mengukur seberapa besar kebocoran, menemukannya, menghitung biayanya, dan menguranginya, serta cara lain menghemat energi udara tekan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas energi dan kebocoran sistem udara tekan kecil dan menengah di laundry, dapur, dan rumah sakit. Jenis kompresor, pengering, tangki penerima, dan jaringan pipa ada di Bab 7 tentang udara tekan dari kompresor sampai titik pakai; unit penyiap udara, silinder, dan konsumsi udara silinder di Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika tentang pneumatik dan hidraulik mesin; efisiensi dan kehilangan utilitas secara umum di Bab 2 tentang efisiensi, kehilangan, dan keandalan jaringan utilitas. Hukum gas yang dipakai untuk menghitung volume udara ada di Bab 15 · Fisika tentang gas ideal. Tarif listrik, jam kerja, dan data kompresor di bab ini hanya untuk berhitung; kebocoran per ukuran lubang dan daya tanpa beban adalah angka kasar yang lazim dipakai, yang diperiksa terhadap data pabrik.

Mengapa kebocoran udara tekan mahal

Kebocoran udara tekan (compressed air leak) adalah udara tekan yang keluar dari jaringan, selang, atau mesin tanpa dipakai untuk kerja. Pada sistem udara tekan, hampir 40 persen udara tekan dapat terbuang dalam bentuk kebocoran. Angka seperti itu bervariasi antara fasilitas, tetapi menurut angka yang lazim dipakai, kebocoran sebesar 20 sampai 40 persen kapasitas kompresor bukan hal yang luar biasa pada sistem yang tidak pernah disurvei.

Kebocoran mahal karena tiga hal. Pertama, setiap meter kubik udara yang bocor sudah dibayar dengan energi listrik penuh di kompresor. Kedua, kebocoran berlangsung terus, termasuk malam hari dan akhir pekan bila kompresor dibiarkan menyala. Ketiga, kebocoran menurunkan tekanan di mesin, sehingga operator menaikkan setelan tekanan kompresor, yang menambah energi dan menambah kebocoran lagi.

Rantai energinya juga panjang. Dari listrik yang masuk ke motor kompresor, sebagian besar berubah menjadi panas di kompresor, pendingin akhir, dan pengering; hanya sebagian kecil yang akhirnya menjadi kerja di silinder atau alat, lazimnya disebut hanya sekitar satu per sepuluh. Setiap liter udara yang bocor di ujung jaringan berarti seluruh rantai itu sudah dibayar tanpa hasil.

Di mana udara bocor

Kebocoran jarang terjadi di pipa utama yang dilas atau dipasang dengan baik. Tempat yang paling sering:

1. Sambungan cepat dan kopling selang, terutama yang sering dilepas pasang.
2. Selang yang retak, tergesek, atau terlipat di dekat mesin yang bergetar.
3. Unit penyiap udara: mangkuk filter, katup pembuang otomatis di mangkuk, dan pengatur tekanan.
4. Katup pembuang kondensat yang macet terbuka atau disetel terlalu sering.
5. Seal batang silinder dan katup arah yang aus.
6. Sambungan ulir yang tidak disegel dengan benar, flens, dan katup isolasi.
7. Mesin yang tidak dipakai tetapi tetap tersambung dan bertekanan.

Pada sistem hidraulik, sedikit kebocoran fluida memang diharapkan karena ada celah di antara permukaan yang bergerak relatif, dan kebocoran adalah salah satu cacat paling umum sistem itu. Hal yang sama berlaku untuk pneumatik: setiap seal yang bergerak akan aus dan mulai bocor.

Kebocoran juga bertambah oleh keadaan ruang laundry. Getaran mesin cuci melonggarkan sambungan ulir dan menggesek selang pada rangka. Panas dari pengering dan setrika mengeraskan selang plastik dan karet sampai retak. Uap bahan kimia dan cairan pembersih membuat bahan selang dan seal membengkak atau rapuh. Selang yang dibiarkan menggantung di lantai terinjak troli. Karena itu jalur selang dirapikan, dijepit, dan dijauhkan dari permukaan panas, dan bahan selang dipilih untuk suhu dan bahan kimia di sekitarnya.

Mengukur kebocoran

Mengukur kebocoran dengan waktu muat

Uji waktu muat (load time test) adalah cara mengukur kebocoran dari bagian waktu kompresor bekerja memampatkan. Cara paling sederhana memakai kompresor itu sendiri, ketika produksi berhenti dan tidak ada pemakaian udara yang disengaja. Untuk kompresor yang bekerja muat dan tanpa muat, atau hidup dan mati, waktu muat dan waktu tanpa muat dicatat selama beberapa siklus:

$Q_{\text{bocor}} = Q_{\text{kompresor}} \times \frac{t_{\text{muat}}}{t_{\text{muat}} + t_{\text{tanpa muat}}}$

dengan $Q$ dalam debit udara bebas (m³/menit), yaitu volume udara yang diukur pada keadaan isap seperti di Bab 7, dan $t$ dalam detik. Pada kasus pembuka, kompresor bekerja sekitar 15 detik dari setiap 60 detik, sehingga kebocoran sekitar 25 persen kapasitasnya (Contoh 1). Cara ini memerlukan kapasitas kompresor yang diketahui dan kompresor dalam keadaan baik; kompresor yang aus mengirim kurang dari pelat namanya, sehingga kebocoran terhitung lebih besar daripada sebenarnya.

Mengukur kebocoran dengan penurunan tekanan

Uji penurunan tekanan (pressure decay test) adalah cara mengukur kebocoran dari laju turunnya tekanan sistem yang volumenya diketahui. Untuk kompresor dengan kendali kecepatan variabel, atau bila waktu muat sulit diamati, kebocoran diukur dari penurunan tekanan. Kompresor diisi sampai tekanan kerja lalu dihentikan atau diisolasi, dan waktu tekanan turun dari $p_1$ ke $p_2$ dicatat. Dengan hukum gas di Bab 15 · Fisika tentang gas ideal:

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

dengan $V$ volume sistem (m³), yaitu tangki penerima ditambah pipa, $p_1$ dan $p_2$ tekanan awal dan akhir (bar), $p_0$ tekanan atmosfer (bar), dan $t$ waktu penurunan dalam menit (Contoh 2). Volume pipa sering dilupakan; pipa 50 m berdiameter dalam 27 mm berisi hampir 30 L. Cara ini juga dapat dipakai per zona: katup isolasi zona ditutup satu per satu, dan zona dengan penurunan tekanan terbesar diperiksa lebih dulu.

Menemukan kebocoran

Kebocoran besar terdengar ketika ruangan sepi, terutama malam hari atau sebelum produksi. Kebocoran yang lebih kecil ditemukan dengan:

1. Larutan sabun yang dioleskan ke sambungan: gelembung menunjukkan kebocoran. Murah, tetapi lambat dan tidak cocok untuk bagian panas atau listrik.
2. Alat pendeteksi ultrasonik, yang mendengar desis berfrekuensi tinggi dari udara yang keluar melalui celah sempit, bahkan di ruangan yang bising.
3. Pengamatan penunjuk tekanan per zona dengan katup isolasi.

Setiap kebocoran yang ditemukan diberi label bernomor, dicatat lokasinya, perkiraan ukurannya, dan tindakan yang diperlukan. Label tetap terpasang sampai kebocoran diperbaiki dan diperiksa ulang. Kebocoran yang dapat diperbaiki saat itu juga, seperti sambungan yang longgar, diperbaiki segera setelah bagian itu diisolasi dan tekanannya dibuang.

Mencatat dan memberi prioritas

Golongan ini memudahkan perencanaan, tetapi biaya setiap golongan tetap dihitung dengan cara di bagian berikut, karena kebocoran kecil yang banyak dapat lebih mahal daripada satu kebocoran besar.

Biaya kebocoran

Daya spesifik (specific power) adalah daya listrik kompresor dibagi debit udara bebasnya, misalnya dalam kW per m³/menit, seperti di Bab 7. Kebocoran dikonversi menjadi daya dengan daya spesifik kompresor:

$P_{\text{bocor}} = Q_{\text{bocor}} \times \text{daya spesifik}$

lalu menjadi energi dan biaya dengan jam kerja kompresor dan tarif listrik (Contoh 3). Untuk lubang, kebocoran bertambah kira-kira sebanding dengan luas lubang dan tekanan mutlak di hulunya. Sebagai angka kasar yang lazim dipakai, lubang 3 mm pada sekitar 6 bar membocorkan sekitar 6 sampai 10 L/s udara bebas, bergantung bentuk lubangnya; lubang 1 mm sekitar sepersembilannya. Satu lubang sekitar 3 mm yang membocorkan sekitar 8 L/s udara bebas, di dalam rentang itu, setara $8 \times 60/1.000 = 0{,}48$ m³/menit; dengan daya spesifik 8,3 kW per m³/menit, dayanya sekitar 4 kW, lebih besar daripada seluruh kebocoran pada Contoh 3. Lubang 1 mm berluas sepersembilan lubang 3 mm, sehingga kebocorannya sekitar 0,9 L/s. Kebocoran kecil yang banyak sering lebih mahal daripada satu kebocoran besar yang terdengar.

Program perbaikan kebocoran

Kebocoran baru selalu muncul, sehingga perbaikan kebocoran adalah program berulang, bukan pekerjaan sekali:

1. Ukur kebocoran awal dengan waktu muat atau penurunan tekanan, sebagai angka dasar.
2. Temukan dan beri label semua kebocoran.
3. Perbaiki menurut urutan ukuran dan kemudahan.
4. Ukur ulang dan catat hasilnya terhadap angka dasar (Contoh 6).
5. Ulangi secara berkala, misalnya setiap tiga sampai enam bulan.

Dua perbaikan desain sering lebih bernilai daripada menambal satu per satu. Pertama, mesin yang tidak dipakai diisolasi dari udara tekan dengan katup atau katup solenoid yang menutup ketika mesin dimatikan, sehingga kebocoran di mesin itu berhenti. Kedua, katup pembuang kondensat berpewaktu diganti dengan pembuang berbasis level yang tidak membuang udara, seperti dijelaskan di Bab 7 tentang udara tekan dari kompresor sampai titik pakai.

Program ini berjalan bila ada pemilik dan bahan. Satu orang ditunjuk untuk menyimpan daftar label dan hasil ukur. Suku cadang yang paling sering dipakai, seperti sambungan cepat, selang dengan ukuran yang benar, klem, seal mangkuk filter, dan kit seal silinder yang lazim, disimpan di bengkel, sehingga kebocoran tidak dibiarkan menunggu pesanan berminggu-minggu.

Menurunkan tekanan

Tekanan sistem ditentukan oleh mesin yang memerlukan tekanan tertinggi di ujung jaringan terjauh, ditambah rugi tekan jaringan. Menurunkan tekanan setelan kompresor ke angka yang masih cukup memberi dua keuntungan: daya kompresor turun, menurut angka kasar yang lazim dipakai sekitar 6 sampai 8 persen per bar, dan kebocoran turun karena tekanan mutlak di hulu lubang lebih kecil (Contoh 4).

Langkah menurunkan tekanan:

1. Catat tekanan yang benar-benar diperlukan setiap mesin dari data pabrik.
2. Ukur tekanan di mesin terjauh saat beban puncak.
3. Kurangi rugi tekan yang tidak perlu: filter kotor, selang kecil, sambungan cepat sempit, pipa utama yang terlalu kecil.
4. Turunkan setelan bertahap sambil memantau mesin terjauh.
5. Bila hanya satu mesin memerlukan tekanan jauh lebih tinggi, pertimbangkan penguat tekanan setempat atau tangki kecil di dekat mesin itu, daripada menaikkan tekanan seluruh sistem.

Kendali kompresor

Cara kompresor mengikuti kebutuhan menentukan energinya pada beban sebagian:

1. Hidup dan mati: motor berhenti ketika tekanan mencapai batas atas. Efisien bila jumlah siklus per jam dalam batas motor, sehingga perlu tangki yang cukup.
2. Muat dan tanpa muat: motor tetap berputar, tetapi kompresor berhenti memampatkan. Menurut angka yang lazim dipakai, daya tanpa beban masih sekitar 25 sampai 35 persen daya penuh pada banyak kompresor sekrup, sehingga kompresor yang lama berjalan tanpa beban memboroskan energi (Contoh 5).
3. Modulasi katup isap: debit dikurangi dengan menyempitkan isapan; daya turun sedikit dibanding debit.
4. Kecepatan variabel: motor diperlambat sesuai kebutuhan, sehingga daya turun hampir sebanding dengan debit pada rentang kerjanya. Paling cocok untuk kebutuhan yang naik turun.

Daya tanpa beban (unloaded power) adalah daya yang masih ditarik kompresor ketika motornya berputar tetapi kompresor tidak memampatkan udara.

Pada sistem dengan beberapa kompresor, satu kompresor bekerja sebagai beban dasar penuh dan satu lagi, sebaiknya berkecepatan variabel, mengikuti perubahan kebutuhan. Kompresor yang bekerja bersamaan pada beban sebagian semuanya memboroskan energi.

Rentang tekanan kendali juga berpengaruh. Rentang yang lebar, misalnya kompresor muat pada 6 bar dan berhenti pada 8 bar, mengurangi jumlah siklus, tetapi tekanan rata-rata sistem lebih tinggi daripada yang diperlukan, sehingga energi dan kebocoran naik. Rentang yang sempit menurunkan tekanan rata-rata, tetapi memerlukan tangki penerima yang cukup agar siklus tidak terlalu sering. Kompresor dimatikan ketika fasilitas berhenti, atau sistem diisolasi dari zona yang tidak dipakai, agar kebocoran tidak dibayar sepanjang malam. Kompresor yang dibiarkan menyala 48 jam akhir pekan dengan kebocoran 0,30 m³/menit, misalnya, memakai sekitar $0{,}30 \times 8{,}3 \times 48 = 120$ kWh setiap akhir pekan untuk kebocoran saja, belum termasuk daya tanpa beban di antara siklus.

Pemakaian yang tidak semestinya

Sebagian udara tekan dipakai untuk tugas yang dapat dikerjakan lebih murah dengan cara lain:

1. Meniup debu dan serat dengan pistol semprot terbuka. Sikat, penyedot debu, atau blower listrik jauh lebih murah, dan pistol semprot yang dipakai harus mempunyai nosel pengaman yang membatasi tekanan di ujungnya.
2. Mendinginkan orang atau peralatan dengan udara tekan. Kipas listrik memberi aliran yang sama dengan energi jauh lebih kecil.
3. Mengaduk cairan atau membuat hampa udara dengan ejektor, ketika pompa atau pengaduk listrik dapat dipakai.
4. Kebutuhan semu: tekanan sistem yang terlalu tinggi membuat setiap pemakai yang tidak diatur, seperti nosel terbuka dan kebocoran, memakai udara lebih banyak.

Meniup debu dari pakaian atau badan dengan udara tekan juga berbahaya, seperti dicatat di Bab 7 tentang udara tekan dari kompresor sampai titik pakai.

Memantau daya spesifik dan energi

Penghematan hanya dapat dibuktikan bila ada pengukuran sebelum dan sesudah. Pengukuran yang berguna:

1. Meter energi listrik kompresor, dibaca harian atau mingguan.
2. Meter debit udara di keluaran kompresor atau pipa utama, bila tersedia.
3. Jam muat dan jam berjalan dari pengendali kompresor.
4. Tekanan di keluaran kompresor dan di mesin terjauh.

Dari meter energi dan debit, daya spesifik nyata dihitung dan dipantau. Kenaikan daya spesifik pada tekanan yang sama menunjukkan kompresor yang memburuk, filter isap yang kotor, pendingin yang kotor, atau kendali yang salah. Bab 2 tentang efisiensi, kehilangan, dan keandalan jaringan utilitas memakai ukuran seperti ini sebagai intensitas energi utilitas.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: waktu muat. Kompresor berkapasitas 1,2 m³/menit udara bebas bekerja 15 detik dan berhenti 45 detik berulang ketika semua mesin berhenti. Kebocoran $1{,}2 \times 15/60 = 0{,}30$ m³/menit, sekitar 25 persen kapasitasnya.

Contoh 2: penurunan tekanan. Volume sistem 0,6 m³ (tangki 0,5 m³ ditambah pipa). Tekanan turun dari 7 ke 6 bar dalam 2 menit. Kebocoran $0{,}6 \times (7 - 6)/(1{,}013 \times 2) = 0{,}30$ m³/menit, sesuai dengan hasil Contoh 1.

Contoh 3: biaya kebocoran. Dengan daya spesifik 8,3 kW per m³/menit, kebocoran 0,30 m³/menit memerlukan sekitar $0{,}30 \times 8{,}3 = 2{,}5$ kW. Selama 5.760 jam setahun (16 jam sehari, 360 hari), energinya sekitar 14.300 kWh. Dengan tarif Rp1.500/kWh, biayanya sekitar Rp21.500.000 setahun.

Contoh 4: menurunkan tekanan. Setelan kompresor diturunkan dari 8 ke 6,5 bar. Kebocoran melalui lubang turun kira-kira sebanding dengan tekanan mutlak, $7{,}513/9{,}013 = 0{,}83$, yaitu sekitar 17 persen lebih kecil. Daya kompresor untuk debit yang sama turun sekitar $1{,}5 \times 6 = 9$ sampai $1{,}5 \times 8 = 12$ persen, menurut angka 6 sampai 8 persen per bar di bagian menurunkan tekanan.

Contoh 5: muat dan tanpa muat dibanding kecepatan variabel. Kompresor 10 kW bekerja dengan rata-rata 40 persen beban. Dengan kendali muat dan tanpa muat dan daya tanpa beban 30 persen, daya rata-rata sekitar $0{,}4 \times 10 + 0{,}6 \times 3 = 5{,}8$ kW. Kompresor berkecepatan variabel pada beban yang sama memerlukan sekitar 4,4 kW, lebih hemat sekitar 1,4 kW.

Contoh 6: hasil program perbaikan. Setelah dua puluh tiga kebocoran diperbaiki, uji waktu muat menunjukkan kebocoran 0,08 m³/menit. Penurunan 0,22 m³/menit menghemat sekitar $0{,}22 \times 8{,}3 = 1{,}8$ kW, atau sekitar 10.500 kWh setahun pada 5.760 jam.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan, laporkan, dan serahkan keputusan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan bila:

1. Sambungan, selang, filter, atau silinder akan dibuka atau dikencangkan sementara masih bertekanan; isolasi, buang tekanan, dan buktikan nol seperti di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik.
2. Selang terlepas dan mencambuk, atau sambungan cepat tidak terkunci; jauhi dan tutup katup isolasi di hulunya.
3. Mesin bergerak tidak terduga ketika tekanan diturunkan atau dinaikkan kembali; silinder dapat bergerak ketika udara masuk kembali.
4. Udara diarahkan ke orang, kulit, mata, atau telinga.
5. Menurunkan tekanan membuat mesin keselamatan, seperti rem atau penjepit pneumatik, tidak lagi bekerja dengan aman; kembalikan setelan dan periksa data pabrik.
6. Pekerjaan memerlukan mengubah setelan pengaman kompresor atau membuka kompresor di luar kewenangan; ikuti Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 7 tentang udara tekan dari kompresor sampai titik pakai menjelaskan peralatan dan jaringan, termasuk pembuang kondensat dan bahaya meniup badan dengan udara tekan, dan Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika tentang pneumatik dan hidraulik mesin membahas unit penyiap udara dan silinder. Bab 2 tentang efisiensi, kehilangan, dan keandalan jaringan utilitas membahas efisiensi dan kehilangan utilitas secara umum, dan Bab 15 · Fisika tentang gas ideal memberi hukum gas untuk uji penurunan tekanan. Isolasi sebelum membuka sambungan atau selang ada di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik, dan kondisi berhenti secara umum di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.

Latihan dan pembahasan

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