Wibowo Paryatmo 1 PerkuliahanTurbin Gas & Motor Propulsi Sem. 3 (S-2) ; 3 SKS Waktu kuliah : Minggu, 08.00 s.d. 12.15 (break 10.00 10.15) ; 12.45 s.d. 17.00 = 4 sesi Jumlah tatap muka : 12 s.d. 16 Minimum kehadiran : ada Sifat ujian (UTS & UAS) : tutup buku ; buka resume 1 lb A4 (asli) ; soal & resume dikumpulkan bersama naskah jawaban / buka buku / tugas Komponen nilai : kehadiran 5% ; quiz, tugas & kegiatan terstruktur 15% ; UTS 30% ; UAS 50% Acuan Utama : (1) M.M.El Wakil, Powerplant Technology, McGraw-HillBook Co., 1985 Penunjang : (2) Cohen,H., Rogers, G.F.C, Saravanamuttoo, H.I.H, Gas Turbine Theory, 2nd Ed., ELBS & Longman Group Ltd., 1978 (3) Boyce, M.P., Gas Turbine Engineering Handbook, Gulf Pub. Co., 1982 2 Silabi Singkat Turbin Gas & Motor Propulsi 1. Turbin gas sebagai mesin penggerak mula - 1.1. dikripsi turbin gas - 1.2. sejarah perkembangan - 1.3. ciri spesifik turbin gas (keunggulan dan kekurangan) - 1.4. konstruksi dasar - 1.5. lingkup penggunaan2. Siklus termodinamika turbin gas 3. Konstruksi turbin gas - 3.1. siklus sederhana (simple gas turbine) - 3.2. siklus dengan augmentasi 4. Macam-macam turbin gas 5. Siklus aktual dan pengaruh T1, T3, q dan rp 6. Ukuran kinerja 7. Parameter rancangan 8. Gas ideal, tabel udara dan tabel gas9. Dasar termodinamika turbin gas dan pembangkitan tenaga - hukum termodinamika dan penerapannya - energi, kerja, daya ; satuan dan konversinya 3 Silabi Singkat (lanjutan) - difuser, kompresor, ruang bakar, turbin dan nosel 10. Peningkatan Kinerja Turbin Gas - enhance / augmented cycle - STIG (steam / water injection) siklus Cheng - aeroderivative - repowering - uprating - siklus tertutup (close cycle) - siklus kombinasi (combined cycle) - cogeneration 11. Pengujian Turbin Gas dan Besaran Tak Berdimensi 12. Turbin Gas Untuk Sistem Propulsi Pesawat Terbang 13. Dasar-dasar Perawatan Turbin Gas (Mainternance)

4 BAB 1 TURBIN GAS SEBAGAI MESIN PENGGERAK MULA MATAHARI HELIOTHERMAL ANGIN ENERGI BUMI GEOTHERMALFUSI NUKLIRBH MAKANANFISSI NUKLIRAIRLAIN-LAIN SINAR MTHARI EN. MEKANISLAIN-LAINEN. PANASEN. SINAREN. BB. KIMIAEN. NUKLIR KOLEKTORPEMB. EKSTERNALREAKTORAPK / BUMI PANAS gaya tarik MEDIA GAS TURBIN AIRKINCIR ANGINKINCIR AIRMS UAPTURBIN UAPTURBIN GASMS DIESELMS OTTO MS WANKEL PEMB. INTERNAL gaya tarik BB. HC OTOT ENERGI MEKANIS PUTARAN POROS MEDIA CAIR / KETEL UAP L2 Sumber Energi Turbin Gas E N E R G IP A N A S heliothermalfissi nuklir(fusi nukjli)geothermalbahan bakar HC padatcairgas pembk. eksternal pembk.internal media cair/uapmedia gas TURBIN GAS beban - generator - pompa - kompresor - alat mekanis - gaya dorong L3 m. Diesel m. Otto m. Wankel Standar Penyediaan Energi P R I M E M O V E R S GENERATOR ENERGI LISTRIK AKUMULATOR PUMP STORAGE PLANTAIR TERJUN PLTA (air) PLTM (mikrohidro) PLTU (uap) PLTPB (panas bumi) PLTG (gas) PLTGU = STAG PLTN (nuklir) PLTD (diesel) USERS PLTB (bayu) L4 1.TURBIN GAS 1. TURBIN GAS SEBAGAI MESIN PENGGERAK MULA - 1.1. DISKRIPSI TURBIN GAS : Turbin gas = turbin dengan media kerja gas bertemperatur tinggi (gas panas atau gas hasil pembakaran) dan bertekanan Penggerak mula (Prime Movers) = alat mekanis yang mengubah energi primer menjadi energi mekanis putaran poros (L2-slide 85) Turbin A mesin dengan gerak rotasi t.d. poros dan sudu-sudu Sudu berputar / rotary blade (= mb = moving blade) menempel pada poros dan sudu tetap / stasioner (= fb = fixed blade) menempel pada rumah turbin (casing) Fungsi sudu atau blade : mengubah arah dan kecepatan aliran fluida kerja sehingga timbul gaya yang memutar poros Turbin konvensional ada tiga : turbin gas (media kerja gas),turbin uap (media kerja uap) dan turbin air (media kerja air) Sesuai untuk pembangkit daya medium Turbin gas tidak dapat dipisahkan dengan pembangkit gas (gas generator) yang terdiri dari kompresor dan ruang bakar. Untuk dapat berekspansi dengan baik, gas panas harus bertekanan Siklus turbin gas (= siklus Brayton ; ideal Brayton cycle = Joule cycle) dapat siklus terbuka atau siklus tertutup Semua jenis energi panas pada dasarnya dapat digunakan6 Turbin Gas - 1.2. SEJARAH SINGKAT & PERKEMBANGANNYA : 1. Prinsip kerja sudah lama dikenal ~ 150 BC Hero of Alexandria : hot air turbine penggerak simbol seremoni agama 2. 1791 : John Barber, gas keluar cerobong (untuk panggangan roti) realisasi dari ide Leonardo da Vinci 1510 1818 : James P. Joule mendalami teori siklus turbin gas 1894 : dirintis turbin gas dengan kompresor (1900 Stolze gagal ; qK&T 60% 7 TURBIN GAS (LANJUTAN) : - 1.3. CIRI SPESIFIK TURBIN GAS : 1. (+)Berat spesifik rendah [kg/kW] : kompak / kecil / ringan 2. (-) Awalnya sfc [g/kW.h] tinggi ; sekarang bersaing dengan mesin diesel (simple cycle, sfc ~ 200 g/kWh) - early (simple cycle) : < q~15% ; TIT~650C- improved , ssd PD II : (simple cycle) : q = 17 s.d 19% ; TIT~866C (regenerative cycle) : q = 28% (combined cycle) : 42 s.d. 50% PLTU ~34% - recent tech. : (simple c.) : q = 40% ; TIT~1430C(combined c.) : q = 55% (ceramic coating mtl ; technology mfr DS = directionally solidified SC = single crystal ; improve cooling system ; aerodynamic contour) - bila TIT naik 100F (=56C), maka : q +1.5% ; Wnet +10%3.(+) Mudah dan cepat dihidupkan dan dimatikan ; cocok untuk emergency plant. Dari mulai dihidupkan s.d. beban penuh ~ 6 menit. 4. (+) Jenis bahan bakar bervariasi gas, cair, padat, nuklir & praktis semua jenis sumber energi panas (ctt.: eksploitasi panas bumi, sdh bentuk uap) 5. (+) Getaran yang dibangkitkan kecil (civil work murah) 6. (+ & -) Sederhana (tapi teknologi tinggi) ; tak ada gerak reciprocate 7. (+) Harga per daya output rendah; 215 s.d. 235 $/kW (PLTU : 850 sd 1100) 8. (-) emisi NOx dan CO semula menjadi masalah, karena pembakaran dengan temperatur tinggi sudah dapat ditekan sampai dengan maks. 25/50 ppmv NOx/CO dengan pre-comb. chamber dan injeksi air 8 lanjutan 9. Mula-mula turbin gas cocok digunakan untuk emergency plant atau untuk propulsi pesawat terbang, karena sifat-sifat yang dimilikinya, sesuai dengan teknologi saat awal perkembangannya. Kemajuan teknologi turbin gas memungkinkan turbin gas untuk kegunaan stasioner seperti PLTG, karena sifat-sifat negatif yang semula menjadi kelemahannya, praktis sudah dapat diatasi. Turbin gas aeroderivative membuat turbin gas memiliki banyak keunggulan, untuk kegunaan yang sangat luas. Th. 2000 daya per unit sudah mencapai ~ 280 MW dan untuk siklus kombinasi ~ 500 MW. 10. Catatan : saat sekarang, turbin gas mampu bersaing dengan jenis Prime Movers yang lain dalam pembangkitan tenaga skala kecil (beberapa ratus kW) sampai besar (>500 kW). Beberapa faktor utama pemilihan jenis power plant yang paling sesuai, antara lain menyangkut masalah life cycle cost : a. capital cost b. time reqd from planning to construction c. maintenance cost d. energy / fuel cost (major to operation cost) 11. Gas turbine : lowest maintenance and capital cost, fastest completion time, but relatively high technology 9 T.GASDENGANAUGMENTASI Komponen utama : 1. Kompresor 2. Ruang bakar 3. Turbin 4. Beban (putaran poros) 5. Difuser (*) 6. Nosel (*) (*) = bila output = gaya dorong Output : putaran poros Wnet = WT.qT (WK/qK) Output : gaya dorong Wnet = ekspansi gas (WT.qT = WK/qK) Sistem Augmentasi (lihat juga slide 15) PC = precooler IC = intercooler RG = regenerator RH = reheater 10 - 1.4. KONSTRUKSIDASAR TURBIN GAS : (Lanjutan) - 1.5. LINGKUP PENGGUNAAN TURBIN GAS : 1. Penggerak Generator a. PLTG (simple cycle ; augmented / enhance cycle) b. PLTGU / STAG (siklus kombinasi = combined cycle) c. co-generation (pembangkit gabungan) t.gas atau t. uap d. utility peak load e. emergency plant f.private power plant (incl. offshore platform etc) 2. Penggerak Mekanis a. pompa b. kompresor (gas transmission etc) c. mesin-mesin industri 3. Untuk traksi atau kendaraan darat & laut :a. traksi berat / semi stasioner (kapal, kereta api) b. traksi ringan (mobil) 4. Propulsi Pesawat Terbang :a. turbo jetb. turbo propc. turbo fand. prop fan 5. Kegunaan khusus :a. auxiliary engine (misalkan : turbo supercharger)b. gas expander (misalkan : AC pesawat terbang)c. perangkat blower pada blast furnace)d. turbin dengan udara tekan (pemasok daya pada beban puncak)

11 Bab 2 SIKLUS TERMODINAMIKATURBIN GAS 12 2. Siklus Termodinamika Turbin Gas - Siklus Ideal turbin gas sederhana (siklus Brayton ideal) t.d. langkah-langkah : 1-2 : kompresi isentropik (K) 2-3 : pemasukan energi isobar (RB) 3-4 : ekspansi isentropik (T) 4-1 : pembuangan panas (isobar) - Siklus aktual : . proses kompresi : politropik (ada AQ) . pemasukan energi : ada p . proses ekspansi : politropik . pembuangan panas : ada p K RB T 13 2. SIKLUS TURBIN GAS (SIKLUS BRAYTON) IDEAL pada koordinat p V dan T s SIKLUS SEDERHANA (SIMPLE CYCLE) 1 2 : proses kompresi (isentropik), di kompresor 2 3 : energi masuk (isobar), di ruang bakar 3 4 : ekspansi (isentropik) di turbin 4 1 : pembuangan panas WK = h2 h1 = cp.T1[(p2/p1)(k-1)/k - 1)] WT = h3 h4 = cp (T3 T4) Qin = h3 h2 Qout = h4 h1 Wnet = WT WK qth = (Wnet/Qin) 14 Siklus Regenerative & Dengan Reheater 15 TURBIN GAS SIKLUS TERTUTUP, DENGAN 2 IC, 1 RG DAN 1 RH 16 BAB 3 KONSTRKSI TURBIN GAS 17 3. Konstruksi Turbin Gas Contoh : turbin gas sederhana (simple gas turbine) dg free turbine T1 = Tin = 65F = 291.3 K rpK = 61/14.7 =4.15 T3 = TIT = 1340F = 727C = 1000 K K = kompresor RB = ruang bakar TK = turbin kompresor TB = turbin beban (K + RB+ TK) = gas generator K RB TK TB * Lihat : macam-macam turbin gas outputputaran poros 18 Turbin Gas Sederhana (Simple Gas Turbine) poros tunggal poros ganda(dengan turbin bebas) 19 Turbin Gas Siklus Terbuka Dengan Augmentasi Enhance / augmented cycle pc pc = precooler ic = intercooler rg = rekuperator / regenerator rh = reheater 20 cc Perlu dibedakan antara : siklus kombinasi (combined cycle) denganpembangkitgabungan (co-generation) siklus kombinasi dengan CODOG, COGOG, COSAG dsb. Siklus kombinasi (combined cycle) - STAG 21 Siklus Kombinasi, Dual Pressure Boiler 22 BAB 4 MACAM-MACAM TURBIN GAS 23 4. Macam-macam Turbin Gas 1. Menurut Jenis Pembangkit Gas (Gas Generator = GG) : (1) pasangan ruang bakar dan kompresor + turbin kompresor (2) torak bebas (free piston engine)* (3) GG terpisah (misalkan turbosupercharger)* 2. Menurut Siklusnya : (1) siklus terbuka (2) siklus tertutup (3) siklus setengah tertutup 3. Menurut Jumlah Porosnya (1) poros tunggal (single shaft) (2) poros ganda (double shaft) (3) poros banyak (multi shaft) 4. Menurut output yang dihasilkan (1) putaran poros (mis. PLTG) (2) gaya dorong (mis. ms. turbo jet) (3) kombinasi putaran poros dan gaya dorong (mis. turbo prop) 5. Menurut kriteria rancangan (1) (heavy frame) industrial gas turbine (2) gas turbin untuk pesawat terbang (3) aeroderivative 24 1.2. FREE PISTON ENGINE Sebagai Gas Generator 1.1. Gas Generator =Pasangan Kompresor, Ruang Bakar dan Turbin Kompresor 1. Menurut Jenis GG Jenis Pembangkit Gas-nya 1.1. GG = K + RB + TK 1.2. GG = free piston engine 1.3. GG = terpisah 25 TURBO SUPERCHARGER Ctt.: ada supercharger jenis lain, yang tidak menggunakan turbin gas, yaitu : -mechanical supercharger - electrical supercharger 1.3. Gas Generator Terpisah 26 Turbosupercharger 27 (2) Menurut Siklusnya 2.1.Siklus terbuka 2.2. Siklus tertutup 2.3. Siklus setengah tertutup .. 2.1. Siklus Terbuka 2.2. Siklus Tertutup 28 Menurut Siklusnya : 2.3. setengah tertutup (semi closed) . . Westinghouse semi closed cycle T1 = turbin utama T2 = auxiliary turbine C1 = kompresor utama C2 = auxiliary compressor B = ruang bakar R =regenerator P = precooler Sulzer Bros semi closed cycle T1 = turbin kompreor T2 = turbin daya C1 = kompresor utama C2 = auxiliary compressor B = ruang bakar R = regenerator P = precooler I = intercooler 29 TURBIN GAS SIKLUS TERTUTUP, DENGAN 2 IC, 1 RG DAN 1 RH 30 (3) Menurut jumlah poros : 3.1. poros tunggal (slide 14)3.2. poros ganda (slide 14) 3.3. multi shaft . 3.3. Mesin turbofan tripple-spool dari Rolls-Royce : poros 1 : T1 & Fan ;poros 2 : T2 & LP compressor ; poros 3 : T3 & HP compressor 31 . 32 Turbin gas untuk mobil, dengan kompresor sentrifugal & regenerator . 33 4.1. Output putaran poros : Contoh : Rancangan dasar PLTG experimentalWestinghouse 200 HP (~147 kW), TIT=1350F (~732C) 4. Menurut output-nya :4.1. putaran poros 4.2. gaya dorong 4.3. kombinasi putaran poros dan gaya dorong 34 4.1. Output putaran poros Contoh : PLTG Rancangan Untuk Standby Service (Brown Bovery) 35 36 4.2. output : gaya dorong;contoh turbo jet 4. Menurut output-nya 4.3. output : kombinasi putaranporos dan gaya dorong . Turboprop . Turbofan BAB 5 SIKLUS AKTUAL DAN PENGARUH T1, T3, q(T,K,RB) DAN rp 37 5. Siklus Aktual 1- 2a : proses kompresi politropis WKa = WKid/qK 2 3a : proses pembakaran ada p rpT = rpK 3a 4a : proses ekspansi politropis WTa = WTid x qT 4a 1 : pross ekspansi ada p Qin = (h3a h2a) Qout = (h4a h1) qth = (Qin Qout)/Qin Wnet = WT x qT WK/qK WR = Wnet/WT 38 Pengaruh Parameter Terhadap Kinerja Dari segi termodinamika (bukan segi ekonomi) : T1 serendah-rendahnya terbatas kondisi atmosfer (untuk siklus terbuka), kecuali dipasang precooler T3 setinggi-tingginya dibatasi kekuatan material menahan suhu tinggi Efisiensi K, RB, T, setinggi-tingginya terbatas kemampuan teknologi Rasio tekanan kompresor (= rp) ada optimumnya ; perlu dipilih prioritas pada q, Wnet, atau WR Catatan : tiga besaran utama ukuran kinerja yang penting untuk diperhatikan adalah qtermal, Wnet (= kerja netto) dan WR (= rasio kerja) 39 40 Untuk TIT (= Tmax) yang sama, perubahan nilai rp kompresor berpengaruhterhadap WK. WK digambarkan sebagailuas, yang ada nilai maksimumnya untukrp tertentu BAB 6 UKURAN KINERJA TURBIN GAS 42 6. Ukuran Kinerja Turbin Gas 1. qth [ - ] = efisiensi termal = (Qin Qout)/Qin 2. sfc [g/kW.h] = specific fuel cons. (konsumsi bh bakar spesifik) 3. hr = heat rate [kJ/kW.h] = laju kalor 4. Wnet [kJ/kg] = kerja netto5. SP [kW/kg.s] = specific power = daya spesifik = Wnet 6. AR [(kg/s)/kW] = air rate = laju udara = 1/SP 7. WR [- ] = work ratio = rasio kerja = Wnet/WT Pertimbangan pemilihan : - umur (lifetime) - life cycle cost (ekonomi) dcf-roi (ekonomi) - kehandalan (reliability) - ketersediaan (availbility) - kemudahan perawatan (maintainability) - tbo (time between overhaul) Catatan : 1, 2, 3 = ukuran hemat tidaknya pemakaian energi 4, 5, 6 = ukuran kompak tidaknya konstruksi turbin gas 7 = ukuran stabilitas operasi 41 lanjutan

3600 x 1000 qth = ----------------- * dengan memperhatikan satuan yang digunakan sfc x NK sfc x NK h.r = ------------- 1000 h.r = (3600)/qth fc = sfc x daya Daya = Wnet x Gm sfc = AR x F/A - NK = nilai kalor [kJ/kg] ; ada NKA = HHV = GCV & NKB = LHV = NCV - fc = fuel consumption = konsumsi bahan bakar [g/h] - F/A = fuel air ratio = perbandingan berat bahan bakar dan udara [ - ]- Gm = laju aliran massa [kg/s] - Untuk NK = 43 953 [kJ/kg] = 10 500 [kcal/kg] = 18 911 [btu/lb], bila q = 40% maka sfc = 204.76 [g/kW.h] dan h.r = 9 000 [kJ/kW.h] - Bahan bakar HSD, kero atau JP, nilai F/Acc ~ 1/16 ; turbin gas F/A = 1/50 sd 1/150 (secara umum, kurang lebih 400% excess air) < lean blow out - Catatan : dalam menggunakan rumus, perhatikan satuannya 43 Untuk nilai kalor bahan bakar, HV = 43 953 [kJ/kg]= 10 500 [kcal/kg] = 18 911 [btu/lb] q[%]sfc [g/HP.h]sfc [g/kW.h] hr [kcal/kW.h]hr [kJ/kW.h]hr [btu/kW.h] 20 301.41409.524 300 18 00017 058 25 241.13327.623 440 14 40013 646.4 30 200.94273.012 866.7 12 00011 372 40 150.7204.762 1509 0008 529 100 60.28281.9 8603 6003 411.6 Daya Turbin Gas (dipengaruhi kondisi udara masuk, terutama T1) ISO Rating : sea level ; 15C (= 59F) (Ctt : s.d. tahun 1970, diberlakukan NEMA std., berbasis1000 ft altitude, 80F (= 26.66C) ISO = NEMA x 1.12 NEMA = National Electrical Mfr. Association 44 45 46 BAB 7 PARAMETER RANCANGAN 47 7. Parameter Rancangan - Perlu dibedakan : karakteristik termodinamika dengan karakteristik operasi - Dalam rancangan turbin gas, dari banyak faktor ukuran kinerja, tiga besaran penting adalah (1) efisiensi termal (= qth) (2) kerja netto (Wnet) (3) rasio kerja (WR) - Arti dari masing-masing besaran telah dibahas di bab 6 - Empat parameter penting yang mempengaruhi karakteristik termodinamika adalah : T1 (temperatur fluida seksi masuk kompresor), T3 (temperatur pembakaran, atau sering digunakan istilah TIT = turbine inlet temperature), qK,qT,qRB (efisiensi komponen utama : kompresor, turbin, ruang bakar), rpK (rasio tekanan kompresor) - (Catatan : karakteristik operasi dipengaruhi banyak faktor, sehingga perlu dianalisis dengan besaran tak berdimensi) - Dalam rancangan, dari pertimbangan termodinamika (bukan ekonomi) selalu diusahakan : qth, Wnet dan WR = setinggi mungkin (Wnet sebesar mungkin berarti AR serendah mungkin) dalam praktek perancangan, perlu kebijaksanaan trade-off, tergantung dari prioritas. - T1 diupayakan serendah mungkin (terbatas temperatur lingkungan, atau memasang precooler), TIT setinggi mungkin (terbatas kemampuan material menahan suhu tinggi) dan efisiensi komponen setinggi mungkin (terbatas kemampuan teknologi), rpK dipilih nilai optimumnya. 48 BAB 8 GAS IDEAL, TABEL GAS DAN TABEL UDARA 49 8. Gas Ideal, Tabel Gas & Tabel Udara - Turbin gas siklus terbuka, fluida kerja adalah udara (sebelum masuk ruang bakar), dan gas sesudah ruang bakar. Gas adalah produk pembakaran yang bervariasi, tergantung besarnya F/A - Turbin gas siklus tertutup, fluida kerja dapat menggunakan : udara, He, H2, N2, CO2 dan secara teoritis semua jenis gas.- Gas adalah fluida kompresibel yang memenuhi hukum gas, dan secara teknis dapat dianggap sebagai gas ideal, sehingga di dalam praktek perhitungan termodinamika, dapat menggunakan rumus-rumus gas dan gas ideal. Untuk mendapatkan ketelitian yang lebih baik, dapat menggunakan tabel udara dan tabel gas yang sesuai (berbeda dengan fluida uap, yaitu fluida kompresibel yang tidak memenuhi hukum gas / gas ideal harus dengan bantuan tabel uap) - Hukum-hukum gas antara lain Hk. Boyle, Gay-Lussac, Dalton dll. - Gas ideal = gas yang memenuhi persamaan gas ideal (equation of state) : p v = RT p = tekanan [kPa] v = volume spesifik [m3/kg] R = konstanta gas individu [kJ/kg.K] T = temperatur absolut [K] 50 lanjutan - Data udara (STP) : M = 28.967 [kg/kmol] R = (R*/M) = 0.2868 [kJ/kg.K] cp = 1.011 [kJ/kg.K] k = (cp/cv) = 1.4 STP = 1.252 [kg/m3] R* = konstanta gas universal = 8.31434 [kJ/kmol.K] = viskositas absolut = 17.456x10-6 [Pa.s] (STP SI unit : p = 101.325 kPaa, T = 273.15 K) - Tabel udara & tabel gas (untuk turbin gas, kurang lebih 400% excess air), disusun dari hasil pengujian (udara dan gas dianggap sebagai gas ideal) : -------------------------------------------------------------------------------------------- T [K] h [kJ/kg] pr [ - ] vr [ - ] [kJ/kg.K] a [m/s]--------------------------------------------------------------------------------------------- (1) semua besaran nilainya tergantung T ; datum diambil sembarang (harus konsisten), yang penting nilai relatifnya (perubahannya). (2) h = entalpi spesifik [kJ/kg] (3) pr = pressure relative (terhadap sembarang datum) (4) vr = volume spesifik relative (terhadap sembarang datum) (5) = cp[(dT)/T ] s = s1 s2 = (1 2) R ln(p2/p1) pada kasus isentropik, s = 0, R ln (p2/p1) = (1 2) (6) C = tergantung T ; nilai (p2/p1) = tergantung T ; bukan nilai absolut p2 & p1 (7) a = kecepatan sonic a = (kRT)1/2 51 BAB 9 DASAR TERMODINAMIKA TURBIN GAS DAN PEMBANGKIT TENAGA 52 9. Dasar Termodinamika Turbin Gas dan Pembangkitan Tenaga 9.1. Landasan : Termodinamika 1. Hukum Termodinamika I (conservation of energy) 2. Hukum Termodinamika II (availability of energy) 3. Zeroth Law (postulate) (thermal equilibrium) 4. Third Law (attainability of absolute zero temperature)9.2. Persamaan Dasar : 1. Gas Ideal, gas riil, dan hukum-hukum gas 2. Persamaan Kontinuitas (konservasi massa) 3. Persamaan Bernoulli (konservasi momentum) 4. Persamaan Energi Umum 9.3. Komponen Turbin Gas : 1. Difuser 2. Kompresor 3. Ruang Bakar 4. Turbin 5.Nosel 6.PC (= precooler = pendingin awal) 7.IC (= intercooler = pendingin antara) 8.Rg (= regenerator) 9.Rh (= reheater = pemanas ulang) 53 9.1. Termodinamika A Ilmu yang membahas masalah energi dan perubahan energi Inti Dari Hukum Termodinamika I & II 1. Energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan 2. Energi dapat diubah bentuknya (en. listrik, en. mekanik, en. panas / kalor, en. potensial, en. kinetik, en. tekanan dsb.) 3. Proses perubahan energi selalu disertai kerugian 54 Dasar-dasar Hukum Termodinamika 1. Hukum Termodinamika Nol (zeroth law) : postulate / aksioma : bila dua sistem dalam keseimbangan termal dengan sistem ke tiga, maka semuanya dalam thermal equilibrium. 2. Hukum Termodinamika I (first law) : menyatakankekekalan energi (conservation of energy) 3. Hukum Termodinamika II (second law) : informasi (availability of energy) 4. Hukum Termodinamika III (third law) : temperatur nol absolut tak mungkin dapat dicapai (attainability of absolute zero of temperature = -273.16C = 0 K) 55 Energi, Kerja dan Daya -energi = kemampuan untuk melakukan kerja [J ] kerja = pemanfaatan dari energi [J ] daya= laju pemanfaatan energi [ W = J/s ] entalpi (H) = total kandungan energi : (H= U + PV) [J]) entalpi spesifik, disebut juga head : (h : [J/kg] atau [m2/s2]) energi atau kerja dapat digambarkan sebagai luas, pada koordinat pressure volume (p V) entropi (S) = derajat ketidakberaturan suatu sistem (konsep Clausius 1865, bahwa dQ dapat digambarkan sebagai luas pada koord. T-s) entropi spesifik fds = fdQ/T [J/kg.K] perubahan panas (dQ) dapat digambarkan sebagai luas pada koordinat T s efisiensi (umum) = output / input = 1 (loss / input) efisiensi termal, qth = (Qin Qout)/Qin 56 Konversi Satuan Energi Daya dan Tekanan Energi : SI unit : [J] atau [kJ] 1 J = 1 W.s = 1 N.m = 1x10-3 kJ 1 kcal = 4.186 kJ 1 kcal= 3.968 BTU = 427 kgf.m 1 BTU = 778 lbf.ft 1 erg = 1 dyne.cm = 10-7 J(fisika) Daya: SI unit : [W] atau [kW] 1 HPm = 1 PS = 1 PK = 1 DK = 75 kgf.m/s = 0.736 kW 1 HPb=550 lbf.ft/s = 0.746 kW Tekanan : SI unit [Pa] atau [kPa] atau [bar]

1 Pa = 1 N/m2 1 bar= 106 dyne/cm2 = 100 kPa = 14.5038 psi 1 atm = atmosfer fisika = 760 mm Hg = 14.6959 psi 1 at= atmosfer teknik = 1 kgf/cm2 = 14.2233 psiLain-lain :1 ft = 0.3048 m ; 1lb = 0.454 kg Energi spesifik = head = energi / massa [J/kg] atau [m2/s2] 57 9.2.(1) Persamaan Dasar : Gas Ideal, Gas Riil & Hukum-hukum Gas Pada turbin gas siklus terbuka, fluida kerjanya adalah udara (sebelum ruang bakar) dan gas dengan F/A tertentu sesudah ruang bakar. Besarnya F/A untuk turbin gas dibatasi oleh temperatur pembakaran. Umumnya F/A = 1/50 s.d. 1/150 atau sekitar 400% excess air. Pada turbin gas siklus tertutup, fluida kerjanya (secara teoritis) bisa semua jenis gas seperti udara, He, N2, CO2 Di dalam perhitungan termodinamika praktis, semua gas dianggap sebagai gas ideal Gas ideal (disebut juga perfect gas) adalah gas yang memenuhi persamaan gas ideal atau equation of state :p.v= R.T [9.1] [9.1] x Gm [kg/s] :p.Gv = Gm.R.T [9.2] [9.1] x m [kg] : p.V = m.R.T[9.3] p= tekanan [Pa] v= volume spesifik, v = (1/) [m3/kg] R = konstanta gas individu [J/kg.K] T= temperatur absolut [K] Gm = aliran massa [kg/s] Gv = aliran volume [m3/s] V= volume [m3] 58 Gas Riil Gas Riil (= non perfect gas) : perlu koreksi faktor kompresibilitas Z pada persamaan gas ideal, sehingga :pv = ZRT[9.4] Nilai Z dipengaruhi oleh besarnya temperatur kritis (Tc) dan tekanan kritis (pc) dari gas, dan dapat dihitung dengan bantuan generalized compressibility factor chart. Untuk menyelesaikan perhitungan yang menyangkut fluida gas, semua hukum gas dapat diberlakukan seperti hukum Boyle (Boyle Mariotte), hukum Charles (Gay Lussac), hukum Amonton, hukum Dalton, hukum Amagat, hukum Avogadro.59 GeneralizedCompressibility Factor Chart 60 9.2.(2) Persamaan Dasar Aliran Fluida Persamaan Kontinuitas (diturunkan dari konservasi massa): untuk aliran tunak 1-DQv = v.A (aliran volumetrik) [m3/s] [9.5] Qm = .v.A(aliran massa)[kg/s][9.6] Persamaan Bernoulli (diturunkan dari konservasi momentum atau persamaan gerak yang berbasis Hukum Newton II untuk fluida Newtonian : Navier-Stokes ; untuk aliran potensial yang inviscid (pengaruh viskositas diabaikan), dalam keadaan tunak (stasioner), 1-D :incompressible fl. : Ap/ + Av2/2 + Agz = konstan [9.7] compressible fl.:Ah + Av2/2 + Agz = konstan [9.8] untuk gas ideal :fdh = fcp.dT[9.9] 61 9.2. (4). Persamaan Energi Umum Dari persamaan dasar termodinamika, Hukum Termodinamika I, untuk sistem terbuka aliran steady,(q W) = Ah + AKE + APE [J/kg] atau [m2/s2][9.10] bila tak ada kerugian (ideal) : q = 0 bila tak ada kerja yang dilakukan (seperti pada difuser atau nosel) : W = 0 Bila fluida kerjanya gas ideal dengan panas jenis yang tak berubah dengan temperatur : Ah = cp (AT) AKE = selisih energi kinetik, dalam satuan SI = A(v2/2) ; pada kasus kompresor, nilai AKE relatif kecil dibandingkan Ah dan sering diabaikan (harus diinformasikan) APE = selisih energi potensial, dalam satuan SI = Agz ; dalam perhitungan praktis Agz = 0 62 9.3. Komponen Turbin Gas 1. Difuser 2. Kompresor 3. Ruang Bakar (Combustion Chamber) 4. Turbin 5. Nosel 6. Pendingin Awal (Precooler) 7. Pendingin Antara (Intercooler) 8. Regenerator / Rekuperator 9. Pemanas Ulang (Reheater) 63 a = difuser (intake) 1 2 = kompresor 2 3 = ruang bakar 3 4 = turbin 4 5 = nosel 64 1. DIFUSER 65 TermodinamikaDifuser 1. Difuser A mengubah KE menjadi Pressure Energy 2. Dari persamaan [9.10]62 dapat diturunkan untuk difuser :cp.T1[(p2/p1)(k-1)/k 1] = qD(v12 v22)/2[9.11] 3. qD = Ahis / Ahakt[9.12] nilainya = 70 s.d 85% 4.Sudut pengembangan difuser = 3 s.d. 6, tergantung bentuk penampang difuser 5.Penampang difuser umumnya berbentuk lingkaran atau dapat segi empat panjang, bujur sangkar atau bentuk khusus 6.Bentuk difuser subsonik (M1) adalah divergen 7.Fungsi difuser adalah untuk membantu proses kompresi dengan memanfaatkan kecepatan aliran fluida masuk 66 KOMPRESOR 1. Kompresor A alat mekanis untuk memindahkan fluida kompresibel 2. Kompresor : (1) aliran intermittent (positive displacement = PD) : (a) rotary (b) reciprocate (2) aliran kontinyu : (a) dynamic (aksial, sentrifugal, mixed) (b) static : ejector 3. Untuk turbin gas umumnya : kompresor sentrifugal (= turbo blower) atau kompresor aksial4. Dari persamaan energi umum [9.10] dapat diturunkan untuk kompresor : WK(id) = cp.T1 [(p2/p1)(k-1)/k 1] + (v12 v22)/2 [9.13] WK(akt) = WK(id)/qK [9.14] 5. cp = [(k)/(k 1)]. R[9.15]; KE umumnya dapat diabaikan 6. Isentropik : (T2/T1) = (p2/p1)(k 1)/k = (v1/v2)(k 1)[9.16] 7. cp cv = R;cp/cv = k; cp[1 (1/k)] = R [9.17] Data Udara Data udara : udara kering STP = standard temperature and pressure (t = 273.15 K; p = 101.325 kPaa): M = 28.967 [kg/kmol] ; R = 0.2868 [kJ/kg.K] ; cp =1.011 [kJ/kg.K] ; k = 1.403 [ - ] ; = 1.252 [kg/m3] ; hk = 0.0237 [W/m.K] ; o = difusivitas termal = 19.2 x 10-6 [m2/s] ; = 17.456 x 10-6 [Pa.s] ; v =13.9 x 10-6 [m2/s] ; Pr= 0.71 ; pcr = 37.744 [bar] ; tcr = 309.5 [K]

Data udara kering pada tekanan atmosfer t [C] [kg/m3]| [1/K] cp[J/kg.K]hk [W/m.K]o [m2/s] [Pa.s] 20 1.164 3.41x10-31012 0.025122.0x10-6 18.24x10-6 80 0.968 2.83x10-31019 0.029330.6x10-6 20.79x10-6 catatan :| = koefisien ekspansi termal o = difusivitas termal (udara (STP) = 1.252 kg/m3 Kompresor Sentrifugal 1. Aliran oleh gaya sentrifugal F = m. v2/r = m.e2.r 2. rpK/stage = 2.5 s.d. 4 ( 1.5 Kompresor : s = 0.5 s.d 0.73. rpK/stage = 1.08 sd 1.25 can type reverse flow RUANG BAKAR can type = shell type Konstruksi Ruang Bakar (terbagi menjadi 3 zona) Jenis jenis ruang bakar 1. Single can2. Multi can 3. Can annular 4. Straight through 5. Reverse flow Ruang bakar (combustion chamber) 1. Ruang bakar A tempat di mana proses pembakaran atau pemasukan energi terjadi 2. Ruang bakar dirancang untuk dapat terjadi pembakaran yang stabil, mencapai TIT seperti yang diinginkan, penggunaan material yang sesuai serta memperhatikan masalah emisi 3. Dari segi termodinamika, yang penting mampu menahan suhu pembakaran yang diinginkan sesuai dengan F/A 4. Tin = 394 sd 789 K (dengan regenerator : 644 sd 1033 K) 5. Tout = 922 sd 1255 K (industrial gas turbine) ; 1060 sd 1644 K (ps. terbang) ; 3 000F (near future) ~ 1650C 6. Pembakaran berlangsung secara kontinyu, dengan F/A = 1/50 sd 1/150 (F/Acc = 1/16 ; lean blow out : 1/25 ; rich blow out = 1/5&dipengaruhi kecepatan aliran dari udara pembakaran lanjutan 7. Rancangan ruang bakar, dengan membagi menjadi tiga zona, memungkinkan terjadi pambakaran pada F/A yang sangat rendah. Tiga zone dari ruang bakar adalah : 1. ignition zone 2. reaction zone 3.quencing and mixing 8. ignition zone : terjadi pembakaran (dengan F/A yang dapat terbakar ~ 1/16) reaction zone : daerah terjadinya penyempurnaan pembakaran dengan masuknya udara sekunder (F/A berkurang) quencing & mixing : selain pembakaran lebih disempurnakan, juga terjadi proses pendinginan, agar temperatur pembakaran tidak melampaui kekuatan material (udara tertier masuk, & F/A makin berkurang) TURBIN 1. Turbin aksial dan kompresor aksial transfer energinya berkebalikan ; dari segi rancangan sangat berbeda 2. Kompresor aksial teori airfoil solidity s = 0.5 sd 0.73. Turbin aksial teori channel solidity s >1.5 4. Dari persamaan energi umum, dapat diturunkan :1 WTakt = qT cp Tin (1 ------------- )+ AKE [9.18] rp(T)(k 1)/k 5. Fluida kerja turbin adalah gas dengan F/A tertentu, dan dapat dianggap sebagai gas ideal 6. rpT = rpK, bila Ap di ruang bakar diabaikan ; besarnya Ap berkisar 2 sd 5% karena adanya percepatan gas. 7. qT = Ah(akt)/Ah(is)

8. Pers. [9.18] :rp(T) tidak selalu sama dengan rp(K), tergantung jenis output-nya serta kerugian yang terjadi (adanya pressure drop di ruang bakar)lanjutan 9. Jenis turbin : turbin impuls dan turbin reaksi 10. Turbin impuls : tidak ada ekspansi di sudu gerak 11. Turbin reaksi : ada ekspansi di sudu gerak 12. Adanya kerugian tekanan jatuh di ruang bakar, mengurangi WT NOSEL 1. Nosel A alat mekanis untuk mengubah Presure Energy (energi tekanan) menjadi energi kinetik (energi kecepatan 2. Dari pers. [9.10]62, dapat diturunkan persamaan nosel : Ah = (vout2 vin2) ; diperoleh : vout = \2.qN.cp.Tout [(pin/pout)(k 1)/k 1] 3. Pada nosel konvergen (untuk pesawat terbang), vout maksimum = sonic (= Mach 1) ;vsonic = (kRT)1/2 4. Oleh karena itu perlu ditentukan batas ekspansi dengan trial & error, bila dengan ekspansi penuh menghasilkan vout > vsonic 5. Tekanan keluar nosel dapat dihitung dengan persamaan : (Tin/Tout) = (pin/pout)(k 1)/k

~982C Peta Operasi TurbinTurbin Gas Sederhana Poros Tunggal T1 = 535R (~24C) p1=14.7 psia (~101.3 kPaa qK = 0.85 qRB = 0.97 qT = 0.87 Pengaruh TIT dan rpK

terhadap qth dan Wnet Peta kinerja Siklus Kombinasi Kondisi uap : p = 700 psia=4828 kPaa T=1260R=445C Latihan 1 1. Buktikan satuan energi spesifik, head : 1 J/kg = 1 m2/s2 2. Head: m (= kgf.m/kgf) = . kgf.m/kgm (ingat : gc) 3. Tekanan : 15 psi=..kPa 4. Temperatur : - 40C=.F = . R 5. Entalpi: 200 kJ/kg =. kcal/kg =.BTU/lb 6. Entropi:50 kJ/kg.K =.kJ/kg.C = .kJ/kg.F 7. Nilai kalor bahan bakar : 11 000 kcal/kg = .kJ/kg =. BTU/lb 8. Konsumsi bahan bakar spesifik (=sfc) : 156 g/PS.h = .g/kW.h. Pengertian sfc dan bedanya dengan fc Catatan Latihan 1 1. 1 J/kg = 1 (N.m)/kg = 1 (kg.m/s2.m)/kg = 1 m2/s2 2. gc = faktor konversi gravitasi = 9.807 [kgm/kgf.m/s2] = 32.174 [lbm/lbf.ft/s2] W/g = m/gc; /g = /gc SI: Ap/ + Av2/2 + Ag.z= konstan[kJ/kg] = energi/massa TM/B : Ap/ + Av2/2g + Az = konstan[m = kgf.m/kgf] = energi/berat Ap/ + Av2/2gc + A(g/gc).z [ kgf.m/kgm] = energi/massa 3.psi = lb/inch2 4. - 40C = {(- 40) (+32)} x 5/9 = - 40F 5. 200 kJ/kg = 200x(1/4.186) kcal/kg = 47.778 3 kcal/kg 200 kJ/kg = 200x(1/3.968)x0.454 = 50.4032x0,454 = 22.883 btu/lb 6. 50 kJ/kg.K = 50 kJ/kg.C = 5/9x50 [C/F x kJ/kg.F] = 28.67 kJ/kg.F 7. 11 000 kcal/kg = 11 000 x 4.186 kJ/kg = 46 046 kJ/kg 11 000 kcal/kg =11 000 x 3,986 x 0.454 = 19 906.1 [btu/lb] 8.156 g/PS.h = (1/0.736) [PS/kW] x 156 [g/PS.h] = 211.96 [g/kW.h] Catatan :. 1 lb = 0.454 kg lb/kg = 0.454 . C/F = 5/9 ; C/K = 1/1 ; F/R = 1/1 ; K/R = 5/9 . 1 kcal = 3.968 btu kcal/btu = 3.968 . Angka muai = 0.05 m/m/K = .Inch/inch/K = . Inch/inch/F (inch/mm = 1/25.4 ; K/F = 5/9) . 1 [btu/(h.ft.K] = 1.729577 [W/(m.K] . 1 [btu/h.ft2.K] = 5.6745 [W/m2.K] . 11 000 kcal/kg = 11 000x3.968x0.454 = 19 816.2 btu/lb 9 MATAHARI HELIOTHERMAL ANGIN ENERGI BUMI GEOTHERMALFUSI NUKLIRBH MAKANANFISSI NUKLIRAIRLAIN-LAIN SINAR MTHARI EN. MEKANISLAIN-LAINEN. PANASEN. SINAREN. BB. KIMIAEN. NUKLIR KOLEKTORPEMB. EKSTERNALREAKTORAPK / BUMI PANAS gaya tarik MEDIA GAS TURBIN AIRKINCIR ANGINKINCIR AIRMS UAPTURBIN UAPTURBIN GASMS DIESELMS OTTO MS WANKEL PEMB. INTERNAL gaya tarik BB. HC OTOT ENERGI MEKANIS PUTARAN POROS MEDIA CAIR / KETEL UAP L2 Sumber Energi Turbin Gas E N E R G IP A N A S heliothermalfissi nuklir(fusi nukjli)geothermalbahan bakar HC padatcairgas pembk. eksternal pembk.internal media cair/uapmedia gas TURBIN GAS beban - generator - pompa - kompresor - alat mekanis - gaya dorong L3 m. Diesel m. Otto m. Wankel Standar Penyediaan Energi P R I M E M O V E R S GENERATOR ENERGI LISTRIK AKUMULATOR PUMP STORAGE PLANTAIR TERJUN PLTA PLTM PLTU PLTPB PLTG PLTGU = STAG PLTN PLTD USERS PLTB L4 Variasi Pembebanan (daerah subtropis) Ordinat P = daya s MS WANKEL = ROTARY ENGINE Persamaan Dasar Aliran Fluida Persamaan Kontinuitas (diturunkan dari konservasi massa): untuk aliran tunak 1-DQv = v.A (aliran volumetrik)[1.4] Qm = .v.A(aliran massa) [1.5] Persamaan Bernoulli (diturunkan dari konservasi momentum atau persamaan gerak yang berbasis Hukum Newton II untuk fluida Newtonian : Navier-Stokes ; untuk aliran potensial yang inviscid (pengaruh viskositas diabaikan), dalam keadaan tunak (stasioner), 1-D :incompressible fl. : Ap/ + Av2/2 + Agz = konstan [1.6a] compressible fl.:Ah + Av2/2 + Agz = konstan [1.6b] untuk gas ideal :fdh = fcp.dT[1.6c] 6 Fissi Nuklir 1. Energi nuklir diperoleh dari proses pembelahan inti (fissi) unsur berat, atau penggabungan inti (fusi) unsur ringan (isotop H). 2. Fertile material (misalkan U92238, Th90232), proses pembelahan intinya sangat pelan dan tak dapat menjamin terjadinya reaksi rantai (yang berlangsung sangat cepat) serta sukar terjadi proses fissi yang disebabkan penangkapan neutron bertenaga tinggi 3. Fissionable material (misalkan U92235, U92233, Pu94239), dapat diperoleh langsung dari alam atau diolah dari fertile material.4. Desintegrasi : peristiwa keluarnya sinar o, | dsb dari suatu inti unsur, yang mengakibatkan peristiwa transmutasi (perubahan unsur) 5. Transmutasi : perubahan suatu unsur menjadi unsur baru karena pemboman partikel (umumnya neutron) dengan kecepatan tinggi, yang diperoleh dari cyclotron dan sejenisnya. 6. Fissi = pembelahan inti dari fissionable material ; misalkan U92235

terbentuk material baru yang saling tolak menolak (Ba & Kr), neutron baru (yang membelah inti yang lain), energi yang besar karena ada massa yang hilang Fissi Nuklir (lanjutan) 7. Energi yang dihasilkan tiap pembelahan inti = 200 MeV 1 MeV = 1.6 x 10-6 erg = 1.6 x 10-13 J = 3.82 x 10-17 kcal 1 fissi nuklir = 200 MeV = 3.2 x 10-11 Ws berarti 1W = 3.1 x 1010 fissi/s 1 [g] uranium terdapat 6.02 x 1023 atom 8. Energi yang dihasilkan 1 g uranium = 6.02 x 1023 x 3.2 x 10-11 [ J ] =2.3 x 104 kWh = 1978 x 104 kcal (atau setara 2.82 ton batubara dengan nilai kalor 8000 kcal/kg) 9. Massa yang hilang berubah menjadi energi sesuai formula : E = m.c2 (E [erg], m [g], c [cm/s]) atau (E [J], m [kg], c [m/s]). c = kecepatan cahaya = 3 x 1010 [cm/s] = 3 x 108 [m/s] 10. Massa kritis = jumlah massa tertentu, yang bila dilampaui akan terjadi reaks rantai (terjadi pelepasan energi yang tak terkendali). Untuk digunakan sebagai pembangkit tenaga perlu pengendalian : how to start, decrease, increase, stop. Metoda yang banyak digunakan adalah dengan control rod, yang berisi neutron absorber 11. Coolant ; to remove the heat generated by the fission process. Membawa panas sensibel yang diperoleh dari reaktor nuklir, dan digunakan untuk memproduksi uap (pada PLTN) 12. Uranium alam terdiri dari : U92238 (99.3%), U92235 (0.7%) dan U92233 (sedikit sekali). Untuk digunakan sbg bhbakar PLTN, agar murah biasanya diperkaya (low enriched) atau dengan pembiak (breeder) Fissi Nuklir (lanjutan) 13. Untuk mengambil fissionable mtl (U92235) dari uranium alam, dapat secara mekanis (gas diffusion separator atau electromagnetic separator), atau secara chemical (converter atau breeder). Dalam reaktor converter (thermal converter), U92235 yang terbentuk, lebih kecl dari yang terpakai. Sedangkan pada breeder(fast breeder) sebaliknya. Pemisahan U92235 dari uranium alam sangat mahal. Fully enriched(sampai 93.5%) tidak efisien karena biayanya lebih besar dari hasil yang diperoleh. Pada low enriched kadar U92235 = 3 s.d 4% 14. Ada 2 macam fission reactor : (1) thermal (2) fast15. Untuk digunakan sebagai pusat pembangkit daya, banyak konsep dari termal reaktor (511 unit per 1983), diantaranya ada 4 jenis powerplant yang telah dibangun secara komersial sampai tahun 1983, dengan daya total = 391 600 MW, yaitu : (1) pressurized-water-reactor (PWR) powerplants = 284 (2) boiling-water-reactor (BWR) powerplants = 132 (3) gas-cooled-reactor (GCR) powerplants = 53 (4) heavy-water-reactor (PHWR) powerplants = 3916. Fast-breeder reactor = 7 unit, 3280 MW Fissi Nuklir (lanjutan) 17. Pada thermal reactor, fission is primarily caused by thermal neutron. Oleh karena itu perlu moderator untuk menormalisasikan neutron, di samping juga sebagai coolant untuk mengambil panas yang dibangkitkan dari proses fissi. Moderator dan coolant bisa dari bahan yang sama light water (H & O) atau heavy water (deuterium & O) atau bahan yang berbeda seperti graphite (sebagai moderator) dan gas helium atau CO2 (sebagai coolant) 18. Fast breeder tidak perlu moderator tapi tetap memerlukan coolant seperti liquid metal (Na) LMFBR = liquid-metal fast-breeder reactor, atau gas (He) GCFR = gas cooled fast reactor 19. Bom atom Hiroshima, uranium 50 kg, daya ledak ~ 12.5 kiloton (ada yang menyebutkan 20 kiloton) TNT, ~1 kg actually fissioned, ~ 1 kg massa yang dikonversiksan menjadi energi. Nagasaki dengan plutonium. Ledakan nuklir terbesar (fissi-fusi) daya ledak ~ 57 000 kiloton TNT (USSR 1961) 20. Bahaya dari ledakan fissi nuklir : (1) blast (2) panas (3) fallout (hujan partikel radioaktif) 21. Nuclear reactor = a device for controlled fission

Fusi Nuklir 1. Fusi nuklir = penggabungan inti dari unsur ringan, yaitu isotop zat air deuterium (= D = H12) dan tritium (= T = H13) 2. Agar terjadi fusi, inti dengan muatan positif perlu dipercepat gerakannya sampai energi kinetiknya cukup tinggi, sehingga gaya repulsive listrik teratasi. Diperlukan temperatur sampai puluhan juta derajat Celcius (menghasilkan plasma = fasa 4 = gas yang bermuatan listrik) agar terjadi fusi. Reaksi fusi = termonuklir. 3. Energi yang dihasilkan : energi per reaksi [MeV] D + D T + p+ 3.98 D + D He3 + n+ 3.25 T + D He4 + n + 17.6 He3 + D He4 + p+ 18.3 4. 1 eV = 10-6 MeV = 1.6021 x 10-19 [J] = 4.44 x 10-26 [kWh] Lanjutan 5. AE = Am.c2 c ~ 3 x 108 [m/s] ; amu = atomic mass unit = 1.66 x 10-27 kg Diperoleh : AE [MeV] = 931 x Am [amu] Berarti: AE [ J ]~ 9 x 106 Am [kg] 6. Massa dari neutron = mn = 1.008665 amu, proton = mp = 1.007277 amu ; elektron = me = 0.0005486 amu 7. Pada reaksi fusi terjadi juga massa hilang, dan timbul energi yang besar, jauh lebih hebat dari fissi nuklir, namun tidak ada radioactivity 8, Sedang diupayakan fusi dingin (D He @ 350x106C ; D + T He @ 45x106C) 9, 1 lb D ekivalen 28 000 ton TNT (Hiroshima ~ 12 500 ton TNT) 10. Cara pengendalian dan menampung suhu yang ekstrim tinggi belum ditemukan ; magnetic bottle hanya bertahan sangat singkat. Dengan pengembangan riset seperti saat sekarang, realisasi paling cepat tahun 2050 11. Energi fusi tersedia cukup berlimpah ; D (heavy hydrogen) = 1/6660 bagian dari hidrogen alam 12. Bom H : fissi fusi fissi; 1961 dicoba di Novaya Zemla berdaya ledak sampai ekivalen 57 megaton TNT (57 000 000 ton) ; schock wave mengelilingi bumi 3x. Kruschev (1961) mengumumkan USSR mampu membuat membuat bom 100 megatonEnergi Bahan Bakar HC (Hidrokarbon) 1. Proses photosynthese : CO2 + H2O (dengan bantuan sinar matahari) bahan makanan biomass bahan bakar HC 2. Bh bakar HC = bh bakar fossil = bh bakar konvensional 3. Bh bakar HC = non renewable (siklus pembentukannya sangat lama) sedangkan biomass = renewable 4. Bh bakar HC dapat berbentuk padat (rantai karbon panjang), cair (rantai karbon sedang), atau gas (rantai carbon pendek (