Teori Dasar Turbin Gas

of 87 /87
BAB 1 BAB 1 PENDAHULUAN PENDAHULUAN 1.1. Definisi Konversi energi adalah cara untuk merubah energi dari satu sistem ke sistem yang lain. Misalnya energi listrik diubah menjadi energi mekanik, energi mekanik diubah menjadi energi listrik, energi elektromagnetik diubah menjadi energi mekanik dan lain sebagainya. 1.2. Jenis dan Klasifikasi Energi Dua jenis umum energi, yaitu : - Energi transisional : peralihan/hasil, misalnya kerja. - Energi tersimpan : laten, misal bentuk energi kinetik. Klasifikasi utama : - Energi mekanik - Energi listrik - Energi elektromagnetik - Energi kimia (reaksi eksotermis) - Energi nuklir - Energi panas (termal)

description

Sistem PembangkitPelajaran Konversi Energi

Transcript of Teori Dasar Turbin Gas

Page 1: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 1 BAB 1 PENDAHULUANPENDAHULUAN1.1. DefinisiKonversi energi adalah cara untuk merubah energi dari satu sistem ke sistem yang lain. Misalnya energi listrik diubah menjadi energi mekanik, energi mekanik diubah menjadi energi listrik, energi elektromagnetik diubah menjadi energi mekanik dan lain sebagainya.

1.2. Jenis dan Klasifikasi EnergiDua jenis umum energi, yaitu :- Energi transisional : peralihan/hasil, misalnya kerja.- Energi tersimpan : laten, misal bentuk energi kinetik.Klasifikasi utama :- Energi mekanik- Energi listrik- Energi elektromagnetik- Energi kimia (reaksi eksotermis)- Energi nuklir- Energi panas (termal)

Page 2: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 1 PENDAHULUANBAB 1 PENDAHULUAN

Energi termal adalah bentuk energi dasar, artinya semua bentuk energi

lain dapat dikonversi secara penuh ke energi ini, tetapi pengkonversian

energi termal menjadi bentuk energi lain dibatasi oleh hukum kedua

termodinamika.

1.3. Sumber Energi- Energi perolehan (income energy)Energi yang mencapai bumi dari luar angkasa. Sumber energi perolehan yang berguna hanyalah energi elektromagnetik dari matahari (energi surya) dan energi potensial dari bulan yang menghasilkan aliran pasang.

Keuntungan : • Sumber yang kontiyu/tak terhabiskan• Bebas polusi

- Energi modal (capital energy)

Page 3: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 1 PENDAHULUANBAB 1 PENDAHULUAN

Energi yang telah ada pada atau di dalam bumi. Energi modal berupa

energi atom dan panas bumi. Energi atom dilepaskan sebagai hasil reaksi

yang melibatkan atom-atom (reaksi nuklir, kinetik). Energi panas bumi

adalah energi panas yang terperangkap di bawah dan di lapisan padat

bumi. Energi panas bumi berbentuk uap panas, air panas, bahan bakar

fosil.

1.4. Produksi Energi Termal

Bentuk-bentuk energi dapat dikonversi menjadi energi termal.

Pengkonversian energi termal menjadi bentuk energi lain adalah terbatas

pada harga yang lebih kecil dari 100%.

Page 4: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 1 PENDAHULUANBAB 1 PENDAHULUAN1.4.1. Konversi energi mekanik- Gesekan adalah hasil konversi energi mekanik menjadi energi termal.

- Proses-proses teknik banyak berkaitan dengan gesekan baik yang

menguntungkan maupun yang merugikan.

1.4.2. Konversi energi listrik- Konversi menjadi energi termal muncul sebagai bentuk kerugian

sebesar IE atau I2R.

- Kerugian terjadi pada kawat yang dialiri arus IA dengan tahanan R Ωsebagai hasil perbedaan potensial E V. besaran laju konversi adalah

Watt.

1.4.3. Konversi energi kimia

- Energi termal dihasilkan dari reaksi kimia eksotermis, yaitu reaksi

pembakaran.

Page 5: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 1 PENDAHULUANBAB 1 PENDAHULUAN

- Contoh : produksi CO2 dari C

2 C + O2 → 2 CO + 2 Qc – c o

Qc-co = 110,38 kJ/(kg.mol c)

2 CO + O2 → 2CO2 + 2 Qco – co2

Qco-co2 = 283,18 kJ/(kg.mol.CO)

1.4.4. Konversi Energi Nuklir

Dikenal tiga reaksi utama yang menghasilkan energi termal, yaitu :

peluruhan radioaktif, fisi dan fusi.

1.4.5. Konversi energi elektromagnetik

Konversi energi elektromagnetik menjadi energi termal dilangsungkan

dalam beberapa jenis proses absorpsi.

Page 6: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 1 PENDAHULUANBAB 1 PENDAHULUAN

- Absorpsi volumetrik : untuk radiasi energi tinggi (sinar x, sinar γ)

- Absorpsi permukaan : untuk beberapa bahan.

Page 7: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASPada prinsipnya energi mekanis adalah hasil konversi energi panas atau konversi langsung energi listrik. Konversi energi panas ke energi mekanis terjadi pada beberapa jenis mesin kalor yang bekerja berdasar siklus mesin kalor termodinamika dengan efisiensi tertentu.

2.1. Siklus Daya TermodinamikaSetiap siklus termodinamika terdiri dari serangkaian proses termodinamika yang mengembalikan fluida kerja ke keadaan semula. Fluida kerja digunakan untuk produksi daya. Produksi daya, efisiensi dan peningkatan potensi berbagai sistem dianalisis dari siklus termodinamik. Selama proses berlangsung, satu sifat biasanya dalam keadaan konstan, seperti :- Isotermis : temperatur (T) konstan- Isobar : tekanan (P) konstan- Isometris : volume (V) konstan- Isentropis : entropi (s) konstan- Adiabatis : tanpa perpindahan panas- Throtling : entalpi konstan (h)

Page 8: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASProses adiabatis yang dapat dibalik (reversible) merupakan proses isentropis.

2.2. EfisiensiGambaran keuntungan dari siklus termodinamika didefinisikan sebagai

rasio antara keluaran energi yang dikehendaki dibagi dengan energi yang diberikan. Rasio tersebut adalah efisiensi termal (ηth)

disuplaiyangenergi

bermanfaatyangenergikeluaran th=

th=

energimasuk laju

dayakeluaran == (2.1)

η

Page 9: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANAS

Sumber KalorTH

Sistem

TLPenyerap Kalor

Perpindahan Kalor QH, kalor suplai

QL, kalor ditolakPerpindahan Kalor

Keluaran bersih

W

QH (+)QL (-)

Gambar 2.1. Sistem Termodinamik Penghasil Daya (pada motor bakar)

Page 10: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASBesar efisiensi termal,

Untuk sistem yang rumit,

Hth Q

Wη = (2.2.a)

Hth ΣQ

ΣWη = (2.2.b)

Sumber dan penyerap kalor adalah bagian sekeliling dimana sistemmenukar energi dengan perindahan kalor.

Menurut gambar 2.1, besar daya adalah :

LQQW H −= (2.3)

Sehingga,H

LHth Q

QQ −=η

H

Lth Q

Q−=1η (2.4)

Page 11: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASPersamaan (2.4) menggambarkan bahwa siklus daya adalah terbatas, yaitu ditentukan oleh tingkat temperatur dimana energi kalor dapat diterima atau ditolak.

2.3. Siklus mesin kalor Dapat Balik (Reversible)

Siklus daya yang secara total dapat-balik akan memeberi efisiensi termis maksimum. Hal ini terjadi pada mesin kalor ideal atau yang paling efisien. Menurut Hawkins, proses dikatakan reversibel bila :

- Proses dapat dibalik

- Benda kerja selalu dalam keadaan setimbang selama proses

- Tak ada transformasi energi sebagai akibat dari rugi-rugi gesekan.

Menurut Keenan, reversibel bila sistem dan elemen sekelilingnya dapat dikembalikan secara menyeluruh ke keadaan semula sesudah menjalani beberapa proses. Dalam prakteknya tidak ada proses reversibel. Semua proses alami adalah irreversibel.

Page 12: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASBeberapa fenomena yang menbuat setiap proses termodinamika menjadi irreversible :

- Gesekan

- Ekspansi yang ditahan

- Pencampuran beberapa zat yang berbeda

- Perpindahan panas karena perbedaan temperatur yang nyata

Ada tiga siklus daya ideal yang merupakan siklus daya yang secara total dapat-balik, yaitu siklus Carnot, siklus Ericson dan siklus Stirling.

2.4. Siklus Carnot

Carnot adalah yang pertama memakai suatu siklus dalam penalaran termodinamik, siklus itu secara eksternal dapat-balik.

Page 13: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANAS

EC G

sumber

Penukar kalor

QL

QH

a

b c

d

TH

(a)penyerap

Penukar kalor

T

S

THP

V

TL

b

a

c

db

a

d

c

QL

QH

Vd

Tc

Va(b) (c)

Gambar 2.2. Siklus Carnot

(a) sketsa perlengkapan

(b) diagram T-S

(c) diagram P-V

Page 14: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASProses melingkar Carnot terdiri dari empat proses reversibel :1.1. b-c : ekspansi isotermal

Sistem dikontakkan dengan reservoir panas temperatur konstan TH dan menyerap panas QH. Volume berubah dari Vb ke Vc. Sistem melakukan kerja W2.

1.2. c-d : ekspansi adiabatikTemperatur turun dari TH ke TL. Volume berubah dari Vc ke Vd dan kerja ekspansi sebesar W’.

1.3. d-a: kompresi isotermalSistem dikontakkan dengan reservoir dingin temperatur konstan TL dan memberi panas QL pada reservoir dingin. Sistem menerima kerja kompresi sebesar W1 dan volume berkurang dari Vd ke Va.

1.4. a-b: kompresi adiabatikSistem menerima kerja kompresi sebesar W” hingga volume berkurang dari Va ke Vb.

Untuk gas ideal, kerja pada tiap proses adalah :Kerja ekspansi isotermal b-c

Page 15: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANAS

==

c

b

V

V b

cH2 V

V.lnm.R.Tp.dvW

Kerja ekspansi adiabatik c-d

∫−=d

cdUW ' (dQ = 0; dW = -dU)

∫−= L

H

T

T vdTCm dQ=dU+dW

).(. HLV TTCm −−=

).(. LHV TTCm −=

Kerja kompresi isotermal d-a

Va∫ ==Va

Vd L1 )Vb

.ln(m.R.Tp.dVW

Page 16: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASKerja kompresi adiabatik a-b

)Tm.Cv(T.dTCvmdUW" LH

b

a

T

T

H

L

−−=−=−= ∫ ∫Kerja bersih proses melingkar Carnot

)

"' 12 WWWWW +++=

Tm.Cv.(T)VdVa.ln(m.R.T)Tm.Cv.(T)

VbVc.ln(m.R.T LHLLHH −−+−+=

)VaVd.ln(m.R.T)

VbVc.ln(m.R.T LH −= (2.5)

Dari proses ekspansi adiabatik c-d dan kompresi adiabatik a-b diperoleh :

TH.Vcγ-1 = TL.Vd

γ-1 (2.6)

TH.Vbγ-1 = TL.Va

γ-1 VaVd

VbVc =

CvCp=γ

Page 17: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASPada proses ekspansi isotermal b-c dan kompresi isotermal d-a, energi dalam gas ideal adalah konstan, maka :

W2 = QH ; W1 = QL (2.7)

Kerja bersih siklus Carnot menjadi,

W = QH - QL (2.8)

Efisiensi termis,

H

L

H

LH

H

LH

H

LH

Hth

TT

TTT

VbVcTRm

VaVdTRm

VbVcTRm

QQQ

QW

−=−

=

−=

−==

1

)ln(...

)ln(...)ln(...

η

(2.9)

Page 18: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASHubungan antara panas dan temperatur,

H

L

H

L

TT

QQ = (2.10)

2.5. Refrigerator Carnot

Proses melingkar Carnot adalah proses reversibel, maka proses dapat dibalik. Proses yang dibalik ini disebut refrigerator Carnot.

W

QL TL

TH

QH

Reservoir panas

Reservoir dingin

W

QL TL

THQH

(a) (b)

Gambar 2.3. (a) Siklus Melingkar Carnot

(b) Siklus Melingkar Carnot

Page 19: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASRefrigerator Carnot menerima kerja luar W dan menyerap panas QL dari

reservoir dingin temperatur TL dan memberikan panas QH ke resservoir panas temperatur TH.

Kerja yang diterima,

W = QH – QL (2.11)

Koefisien performance,

LH

L

LH

L

L

TTT

QQQ

WQc

−=

−=

= (2.12)

(2.13)

Dari persamaan (2.12) dan (2.13) diperoleh,

Page 20: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANAS

H

L

H

L

TT

QQ = (2.14)

Kesimpulan :

- Konversi secara kontinyu dari panas menjadi kerja hanya mungkin terjadi pada mesin yang bekerja periodik.

- Direct cycle terjadi pada mesin-mesin panas sedang reserved cycle terjadi pada pesawat pendingin dan pompa.

- Panas dari reservoir dingin tidak dapat diubah menjadi kerja.

- Efisiensi proses melingkar Carnot yang ideal tidak akan pernah mencapai 1.

Page 21: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANAS2.6. Siklus Ericson

Siklus Ericson adalah siklus mesin kalor yang dapat balik. Siklus ini terdiri dari dua proses isotermis dapat-balik dan dua proses isobar dapat-balik.

T

S

T H

T L

Q H

Q L

p = c p = cReg

21

34

P

V

3

Q H

Q L

T L = c T H = cReg

2

14

Page 22: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASRegenerator

2

314

QL Q H

W

Kompresor Turbin

Gambar 2.4. Siklus Tenaga dan Mesin Ericson

Peristiwa espansi dan kontraksi pada tekanan konstan memerlukan renegerator dimana kalor yang dipindahkan dari fluida kerja selama kontraksi dari 2 ke 3 adalah sama dengan kalor yang diterima fluida kerja selama ekspansi dari 4 ke 1. hal ini dengan anggapan bahwa efektivitas renegerator adalah 100%.

Efisiensi termal siklus Ericson sama dengan efisiensi termal siklus Carnot yang berlangsung di antara temperatur TL- dan TH yang sama.

Page 23: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANAS2.7. Siklus StrirlingSiklus Strirling juga suatu siklus mesin kalor dapat balik secara eksternal yang terdiri dari dua proses isotermis dapat-balik. Siklus ini juga menggunakan regenerator untuk perpindahan panas dapat-balik dari/dan/ke fluida kerja selama proses isokhoris/isometris.

T

S

TH

TL

QH

QL

v = cReg

21

34

P

V

3

QH

QL

TH = c

Reg 2

1

4

Page 24: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANAS

2

314

QL QH

W

Kompresorisotermal

Ekspander eksotermal

Regenerator

Gambar 2.5. Siklus Tenaga dan Mesin Stirling

Efisiensi termal siklus Stirling sama seperti siklus Carnot dan Ericson

untuk temperatur kerja TH dan TL yang sama.

Page 25: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANAS

TH TL

TLTH

TH TL

TH TL

TLTH

Regenerator

3

4

2

1

Gambar 2.6. Motor Bakar Siklus Sirling yang Diidealkan

Page 26: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 2 BAB 2 KONVERSI ENERGI PANASKONVERSI ENERGI PANASWalaupun siklus Carnot, Ericson dan Stirling adalah siklus ideal, namun telah meletakkan pondasi pemahaman konversi energi panas ke energi mekanik dan dipakai sebagai dasar rancangan mesin-mesin kalor (motor bakar, turbin, refrigerator).

Page 27: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

Motor bakar (internal combustion engines) adalah sistem daya yang menghasilkan energi dari proses pembakaran didalam ruangan.Ø Motor bakar tidak bisa beroperasi dalam siklus mesin kalor dapat-balik

eksternal, tetapi didekati dengan siklus dapat-balik internal dimana seluruh proses dapat-balik kecuali pemberian panas dan pengambilan panas.

Ø Kelebihan motor bakar adalah mempunyai efisiensi termis tinggi karena siklus operasi mesin yang bolak-balik (reciprocating).

Ø Kekurangan motor bakar adalah resiko pencemaran lingkungan karena pembentukan oksida-oksida nitrogen, CO dan hidrokarbon tak terbakar.

3.1. Siklus Otto

Siklus Otto adalah siklus daya termodinamika dasar dari motor bakar dengan pembakaran nyala (spark ignition = SI) atau lebih dikenal dengan motor bensin. Terdapat empat proses dalam siklus ini dan diplot pada koordinat P-V dan T-S seperti gambar 3.1.

Page 28: Teori Dasar Turbin Gas

Siklus ini dikenal sebagai volume konstan, karena semua penambahan dan penolakan kalor terjadi pada volume konstan. Secara teoritis suatu campuran udara-bahan bakar ditekan (proses 1-2) secara dapat-balik dan adiabatis sampai volume minimum (piston di titik mati atas). Campuran kemudian dibakar dengan mencetuskan nyala api busi dan energi ditimbulkan dalam proses isometris dapat-balik (proses 2-3, V = Vmin). Gas panas kemudian berekspansi dalam proses adiabatis dapat-balik (proses 3-4, S = Smak), dan panas dibuang ke atmosfir (langkah pembuangan dan pembilasan) dalam proses isometris dapat-balik (proses 4-1, V = Vmak). Proses terakhir sebenarnya terjadi di atmosfir karena gas bekas dibuang dan diganti dengan udara baru.

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKARP

S mak

S minV mak

V minQH

QL

3

2

4

1

T

V mak

QH

QL

S mak

S min

V min3

2

4

1

TH

TL

S SGambar 3.1. Siklus Daya Otto

Page 29: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

Parameter penting siklus Otto ialah perbandingan kompresi, rv, yaitu perbandingan antara volume maksimum dan minimum.

3

4

2

1

min

makv V

VVV

VV

r === (3.1)

Dengan pengandaian yang dinyatakan untuk siklus gas ideal, efisiensi siklus Otto adalah :

γ)(1v

2

1th r1

TT

1η −−=−= (3.2)

Harga efisiensi ini lebih rendah daripada siklus Carnot, karena T2 ≠ TH. Jika siklus Otto secara total dapat-balik, efisiensi termis menjadi (1 – T1/T3) yang mempunyai harga lebih tinggi dari (1 – T1/T2). Upaya memperbaiki efisiensi :

- Mempertinggi perbandingan kompresi

- Memakai fluida dengan γ tinggi

Upaya yang efektif adalah menaikkan rv.

Page 30: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

3.2. Siklus Diesel

Siklus Diesel merupakan siklus mesin kalor termodinamika yang ideal untuk mesin pembakaran dalam dengan pengapian kompresi (compression ignition = CI) yang biasa disebut mesin diesel.

Dalam sistem ini, udara ditekan sampai volume yang sangat kecil,sehingga mempunyai tekanan dan suhu tinggi. Di dekat TMA, bahan bakar disemprotkan ke dalam udara panas dan segera terbakar di dalam silinder. Pengaruh kombinasi antara bahan bakar dan penambahan volume membuat proses penambahan panas mendekat proses isobar.

Pada langkah tertentu (fuel-cutoff) pemberian bahan bakar dihentikan dan piston meneruskan ekspansi secara adiabatis hingga mencapai titik mati bawah (volume maksimum). Pada titik ini, langkah buang dan langkah isap mengerjakan proses pembuangan panas pada volume konstan di atmosfir.

Page 31: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR P

S

S mak

S min V mak

P mak QH

QL

3 2

4

1

T

S

V mak

QH

QL

S mak

S min

P mak 3

2

4

1

Gambar 3.2. Siklus Daya Diesel

Siklus ideal terdiri dari 4 (empat) proses :

- Proses 1-2 : proses kompresi adiabatis (S = Smin)

- Proses 2-3 : proses penambahan panas isobar

- Proses 3-4 : proses ekspansi adiabatis dapat-balik

- Proses 4-1 : proses pembuangan panas isometrik

Page 32: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

Dua parameter penting :

1. Perbandingan volume maksimum dan minimum (rv)

2. Perbandingan volume akhir pemberian bahan-bakar dan volume minimum (rcf)

minimumvolumebalik-bolakinjeksiakhir volumercf = (3.3)

Efisiensi termis ideal :

)1(.

)1(1

)()(

1 )1(23

14

−−=

−−

−= −cfvp

th rr

r

TTCTTCv cf

γ

γ

γη (3.4)

Karena hanya udara saja yang ditekan (proses 1-2) tidak terdapat persoalan

detonasi seperti siklus Otto dan sistem dapat dioperasikan pada rv yang lebih

tinggi. Upaya menaikkan efisiensi adalah dengan mengoptimukan rcf yang

menghasilkan kerja spesifik tinggi.

Page 33: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

3.3. Motor Bakar Torak

Motor bakar torak adalah mesin yang terdiri dari komponen utama piston dan silinder dimana piston bergerak maju mundur (bolak-balik) di dalam silinder. Secara termodinamik, motor bakar torak terdiri dari 2 jenis utama berdasar sistem penyalaan bahan bakar, yaitu :

1. Mesin bensin/motor bensin berdasar siklus Otto

2. Mesin/motor disel berdasar siklus diesel

3.3.1. Istilah umum

Sejumlah peristilahan mesin torak didefinisikan pada gambar 3.3.

Page 34: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

DiameterD

PembuanganPemasukan

Ruang sisa, c

Langkah, L

Batang hubungPena engkolEngkol Poros engkol

Karter

Pena cincinCincin Piston

Silinder TMA

TMB

Gambar 3.3. Daftar Istilah Motor Bakar Aksi Tunggal

Page 35: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

- Diameter (bore)Besarnya diameter silinder

- TMA (titik mati atas)TMD (titik mati dalam)TDC (top dead center)

- TMB (titik mati bawah)TML (titik mati luar)BDC (bottom dead center)

- Langkah (stroke)Jarak terpanjang dimana piston bergerak satu arah

- Ruang sisa (clearance volume)Volume minimum yang terbentuk dalam silinder apabila piston berada pada TMA

- Katup isap (intake valve)Untuk memasukkan udara atau campuran udara-bahan bakar ke silinder

Page 36: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR- Katup buang (exhaust valve)

Untuk membuang hasil pembakaran- Perpindahan piston (displacement volume)

Volume perpindahan piston dari TMA ke TMBBeberapa susunan yang mungkin untuk silinder diilustrasikan pada gambar 3.4.

Tegak V Sudut W

Sudut berhadapan

H

Piston berhadapan Radial

Gambar 3.4. Berbagai Susunan Silinder

Page 37: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR3.3.2. Klasifikasi Langkah DayaBerdasar jumlah langkah yang menghasilkan daya, MBT diklasifikasikan sebagai siklus dua langkah (two stroke) dan empat langkah (four stroke). Mesin siklus empat langkah membutuhkan empat langkah penuh untuk menyempurnakan satu siklus. Keempat langkah tersebut ditunjukkan pada gambar 3.5 dan terdiri dari langkah kompresi (1) dengan semua katup tertutup, langkah kerja (2) dengan semua katup tertutup, langkah buang (3) dengan katup buang terbuka dan langkah isap (4) dengan katup isap terbuka.

4. Isap 2.Ekspansi 3. Buang

Gas keluar

1. Kompresi

Campuran udara-bahan bakar masuk

Gambar 3.5. Motor Bakar Empat Langkah Penyalaan Api

Page 38: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKARKelebihan mesin siklus empat langkah yaitu :

- Penghematan bahan bakar- Pelumasan lebih baik- Pendinginan lebih mudah

Pada mesin ini, daya dihasilkan dalam dua kali perputaran poros engkol. Mesin dua langkah mengkombinasikan empat langkah yang dibutuhkan mesin siklus empat langkah hanya dalam dua langkah saja.

- Langkah kompresiCampuran udara-bahan bakar dan dikompresi, menutup saluran pemasukan lalu saluran pengeluaran. Campuran udara-bahan bakar dan oli masuk karter.

- Langkah ekspansi

Energi pembakaran mengekspansi piston, saluran pengeluaran terbuka sehingga gas terbuang. Kemudian saluran pemasukan terbuka sehingga campuran udara-bahan bakar dan oli masuk silinder dari karter (carter case).

Page 39: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKARPrinsip kerja motor bakar 4 tak

Injektor api/busi

P TC : Top Center

BC : Bottom Center

Page 40: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR• Langkah hisap (intake stroke)

- Piston bergerak dari Titik Mati Atas (TDC) menuju Titik Mati Bawah (BDG)

- Campuran udara + bahan bakar masuk silinder. Untuk menaikkan massa, katup inlet dibuka sebelum langkah dimulai dan ditutup setelah ahir langkah

• Langkah kompresi (compression stroke)

- Katup hisap dan buang tertutup. Campuran dala silinder ditekan

- Mendekati ahir kompresi, pembakaran dimulai, tekanan dalam silinder naik secara cepat

• Langkah keja (Power Stroke) atau langkah expansi

- Gas hasil pembakaran mempunyai tekanan dan temperatur tinggi dan menekan piston bergerak menuju BDC, diteruskan oleh batang torak memutar poros engkol (crank shaft)

Saat piston mendekati BDC, katup buang terbuka. Pembuangan gas dimulai dan terjadi penurunan tekanan dalam silinder.

Page 41: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR• Langkah buang (exhaust stroke)

- Gas keluar silinder karena beda tekanan. Piston bergerak menuju TDC mendorong gas. Saat mendekati TDC katup inlet dibuka dan katup buang ditutup sesaat setelah piston sampai di TDC.Poros engkol berputar 2 kali selama 4 langkah proses. Dan hanya terjadi satu langkah usaha.

Spark plug

Saluran pemasukan

Saluran pengeluaran

crankcase Campuran udara-bahan bakar

Gambar 3.6. Skema Motor Bakar Dua Langkah, Penyalaan Api

Page 42: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKARMesin dua langkah mempunyai keuntungan :- Bagian-bagian yang bergerak sedikit- Berat mesin dapat dikurangi (ringan)- Operasi lebih lancarMesin ini menghasilkan daya hanya dalam sekali perputaran poros engkol.

Page 43: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

Motor 2 tak :

1. Langkah Kompresi

Dimulai denga penutupan katup pemasukan dan katup buang campuran / udara dikompresi dalam silinder. Sementara campuran / udara juga masuk ke dalam “crank case” (rumah poros engkol). Ketika piston mendekati TDC mulai langkah pembakaran.

2. Langkah kerja / expansi

Gas hasil pembakaran mendorong piston menuju BDC, menghasilkan kerja. Ketika piston hampir mencapai BDC, katup buang terbuka, sisa gas keluar. Disusul pembukaan katup pemasukan, campuran / udara dari crank case masuk ke dalam silinder (terjadi pembilasan).

• Pada motor 2 tak, poros engkol berputar 1 kali untuk tiap 2 langkah dan menghasilkan 1 langkah usaha.

• Untuk mesin yang mempunyai ukuran sama, power yang dihasilkan motor 2 tak lebih besar dibandingkan terhadap motor 4 tak.

Page 44: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR3.3.3. Efisiensi VolumetrikMotor bakar torak sering disebut mesin perpindahan positif (positive displacement) karena piston dan elemen-elemen gerak lainnya bergerak melalui volume terbatas pada tiap siklus. Untuk motor bakar aksi tunggal (single acting) besarnya perpindahan piston (PP) sebesar :

L)nD4π(PP 2= (3.5)

dimana n adalah jumlah silinder.Untuk motor bakar aksi ganda,

)Ld2D4πPP 22 −= (3.6)

dengan d adalah diameter batang piston.Laju isapan isian maksimum teoritis untuk siklus dua langkah,

(PP)NV' = (3.7)

N adalah putaran dalam tiap menit (spm).

Untuk siklus empat langkah

Page 45: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

(PP)N/2V' = (3.8)

Secara aktual, setiap motor bakar menghisap lebih sedikit daripada volume fluida

kerja teoritis. Massa fluida aktual yang dihisap tiap siklus dibanding massa fluida

teoritis per siklus yang dihisap disebut efisiensi volumetrik (ηv).

PP/Vam/spmηv = (3.9)

m : laju aliran massa aktual (udara yang disuplai)

Va : volume spesifik fluida pada kondisi sekitar

Persamaan efisiensi volumetris menjadi :

(PP)(spm)mVaηv = (3.10)

Page 46: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR3.3.4. Unjuk Kerja MesinAda beberapa faktor unjuk kerja yang umum untuk semua mesin dan penggerak mula- Bhp (brake horsepower), daya kuda rem

Daya yang diberikan ke poros penggerak oleh mesin. Biasanya daya ini diukur dengan beberapa macam dinamometer seperti dinamometer listrik (generator atau arus eddy), rem air atau rem gesek. Bhp diukur dengan menentukan reaksi dinamometer dengan memakai rumus :

33.000WRNd2Bhp π

= (3.11)

dimana W : gaya reaksi netto dinamometer (lbf)R : jari-jari lengan dinamometer (ft)Nd : kecepatan sudut dinamometer (rpm)

Satuan Bhp adalah kW atau dk atau hp.1 kW = 1,341 hp1 hp = 0,746 kW

Page 47: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR- Ihp (indecated horsepower), daya siklus fluida

Adalah daya yang diberikan kepada piston oleh fluida kerja. Daya ini ditentukan dengan menggunakan diagram indikator. Bhp dan ihp diilustrasikan dengan gambar 3.7.

mesin

ihp

bhp rpm

Gambar 3.7. Ilustrasi Bhp dan Ihp

- Fhp (friction horse power), daya kuda gesekan

Antara daya kuda poros dan daya kuda indikasi selalu terdapat sejumlah kerugian gesekan, sehingga daya berguna lebih kecil dari pada daya masukan. Fhp adalah perbedaan antara Ihp dan Bhp :

Bhp = Ihp – Fhp (3.12)

Catatan : untuk pompa dan kompresor,

Bhp = Ihp + Fhp

Page 48: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

- Efisiensi mekanis (ηm)Adalah kemampuan mesin untuk meneruskan energi mekanis. Efisiensi mekanis adalah perbandingan antara keluaran daya dan masukan daya.

PiPb

IhpBhpηm == (3.13)

Pb = bmep = brake mean effective pressure

= tekanan efektif rata-rata rem

Pi = imep = indicated mean effective preesure

= tekanan efektif rata-rata indikasi

Efisiensi termal poros

Efisiensi termal keseluruhan suatu motor bakar dinyatakan sebagai :

)(bsfc)(LHV3600

)(bsfc)(LHV2545ηth

=

= (British) (3.14)

(SI) (3.15)

Page 49: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 3 MOTOR BAKARBAB 3 MOTOR BAKAR

bsfc = brake specific fuel consumtion=konsumsi bahan bakar spesifik rem

satuan bsfc : lbm/j.hp atau kg/j.kW

Bhpbakarbahan pemakaian bsfc = (3.16)

LHV = lower heating value

= nilai pembakaran bawah

satuan LHV : Btu/lbm atau kJ/kg

konversi satuan

bsfc 1 lb/jhp = 0,6084 kg/jkW

LHV 1 Btu/lbm = 2,326 kJ/kg

Page 50: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Turbin adalah pesawat yang mengubah energi mekanis yang tersimpan di dalam fluida menjadi energi mekanis rotasional. Beberapa jenis turbin menurut fluida kerjanya :

- Turbin uap- Turbin gas- Turbin air- Turbin angin/kincir angin

4.1. Siklus Daya Turbin IdealSiklus daya Brayton adalah siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas atau mesin turbojet. Siklus Brayton termasuk sistem yang dapat beroperasi dengan pembakaran luar. Keuntungan sistem pembakaran luar antara lain :- Kurang mencemari lingkungan dibanding sistem motor bakar. CHx dan CO

dapat dikurangi secara drastis dengan cara pembakaran dengan udara lebih- Dapat memakai bahan bakar yang lebih rendah, misalnya batu bara, minyak

reisdu.

Page 51: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Siklus daya Brayton adalah siklus empat proses yang ditunjukkan pada gambar 4.1. Diagram P-V dan T-S untuk sistem terbuka tidak ada aliran fluida dari turbin ke kompresor (proses 4.1), sebab fluida kerja dibuang ke atmosfir setelah melewati turbin.

Siklus TertutupP

S

S mak

S min

P min

P mak

Qa

Qr

32

41

T

S

P min

Qa

Qr

S mak

S min

P mak3

2

4

1

Page 52: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Ruang Pembakaran

TurbinKompresor Kompresor Turbin

Atmosfir Atmosfir

Qa

Qa

1

2 3 2 3

4 41

Qr

WW

Siklus Terbuka Siklus Tertutup

Gambar 4.1. Sistem dan Siklus Kerja Braytonideal

Page 53: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Fluida kerja dikompresi secara adiabatis dapat-balik di kompresor (proses 1-2),

panas ditambahkan dalam proses isobarik dapat-balik (P = Pmak, proses 2-3) di

dalam ruang pembakaran atau penukar panas, gas panas berekspansi secara

adiabatis dapat-balik (isentropi S = Smak) di dalam turbin (proses 3-4), dan

kemudian panas dibuang dalam proses isobarik dapat-balik (proses 4-1,P =

P-min).

• Siklus terbuka :

- Fluida kerjanya udara atmosfir

- Pengeluaran panas di atmosfir

• Siklus tertutup :

- Fluida kerjanya bebas

- Pengeluaran panas di alat penukar panas

Page 54: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Kebanyakan turbin gas bekerja pada siklus terbuka.Parameter penting dalam siklus Brayton sederhana adalah angka perbandingan tekanan kompresor (rp) yang merupakan perbandingan tekanan sistem maksimum dan minimum.

1

2p P

Pr = (4.1)Panas masuk (Qa) dan pans keluar (Qr) diekspresikan :

Qa = Q2-3 = h3 – h2 = m.Cp (T3 – T2) (4.2)

Qr = Q4-1 = h4 – h1 = m.Cp (T4 – T1) (4.3)

Efisiensi siklus Brayton ideal,

in

out

QQ1 −=

in

pnet

QQW +

=

u inputheat totaldeliveredheat processoutputnetwork ε

+= (4.3.a)

(4.3.b)

(4.3.c)

Page 55: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Proses (1-2) dan (3-4) adalah isentropis dan P2 = P3 dan P4 = P1, maka :

4

3

1)/γ(γ

4

3

1)/γ(γ

1

2

1

2

TT

PP

PP

TT

=

=

=

−−

2

3

1

4

TT

TT

=⇒ (4.3.d)

sehingga persamaan (4.3.d) menjadi :

γ)/γ(1p1)/γ(γ

p12th r1

r11

/TT11η −

− −=−=−= (4.3.e)

Menurut persamaan (4.3.e), kenaikkan rp dan γ dapat menaikkan efisiensi dari siklus Brayton sederhana. Naiknya rp, menaikkan ηth dan suhu pembuangan kompresor. Jika suhu masuk turbin dibatasi kondisi material, kenaikan rp bisa menurunkan kerja spesifik siklus sehingga membutuhkan aliran gas yang lebih banyak untuk mendapatkan daya keluaran yang sama. Jadi efisiensi termal turbin gas tergantung pada temperatur maksimum gas yang diijinkan pada sisi inlet turbin. Pemilihan bahan sudu turbin merupakan langkah awal untuk mempertinggi efisiensi termis. Pelapisan sudu turbin dengan keramik biasa dilakukan agar dapat beroperasi pada suhu tinggi.

Page 56: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Dua aplikasi umum turbin gas adalah pada propulsi pesawat terbang dan pembangkit daya listrik. Pada pesawat terbang, turbin gas memproduksi daya yang cukup untuk menggerakkan kompresor dan generator yang menggerakkan peralatan tambahan. Gas keluar dengan kecepatan tinggi memproduksi gaya dorong (thrust). Kadang turbin gas dikopel dengan instalasi pembangkit daya uap. Gas keluar turbin memberikan panas untuk memproduksi uap.

Pada pembangkit daya turbin gas, perbandingan kerja kompresor dan kerja turbin (disebut rasio kerja balik, back work ratio) sangat tinggi. Hal ini kurang menguntungkan apabila efisiensi adiabatis kompresor dan turbin rendah. Berbeda dengan pembangkit daya uap dimana rasio kerja baliknya rendah. Pembangkit dayadengan rasio kerja balik tinggi membutuhkan kapasitas turbin yang besar untuk menyediakan daya yang diperlukan kompresor. Oleh karana itu turbin yang dipakai dalam pembangkit daya turbin gas lebih besar kapasitasnya dibanding turbin yang dipakai pada pembangkit daya uap untuk daya output yang sama.

Page 57: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASWbersih

Wturbin

Wkompresor

Kerja balik(back work)

Gambar 4.2. Illustrasi Kerja Balik

4.2. Siklus Daya Turbin Aktual

Siklus turbin gas aktual berbeda dari siklus ideal Brayton dalam beberapa hal. Penurunan tekanan selama penambahan panas dan pembuangan panas tidak dapat dielakkan. Kerja masukan kompresor aktual berlebihan, dan kerja keluaran turbin aktual kurang berkurang akibat irreversibilitas karena gesekan pada alat ini. Oleh karena itu, perhitungan untuk kondisi aktual harus mempertimbangkan efisiensi kompresor dan turbin :

Page 58: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

12a

12s

a

sc hh

hhWW

η−−

≅=

4s3

4a3

s

aT hh

hhWW

η−−

≅=

(4.4)

(4.5)

Penurunan tekanan selama pembuangan panas

Penurunan tekanan selama penambahan panas : isobar

: aktual: ideal

1

2s 2a

Qr

Qa

3

4a4s

S

T

Gambar 4.3. Siklus Turbin Gas Aktual

Page 59: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Keadaan 2a dan 4a adalah kondisi keluaran aktual pada kompresor dan turbin sedang keadaan 2s dan 4s menyatakan kondisi isentropik. Efisiensi termis,

2a3

12a4a3

ath hh

)h(h)h(hQ

Wnetη−

−−−== (4.6)

4.3. Siklus Brayton Dengan Regenerasi

Pada turbin gas, temperatur gas keluar turbin lebih tinggi daripada temperatur udara yang meninggalkan kompresor. Udara tekanan tinggi keluar kompresor dapat dipanaskan sebelum masuk ruang pembakaran memakai alat penukar kalor aliran berlawanan (counter flow heat exchanger) dengan gas keluar turbin. Alat ini disebut regenerator atau recuperator.

Page 60: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

W

RegenatorProduk

pembakaran

Turbin

R. pembakaran

Kompresor

Regenasi

Qa

3

3

4

4

5

55’

2

2

1

1

6

66’

Qr

(a)

P = C

P = C

T

S(b)

Gambar 4.4. Siklus Turbin Gas Regenerasi

(a) skematik

(b) diagram T-S

Page 61: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Efisiensi termal siklus Brayton bertambah dengan pemakaian regenerator. Hal ini berkat adanya pengurangan panas masuk ke ruang bakar yang dibutuhkan pada kerja keluaran yang sama. Dengan asumsi regenerator diisolasi sempurna dan perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan maka perpindahan panas aktual dan maksimum dari gas keluar turbin ke udara adalah :

q regen, aktual = h5 – h2 (4.7)

dan q regen, maksimum = h5’ – h2 = h4 - h2 (4.8)

Efektifitas regenerator,

24

25

hhhh

maksimumregen, qaktualregen, qε

−−

== (4.9)

Jika panas spesifik (Cp) dianggap konstan,

24

25

TTTT

ε−−

= (4.10)

Page 62: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Konsekuensi pemasangan regenerator :a. Penghematan bahan bakarb. Jika ∈ tinggi, butuh ukuran yang besar sehingga penurunan tekanan juga

besarBerdasar konsekuensi tersebut, dalam prakteknya efektifitas regenerator berharga 0,7 atau kurang. Efisiensi termal siklus Brayton ideal dengan regenerator adalah :

( ) 1)/γ(γp

3

1th r

TT1η −

−= (4.11)

4.4.Siklus Brayton Dengan Intercoding dan Reheating

Kerja bersih siklus turbin gas adalah selisih antara kerja output turbin dan kerja input kompresor. Kerja bersih dapat ditingkatkan dengan menambah kerja turbin atau mengurangi kerja kompresor atau dengan keduanya. Kerja kompresor dapat dikurangi dengan memasang intercooler antara dua buah kompresor. Kerja turbin dapat ditingkatkan dengan menambah reheater antara dua buah turbin.

Page 63: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

intercoderRuang

pembakaran reheater

Tekanan konstan

Kompresor tingkat 1

Tekanan konstan

Kompresor tingkat 2

Turbintingkat 1

Turbintingkat 2

2 3 4 5 6 7

81W

(a)

1

23

5

46

7

8

Qa Qa

P4= P5P6= P7

T

S(b)

Gambar 4.5. Turbin Gas Dua Tingkat Dengan Intercooling dan Reheating

(a) skematik

(b) diagram T-S

Page 64: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Semakin banyak tingkat kompresor, kompresi menjadi isotermis. Semakin banyak tingkat turbin, proses ekspansi menjadi isotermis.Pada aliran stedi, kerja kompresi dan ekspansi berbanding lurus dengan volume spesifik. Volume spesifik fluida kerja pada proses kompresi dipertahankan serendah mungkin dan dibuat setinggi mungkin untuk proses ekspansi.

Proses politropik

Pengiritan kerja karena intercooling

intercooling Proses isotermal

1

A B

C D

V

P

P2

P1

Gambar 4.6. Perbandingan Kerja Input Kompresor Satu Tingkat (1AC) dan Kompresor Dua Tingkat (1ABD) dengan Intercooling

Page 65: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Pada kondisi ideal, efisiensi turbin,

dan

)h(h)h(h)h(h)h(h)h(h)h(h

QinWnetη

6745

12348765th −+−

−−−−−+−== (4.12)

8

7

6

5

3

4

1

2

PP

PP

,PP

PP

== (4.13)

Rasio kerja balik turbin gas dapat diperbaiki sebagai hasil intercooling dan reheating. Bagaimanapun, hal ini tidak berarti bahwa efisiensi termis dapat pula diperbaiki. Pada kenyataannya, intercooling dan reheating akan mengurangi efisiensi termis kecuali kalau dipasang juga regenerator. Hal ini disebabkan intercooling mengurangi temperatur rata-rata dimana panas ditambah (Qa) dan reheating menambah temperatur rata-rata dimana panas dibuang (Qr).

Page 66: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Kompresor tingkat 1

Kompresor tingkat 2

Turbin tingkat 1

Turbin tingkat 2

Regenerator

Ruang pembakaran

ReheaterIntercoder

1

2 3 4

5

6 7 8

9

10

W

(a)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Qa

QrQr

Qa

Qregen = Qsaved

Qregen

P = CP = C

P = C

T

S(b)

Gambar 4.7. Turbin Gas Dua Tingkat Dengan Intercooling, Reheating dan Regenerasi

(a) skematik

(b) diagram T-S

Page 67: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Efisiensi termal turbin,

)h(h)h(h)h(h)h(h)h(h)h(h

QreheatQprimerWkomp.inWturb.out

QinWnetη

7856

12349876

th

−+−−−−−−+−

=

+−−

==

(4.14)

Bandingkan persamaan (4.14) dengan persamaan (4.12).

Pada proses ideal, seluruh proses adalah reversibel secara internal dan tidak terjadi penurunan tekanan selama intercooling dan reheating (P2 = P3 dan P7 = P8). Untuk sistem kompresi dan ekspansi dua tingkat, kerja input dapat diminimalkan serta kerja output dapat dimaksimalkan jika tiap-tiap tingkat kompresor dan turbin mempunyai perbandingan tekanan yang sama (persamaan 4.13).

2

1

2

21

12

21

34

31

34

1

4p P

P/PP/PP

/PP/PP

/PP/PP

PPr

=====

Page 68: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASsehingga,

dimana rp adalah perbandingan tekanan menyeluruh (overall pressure ratio).4.5. Siklus Propulsi-Jet IdealMesin turbin gas secara luas dipakai untuk pembangkit daya pada pesawat terbang karena ringan dan kompal kontruksinya serta mempunyai perbandingan daya-berat yang tinggi. Turbin gas pesawat terbang yang beroperasi pada siklus terbuka disebut siklus propulsi-jet.

p1

2 rPP

= (4.15)

difuser kompresor R. bakar turbin nosel

P dan T tinggi

Vexit

Vinlet

Qout P = konstan

P = konstan Qin

1

2

3

4

5

6

2

1

3 4 5

6

S

T

Gambar 4.8. Diagram T-S Siklus Turbo-jet Ideal dan Komponen Dasar mesin Turbo-jet

Page 69: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASPerbedaan propulsi-jet ideal dengan siklus Brayton sederhana ideal adalah bahwa gas tidak diekspansikan ke tekanan udara sekitar. Gas keluar turbin mempunyai tekanan cukup tinggi dan kecepatannya dipercepat oleh adanya nosel untuk menghasilkan gaya dorong (thrust) yang mendorong pesawat (gambar 4.8). Biasanya pesawat terbang mempunyai turbin gas yang beroperasi pada perbandingan tekanan tinggi (10 sampai 25).

Pada kondisi ideal, kerja turbin diasumsikan sama dengan kerja kompresor. Proses pada difuser, kompresor, turbin dan nosel dianggap isentropik. Pada analisis siklus aktual, irreversibilitas pada tiap komponen harus dipertimbangkan. Efek irreversibilitas adalah mengurangi daya dorong yang dihasilkan dari mesin turbojet.

Daya dorong yang dihasilkan,

F = (mV)exit – ( mV)inlet

= m(Vexit – Vinlet) (N) (4.16)

dimana m adalah laju aliran massa udara yang melewat mesin.

Page 70: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GASBAB 4 TURBIN GAS

Tenaga yang dihasilkan dari thrust disebut tenaga/day propulsi (Wp),

Wp = (F) Vpesawat = m (Vexit – Vinlet) Vpesawat (4.17)

Efisiensi propulsi,

Qin adalah energi panas bahan bakar selama pembakaran. Efisiensi propulsi adalah ukuran keefisienan energi pembakaran yang dapat dikonversikan ke energi propulsi.

in

pp Q

Wη = (4.18)

Page 71: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAPSiklus daya gas (pada bab 4) fluida kerja tetap berada dalam satu fase.

Siklus daya uap mempunyai fluida kerja yang mengalami perubahan fase dari uap ke cairan dan sebaliknya. Perubahan dari uap ke cairan terjadi di kondenser dan dari cairan ke uap terjadi di boiler (ketel uap). Air adalah fluida kerja yang umum dipakai dalam siklus daya uap meskipun ada beberapa fluida yang dapat dipakai, misalnya air raksa, potasium, sodium dan amonia.

5.1. Siklus Rankine IdealSiklus ideal termodinamika dasar uap ialah siklus Rankine. Siklus ini

tidak mempertimbangkan irreversibilitas pada komponen-komponennya yaitu pompa, boiler, turbin uap dan kondenser.Empat proses dalam siklus Rankine adalah :1-2 : kompresi isentropik di pompa2-3 : P = konstan, penambahan panas di boiler3-4 : ekspansi isentropik pada turbin4-1 : P = konstan, pembuangan panas dikondenser

Page 72: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

Turbin

Kondenser

Boiler

Pompa

Qin

Qout

Wturb, out

1

Wpompa, in

2 3

4 Wturb, out

Wpompa, in

Qin

Qout

cair

Cair + uap

uap 1

2

3

4

AIR T

S Gambar 5.1. Skema dan Diagram T-S Siklus Ideal Rankine

Air pada kondisi cairan jenuh (satured liquid) masuk pompa di titik 1 dan dikompresi secara adiabatik sampai ke tekanan operasi boiler/ketel (titik 2). Air masuk boiler dalam keadaan bertekanan dan meninggalkan boiler pada kondisi uap panas lanjut (superheated vapor) di titik 3. Boiler adalah sebuah alat penukar kalor yang besar dimana terdapat sumber panas dari pembakaran gas, reaktor nuklir, dan sumber lain. Boiler sering disebut steam generator.

Page 73: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAPUap panas lanjut masuk turbin dimana uap diekspansi secara isentropik dan menghasilkan kerja lewat poros yang terhubung ke generator listrik. Tekanan dan temperatur selama proses ini turun sampai titik 4 dimana uap masuk kondenser. Dalam keadaan ini uap berada pada campuran cairan jenuh-uap dengan kualitas tinggi. Kemudian campuran cairan uap dikondensasikan pada tekanan konstan. Uap keluar kondenser dalam keadaan cairan jenuh dan selanjutnya masuk ke pompa.Pada gambar 5.1, luasan di bawah kurva 2-3 menggambarkan panas yang ditransfer ke air di boiler dan luasan di bawah kurva proses 4-1 menggambarkan panas yang dibuang di kondenser. Selisih kedua luasan tersebut adalah kerja bersih yang dihasilkan selama siklus.Analisis Energi

- Pompa (Q = 0) Wpompa, in = h2 – h1 (5.1)atau Wpompa, in = V (P2 – P1) (5.2)

- Boiler (W = 0) Qin = h3 – h2 (5.3)- Turbin (Q = 0) Wturb, out = h3 – h4 (5.4)- Kondenser (W = 0) Qout = h4 – h1 (5.5)

Page 74: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP- Efiisensi termal,

dimana Wnet = Qin – Qout = Wturb, out – Wpompa, in (5.7)h1 = hf pada P1 dan V ≅ V1=V1/2 pada P1 (5.8)hf adalah entalpi cairan jenuh, Vf adalah volume spesifik cairan jenuh.

5.2. Siklus Daya Uap AktualSiklus daya uap aktual terjadi akibat irreversibilitas pada tiap komponen.

Sumber irreversibilitas adalah gesekan fluida dan panas yang hilang ke lingkungan. Gesekan fluida menyebebkan penurunan tekanan pada boileh, kondenser dan pipa-pipa penghubung, sehingga untuk kompensasinya, air harus dipompa pada tekanan yang cukup. Akibat adanya panas hilang, maka lebih banyak panas yang dibutuhkan oleh boiler untuk mempertahankan kerja output.

Hal yang penting adalah irreversibilitas pada pompa dan turbin. Sebagai hasil irreversibilitas adalah kebutuhan kerja input yang besar pada pompa dan kecilnya produk kerja output pada turbin.

QinQout1

QinWnetη th −== (5.6)

Page 75: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

Irreversibilitas pompa

Siklus ideal Penurunan tekanan

di bolier

Irreversibilitas turbin

Siklus aktual

Penurunan tekanan di kondenser 1

2

3

4

S

T T

S

3

4s 4a

2a 2s

1

(a) (b)

Gambar 5.2. Siklus Daya Uap Rankine(a) Pergeseran Siklus Aktual dari Siklus Ideal(b) Efek Irreversibilitas Pada Pompa dan Turbin

Perbedaan keadaan aktual pompa dan turbin dari keadaan isentropik adalah :

Efisiensi pompa,

Efisiensi turbin, 12a

12sp hh

hhWaWsη

−−

== (5.9)

4s3

4a3T hh

hhWsWaη

−−

== (5.10)

Page 76: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP5.3. Siklus Rankine Ideal Dengan Reheat

Reheating adalah upaya untuk memperbaiki efisiensi termal. Reheating adalah cara untuk menyelesaikan permasalahan berlebihnya uap (moisture) di dalam turbin akibat tingginya tekanan boiler. Uap panas (steam) diekspansikan di turbin dalam dua tingkat kemudian antara tingkat turbin dilakukan reheat.

Boiler

Turbin tekanan tinggi

Reheater

Pompa Kondenser

Turbin tekanan rendah

Turbin tekanan rendah

Turbin tekanan tinggi

Reheating

1

2 1

2

3 3

4

4

5

5

6

6

S

T

Gambar 5.3. Siklus Rankine Ideal Dengan Reheat

Page 77: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAPTotal panas input,

Qin = Qprimer + Qreheat

= (h3 – h2) + (h5 – h4), (5.11)Panas yang dibuang,

Qout = h6 – h1 (5.12)Kerja turbin keluar,

Wturb, out = Wturb, 1 + Wturb, 2

= (h3 – h4) + (h5 – h6) (5.13)Efisiensi termal dapat dihitung dari persamaan (5.6).5.4. Siklus Rankine Ideal dengan RegenerasiPrinsip regenerasi adalah usaha mempertinggi temperatur cairan yang meninggalkan pompa sebelum cairan masuk boiler. Cairan atau air pengisi boiler sering disebut feedwater. Air pengisian dipanaskan dengan mengalirkan sebagian uap dari turbin ke suatu alat yang disebut regenerator, dimana terjadi perpindahan panas antara uap dan air.

Page 78: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

Keuntungan regenerasi :

- Memperbaiki efisiensi siklus

- Menjaga korosi boiler akibat adanya udara dalam air pengisian.

Pemanas air pengisian (feedwater heater) adalah sebuah alat penukar kalor dimana kalor ditranfer dari uap panas ke air pengisian baik dengan mencampur aliran kedua fluida (open feedwater heater) atau tanpa pencampuran (closed feedwater).

Open feedwater heater

Sebuah pemanas air pengisian terbuka (open feedwater heater) mempunyai kotak pencampur dimana uap dipisah dari turbin dan dicampur dengan air pengisian setelah keluar dari pompa . Idealnya, campuran keluar pemanas sebagai cairan jenuh pada tekanan pemanas.

Page 79: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

Boiler

Turbin

Kondenser Open FWH

Pompa I Pompa II 1

2

2 3

3

4

4

5

5

6 6

7

7 y y 1 -y

1 -y

1

Gambar 5.4. Skema dan Diagram T-S Open Feedwater Heater pada Siklus Rankine Ideal

Analisis energi,Untuk tiap kilogram uap yang keluar boilerqin = h5 – h4 (5.14)qout = (1 – y) (h7 – h1) (5.15)Wturb, out = (h5 – h6) + (1 – y) (h6 – h7) (5.16)Wpoma, in = (1 –y) Wpompa I,in + Wpompa II, in (5.17)

Page 80: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

Dimana y = m6/m5 (fraksi uap yang dipisah dari turbin)

Wpompa I, in = V1(P2 – P1)

Wpompa II, in = V3(P4 – P3)

Semakin termal siklus Rankine, semakin bertambah jika pemakaian pemanas air

pengisian semakin banyak. Beberapa pembangkit tenaga uap memakai pemanas

air pengisian sebanyak 8 buah.

Closed Feedwater Heater

Sebagian panas dari turbin dipakai untuk memanaskan air dari pompa pertama.

Perpindahan panas terjadi tanpa adanya percampuran. Diagram skematik dan

diagram T-S seperti gambar berikut :

Page 81: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

Boiler

Mixing Chamber

Turbin

Pompa II Pompa I

CFWH

Qin Kondenser

Qout

1 1 2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7 8

8

9

9

y

y

1 - y

1 - y

S

T

Gambar 5.5. Diagram Skematik dan T-S Sistem CFWHAnalisis energi,Untuk tiap kilogram uap yang keluar boiler,qin = h6 – h5

qout = (1 – y) (h8 – h1)Wturb, out = (h6 – h7) + (1 – y) (h7 – h8)Wpompa, in = (1 –y) Wpompa I + Wpompa II

Wpompa I = V1(P2 – P1)Wpompa II = V3(P4 – P3)Keseimbangan energi di CFWHEin = EoutYh7 + (1 – y)h2 = (1 – y)h9 + yh3

Page 82: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

)h(h)h(hhh

y3927

29

−+−−

=

5.5. Cogeneration

Pada siklus turbin uap, terdapat sejumlah panas terbuang (Qout). Panas ini dapat dimanfaatkan untuk proses pemanasan yang sering dibutuhkan dalam industri, misal untuk produksi uap panas (steam). Cogeneration adalah sebuah siklus turbin uap yang dapat memproduksi sekaligus tenaga listrik (dari turbin) dan energi panas dari kondenser yang dipakai untuk proses pemanasan.

Boiler

Pompa

Turbin

Proses pemanasan

100 kW

20 kW

120 kW

Gambar 5.6. Sistem Cogeneration Ideal

Page 83: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAPKeterangan : - Untuk energi yang masuk boiler sebesar 120 kW, dapat diproduksi energi

listrik 20 kW dan energi sisa 100 kW dipakai untuk proses pemanasan.- Fungsi kondenser pada siklus Rankine ideal diganti oleh alat penukar kalor.- Kerja pompa siklus cogeneration dapat diabaikan, Wpompa ≈ 0 karena sangat

kecil.Idealnya semua energi yang diterima uap di boiler dipakai untuk menghasilkan energi listrik dan proses pemanasan, jadi tidak ada panas terbuang.Dikenal faktor utilisasi :

in

in

out

QQ1 −=

pnet

QQW +

=

u inputheat totaldeliveredheat processoutputnetwork ε

+=

(5.18a)

Page 84: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

Qout adalah panas yang terbuang pada proses pemanasan dan pada pipa instalasi.

Biasanya faktor utilisasi sistem cogeneration aktual adalah 70%.

5.6. Combined Gas-Vapor Power Cycles

Siklus tenaga uap dan gas dapat dikombinasikan. Kombinasi ini lazim disebut

combined cycle atau hybrid cycle. Keuntungan aplikasi ini adalah :

- Panas yang ditambah (Qin) dapat setinggi mungkin dan panas yang

dibuang (Qout) serendah mungkin.

- Produk pembakaran turbin gas mempunyai suhu rendah karena dipakai

untuk memanaskan boiler sehingga menurunkan polusi udara/lingkungan.

Page 85: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

R. Bakar

Siklus Gas

Kompresor Turbin gas Heat exchanger

Exhaust gas

Siklus Uap

Kondenser

Turbin uap

Qin

Qout

Pompa

mg

ms

7

7

6

6

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

8

8

9

9

T

S

Gambar 5.7. Diagram Skema dan T-S Cobined Cycle

Page 86: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAP

Kesetimbangan energi di Heat exchanger :

Qo – Wo = Σ me he - Σ mi hi

Σ me he = Σ mi hi

mg hg + ms h3 = mg h8 + ms h2

ms (h3 - h2) = mg (h8 - h9)

y adalah rasio laju aliran massa uap dan gas.

Kerja bersih,

yhhhh

mm

23

98

g

s =−−

=

Page 87: Teori Dasar Turbin Gas

BAB 5 BAB 5 PEMBANGKIT TENAGA UAPPEMBANGKIT TENAGA UAPWnet = Wnet, gas + y Wnet, uap

↓ ↓Wout – W-in Wout – W-in

[(h7 – h8) – (h6 – h5)] [(h3 – h4) – (h2 – h1)]↓ ↓ ↓ ↓

turbin kompresor turbin pompaEfisiensi termal,

in

netth q

W=η