BAHAN KULIAH 1 - GAS POWER CYCLES.pdf

GAS POWER CYCLEGAS POWER CYCLE

BAHAN KULIAH BAGIAN IBAHAN KULIAH BAGIAN IANALISIS TERMAL ANALISIS TERMAL -- TF 3205TF 3205

Dr. Ir. I. B. Ardhana PutraDr. Ir. I. B. Ardhana Putra2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 1

INTRODUCTION (1)INTRODUCTION (1)

2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 2

SIKLUS TERMODINAMIK :

Serangkaian proses termodinamik untuk memindahkan kalor dan kerjamelalui perubahan tekanan, suhu, dan variabel keadaan lain yang pada akhirnya mengembalikan suatu sistem ke kondisi semula-nya.

SIKLUS TERMODINAMIK

SIKLUS DAYA GAS : (Terbuka dan Tertutup)Konversi kalor input berfase gas dirubah menjadi kerja output. Fase gas terbentuk sepanjang siklus

SIKLUS DAYA UAP :Konversi kalor input berfase uap dirubah menjadi kerja output. Uap mengalami proses kondensasi sebelum proses penguapan dilakukan kembali

SIKLUS REFRIGERASI :Perubahan fase refrigeran (uap cair) digunakan untuk memindahkan kalor atau meghasilkan pendinginan



SIKLUS TERMODINAMIK : umumnya terdiri dari 4 proses termodinamik,

1. Kompresi

2. Penambahan kalor

3. Ekspansi

4. Pelepasan kalor

Untuk kondisi ideal salah satu variabel dipegang konstan selama terjadi proses termodinamik sehingga dikenal :

1. Proses ISOTERMAL 2. Proses ISOBARIK3. Proses ISOKORIK4. Proses ISENTROPIK5. Proses ISENTALPIK6. Proses ADIABATIK



• HUKUM TERMODINAMIKA – 1 (Konservasi Energi)

• HUKUM TERMODINAMIKA – 2

• PERSAMAAN KEADAAN (Hukum Gas Ideal)

• KONSERVASI MASSA

• KONSERVASI MOMENTUM

Semua proses termodinamik yang terjadi di-analisa dengan :

Pemahan kembali terhadap hukum-hukum dan proses termodinamika harus dilakukan untuk dapat mengikuti kuliah ini dengan lebih mudah.

Brief RBrief Review : Thermodyneview : Thermodynamicsamics


REVIEW THERMODINAMIKAREVIEW THERMODINAMIKA


HUKUM TERMODINAMIK : Suatu bentuk aksiomatik dasar dari proses termodinamika yang menentukan besaran-besaran fisis (suhu, energi, entropi) suatu sistem termodinamik dan menjelaskan perpindahan atau konversi kalor dan kerja dalam setiap proses termodinamik

Hukum Termodinamika – 0 : generalisasi dari prinsip keseimbangan energi

Hukum Termodinamika – 1 : menjelaskan bahwa energi dapat dirubah atau di-transformasikan berdasarkan kaidah konservasi energi, yang berarti pula energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan

Hukum Termodinamika – 2 : entropi suatu sistem makroskopik yang terisolasi tidak akan berkurang di alam entropi selalu bertambah

Hukum Termodinamika – 3 : tidak mungkin mendinginkan suatu sistem sampai ke kondisi absolute zero

REVIEW THERMODINAMIKAREVIEW THERMODINAMIKAHukum Thermodinamika• Prinsip konservasi energi. Energi bisa mengalami peribahan selama

suatu proses termodinamika berlangsung akan tetapi jumlah energi total tetap konstan.

• Energi disebut memiliki kuantitas dan kualitas Hukum thermodinamika II

• Hukum thermodinamika 0, I, II

System Thermodinamika• System : kuantitas suatu matter atau region didalam suatu ruang

yang ditentukan.• System tertutup (closed system) : tidak terjadi perpindahan masa

melalui selubung ruang yang ditentukan.• System terbuka (open system) : volume kontrol suatu region tertentu

dimana terjadi aliran masa pada batas region tersebut.


REVIEW THERMODINAMIKAREVIEW THERMODINAMIKA

Sifat-sifat suatu sistem thermodinamik• Sifat dasar : P, T, V, m

• Sifat turunan : misalnya : keraptan masa (density) adalah

Sifat-sifat Intensif dan Ekstensif• Sifat-sifat Intensif : adalah sifat-sifat termodinamis suatu sistem yang

tidak tergantung dari ukuran sistem tersebut : P, T,

• Sifat-sifat Ekstensif : adalah sifat termodinamis suatu sistem yang diengaruhi oleh ukuran sistem tersebut : m, V


Vm

Enthalpy • ∆H atau enthalpy adalah kuantitas perubahan energi dalam suatu proses

pada tekanan konstan


H = E + PV atau ∆H = ∆E + P∆V

Perubahan energi

Untuk volume konstan maka komponen ini = 0

• Hanya ditentukan oleh kondisi awal dan akhir perubahan energi tersebut kondisi intermediate tidak relevan

PdVduPdVVdPdudh Dalam suatu sistem dengan tekanan konstan :

SIKLUS THERMODINAMIKASIKLUS THERMODINAMIKA

• Ditinjau dari jenis fluida kerjanya :– Siklus gas : fase gas tetap terbentuk sepanjang siklus– Siklus uap : dalam sebagian siklus fluida kerja berupa

uap dan sebagian dalam fase cair

• Ditinjau dari jenis siklusnya :– Siklus terbuka : fluida kerja diperbaharui setiap satu

siklus– Siklus Tertutup : fluida kerja kembali ke-kondisi awal

setiap satu siklus


Jenis Siklus

• Siklus Carnot• Siklus Otto• Siklus Diesel• Siklus Stirling dan Ericsson• Siklus Brayton• Siklus Rankine


Siklus Carnot• Terdiri dari 4 proses yang sepenuhnya

reversibel :

• Merupakan siklus daya yang paling efisiendigunakan sebagai acuan bagi siklus aktualatau ideal lainnya karena proses isotermalyang reversible hampir tidak mungkin dibuatdalam kondisi nyata.

• Carnot cycle dapat bekerja dalam sistemtertutup atau terbuka dengan aliran yang ajeg (steady flow) dengan menggunakanfluidafluida kerjakerja gas atau uap.


Qout

Qin

TL

TH

21

3 4

Isen

tropi

k

Isen

tropi

k

T

S

isotermal

isotermal

1 2 proses pengambilan kalor – isothermal2 3 proses kompresi – isentropik3 4 proses pelepasan kalor – isotermal4 1 proses ekspansi - isentropik

CARNOT CYCLECARNOT CYCLE


T

S

1 2

34

QL

QH

12

3

4

QL

QH

Kompresor

Turbine

Cold region

Hot region

Evaporator

Condenser

H

LCarnotth T

T 1,

TL

TH

EFISIEN SIKLUS CARNOTEFISIEN SIKLUS CARNOT


T

S

1 2

34TL

TH

qin

qout

s 2 = s3s 1 = s4

1243

12

ssTssTqssTq

LLout

Hin

efisiensi termal th didefinisikan sebagai : perbandingan antara kerja total (Wnet) yang dihasilkan sistem dengan kalor yang diperlukan (qin) untuk menghasilkan kerja tersebut

H

L

H

L

in

out

in

outin

in

netth

TT

ssTssT

qq

qqq

qW

11

1

12

12

Rumus diatas menunjukkan bahwa efisiensi termal mesin Carnot tidak tergantung dari jenis fluida kerja maupun jenis siklus tertutup/terbuka

CARNOT ENGINE


T

S

1 2

34Qout

Qin1 2

34

Qin

Qout

isentropicturbine

Cold regionCold region

Hot regionHot region

isothermalcompressor

isothermal turbine

H

LCarnotth T

T 1,

TL

TH

adalah efisiensi mesin Carnot yang bekerja pada suhu TL dan TH

isentropic compressor

Mesin Carnot


1

2

3

4Qout

Qin

Wnet

KompresorisentropikKompresor

isotermal

Turbinisotermal

Turbinisentropik

• Terdiri dari 4 jenis komponen : - kompresor isotermal dan isentropik- turbin isotermal dan isentropik

• Pelepasan dan pengambilan kalor (Qout,Qin ) terjadi pada proses isotermalsedangkan kerja (Wnet ) dihasilkan pada proses isentropik

SiklusSiklus OttoOtto


The History of EnginesThe History of Engines• 1769 – James Watt patents his first improved steam engine.• 1806 – François Isaac de Rivaz invented the first successful Internal Combution Engine (ICE).• 1816 – Robert Stirling invented his hot air Stirling Engine, and what we now call a “regenerator”.• 1824 – Nicolas Léonard Sadi Carnot first publishes that the efficiency of a heat engine depends on the

temperature difference between an engine and its environment.• 1877 – Nikolaus Otto patents a four-stroke internal combustion engine (US Patent 194,047).• 1882 – James Atkinson invents the Atkinson Cycle engine, now common in some hybrid vehicles.• 1892 – Rudolf Diesel patents the Diesel engine (US Patent 608,845).• 1899– Ferdinand Porsche creates the first hybrid vehicle.• 1905 – Alfred Büchi patents the turbocharge.• 1929 – Felix Wankel patents the Wankel rotary engine (US Patent 2,988,008).• Late 1930s – Hans von Ohain and Frank Whittle separately build pioneering gas turbine engines

intended for aircraft propulsion, leading to the pioneering turbojet powered flights in 1939 Germany and 1941 England.

• 1980s – Electronic Fuel Injection (EFI) appears on gasoline automobile engines.• 1990s – Hybrid Vehicles that run on an internal combustion engine (ICE) and an electric motor charged

by regenerative braking


Bagian-bagian Mesin Otto

2/9/2011 19

Katup Buang

Saluran BuangSaluran Hisap

Katup Hisap

Spark-plug (Busi)

Ruang BakarKepala Piston

Crank-shaftTangkai Piston

Fly-wheel (Roda Gila)

Ruang Pelumas

GerakGerak PistonPiston

Gerak FlyGerak Fly--wheelwheel

Injektor Bahan Bakar

Udara Masuk Gas Buang

I. B. Ardhana Putra

Prinsip Kerja Siklus Otto


• Setiap siklus terdiri dari 4 langkah dengan 2 putaran penuh crank shaft setiap siklus disebut ‘mesin 4 langkah’

• Perubahan termodinamis campuran bahan bakar dan udara pada setiap siklus terjadi dalam fasa gas

1 2 3 4

1. Langkah Hisap (Intake) 2. Langkah Tekan (Compression)3. Langkah Bakar (Ignition)4. Langkah Buang (Exhaust)

www.eng.warwick.ac.uk/.../engine/ic018.htm

Induction Stroke (Langkah Hisap/Induksi) : katup hisap terbuka dan katup pembuangan tertutup saat kepala piston bergerak kebawah campuran udara dan bahan bakar memasuki ruang bakar melalui saluran hisap. Langkah piston berhenti ketika mencapai BDC (Bottom Dead center).

Compression Stroke (Langkah Tekan) :Terjadi saat kepala piston bergerak keatas

katup hisap dan katup buang tertutup. Tekanan campuran udara dan bahan bakar meningkat .

Langkah ini berakhir saat kepala piston mencapai TDC (Top Dead center). Gerak piston

keatas diakibatkan oleh momentum yang dihasilkan oleh fly-wheel

1

2


Spark Ignition (Proses Pembakaran)Spark ignition titik saat busi menghasilkan percikan api dan mebakar campuran udara dan bahan bakar bertekanan tinggi yang terdapat dalam ruang piston dianggap sebagai saat mulai ditimbulkannya daya mekanik oleh udara dan bahan bakar yang dipindahkan ke piston.

Power StrokePembakaran udara-bahan bakar menimbulkan

tekanan gas yang sangat tinggi yang mendorong piston bergerak kebawah. Gerak linier piston di konversikan menjadi gerak putar crank-shaft

dirubah menjadi momentum oleh fly-wheel. Energi yang dihasilkan digunakan sebagai kerja dan

sebagian untuk mengkompensasi kehilangan kerja (work losses) akibat langkah kompresi dan gerak

buka-tutup katup, kerja injektor dll.

3

4


Exhaust Stroke (Langkah Buang)Langkah ini mirip dengan langkah hisap (induction) dimana gas hasil pembakaran dibuang melalui saluran buang. Langkah ini harus terjadi secara sempurna agar tidak ada sisa hasil pembakaran tertinggal didalam ruang piston.

Exhaust and Inlet Valve OverlapMerupakan kondisi overlap antara mulai terbukanya

katup hisap dan tertutupnya katup buang. Katup hisap mulai terbuka sesaat sebelum piston mencapai

TDC.

5

6


Complete Otto Cycle Complete Otto Cycle


Copyright 2003 Kruse Technology Partnership

Campuran Udara-Bahan Bakar


TDC

BDC

Langkah Piston

Katup Hisap

Katup Buang Campuran

udara-bahan bakar

Katup Hisap

Katup Buang

Vmax

Vmin

Compression Ratio :

TDCBDC

VV

VVr

TDC

BDC min

max

][ 3cmareaborethstrokelengcylindersNumberofntDisplacemeEngine

MEP


Wnet

Wnet

MEP

P

minmax VVWMEP net

MEP : Mean Effective PressureAdalah tekanan fiktif yang bila diberikan kepada piston selama siklus akan menghasilkan kerja total (W net) yang sama dengan kondisi aktualnya

kPa

VminVmax

TDC BDC

minmax VVMEPWnet kJ/kg

KI

KB

Siklus Otto – Aktual


55

22

44

11

11Langkah Hisap ( Intake Stroke)

22Langkah kompresi ( Compression Stroke)

33 Proses Pembakaran( Ignition Process)

44 Langkah Ekspansi( Expansion Stroke)

55 Langkah Buang( Exhaust Stroke)

KI

KB

33

Siklus Otto – Ideal


qin

qout

TDC BDC V

P

Keseimbangan energi per satuan massa merupakan total kalor dan kerja yang terjadi setiap satu siklus penuh (complete cycle) :

uwwqq outinoutin

Pada saat perpindahan kalor (qin danqout ) tidak terjadi kerja karena perpindahan kalor terjadi pada volume tetap, sehingga :

14

14

23

23

TTcuuq

TTcuuq

v

out

v

in

1

111

1

232

141

23

14

,

TTTTTT

TTTT

qq

qqq

qw

in

out

in

outin

in

netOttoth

Sesuai dengan Hukum Thermodinamika II untuk suatu proses isentropik maka berlaku :

3

4

1

4

3

1

1

2

2

1

1

4

3

3

4

1

1

2

2

1

TT

vv

vv

TT

vv

TTdan

vv

TT

Dimana

v

p

cc

2

1

2

1

min

max

1,11

vv

VV

VVr

rOttoth

Efisiensi thermodinamik siklus Otto adalah :


Contoh-contoh Mesin Otto


Intake + Compression

Cylinder

Combustion + Power Cylinder

(Scuderi) Split Cycle Engine

Spark-plug Pembakaran fuel+udara

Crank-shaft

Cylinder Head (Piston)

Saluran udara

Carmelo Scuderi

Scuderi Engine


NORMAL SYSTEM HYBRID SYSTEM

Air Storage Tank

Siklus Otto dalam Mesin Mobil


http://www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html

Exhaust Cam

Exhaust Valve

Clutch

Gear Box

Fly Wheel

Crank

Connecting Rod

Piston

Intake Valve

Intake Cam

Spark Plug

Susunan Piston Dalam Mesin Otto


http://www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html

Gerakan Piston Single dan V


http://www.howstuffworks.com/engine.htm/printable

Wankle Engine


Menggunakan rotary compressor

http://www.absoluteastronomy.com/topics/Wankel_engine

Carburretor


Carburretor digunakan untuk : : 1. Mengatur laju aliran udara

melalui choke butterfly danmencampur udara denganbahan bakar (fuel) secaramerata sebelum memasukiruang bakar

2. Mengatur laju aliran bahanbakar untuk menjagacampuran udara dan bahanbakar (throttle butterfly) berada dalam rentang yang tepat mengatur suhupembakaran

Otto cycle memerlukan penyampuran udara dan bahan bakar (fuel) pengotrolan fasa dan laju aliran massa fuel serta udara (oxygen) dilakukan secara mekanik dalam carburretor

• Pipa udara melalui venturi untuk meningkatkan kecepatan aliran

• Pembentukan fasa kabut bahan bakar (fuel)• Terjadi campuran udara dan fuel

ALIRAN UDARAALIRAN BAHAN BAKAR

Cara Kerja Carburettor


Idle Condition

airfuel

Approaching Condition

Accelerating Condition

• Untuk mecapai kinerja carburretoryang ideal diperlukan kondisitermodinamis udara dan bahanbakar yang ideal – viskositas, inersia dan gesekan terhadap aliranudara/bahan bakar.

• Dalam kondisi praktis deviasi darikondisi ideal sulit dikompensasiterutama pada kecepatan rendahatau sangat tinggi.

• Carburretor harus dapatmenghasilkan campuran udara/fuel untuk berbagai suhu dan tekananudara atmosfir, variasi kecepatandan beban kendaraan sertamengatasi gaya setrifugal padakendaraan

Pada gambar ditunjukkan variasijumlah bahan bakar yang dicampurdengan udara untuk berbagaikecepatan kendaraanAccelerator pump

bekerja untuk menambah laju aliran massa fuel

Electronic Fuel Injector


EFI memiliki prinsip kerja mirip dengan carburretor. EFI mengontrol injeksi fuel secara elektronik langsung ke intake manifold yang berada dekat intake valve.EFI telah digunakan pada mesin-mesin mobil saat ini. Diperkenalkan tahun 1991 oleh Toyota.

EFI memiliki keunggulan :1. Dapat mengatur emisi gas

buang2. Lebih ekonomis dalam

penggunaan fuel3. Meningkatkan kinerja mesin


Katup Hisap & Katup Buang

Sensor suhu yang mengaturwaktu spray dari injector

EFI = Electronic Fuel Injector

Distributor pengapian (ignition) – memberi sinyal kepada ECU untuk membuka injector

Full Load Switch

ECU = Electronic Control Unit

Katup tambahanuntuk kondisi idle

Filter udara &Throttle Butterfly

Pedal gas

Throttle Switch

Electric Fuel Pump

Manifold Sensor

Fuel tank

Fuel Pressure RegulatorFuel

FilterConnection to battery

Aliran udara

Contoh Rangkaian Sistem EFI - BOSCH

Contoh : Sistem Kontrol EFI-BOSCH


To ECU

INJECTOR – 1INJECTOR – 2

SENSOR

TURBO CHARGE CYCLE


• Dalam combustion engine NA (Normal Aspirated) udara luar dialirkan melalui carburretor tekanan udara adalah tekanan atmosfir normal akibatnya jumlah fuel yang dibakar terbatas sesuai dengan tekanan atmosfir tersebut

• Daya mesin dapat ditingkatkan pada rpm yang sama dengan meningkatkan tekanan gas campuran udara-bahan bakar pada saat langkah daya (power stroke) diperlukan pompa (forced induction pump) untuk menambah tekanan gas campuran udara-bahan bakar kedalam ruang silinder terjadi peningkatan efisiensi voulme metric (v).

• Daya yang dihasilkan dari penambahan forced induction pump ini dapat mencapai 35% - 60% dibandingkan NA engines. Salah satu sistem yang digunakan untuk meningkatkan jumlah campuran udara-bahan bakar kedalam silinder adalah TURBO CAHRGING SYSTEM

• TURBO CAHRGER adalah kompresor yang digunakan untuk menghisap dan memberikan tekanan udara tambahan yang akan dialirkan kedalam ruang bakar

Skematik Posisi Turbo Charger


Popular Mechanicshttp://gas2.org/tag/turbochargers/

http://www.gmhightechperformance.com/features/0609htp_2007_saturn_sky_red_line/photo_12.html

Udara pendingin

Udara bertekanan dan bersuhu tinggi dari Turbo Charger

Udara bertekanan tinggi dan bersuhu rendah dari Turbo Charger dialirkan ke intake manifold

TURBO CHARGER

Skematik Turbo Charger


http://www.enzeecommunity.com/blogs/nzblog/2008/01

Turbo Charger Unit :• Terdiri dari 2 bagian : kompresor dan turbin• Udara ambient dialirkan ke kompresor udara dengan tekanan tinggi bercampur

dengan gas buang dari exhaust manifold yang telah melalui turbin• Campuran udara ambient+gas buang bertekanan tinggi dialirkan kembali ke inlet

manifold pada silinder

http://carsinthefastlane.com/modifications/the-best-bang-for-the-buck-performance-modification

TURBO CHARGE SYSTEM TURBO CHARGE SYSTEM PadaPada MesinMesin DieselDiesel


Mesin Diesel


Rudolf Diesel, adalah penemu mesin diesel (1892) berdasarkan pada prinsip hot-bulb engine.

Memperoleh paten pada tahun 1893

Tujuan utama Diesel adalah membuat mesin yang dapat menggunakan berbagai bahan bakar

PerbandinganPerbandingan Diesel Diesel vsvs OttoOtto


Diesel Otto• Internal combustion• No ignition

• Internal combustion• Requires ignition

• reciprocating engines • reciprocating engines

• higher compression ratio• 14:1 - 24:1

• lower compression ratio• limited by the air-fuel mixture

entering the cylinders• 10:1 most cars = 7:1

Power is a direct function of the amount of fuel burned in the cylinders. Power is limited solely by the amount of fuel injected into the engine cylinders

Power is indirectly controlled bythe butterfly valve in the carburetor and the amount of fuel entering the engine.

PrinsipPrinsip DasarDasar Diesel EngineDiesel Engine


• Campuran udara-bahan bakarberbentuk gas diberikan tekanansehingga suhunya meningkatmencapai 7000 – 9000 C atau 13000 –16500 C.

• Pada tekanan dan suhu tinggicampuran udara-bahan bakarterbakar dan menghasilkan daya yang mendorong piston kembali kebawah direct power transfer

• Jenis mesin disel: • 2 - langkah• 4 - langkah.

• Kecepatan mesin diesel :• High-speed : ≥ 1200 rpm• Medium-speed : approximately

300 to 1200 rpm• Low-speed about 60 to 100 rpm,http://auto.howstuffworks.com/diesel-two-stroke1.htm

Pembakaran (ledakan) terjadi saat langkah kompresi

Diesel CycleDiesel Cycle


Process a – b Adiabatic Compression Win

Process b – c Fuel injection and combustion at constant pressure Qin

Process c – d Adiabatic Power Expansion Wout

Process d – a Exhaust at constant volume Qout

Wout

Win

http://auto.howstuffworks.com/diesel-two-stroke1.htm

Skematik Langkah-langkah dalam Mesin Diesel


Induction Stroke (Langkah Hisap/Induksi) : Udara luar dihisapmelalui katup hisap. Jumlah udara yang dihisap kedalam ruangsilinder menentukan daya yang akan dihasilkan saat prosespembakaran. Secara teoritis langkah induksi akan dimulai padaTDC dan berhenti saat piston mencapai BDC. Secara praktis, untukmengatasi delay katup mekanikal dan inersia udara masuk sertamengambil keuntungan momentum gas exhaust, maka langkah inidimulai dan berakhir secara bervariasi pada posisi batang piston 00, 1800, 3600, 5400, dan 7200.

1

http://www.kruse-ltc.com/Diesel_LTC/diesel_ltc_cycle.php#

2

Compression Stroke (Langkah Tekan) :Dimulai saat kepala piston bergerak keatas katup hisap dan

katup buang tertutup. Tekanan dan suhu udara meningkat sampai pada titik bakar dari bahan bakar yang diinjeksikan kedalam ruang

silinder. Pada langkah ini pemisahan antara udara dan bahan bakar dapat menghindarkan terjadinya ‘auto ignition’, sehingga mesin Diesel dapat beroperasi pada tekanan yang lebih tinggi.


3

Compression Ignition (Langkah Kompresi Bakar)Langkah kompresi bakar terjadi saat bahan bakar yang di-injeksikan langsung kedalam silinder oleh fuel injector bertekanan tinggi, secara spontan terbakar.Pada mesin diesel konvensional semua bahan bakar di-injeksikan kedalam silinder, akan tetapi untuk mengurangi terbentuknya NOxmaka pada mesin diesel baru (LTC = Limited Temperature Cycle) hanya sebagian bahan bakar yang di-injeksikan secara langsung kedalam silinder sehingga membatasi suhu pembakaran. Full power dicapai dengan meng-injeksikan sisa bahan bakar tersebut pada saat langkah daya (power stroke).

4

Power Stroke (Langkah Daya)Langkah Daya dimulai saat bahan bakar yang di-injeksikan

kedalam silinder dan udara secara spontan terbakar dan menimbulkan tekanan yang kemudian mendorong piston

kebawah.Pada saat ini, sisa bahan bakar yang sengaja dilakukan

pada langkah kompresi di-injeksikan kedalam silinder


5

Exhaust Stroke (Langkah Buang)Langkah Buang merupakan langkah yang kritis seperti pada langkah hisap. Proses yang terjadi harus halus dan efisien. Gas yang dihasilkan pada langkah bakar dibuang dari silinder melalui katup buang. Diharapkan semua gas yang terbentuk dapat dibuang karena sisa gas akan menempati ruang silinder dan mengurangi volume udara yang akan dihisap pada saat langkah hisap. Berkurangnya volume udara yang dihisap akan mengurangi terbentuknya daya maksimum.

6

Exhaust and Inlet Valve OverlapKatup buang dan hisap bekerja secara overlap pada saat

transisi antara langkah buang dan hisap. Hal ini merupakan kebutuhan praktis setiap mesin bakar agar katup mekanikal

(buang dan hisap) beroperasi secara efisien. Katup hisap perlu terbuka sebelum piston mencapai TDC saat langkah buang.

Demikian juga halnya untuk membuang semua gas hasil pembakaran maka katup buang harus tetap terbuka setelah

piston mencapai TDC ada saat dimana kedua katup terbuka.

Efisiensi termal maksimum siklus diesel : tergantung pada rasio kompresi dan rasio cut-off

1111 1,

rDieselth

spesifikkalorrasiocc

kompresirasioVVr

offcutrasioVV

v

p

2

1

2

3


12

3

2

3

2

3

112

11

2

1

1

2

1

rT

T

TT

VV

rTT

rVV

TT T3 suhu nyala bahan bakar – suhu

nyala adiabatik

T2 suhu bahan bakar inlet


The 2The 2--stroke diesel cycle.stroke diesel cycle.

The The 44--stroke diesel cycle.stroke diesel cycle.


IsuIsu EkologiEkologi –– Gas Gas BuangBuang MesinMesin DieselDiesel

• Rasio tekanan dan suhu pembakaran yang tinggi dalam mesin diesel mesin diesel melepaskan extra pollutant ke udara seperti gas NOxyang berbahaya

• Pengembang mesin diesel menciptakan mesin yang menghindarkan pelepasan gas Nox ke udara BlueTec – Mercedez menggunakan 2 komponen katalik untuk merubah gas Nox


NH3 + NOx N2 + H2 O

BlueTec System


http://www.greencarcongress.com/2006/01/daimlerchrysler.html

ContohContoh mesinmesin diesel diesel


The 6.0-liter V-12 of the Enzo Ferrari

2008 - Mercedes-Benz C63 AMG

Subaru Boxer Turbodiesel

SiklusSiklus StirlingStirling


Stirling Cycle


Stirling engineMenghasilkan konversienergi kalor menjadi energimekanik dengan merubah-rubah kompresi dan ekspansiudara dalam jumlah yang konstan pada suhu yang berbeda-beda

• Ditemukan pada 1816 oleh Robert Stirling menjadi kompetitor Mesin Uap• Menjadi populer saat ini karena menggunakan udara (environmental friendly) disebut juga hot air engine

• Merupakan siklus tertutup disebut juga closed-cycle regenerative heat engine

Stirling Engine Types


1. Alpha Type 1. Alpha Type 2. Beta Type 2. Beta Type 3. GammaType 3. GammaType

Konfigurasi Stirling Engine


Alpha Type

Gamma TypeBeta Type

Thermal Distribution


Alpha Type

THotCold

qin

qoutTH

TL

1 2

3 4

Alpha Type


Beta Type


Silinder panas

Silinder Dingin

Inlet/Outlet cairan pendingin

Insulator kalor –memisahkan silinder panas dan dingin

Pemisah piston

Piston daya

Fly-wheel

http://gardeningisfun.files.wordpress.com/2008/02/stirling-engine.jpg

Stirling Type


Lemman Engine Betha Stirling Engine

Air engine

http://www.ent.ohiou.edu/~urieli/stirling/engines/beta.html

PerbandinganPerbandingan SiklusSiklus StirlingStirling dandan


11CompressionCompression

Compression Space

Compression Space

Compression Space

Compression Space

Expansion SpaceExpansion Space

Expansion SpaceExpansion Space

RegeneratorRegenerator

Displacer

Displacer

Displacer

Displacer

22

DisplacementDisplacement

33

ExpansionExpansion

33DisplacementDisplacement

RegeneratorRegenerator

Bet

a C

onfig

urat

ion

Alp

ha C

onfig

urat

ion

Stirling Type


http://www.odts.de/esg/ST5engl.html


Kalor input memanaskan silinder kiri terjadi ekspansi udara sehingga menggerakan piston kiri kebawah dan piston kanan bergerak keatas

Kalor dilepaskan pada volume konstan. Gas panas dilewatkan ke regenerator terjadi pendinginan

Gas mengalami kompresi pada suhu rendah gas melepaskan kalor ke tandon dingin

Penambahan kalor terjadi pada volume konstan. Gas dialirkan kembali melalui regenerator dengan membawa kalor yang masih tersisa pada proses 2.

Termodinamika Siklus Stirling type


Diagaram P-V

Diagaram T-S

qin

qout

qin

qout

Siklus Stirling adalah siklus reversibel penuh sehingga sama dengan termodinamis siklus Carnot

TH

TL

H

LStirlingth T

T 1,

Gamma Type

Karakteristik Mesin Stirling

• Gas yang digunakan harus mempunyai kapasitas kalor yang rendah kalor yang diterima menghasilkan peningkatan tekanan yang tinggi, misalnya HIDROGEN, HELIUM, METANA, AMONIA

• Mesin Stirling merupakan mesin external combustion perlu pemanasan ‘warming up time’ sebelum mulai bekerja hanya baik untuk mesin berkecepatan konstan

• Menghasilkan daya output yang konstan untuk mengubah-ubah daya output diperlukan mekanisme tambahan

• Selain regenerator, mesin Stirling memerlukan heat exchanger pada kedua silinder penerima kalor (bagian panas) dan pelepas kalor (bagian dingin)

• Mesin Stirling bekerja pada beda suhu yang tinggi pada bagian panas dan dingin material heat exchanger harus dipilih yang memiliki konduktivitas kalor tinggi sedangkan material silinder harus tahan panas


Penggunaan Mesin Stirling• Power Station• Solar Power generator• Cryogenic Cooling• Heat Pump• Aircraft, Ship and Automotive Engines


Keunggulan• Dapat menggunakan sumber kalor secara langsung• Mempunyai komponen-komponen mesin yang sederhana• Cukup aman karena tidak menggunakan bahan bakar yang flamable• Waste heat yang dihasilkan dapat digunakan kembali dalam proses

atau langkah siklus selanjutnya

Kelemahan• Memerlukan heat exchanger sehingga pemilihan material menjadi

faktor yang sangat krusial• Mekanisme disipasi kalor cukup rumit

Power GenPower Generator erator DenganDengan Renewable Renewable Energy SouEnergy Sourcerce


Wave Energy


http://www.engineering.lancs.ac.uk/lureg/group_research/wave_energy_research/wraspa.php

http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2007/06/

Wind Energy


Solar Energy



SIKLUS BRAYTONSIKLUS BRAYTON

Brayton’s Cycle


Ditemukan oleh George Baily Brayton, walaupun tidak mencapai sukses komersial karena kurang kompak dan efisien dibandingkan spark-ignition engines (Otto engine)

Frank Whittle menemukan keterbatasan piston driven engine untuk mesin pesawat berkecepatan tinggi dibutuhkan mesin yang berbasis continuous flow turbine diperlukan pembakaran terjadi pada tekanan konstan siklus Brayton digunakan pada mesin propulsion untuk pesawat

Jenis Siklus Brayton


1, Jenis Siklus Terbuka

2, Jenis Siklus Tertutup

Mesin Pesawat jenis propulsion

Turbine Gas untuk pembangkit tenaga listrik

Siklus Brayton Terbuka


Salah satu contoh Siklus BraytonTerbuka adalah turbojet continuous flow

1) Udara Intake dalam sebuahcompressor assembly prosesyang terjadi dalam kondisiadiabatik

2) Bahan bakar kemudian dicampurdengan udara bertekanan dandibakar dalam combustion chamber proses terjadi padatekanan konstan

3) Gas panas hasil pembakarandalam combustion chamber dialirkan kearah belakang untukmemperoleh daya dorong. Alirangas panas juga memutar turbin dankompresor.

Contoh Mesin TurboJet Pesawat



JENIS MESIN JENIS MESIN PESAWATPESAWAT

Primary Air Stream

Air Inlet

Outer Nozzle

Fuel Injection

TurbineHot

Gases

Inner Nozzle

Combustion Chamber

CompressorFuel

InjectionTurbine

NozzleCombustion Chamber

Compressor

Hot Gases

Nozzle

Burner

TURBOFANTURBOFAN

TURBOJETTURBOJET

Hot Gases

Air Inlet

RAMJETRAMJET

Diffuser

Duct Fan

Secondary Air Stream

Siklus Brayton Tertutup


Siklus Brayton Tertutup umumnyadigunakan dalam Power Plant

Untuk Pembangkit Listrik TenagaUap (PLTU) :

• Uap panas dihasilkan melaluipembakaran fluida kerja uappanas dialirkan ke turbin kerjaW dihasilkan

• Uap panas dari turbin didinginkandan dialirkan kembali kekompresor dipanaskan untukdialirkan kembali turbin

• Kemungkinan digunakansecondary heat exchanger memanfaatkan kalor exhaust untuk pemanasan awal fluidakerja efisiensi energi

Termodinamika Siklus Terbuka


1 2

3

Jet-Propulsion Cycle

Perubahan Tekanan, Suhu dan kecepatan aliran fluida dalam siklus Brayton terbuka

Tekanan exhaust diharapkan sebesar mungkin karena digunakan sebagai thrust atau daya dorong pesawat


Mesin Pesawat Turbofan


Proses After Burner dalam Mesin Turbo Jet


Proses afterburner adalah penambahan kalor pada fluida kerja pada tekanan konstan bahan bakar ditambahkan pada gas exhaust dan membakarnya kembali

Termodinamika Siklus Tertutup


1

2 3

4

Kinerja Termodinamis Siklus Tertutup


Dalam satu siklus lengkap maka energi dalam = 0

Kerja total yang dihasilkan adalah total kalor yang terjadi dalam sistem :

dimana

adalah kalor yang dilepaskan

adalah kalor yang ditambahkan melalui combustor dan

a

b c

d

q1

q2

Kerja total per satuan massa

Sehingga efisiensi termodinamik sebagai fungsi suhu menjadi :

Pada proses a – d dan b – c diperoleh :

Sehingga diperoleh juga

Maka efisiensi termodinamik siklus BraytonDalam fungsi suhu menjadi :


Jika rasio suhu dinyatakan sebagai :

maka efisiensi termodinamika dapat dituliskan sebagai :

dimana TR dan PR adalah rasio suhu dan rasio tekanan yang terjadi pada kompresor

Untuk memperoleh efisiensi termodinamik yang tinggi maka TR >> tetapi rasio suhu yang besar menyebabkan suhu fluida kerja yang meninggalkan kompresor mendekati suhu fluida kerja yang masuk kedalam turbin akibatnya : Tb Tc Hal ini berarti kerja

0 atau menjadi kecil

Rancangan berbasis efisiensi termal maksimum tidak efektif


Kriteria yang lebih bermakna adalah menggunakan kriteria daya per unit massa, sehingga :

Kerja per unit massa

dimana Ta = suhu udara luar Tb = suhu keluar kompresorTc = suhu maksimum masuk turbin Td = suhu maksimum meninggalkan turbin

Oleh karena suhu udara luar dianggap tetap maka dTc dan dTa menjadi =0 sehingga Kerja Maksimum terjadi jika :

sedang

sehingga rasio suhu Kompresor untuk memperoleh kerja maksimum :adalah :


Kerja per unit massa

Sehingga Daya yang dihasilkan dapat dinyatakan :

Dengan merubah-rubah rasio suhu


maka untuk rasio kompresi yang sama diperoleh kerja yang lebih besar

REGENERATORREGENERATOR


• Dalam gas-turbine engines suhu gas (udara) yang meninggalkan turbin tdsangat tinggi t d ta, maka udara udara bertekanan tinggi yang meninggalkan kompresor dapat dipanaskan dengan kalor dari udara yang meninggalkan turbin .

• Pemanasan udara yang meninggalkan kompresor dilakukan melalui counter-flow heat exchanger REGENERATOR atau RECUPERATOR

Vertical Regenerator Horizontal Regenerator

COUNTERFLOW REGENERATORCOUNTERFLOW REGENERATOR


KOMPRESOR TURBIN

REGENERATOR

RUANGBAKAR

1

2 3

45

6Kalor regenerasi dihasilkan pada proses: 2 – 5 kalor dapat dihitung melalui keseimbangan masa dan energi

adalah energi yang ditambahkan kedalam sistem dengan adanya regenerator

PENINGKATAN KINERJA AKIBAT REGENERATORPENINGKATAN KINERJA AKIBAT REGENERATOR


• menunjukkan bahwa generator tidak mempengaruhi kinerja turbin

• regenerator dapat memindahkan energi dari bagian luaran turbin ke bagian luaran kompresor sehingga kalor yang diperlukan untuk mencapai titik kerja asupan turbin berkurang qin berkurang

Efisiensi thermal siklus Brayton tanpa regenerator adalah :

Efisiensi thermal siklus Brayton dengan regenerator adalah :

SIKLUS BRAYTON AKTUALSIKLUS BRAYTON AKTUAL


Pada kenyataannya (kondisi aktual) kompresor atau turbine tidak bekerja pada kondisi isothermal atau isentropik terjadi irreversibility yang mempengaruhi efisiensi termal th

Siklus aktual digambarkan oleh garissedangkan siklus ideal oleh garis

Akibat friksi antara fluida dan pipa maka• terjadi pressure drop pada proses qin dan qout• terjadi kenaikan entropi selama proses

dilakukan oleh kompresor dan turbinpergeseran titik 2s ke 2a dan 4s ke 4a

qin

qout

Kerja turbin menurun dan kerja input kompresor meningkat

SIKLUS BRAYTON MULTISTAGESIKLUS BRAYTON MULTISTAGE


Efisiensi total = Efisiensi masing-masing bagian

qin,total = qin,A + qin,B

Worknet = Workout,A + Workout,B

Keuntungan utama : efisiensi tinggi dan rasio tekanan rendah pada siklus regenerator sehingga ukuran regenerator cukup kecil

Conventional Aircraft Engines


BAHAN KULIAH 1 - GAS POWER CYCLES.pdf

Documents

Transcript of BAHAN KULIAH 1 - GAS POWER CYCLES.pdf