Prinsip Kerja Pressure Regulating Valve

Pressure Regulating Valve atau biasa disingkat menjadi PRV merupakan sebuah komponen sistem hidrolik maupun pneumatik yang berfungsi untuk mengatur besar tekanan fluida dari sistem sumber tekanan tinggi (seperti pompa, kompresor, atau tangki reservoir) ke sistem pengguna bertekanan rendah. PRV selalu bertugas menjaga tekanan fluida yang nilainya lebih rendah daripada tekanan supply-nya, oleh karena itu tekanan fluida sebelum melewati PRV akan selalu lebih besar daripada tekanan sesudah melewati PRV. Dapat dikatakan PRV berfungsi menurunkan tekanan fluida sehingga sesuai dengan spesifikasi kebutuhan sistem, atau juga untuk kebutuhan keamanan dan keselamatan penggunaan.

Secara garis besar ada dua tipe PRV jika dilihat dari sistem operasionalnya, yakni satu tahap dan dua tahap pressure regulator. Gambar di atas menggambarkan sebuah sistem PRV dengan hanya satu tahap pressure regulator. Nampak pada gambar tersebut beberapa komponen utama PRV seperti inlet dan outlet pressure gauge, membran diafragma, pegas, poppet valve, serta tuas untuk mengatur set point tekanan kerja PRV. Pressure gauge berfungsi sebagai penunjukan nilai tekanan fluida baik pada sisi sumber tekanan maupun sisi keluaran PRV. Diafragma berfungsi untuk menciptakan sebuah ruang kerja fleksibel di dalam PRV yang mampu berubah-ubah volume. Dua pegas pada sistem PRV berfungsi untuk menghasilkan kesetimbangan tekanan, sedangkan Poppet valve berfungsi untuk membuka serta menutup aliran fluida.

Sesuai dengan sedikit gambaran di atas, prinsip kerja Pressure Regulating Valve umumnya hanya menggunakan prinsip-prinsip sistem mekanis dan tidak ada sistem elektris sama sekali. Sekarang mari kita berandai-andai jika tekanan fluida di area outlet turun (area berwarna biru lebih muda), maka yang terjadi adalah ruangan di dalam diafragma akan mengecil karena pegas 1 akan menekan diafragma. Selain itu pegas 1 juga akan menekan poppet valve sehingga akan membuka aliran fluida untuk masuk ke area diafragma. Fluida dapat masuk ke area ini karena memiliki tekanan yang lebih besar dibandingkan dengan tekanan di dalam area diafragma. Pada suatu kondisi tertentu tekanan fluida di dalam area outlet ditambah dengan tekanan dari pegas 2, akan cukup kuat untuk melawan dorongan dari pegas 1 yang memiliki ukuran lebih besar daripada pegas 2. Sehingga kondisi demikian akan menciptakan kesetimbangan yang menyebabkan poppet valve kembali tertutup. Proses tersebut berlanjut demikian seterusnya setiap tekanan di downstream PRV lebih rendah daripada nilai set point yang seharusnya.

Perbedaan paling mendasar dari PRV dengan dua tahap pressure regulator dibandingkan dengan sistem sebelumnya adalah pada sistem dua tahap ini digunakan pegas serta membran diafragma yang lebih banyak untuk menciptakan sebuah ruang kesetimbangan di dalam PRV (chamber). Pada saat tekanan fluida pada ruangan outlet turun, maka pegas 1 akan menekan diafragma dan poppet valve 1 sehingga fluida bertekanan lebih tinggi di chamber akan masuk ke ruang outlet. Saat tekanan fluida chamber turun karena harus masuk ke ruang outlet, maka proses yang sama terjadi pada pegas 4 yang akan mendorong poppet valve 2 sehingga fluida bertekanan lebih tinggi masuk ke ruang chamber. Saat tekanan fluida outlet sudah sesuai dengan tekanan set point-nya, maka sistem pegas akan membentuk kesetimbangan sehingga kedua poppet valve akan tertutup sempurna.

Dari gambaran di atas nampak dua tipe PRV tersebut memiliki fungsi sama namun untuk penggunaan kondisi yang sedikit berbeda. PRV dengan hanya satu tahap pengaturan tekanan lebih cocok digunakan pada fluida dengan tekanan kerja rendah. Sedangkan PRV dengan dua tahap pressure regulator lebih cocok digunakan untuk fluida bertekanan kerja sangat tinggi.

Credit: Wikipedia: Pressure Regulator

Sistem Pendingin Udara pada Generator Listrik

Telah kita bahas pada kesempatan sebelumnya bagaimana sebuah generator listrik dapat menghasilkan panas yang bersifat merugikan proses konversi energi gerak menjadi listrik. Jika hal ini dibiarkan begitu saja, panas yang timbul dapat mengurangi performa generator secara signifikan, menciptakan keausan dan kerusakan yang parah, bahkan dapat melelehkan kumparan tembaga yang ada. Tentu saja hal-hal tersebut sangat dihindari pada sebuah generator listrik. Maka di sinilah peran penting sistem pendingin generator berada. Sistem pendingin ini bertugas untuk menyerap panas yang timbul pada setiap sudut komponen generator dan membuangnya ke luar sistem.

Secara umum sistem pendingin pada generator dikelompokkan menjadi tiga berdasarkan beban listrik yang ditanggungnya. Generator dengan beban hingga 300 MW dapat didinginkan hanya dengan udara sirkulasi saja. Untuk generator berbeban 250 hingga 450 MW perlu menggunakan pendingin gas hidrogen. Sedangkan generator berukuran besar dengan beban listrik hingga 1800 MW, wajib menggunakan sistem pendingin hidrogen dan air bersirkulasi sekaligus. Akan tetapi pengklasifikasian tersebut tidaklah baku, sebab inovasi sistem pendinginan generator terus dilakukan. Bahkan saat ini generator 425 MW sudah mampu didinginkan dengan hanya sistem pendingin udara saja.

 photo FBCC60FF-891B-466D-A5B5-29A25F70D485.png.jpeg
Perkembangan Sistem Pendingin Generator

Generator Bersistem Pendingin Udara

Sejak awal diaplikasikannya generator untuk kebutuhan industri di tahun 1844, udara telah menjadi fluida yang paling lazim digunakan sebagai pendingin generator. Jumlahnya yang melimpah serta konduktifitas termalnya yang cukup baik menjadi alasan utama mengapa udara digunakan sebagai media pendingin generator. Menggunakan udara sebagai coolant juga tidak memerlukan sistem seal yang rumit seperti pada generator berpendingin hidrogen. Alhasil, generator dengan pendingin udara memiliki harga yang lebih murah ketimbang tipe lainnya.

Harga yang relatif murah menjadi dasar utama dikembangkannya generator berpendingin udara hingga mampu menghasilkan daya semu (MVA) energi listrik semaksimal mungkin. Generator berpendingin udara terbesar saat ini yang diketahui, mampu menghasilkan energi listrik hingga 400 MVA. Hingga saat ini angka 400 MVA tersebut masih yang paling maksimum. Mengapa bisa demikian? Mengapa generator berpendingin udara tidak (atau mungkin belum) mampu mencapai angka lebih tinggi lagi?

Secara teoritis, daya semu (S) yang dihasilkan oleh generator dipengaruhi oleh beberapa faktor sesuai dengan rumusan berikut:

S = k D2 L B A n

Dimana:

k = konstanta

D = diameter rotor

L = panjang aktif

B = induksi gap-udara

A = kerapatan arus linear

n = kecepatan putaran

Berdasarkan rumusan di atas nampak bahwa untuk meningkatkan produksi listrik sebuah generator, ada beberapa parameter yang dapat "dimainkan". Tapi perlu diingat pula bahwa ada batasan-batasan spesifik sehingga beberapa parameter tidak mungkin dipermainkan secara ekstrim. Seperti induksi gap-udara misalnya tentu tidak mungkin dibuat terlalu besar, mengingat kekuatan induksi magnet yang juga ada batasnya. Begitu pula dengan meningkatkan kerapatan arus linier, sebab besar arus linier berkaitan langsung dengan panas yang dihasilkan oleh kumparan. Semakin besar arus kumparan memang akan membuat induksi magnet semakin besar, namun juga akan meningkatkan kerugian panas pada kumparan, yang tentunya menuntut sistem pendinginan yang lebih besar.

 photo F58FA68F-BE2A-4144-BE59-168FAED9B683.png.jpeg

Telah diketahui bahwa memperbesar ukuran generator 10% saja, mampu menaikkan kemampuan produksi listrik generator 225 MVA hingga 30% menjadi 300 MVA. Namun memperpanjang ukuran generator juga tidak mudah, sebab kekuatan material inti rotor juga harus sangat diperhatikan. Bahaya bending dan momen puntir harus sangat diperhatikan jika ingin memperpanjang ukuran generator. Parameter lain seperti diameter rotor juga tidak memungkinkan untuk terlalu ekstrim diperbesar, sebab akan diperlukan momen torsi yang terlalu besar untuk memutar generator tersebut. Resiko vibrasi dan tegangan mekanis yang berpotensi terhadap kerusakan parah juga siap mengincar.

Batasan-batasan inilah yang menjadi alasan mengapa ukuran generator dengan pendingin udara tidak mampu melebihi ukuran di atas 400 MW. Namun demikian, kemajuan teknik desain generator saat ini telah berhasil membuat generator berpendingin udara terbesar yang mampu memproduksi energi listrik hingga 425 MW. Dengan sistem sirkulasi udara khusus, proses pendinginan generator dapat berjalan dengan efisien.

 photo EAB15928-430A-4228-9617-00EA347ECAC5.png.jpeg

Bagaimana panas dapat terbentuk pada generator dan motor listrik?

Dapat dikatakan semua peralatan mesin ciptaan manusia tidak mampu menghasilkan efisiensi 100%, alias sempurna. Alat konversi energi apapun tidak ada yang mampu mencapai efisiensi sempurna tersebut. Mesin bensin mobil misalnya hanya mampu menyentuh efisiensi  25-30% saja, sedangkan mesin diesel dengan sistem turbocharger juga hanya mampu mencapai efisiensi maksimal 50%. Kerugian terbesar dari mesin mobil adalah terbuangnya sebagian besar panas hasil pembakaran ke sistem pembuangan (knalpot/exhaust), oleh karena itulah penggunaan sistem turbocharger sangat membantu mengurangi kerugian panas tersebut (baca artikel berikut mengenai turbocharger).

Mesin konversi energi lainnya seperti motor dan generator listrik, juga dapat dipastikan tidak pernah efisien sempurna. Motor dan generator listrik juga memiliki kerugian panas yang terbuang sia-sia ke ruang sekitar. Satu pertanyaan menarik muncul di sini, yakni bagaimana bisa sebuah mesin yang tidak melibatkan energi panas dalam proses konversi energinya, dapat menghasilkan kerugian berupa panas? Jika sebuah motor bakar membuang panas ke knalpot, ya wajar saja, karena motor bakar bertugas merubah energi panas menjadi gerak. Lalu bagaimana dengan motor maupun generator?

Diketahui ada beberapa fenomena yang saling mangaitkan antara arus listrik, tahanan kawat, kumparan, medan magnet, dan panas. Fenomena-fenomena tersebut antara lain adalah Copper Loss (kerugian tembaga), Hysterisis Loss, dan Eddy Current Loss. Bagaimana proses terjadinya kerugian-kerugian tersebut akan kita bahas lebih detail pada kesempatan kali ini.

Copper Loss

Semua kawat konduktor yang teraliri arus listrik akan selalu menghasilkan panas. Nilai energi panas tersebut berbanding lurus dengan arus yang melalui konduktor, dan juga dengan nilai tahanan konduktor tersebut. Semakin besar arus listrik ataupun tahanan kawat, maka akan semakin besar pula kerugian panas yang dihasilkan. Tidak terkecuali kawat konduktor yang membentuk lilitan seperti pada kumparan generator ataupun rotor, selama ada arus listrik yang mengaliri kumparan tersebut, maka panas juga pasti akan terbentuk.

Rumusan dari copper loss adalah:

copper loss (watt) = I2 . R . t

Dimana:

I = arus listrik yang melewati kawat (A)

R = tahanan kawat konduktor (Ω)

t = lama arus listrik melintasi konduktor (s)

 

Hysterisis Loss

Jika copper loss adalah kerugian pada kumparan kawat yang berkaitan dengan arus listrik yang mengalir padanya, lain halnya dengan hysterisis loss. Hysterisis loss adalah kerugian panas yang diakibatkan oleh karakteristik dari logam inti kumparan kawat (armature/angker). Membahas sedikit mengenai angker kumparan, komponen ini merupakan logam inti yang dililiti oleh kawat kumparan. Sehingga jika ada arus listrik yang mengalir pada kumparan kawat, maka logam angker yang berada di dalam lilitan kawat akan berubah menjadi magnet. Pada saat generator ataupun motor listrik bekerja, partikel-partikel magnet di dalam logam inti akan berusaha terus-menerus mengikuti (atau diikuti) medan magnet putar (baca artikel prinsip kerja motor listrik berikut). Gerakan partikel logam inti secara terus-menerus tersebut mengakibatkan gesekan molekular. Sehingga tentu hal ini mengakibatkan panas, secara spesifik menjadi kerugian panas. Fenomena inilah yang disebut sebagai hysterisis loss pada generator.

 photo chargingg.jpg

Satu metode umum yang digunakan untuk meminimalisir panas yang terbentuk pada logam angker akibat dari hysterises loss, adalah dengan membagi logam inti menjadi beberapa lembaran. Lembaran-lembaran logam inti tersebut didesain sedemikian rupa sehingga jika disatukan akan menjadi satu logam inti utuh. Metode ini secara signifikan meminimalisir gesekan molekular yang terjadi pada logam inti karena bentuk lembaran ini seakan-akan menghalangi partikel inti logam untuk tidak dengan mudah "berpindah tempat" dari lembaran satu ke yang lainnya.

Eddy Current Loss

Sesuai dengan Hukum Faraday, setiap bahan konduktor yang memmotong garis gaya medan magnet, akan timbul arus listrik di dalam konduktor tersebut. Tidak terkecuali logam angker di dalam kumparan motor ataupun generator listrik, di dalam logam inti tersebut juga akan terinduksi arus listrik yang mengikuti medan magnet penyebabnya. Arus listrik inilah yang dinamakan dengan arus eddy (Eddy Current). Arus eddy ini akan terdisipasi menjadi kerugian panas (Eddy Current Loss) dan keluar ke ruang sekitarnya. Untuk lebih jelasnya mari kita perhatikan ilustrasi berikut.

 photo Eddy current.jpg
Credit: Wikipedia: Eddy Current

Gambar di atas adalah sebuah lempengan logam yang sedang bergerak dengan kecepatan V ke arah kanan, serta sedang melewati sebuah medan magnet B. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan Fleming, maka dengan amat mudah kita dapat menentukan arah arus listrik yang terbentuk pada lempengan logam tersebut adalah mengarah menjauhi kita dan berada tepat di tengah-tengah medan magnet (garis-garis merah pada lempengan yang saling sejajar, tegak lurus dengan arah medan magnet dan kecepatan). Namun kenyataan yang terjadi adalah belum lengkap, sebab sebenarnya arus listrik yang terbentuk di awal pertemuan antara medan magnet dan lempengan logam, membentuk arus melingkar dengan arah yang berlawanan dengan putaran jarum jam (lingkaran-lingkaran merah I sebelah kiri). Sedangkan di ujung akhir pertemuan antara medan magnet dengan lempengan logam terbentuk arus listrik yang melingkar yang searah dengan arah putaran jarum jam (lingkaran-lingkaran merah I sebelah kanan). Jika dua lingkaran arus ini digabungkan, maka arah arus listrik di area perpotongan antara medan magnet dengan lempengan logam adalah tetap menjauhi kita. Inilah yang dinamakan dengan Eddy Current.

Arus Eddy, seperti halnya dengan copper loss, akan menimbulkan kerugian panas. Nilai kerugian panas akibat arus Eddy ini dapat dihitung menggunakan rumusan berikut:

P=\dfrac {\pi ^{2}B_{p}^{2}d^{2}f^{2}}{6k\rho D}

Dimana P adalah kerugian per unit massa (W/kg), Bp adalah nilai maksimum medan magnet (T), d adalah ketebalan lempengan logam atau diameter kawat (m), adalah frekuensi (Hz), k adalah nilai konstanta 1 jika lempengan besi dan 2 jika kawat tipis, ρ adalah nilai resistifitas material (Ω m), dan adalah massa jenis material (kg/m3).

Referensi: Power Electric BlogWikipedia: Copper LossWikipedia: Eddy Current.