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 tentang pneumatik dan hidraulik mesin; kebocoran, kendali kompresor, dan energi udara tekan ada di Bab 8 tentang kebocoran dan energi udara tekan; neraca utilitas di Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas. Hukum gas, tekanan parsial, dan titik embun ada di Bab 15 · Fisika tentang gas ideal, dan kompresi gas dari sisi termodinamika di Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika. Isolasi energi sebelum membuka sistem udara tekan ada di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik. Tekanan kerja, ukuran tangki, kelas mutu udara, dan persyaratan bejana tekan mengikuti data pabrik, perancang, dan peraturan yang berlaku; angka di bab ini tidak menggantikan data itu.

Udara tekan di laundry dan dapur

Udara tekan (compressed air) adalah udara atmosfer yang dimampatkan kompresor sampai di atas tekanan atmosfer, lalu dialirkan ke mesin untuk menggerakkan katup, silinder, dan alat. 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

Kompresor piston terdiri dari susunan piston dan silinder, sistem pendingin, katup isap dan katup tekan, batang penghubung, dan engkol, sedangkan pada kompresor putar rotor dan rumahnya menggantikan piston dan silinder. 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; kompresor dua tahap dengan pendinginan antara penuh, misalnya, mengirim udara pada 16 bar.

Debit udara bebas dan daya

Debit udara bebas (free air delivery) adalah volume udara per menit yang diukur pada keadaan isap, biasanya mendekati tekanan atmosfer. Kapasitas kompresor dinyatakan sebagai debit udara bebas. 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 Bab 15 · Fisika tentang gas ideal. Kebutuhan mesin dan kapasitas kompresor dibandingkan dalam satuan debit udara bebas yang sama, bukan dalam volume udara bertekanan.

Daya spesifik (specific power) adalah daya listrik kompresor dibagi debit udara bebasnya, misalnya dalam kilowatt per meter kubik per menit; inilah ukuran efisiensi yang praktis di lapangan. Efisiensi motor adalah 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 angka kasar yang lazim dipakai, 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 8 tentang kebocoran dan energi udara tekan.

Panas kompresi dan ruang kompresor

Memampatkan udara menaikkan suhunya. 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 (Contoh 6). Panas kompresor juga dapat dipulihkan untuk memanaskan air, seperti dibahas di Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry. Permukaan panas dan bising kompresor ditangani seperti di Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas dan Bab 7 · Keselamatan tentang kebisingan.

Air di dalam udara tekan

Udara atmosfer selalu membawa uap air. Udara atmosfer yang tidak mengandung uap air disebut udara kering, dan 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 2).

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 (pressure dew point) 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 lazimnya sekitar 3 sampai 7 °C, 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 3), 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.

Prinsip filter pemisah air yang lazim pada sistem hidraulik juga 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 tentang pneumatik dan hidraulik mesin.

Tangki penerima

Tangki penerima (air receiver) adalah bejana bertekanan tempat udara tekan dari kompresor disimpan sebelum masuk jaringan. 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 $V$ volume tangki (m³), $Q$ dalam debit udara bebas (m³/menit), $t$ lama kebutuhan puncak (menit), $p_0$ tekanan atmosfer (bar), dan $p_1 - p_2$ penurunan tekanan yang diizinkan selama puncak (bar). Bila selama 1 menit kebutuhan puncak melebihi kapasitas kompresor sebesar 0,5 m³/menit udara bebas dan tekanan boleh turun dari 8 ke 6 bar, misalnya, volume tangki $V = 0{,}5 \times 1 \times 1{,}013/(8 - 6) = 0{,}25$ m³, sekitar 250 L, ditambah volume pipa dan cadangan. 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. 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 (condensate) di jaringan udara tekan adalah air yang mengembun dari udara tekan, pada kompresor berpelumas bercampur minyak. 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 (Contoh 5).
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 tentang limbah cair laundry dan IPAL.

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 menurut angka yang lazim dipakai (Contoh 4), dan rugi tekan dari kompresor sampai titik pakai terjauh kecil, lazimnya sekitar 0,1 sampai 0,3 bar termasuk pengering dan filter.
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

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Tekanan uap jenuh air di Contoh 2 dan 3 dihitung dengan rumus Magnus, dan kalor jenis volumetrik udara di Contoh 6 adalah sifat udara.

Contoh 1: daya spesifik. Kompresor 10 kW mengirim 1,2 m³/menit udara bebas pada 7 bar. 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 2: air yang mengembun. Kompresor pada Contoh 1 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 3: 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 4: 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 5: pembuang berpewaktu yang terlalu sering. Pembuang berpewaktu membuka 5 detik setiap 2 menit dan melepaskan sekitar 0,2 m³/menit udara bebas selama terbuka. Udara yang terbuang rata-rata $0{,}2 \times 5/120 = 0{,}0083$ m³/menit, sekitar 0,7 persen kapasitas kompresor Contoh 1, terus-menerus, termasuk ketika tidak ada kondensat.

Contoh 6: 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, laporkan, dan serahkan keputusan kepada pengawas atau penanggung jawab peralatan bila:

1. Pipa, selang, filter, atau tangki akan dibuka sementara masih bertekanan; isolasi, buang tekanan, dan buktikan nol seperti di Bab 4 · Keselamatan tentang 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 tentang bahaya, energi tersimpan, dan kondisi berhenti.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 11 · Mekanikal & Mekatronika tentang pneumatik dan hidraulik mesin membahas unit penyiap udara dan silinder di mesin, dan Bab 8 tentang kebocoran dan energi udara tekan adalah kelanjutan bab ini. Bab 1 tentang uap, udara tekan, air proses, dan neraca utilitas memberi neraca utilitas, dan Bab 11 tentang efisiensi energi utilitas laundry membahas pemulihan panas kompresor. Hukum gas dan titik embun ada di Bab 15 · Fisika tentang gas ideal, dan kompresi gas di Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika. Isolasi sebelum membuka sistem 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. Ruang kompresor bersambung ke Bab 7 · Keselamatan tentang kebisingan dan Bab 8 · Keselamatan tentang panas, uap, dan permukaan panas, dan kondensat berminyak ke Bab 17 · Laundry tentang limbah cair laundry dan IPAL.

Latihan dan pembahasan

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