TUGAS MESIN KONVERSI ENERGI II

UNJUK KERJA SIKLUS BRYTON IDEAL

Disusun Oleh : KELOMPOK XXII

20110130156201101301942012013005120120130237201301300321201301300376

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

2013

I. Pendahuluan

Siklus Brayton dikembangkan oleh seorang engineer asal Amerika bernama

George Brayton pada tahun 1830-1892. Siklus Brayton adalah sebuah siklus

termodinamika yang mendeskripsikan kerja dari mesin turbin, gas turbin, atau

mesin turbo jet. Siklus Brayton merupakan siklus tenaga yang dapat beroperasi

baik secara internal maupun eksternal pada combustion engine.

Gambar 1. Brayton Power Cycle

Siklus Brayton adalah siklus pembangkit energi listrik dengan menggunakan

udara. Udara dihisap masuk oleh kompresor, lalu kemudian dialirkan menuju

combustion chamber. Di combustion chamber, udara akan bercampur dengan gas

hasil biomassa yang dibakar, sehingga energi pada udara bertambah (dalam bentuk

energi panas/entalpi). Udara panas inilah yang kemudian akan digunakan untuk

memutar turbin gas, yang kemudian akan memutar generator listrik. Siklus Brayton,

atau sering juga disebut open cycle gas turbine, merupakan siklus yang sederhana

(karena hanya memiliki 3 komponen utama, kompresor, combustion chamber dan

turbin). Selain itu, peralatan yang dibutuhkan juga tidak berat dan ukurannya kecil.

Namun, siklus ini juga memiliki kekurangan. Salah satunya adalah sensitivitasnya

yang tinggi, dimana efisiensi siklus ini sangat bergantung pada efisiensi tiap

komponen dalam siklus (efisiensi kompresor, turbin dan perpindahan kalor pada

combustion chamber), karena perubahan efisiensi komponen sejauh beberapa persen

punya pengaruh signifikan pada siklus ini. Selain itu, perubahan pada kondisi udara

(seperti tekanan atmosfir) juga akan berpengaruh pada efisiensi, karena udara yang

digunakan dalam siklus ini diambil dari lingkungan, dan debit udara yang diambil

pun lumayan banyak. Selain itu, umumnya komponen dari siklus ini pun tergolong

mahal jika dibandingkan dengan komponen siklus lain. Ada beberapa cara untuk

meningkatkan efisiensi dari Siklus Brayton, seperti meningkatkan rasio tekanan,

regenerasi kalor (panas) gas keluaran turbin, memanfaatkan panas yang keluar untuk

menghangatkan ruangan dalam sistem Combined Heat and Power (CHP), atau

menggabungkan Siklus Brayton dan Siklus Rankine dengan metode cogeneration

atau Combined Cycle Gas Turbine (CCGT). Pada metode cogeneration, gas panas

keluaran dari turbin masuk ke heat exchanger untuk disalurkan kalornya ke tempat

lain, yaitu air pada siklus rankine.

II. Komponen

Gambar 2. Sistem Terbuka dan Tertutup Siklus Brayton

Sebuah mesin Brayton pada gas turbin engine terdiri atas empat komponen, yaitu:

• Gas compressor

• Burner atau combustion chamber

• Expansion turbine

• Heat exchanger (pada sistem tertutup)

Siklus Brayton dibagi menjadi siklus terbuka dan siklus tertutup. Pada siklus

terbuka, fluida kerja adalah udara atmosfer dan proses pembuangan panas terjadi

dalam atmosfer karena keluaran turbin dikeluarkan ke atmosfer. Di dalam siklus

tertutup, fluida kerja yang dapat digunakan tidak hanya udara sekitar dan

proses pelepasan panas dilakukan dalam heat exchanger. Dalam sistem ini, fluida

kerja bersiklus secara kontinyu. Semua internal-combustion dan mesin turbo jet

beroperasi pada siklus terbuka. Kebanyakan external-combustion beroperasi pada

siklus tertutup.

Siklus Brayton Ideal

Gambar 3. Diagram P-V dan T-S Siklus Brayton

1. Proses isentropik udara sekitar dimasukkan ke dalam kompresor, dimana

udara ditekan.

2. Proses isobarik udara terkompresi mengalir melalui ruang pembakaran

(combustion chamber), dimana bahan bakar dibakar dan udara dipanaskan.

Proses ini merupakan proses tekanan tetap, karena ruang bakar terbuka untuk

aliran masuk dan keluar.

3. Proses isentropik udara terkompresi dan terpanaskan menyalurkan

energinya dan terekspansi melalui turbin. Sejumlah nilai kerja yang dihasilkan

oleh turbin digunakan untuk menjalankan kompresor.

4. Proses isobaric pelepasan panas ke atmosfer.

Pada siklus Brayton ideal, fluida kerja terkompresi secara reversibel dan

isentropik di dalam kompresor (proses 1-2). Panas kemudian ditambahkan dalam

proses isobarik (P= Pmax) reversibel (proses 2-3) di dalam ruang pembakaran atau

penukar kalor. Gas panas berekspansi secara reversibel dan isentropik (s=smax)

dalam turbin (proses 3-4). Kemudian panas dibuang di dalam proses reversibel

isobarik (proses 4-1).

Siklus Brayton Aktual

1. Proses adiabatik → kompresi

2. Proses isobarik → penambahan panas

3. Proses adiabatik → ekspansi

4. Proses isobarik → pelepasan kalor

1 ke 2 (kompresi isentropik di kompressor)

Karena siklus brayton bekerja antara dua tekanan tetap maka perbandingan

tekanan (pressureratio) menjadi penting, pressure ratio tidak sama dengan

compression ratio.

System control volume dengan Asumsi :

Proses adiabatik

Energi kenetik dan potensial diabaikan

Steadystate

Penggunaan bersama-sama prinsip konservasi massa dan energi

Sehingga persamaan energinya :

1→ 2 : (qin - qout) + (Win – Wout) = h2 – h1

1→ 2 : Win = Wcomp = h2-h1

Gambar 4. 1 ke 2 (kompresi isentropik di kompressor)

2 ke 3 (pemasukan panas pada tekanan konstan)

System control volume dengan Asumsi :

Proses isokhorik

Energi kenetik dan potensial diabaikan

Steadystate

Penggunaan bersama-sama prinsip konservasi massa dan energi

Sehingga persamaan energinya :

2→ 3 : (qin - qout) + (Win – Wout) = h3 – h2

2→ 3 : Win = Wcomp = h3-h2

Gambar 5. 2 ke 3 (pemasukan panas pada tekanan konstan)

3 ke 4 (ekspansi isentropik di turbin)

cara kerja turbin adalah kebalikan dari kompresor yakni mengubah tekanan

menjadi kecepatan maka kerja turbin dirumuskansebagai :

System control volume dengan Asumsi :

Proses adiabatik

Energi kenetik dan potensial diabaikan

Steadystate

Penggunaan bersama-sama prinsip konservasi massa dan energi.

Sehingga persamaan energinya :

3→ 4 : (qin - qout) + (Win – Wout) = h4 – h3

3→ 4 : Win = Wcomp = h4-h3

Gambar 6. 3 ke 4 (ekspansi isentropik di turbin)

4 ke1 (pengeluaran panas pada tekanan konstan)

System control volume dengan Asumsi :

Proses isokhorik

Energi kenetik dan potensial diabaikan

Steadystate

Penggunaan bersama-sama prinsip konservasi massa dan energi

Sehingga persamaan energinya :

4→ 1 : (qin - qout) + (Win – Wout) = h1 – h4

4→ 1 : Win = Wcomp = h1 – h4

Gambar 7. 4 ke1 (pengeluaran panas pada tekanankonstan)

Karena kompresi maupun ekspansi tidak dapat benar-benar isentropik, loss

pada kompresor dan ekspander menunjukkan ketidak-efisienan. Secara umum,

meningkatkan rasio kompresi adalah cara terbaik untuk meningkatkan tenaga

keluaran overall dari sistem Brayton.

IV. Analisa Energi dan Efisiensi

Siklus pada loop tertutup fluida kerja, penambahan dan pengurangan kalor

terjadi saat tekanan konstan dan fluida kerja adalah gas ideal dengan specific heat

property konstan.

Keempat proses yang terjadi pada siklus ini berada dalam aliran fluida

berkeadaan tunak sehingga kita menganalisanya dengan batasan keadaan tunak.

Disertai pengabaian energi kinetik dan potensial sistem. Karena udara mengalir

melalui penukar panas pada siklus ideal saat tekanan konstan, maka berlaku

P4/ P3= P1/ P2

Hubungan antara perbandingan tekanan dan perbandingan temperatur dalam

kompresi atau ekspansi isentropik, sebagai berikut.

rp= P2/ P1= (T2/ T1) k/(k-1)

Tinjau kembali skema closed cycle gas turbine engine. Dari sana, dapat kita peroleh

efisiensi termal dari siklus, sebagai berikut.

η = (Wturbin/ m – Wcompressor/ m) / (Qin/ m) = {(h3– h4) – (h2– h1)} / (h3– h2)

dengan

(h3– h4) = cp(T3– T4)

(h2– h1) = cp(T2– T1)

(h3– h2) = cp(T3– T2)

η = {cp(T3– T4) – cp(T2– T1)} / {cp(T3– T2)}

η = 1 – (T4– T1)/(T3– T2)

η = 1 – T1/ T2* {(T4/T1– 1)/(T3/T2– 1)

Karena T4/T1= T3/T2, maka

η = 1 – T1/ T2

lalu T1/ T2= (P1/ P2) (k-1)/k

η = 1 – (P1/ P2) (k-1)/k = 1 – 1/(P2/ P1) (k-1)/k

sedang diketahui bahwa P2/ P1= rpmaka efisiensi teoritis siklus Brayton

η = 1 – 1 / rp (k-1)/k

dengan k = cp/ cv= konstan.

Usaha netto satu siklus dideskripsikan awal sebagai berikut

Wcycle= (h3– h4) – (h2– h1)

Wcycle= cp{(T3– T4) – (T2– T1)}

Wcycle= cpT1(T3/T1– T4/T3* T3/T1– T2/T1+ 1)

Dari persamaan sebelumnya diketahui bahwa

T4/T3= (P1/ P2) (k-1)/k

T2/T1= (P2/ P1) (k-1)/k

rp= P2/ P1= (T2/ T1) k/(k-1)

Sehingga persamaan daya efektif siklus menjadi

Wcycle= cpT1(T3/T1– 1/(rp) (k-1)/k * T3/T1– (rp) (k-1)/k + 1)

Wcycle/ cpT1= T3/T1(1 – 1/(rp) (k-1)/k) – (rp (k-1)/k – 1)

V. Parameter Desain

Parameter siklus penting untuk siklus Brayton sederhana adalah rasio tekanan

kompresor rp dan kalor spesifik k. Kenaikan dari kedua parameter ini akan

meningkatkan efisiensi dari siklus Brayton sederhana.

Kalor spesifik (k)

Gas-gas yang memiliki rasio nilai kalor tertinggi disebut noble gas seperti

helium, neon, argon, dan sebagainya yang merupakan gas monoatomik.

Rasio kalor spesifik gas-gas tersebut adalah 5 -3, untuk diatomik

bernilai 7-5, dan triatomik bernilai 8-6. Gas nobel merupakan fluida

kerja yang excellentkarena tidak menyebabkan korosi, dimana nilai kalor

terbaik dimiliki helium ketimbang hidrogen.

Rasio tekanan kompresor (rp)

Meningkatnya rasio tekanan kompresor akan meningkatkan efisiensi

termal dari siklus Brayton sederhana. Jika temperatur masukan turbin

diubah karena keterbatasan material, kenaikan rasio tekanan kompresor

akan mereduksi kerja spesifik dari siklus yang membutuhkan aliran gas

rata-rata lebih tinggi untuk tenaga keluaran yang sama. Memaksa kompresor

untuk beroperasi pada range tekanan yang lebih lebar akan

mengakibatkan berkurangnya efisiensi mekanik dari kompresor, dan hal ini

membuat siklus Brayton aktual menjadi tidak efisien.

VI. Aplikasi Siklus Brayton

Energi yang didapat dalambentuk tenagaputar, dan atau tenaga dorong

digunakan untuk menggerakkan pesawat terbang, kereta api, kapal, generator dan

tank.

Gambar 8. Aplikasi Siklus Brayton

DAFTAR PUSTAKA

Tugas Makalah Teknik Konversi dan Konservasi Knergi “Rivew Siklus Brayton”

Jurusan Teknik Fisika Fakultas Teknologi Tndustri Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya 2011 (diakses pada 19 November 2013)

http://noerpamoengkas.wordpress.com/2009/03/31/siklus-brayton-ideal/ (24 october 2013 jam 15.00)

http://mesin-itenas-novi.blogspot.com/2012/11/siklus-brayton.html (24 october 2013 jam 15.00)