MAKALAH

SIKLUS BRAYTON DAN PENERAPANNYA DALAM TEKNIK

Disusun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah termodinamika

Dosen : Drs. Saeful Karim, M. Si.

Duden Saepuzaman, M. Pd., M. Si

Disusun oleh:

Ina Risnawati 1300038

Lia Rosalia 1305204

Risna Anggraeni 1305481

Sapto Hermawan 1305855

DEPARTEMEN PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN

ALAM

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

BANDUNG

2015

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Subhanahu

Wata’ala, atas segala limpahan rahmat dan pertolongan-Nya, akhirnya penulis dapat

menyelesaikan makalahtermodinamika yang membahas tentang siklus Brayton dan

penerapannya dalam dunia teknik.

Makalah ini disusun untuk memberikan pengetahuan kepada mahasiswa

khususnya mahasiswa pendidikan fisika mengenai penjelasan siklus Brayton dan

penerapannya dalam dunia teknik, sehigga diharapkan mampu menciptakan suatu

karya yang memanfaatkan siklus Brayton dalam kehidupan sehari-hari.

Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan

terima kasih kepada dosen, Drs. Saeful Karim, M. Si. dan Duden Saepuzaman, M.

Pd. M. Si. , kepada orang tua yang telah memberi dukungan serta kepada teman-

teman yang telah membantu dalam penyelesaian makalah ini.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan makalah ini jauh dari

sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran sangat diharapkan untuk perbaikan

penulisan selanjutnya. Penulis berharap makalah ini dapat bermanfaat bagi

mahasiswa khususnya mahasiswa pendidikan fisika.

Bandung, April 2015

Penulis

i

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR...............................................................................................i

DAFTAR ISI..............................................................................................................ii

BAB I PENDAHULUAN..........................................................................................1

A. Latar Belakang...............................................................................................1

B. Rumusan Masalah..........................................................................................2

C. Tujuan............................................................................................................2

D. Manfaat Penulisan..........................................................................................2

BAB II PEMBAHASAN...........................................................................................3

A. Siklus Brayton................................................................................................3

B. Penerapan Siklus Brayton dalam Teknik.......................................................7

BAB III PENUTUP....................................................................................................20

A. Kesimpulan....................................................................................................20

B. Saran...............................................................................................................21

DAFTAR PUSTAKA................................................................................................iii

ii

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Semua mahluk hidup melakukan pekerjaan. Tumbuh-tumbuhan

melakukan pekerjaan ketika mengangkat air dari akar ke cabang-cabang,

hewan melakukan pekerjaan ketika berenang, merayap, dan terbang. Kerja

juga terjadi ketika pemompaan darah melalui pembuluh darah dalam tubuh

dan pada pemompaan ion-ion melewati dinding sel .Semua kerja ini diperoleh

dari pengeluaran energi kimia yang disimpan dalam makanan yang

dikonsumsi oleh mahluk hidup.

Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan

dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan).

Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan, panas, kerja, dan energi

dan secara khusus perubahan panas menjadi kerja. Hukum termodinamika

pertama dan kedua dirumuskan pada abad ke-19 oleh para ilmuan mengenai

peningkatan efisiensi mesin uap. Bagaimanapun hukum ini merupakan dasar

seperti hukum fisika lainnya. Mereka membatasi efisiensi amuba atau ikan

paus seperti mereka membatasi efisiensi mobil atau tenaga nuklir.

Dengan menganggap sejumlah tertentu gas terkandung dalam sebuah

silinder yang disusun dengan piston dan thermometer. Dengan menggerakan

piston dan memanaskan atau mendinginkan silinder, tekanan P, volume V,

dan suhu T dapat diubah. Keadaan termodinamika gas ditentukan dengan

memberikan nilai dari variabel-variabel termodinamika P,V dan T. Jika

variabel-variabel dihubungkan oleh persamaan PV=nRT

Dimana n adalah jumlah mol gas dan R=8,314 J/K adalah tetapan gas.

Persamaan ini menunjukan bahwa jika dua variabel diketahui, variabel ketiga

dapat ditentukan. Hal ini berarti hanya dua variabel yang diperlukan untuk

menentukan keadaan. Bahkan jika gas tidak ideal, hanya dua variabel yang

diperlukan, karena terdapat persamaan keadaan yang berhubungan dengan

variabel-variabel ini.

1

Siklus termodinamika terdiri dari urutan operasi/proses termodinamika,

yang berlangsung dengan urutan tertentu, dan kondisi awal diulangi pada

akhir proses. Jika operasi atau proses dilukiskan pada diagram p-v, akan

membentuk lintasan tertutup. Karena daerah dibawah setiap kurva merupakan

kerja yang dilakukan, sehingga kerja netto dalam satu siklus diberikan oleh

daerah yang ditutupi oleh lintasan.

Pengetahuan mengenai siklus termodinamika adalah penting di dalam

sistem pembangkit tenaga (seperti mesin bensin, diesel, turbin gas, dll).

Mesin-mesin ini menggunakan campuran bahan bakar dan udara untuk

operasinya. Karena massa bahan bakar yang digunakan sangat kecil bila

dibandingkan dengan massa udara, sehingga campuran diasumsikan mengikuti

sifat-sifat gas sempurna.

Maka dari itu, dalam makalah ini dibahas salah satu siklus dari siklus

termodinamika yaitu siklus Brayton dan penerapannya dalam dunia teknik.

B. Rumusan Masalah

1. Bagaimana penjelasan siklus Brayton?

2. Bagaimana pemerapan siklus Brayton dalam dunia teknik?

C. Tujuan

1. Untuk mengetahui penjelasan siklus Brayton.

2. Untuk mengetahui penerapan siklus Brayton dalam dunia teknik.

D. Manfaat Penulisan

Dengan ditulisnya makalah ini, penulis pada khususnya dan

pembaca pada umumnya dapat mengetahui informasi tentang siklus Brayton

serta penerapannya dalam dunia teknik. Sehingga setelah memahami siklus

Brayton diharapkan mampu mengaplikasikan dengan membuat produk sendiri

yang berkaitan dengan siklus Brayton.

2

BAB II

PEMBAHASAN

A. Siklus Brayton

Siklus Brayton dikembangkan pertama kali oleh John Barber pada

tahun 1791, dan disempurnakan lebih lanjut oleh George Brayton. Pada awal

penerapan siklus ini, Brayton dan ilmuwan lainnya mengembangkan mesin

reciprocating dikombinasikan dengan kompresor. Mesin tersebut

berdampingan dengan mesin Otto diaplikasikan pertama kali ke otomotif roda

empat. Namun mesin Brayton kalah pamor dengan mesin Otto empat silinder

yang dikembangkan oleh Henry Ford. Pada perkembangan selanjutnya, siklus

Brayton lebih diaplikasikan khusus ke mesin-mesin turbojet dan turbin gas.

Untuk memudahkan memahami siklus Brayton, sangat disarankan

untuk mengetahui prinsip kerja turbin gas. Kita ambil contoh mesin turbojet

pesawat terbang. Mesin ini menggunakan media kerja udara atmosfer. Sisi

inlet kompresor menghisap udara atmosfer, dan udara panas yang telah

melewati turbin keluar ke atmosfer lagi. Sekalipun sistem turbojet ini nampak

merupakan siklus terbuka, untuk kebutuhan analisa termodinamika, mari kita

asumsikan udara yang keluar turbin gas akan menjadi inlet untuk kompresor.

Sehingga untuk menganalisa siklus Brayton pada mesin turbojet menjadi lebih

mudah.

3

Mesin Turpojet Pesawat Terbang

Siklus Brayton melibatkan tiga komponen utama yakni kompresor,

ruang bakar (combustion chamber), dan turbin. Media kerja udara atmosfer

masuk melalui sisi inlet kompresor, melewati ruang bakar, dan keluar kembali

ke atmosfer setelah melewati turbin. Fenomena-fenomena termodinamika

yang terjadi pada siklus Brayton ideal adalah sebagai berikut:

(1-2) Proses Kompresi Isentropik

Udara atmosfer masuk ke dalam sistem turbin gas melalui sisi inlet

kompresor. Oleh kompresor, udara dikompresikan sampai tekanan tertentu

diikuti dengan volume ruang yang menyempit. Proses ini tidak diikuti dengan

4

perubahan entropi, sehingga disebut proses isentropik. Proses ini ditunjukan

dengan angka 1-2 pada kurva di atas.

(2-3) Proses Pembakaran Isobarik

Pada tahap 2-3, udara terkompresi masuk ke ruang bakar. Bahan bakar

diinjeksikan ke dalam ruang bakar, dan diikuti dengan proses pembakaran

bahan bakar tersebut. Energi panas hasil pembakaran diserap oleh udara (qin),

meningkatkan temperatur udara, dan menambah volume udara. Proses ini

tidak mengalami kenaikan tekanan udara, karena udara hasil proses

pembakaran bebas berekspansi ke sisi turbin. Karena tekanan yang konstan

inilah maka proses ini disebut isobarik.

(3-4) Proses Ekspansi Isentropik

Udara bertekanan yang telah menyerap panas hasil pembakaran,

berekspansi melewati turbin. Sudu-sudu turbin yang merupakan nozzle-nozzle

kecil berfungsi untuk mengkonversikan energi panas udara menjadi energi

kinetik (baca artikel berikut). Sebagian energi tersebut dikonversikan turbin

untuk memutar kompresor. Pada sistem pembangkit listrik turbin gas,

sebagian energi lagi dikonversikan turbin untuk memutar generator listrik.

Sedangkan pada mesin turbojet, sebagian energi panas dikonversikan menjadi

daya dorong pesawat oleh sebentuk nozzle besar pada ujung keluaran turbin

gas.

(4-1) Proses Pembuangan Panas

Tahap selanjutnya adalah pembuangan udara kembali ke atmosfer. Pada

siklus Brayton ideal, udara yang keluar dari turbin ini masih menyisakan

sejumlah energi panas. Panas ini diserap oleh udara bebas, sehingga secara

siklus udara tersebut siap untuk kembali masuk ke tahap 1-2 lagi.

5

Efisiensi Siklus Brayton

Keterangan :

1-2 : Kompresi secara isentropis

2-3 : Penambahan panas pada tekanan konstan

3-4 : Ekspansi secara isentropis

4-1 : Penurunan kalor pada tekanan konsstan

Karena siklus berputar kea rah kanan maka fungsi dari siklus tersebut

adalah mengubah energi panas menjadi energi mekanis. Penjabaran dari

efisiensi siklus di atas adalah:

ηbrayton=WQ

=Q¿−Qout

Q¿=1−

Qout

Q¿=1−

T 4−T1

T 3−T 2=1−

T 1(T 4

T 1−1)

T 2(T 3

T 2−1)

Karena proses 1-2 merupakan proses isetropik, maka:

T 1k P1

1−k=T2k P2

1−k

T2

T1=( P1

P2)

1−kk

T2

T1=( P2

P1)

KK−1

Dan proses 3-4 isentropik, maka:

T 3k P3

1−k=T 4k P4

1−k

T 4

T 3=( P3

P4)

1−kk

T 4

T 3=( P4

P3)

KK−1

6

Dan karena P1 sama dengan P4, maka:

P2

P1=

P3

P4maka

T2

T1=

T 3

T 4

Apabila T 4 dipindah ke ruas kiri dam dikurang satu, maka persamaan

menjadi:

T 4

T 1−1=

T3

T2−1

Maka persamaan efisiensi brayton di atas dapat diubah menjadi

ηbrayton=1−T1(T 3

T 2−1)

T2(T 3

T 2−1)

=1−T 1

T 2=1−

1T 2

T 1

=1− 1

( P2

P1 )K

K−1

B. Penerapan Siklus Brayton dalam Teknik

1. Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU)

a. Sejarah Turbin Gas pada PLTGU

Siklus dasar turbin gas disebut siklus Brayton, yang pertama kali

diajukan pada tahun 1870 oleh George Brayton seorang insinyur dari

Boston. Sekarang siklus Brayton digunakan hanya pada turbin gas,

yang merupakan cikal bakal dari PLTGU dengan proses kompresi dan

ekspansi terjadi pada alat permesinan yang berputar. John Barber telah

mempatenkan dasar turbin gas pada tahun 1791. Dua penggunaan

utama mesin turbin gas adalah pendorong pesawat terbang dan

pembangkit tenaga listrik.

Turbin gas digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik yang

berdiri sendiri (simple cycle) atau bergandengan dengan turbin uap

(combined cycle) pada sisi suhu tingginya. Turbin uap (combined

cycle) memanfaatkan gas buang turbin gas sebagai sumber panasnya.

Turbin uap dianggap sebagai mesin pembakaran luar (external

combustion), dimana pembakaran terjadi diluar mesin. Energi termal

dipindah ke uap sebagai panas.

Turbin gas pertama kali berhasil dioperasikan pada pameran

nasional Swiss (Swiss National Exhibition) tahun 1939 di Zurich.

Turbin gas yang dibangun antara tahun 1940-an hingga tahun 1950-an

7

efisiensinya hanya sekitar 17 persen; hal ini disebabkan oleh

rendahnya efisiensi kompresor dan turbin dan suhu masuk turbin yang

rendah karena keterbatasan teknologi metalurgi pada saat itu. Turbin

gas terpadu dengan turbin uap (combined cycle) yang pertama kali

dipasang pada tahun 1949 di Oklahoma oleh General Electric

menghasilkan daya 3,5 MW.

Sebelum ini, pembangkit daya ukuran besar berbahan bakar batu

bara ataupun bertenaga nuklir telah mendominasi pembangkitan tenaga

listrik. Tetapi sekarang, turbin gas berbahan baker gas alam yang telah

mendominasinya karena kemampuan start (black start) yang cepat,

efisiensi yang tinggi, biaya awal yang lebih rendah, waktu pemasangan

yang lebih cepat, karakter gas buang yang lebih baik dan berlimpahnya

persediaan gas alam. Biaya pembangunan pembangkit tenaga turbin

gas kira-kira setengah kali biaya pembangunan pembangkit tenaga

turbin uap berbahan bakar fosil yang merupakan pembangkit tenaga

utama hingga awal tahun 1980-an. Lebih dari separoh dari seluruh

pembangkit daya yang akan dipasang dimasa akan datang diperkirakan

akan merupakan pembangkit daya turbin gas ataupun dikombinasikan

dengan turbin uap (combined cycle).

Di awal tahun 1990-an, General Electric telah memasarkan turbin

gas dengan ciri perbandingan tekanan (pressure ratio) 13,5

menghasilkan daya net 135,7 MW dengan efisiensi termal 33 persen

pada operasi sendiri (simple cycle operation). Turbin gas terbaru yang

dibuat General Electric bersuhu masuk 1425 OC (2600 OF)

menghasilkan daya hingga 282 MW dengan efisiensi termal mencapai

39.5 persen pada operasi sendiri (simple cycle operation).

Bahan bakar minyak ringan seperti minyak diesel, minyak tanah,

minyak mesin jet, dan bahan bakar gas yang bersih (seperti gas alam)

paling cocok untuk turbin gas. Bagaimanapun , bahan bakar tersebut

diatas akan menjadi lebih mahal dan pasti akan habis. Oleh karena itu,

pemikiran kemasa depan harus dilakukan untuk menggunakan bahan

bakar alternatif lain.

8

Turbin Gas Siklus Terbuka

Gb 1 Turbin Gas Siklus terbuka

Biasanya turbin gas beroperasi pada siklus terbuka. Udara yang

segar mengalir ke kompresor, suhu dan tekanannya dinaikkan. Udara

bertekanan terus mengalir ke ruang pembakaran, dimana bahan bakar

dibakar pada tekanan tetap.

Gas panas yang dihasilkan masuk ke turbin, kemudian

berekpansi ke tekanan udara luar melalui berbaris sudu nosel. Ekspansi

ini menyebabkan sudu turbin berputar, yang kemudian memutar poros

rotor berkumparan magnet, sehingga menghasilkan teganan listrik

dikumparan stator generator. Gas buang (exhaust gases) yang

meninggalkan turbin siklus terbuka tidak digunakan kembali.

Siklus Brayton

9

Gb 2 Siklus Brayton

Turbin gas siklus terbuka dapat dibentuk menjadi sebagai turbin

gas siklus tertutup dengan menggunakan anggapan udara standar (air-

standard assumptions). Proses kompresi dan ekspansi tetap sama,

tetapi proses pembuangan gas panas tekanan tetap ke udara luar

diganti dengan proses pendinginan qout.

Siklus ideal yang fluida kerja jalani dalam siklus tertutup ini

adalah siklus Brayton, yang terdiri dari empat proses dalam dapat

balik (internally reversible):

1 – 2 Kompresi isentropik (isentropic compression) di kompresor

2 – 3 Penambahan panas tekanan tetap (constant pressure heat

addition)

3 – 4 Expansi isentropik (isentropic expansion) di turbin

4 – 1 Pembuangan panas tekanan tetap (constant pressure heat

rejection)

b. Cara Kerja PLTG

Proses yang terjadi pada PLTG adalah sebagai berikut:

Pertama, turbin gas berfungsi menghasilkan energi mekanik

untuk memutar kompresor dan rotor generator yang terpasang satu

poros, tetapi pada saat start up fungsi ini terlebih dahulu dijalankan

oleh penggerak mula (prime mover).

Penggerak mula ini dapat berupa diesel, motor listrik atau

generator turbin gas itu sendiri yang menjadi motor melalui

mekanisme SFC (Static frequency Converter). Setelah kompresor

berputar secara kontinu, maka udara luar terhisap hingga dihasilkan

udara bertekanan pada sisi discharge (tekan) kemudian masuk ke ruang

bakar.

Kedua, proses selanjutnya pada ruang bakar, jika start up

menggunakan bahan bakar cair (fuel oil) maka terjadi proses

pengkabutan (atomizing) setelah itu terjadi proses pembakaran dengan

penyala awal dari busi, yang kemudian dihasilkan api dan gas panas

bertekanan. Gas panas tersebut dialirkan ke turbin sehingga turbin

10

dapat menghasilkan tenaga mekanik berupa putaran. Selanjutnya gas

panas dibuang ke atmosfir dengan temperatur yang masih tinggi.

Proses seperti tersebut diatas merupakan siklus turbin gas, yang

merupakan penerapan Siklus Brayton. Siklus tersebut dapat

digambarkan sebagai berikut :

Diagram P-v dan T-s

Gb 3 Diagram P-v dan T-s

Siklus seperti gambar, terdapat empat langkah:

Langkah 1-2 : Udara luar dihisap dan ditekan di dalam

kompresor, menghasilkan udara bertekanan

(langkah kompresi)

Langkah 2-3 : Udara bertekanan dari kompresor dicampur dengan

bahan bakar, terjadi reaksi pembakaran yang

menghasilkan gas panas (langkah pemberian

panas)

Langkah 3-4 : Gas panas hasil pembakaran dialirkan untuk

memutar turbin (langkah ekspansi)

Langkah 4-1 : Gas panas dari turbin dibuang ke udara luar

(langkah pembuangan)

c. Kelemahan dan Solusinya

Salah satu kelemahan mesin turbin gas (PLTG) adalah efisiensi

termalnya yang rendah. Rendahnya efisiensi turbin gas disebabkan

karena banyaknya pembuangan panas pada gas buang. Dalam usaha

untuk menaikkan efisiensi termal tersebut, maka telah dilakukan

berbagai upaya sehingga menghasilkan mesin siklus kombinasi seperti

yang dapat kita jumpai saat ini.

11

Siklus Kombinasi (Combined Cycle)

Di bidang industri saat ini, dilakukan usaha untuk meningkatkan

efisiensi turbin gas yaitu dengan cara menggabungan siklus turbin gas

dengan siklus proses sehingga diperoleh siklus gabungan yang biasa

disebut dengan istilah “Cogeneration”. Sedangkan untuk

meningkatkan efisiensi termal turbin gas yang digunakan sebagai unit

pembangkit listrik (PLTG), siklus PLTG digabung dengan siklus

PLTU sehingga terbentuk siklus gabungan yang disebut “Combined

Cycle” atau Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU).

Siklus PLTGU terdiri dari gabungan siklus PLTG dan siklus

PLTU. Siklus PLTG menerapkan siklus Brayton, sedangkan siklus

PLTU menerapkan siklus ideal Rankine seperti gambar :

Siklus kombinasiGb 4 Siklus Kombinasi

Siklus Brayton, Siklus Rankine dan Siklus kombinasi

Gb 5 Siklus Brayton, Siklus Rankine dan Siklus kombinasi

12

Penggabungan siklus turbin gas dengan siklus turbin uap

dilakukan melalui peralatan pemindah panas berupa boiler atau umum

disebut “Heat Recovery Steam Generator” (HRSG). Siklus kombinasi

ini selain meningkatkan efisiensi termal juga akan mengurangi

pencemaran udara.

Dengan menggabungkan siklus tunggal PLTG menjadi unit

pembangkit siklus kombinasi (PLTGU) maka dapat diperoleh

beberapa keuntungan, diantaranya adalah :

Efisiensi termalnya tinggi, sehingga biayaoperasi (Rp/kWh) lebih

rendah dibandingkan dengan pembangkit thermal lainnya.

Biaya pemakaian bahan bakar (konsumsi energi) lebih rendah

Pembangunannya relatif cepat

Kapasitas dayanya bervariasi dari kecil hingga besar

Menggunakan bahan bakar gas yang bersih dan ramah lingkungan

Fleksibilitasnya tinggi

Tempat yang diperlukan tidak terlalu luas, sehingga biaya investasi

lahan lebih sedikit.

Pengoperasian PLTGU yang menggunakan komputerisasi

memudahkan pengoperasian.

Waktu yang dibutuhkan: untuk membangkitkan beban maksimum

1 blok PLTGU relatif singkat yaitu 150 menit.

Prosedur pemeiliharaan lebih mudah dilaksanakan dengan adanya

fasilitas sistem diagnosa.

13

Skema siklus PLTGU dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gb 6 Combined Cycle Power Plant (PLTGU)

2. Pesawat Turbo Jet

Mesin turbojet menjadi salah satu jenis mesin penggerak pesawat

terbang. Mesin penggerak pesawat terbang yang juga banyak digunakan

pada saat ini selain turbojet yaitu turboprop dan turbofan. Mesin turbojet

sangat umum digunakan pada pesawat-pesawat tempur yang

membutuhkan kecepatan tinggi. Dan sekalipun mesin ini tidak lazim

digunakan pada kendaraan darat, namun kendaraan untuk pemecahan

rekor kecepatan darat menggunakan mesin ini.

Mesin Turbojet Pesawat F-16 Fighting Falcon

Mesin turbojet merupakan penerapan dari siklus termodinamika

Brayton. Siklus Brayton terbagi kedalam empat tahapan proses yakni

14

proses kompresi isentropik, proses pembakaran isobarik, proses ekspansi

isentropik, serta proses pembuangan panas. Keempat tahapan proses inilah

yang menjadi prinsip dasar dari mesin turbojet.

Prinsip kerja mesin turbojet tidak dapat terlepas dengan komponen-

komponen kerjanya. Komponen utama dari mesin turbojet yaitu

kompresor, ruang bakar (combustion chamber), turbin, dan nozzle. Tiga

tahapan awal dari siklus brayton di atas terjadi pada komponen-komponen

mesin turbojet tersebut. Sedangkan proses siklus brayton yang terakhir

yakni proses pembuangan panas, terjadi di udara atmosfer.

Skema Mesin Turbojet

Mesin turbojet menggunakan udara atmosfer sebagai fluida kerja.

Udara masuk ke dalam sistem turbojet melalui sisi inlet kompresor. Saat

melewati kompresor, udara dikompresi oleh beberapa tingkatan sudu

kompresor yang tersusun secara aksial. Pada ujung akhir kompresor,

penampang casing berbentuk difuser untuk menambah tekanan keluaran

kompresor. Umumnya, tekanan udara keluaran kompresor turbojet

mencapai rasio 15:1. Selain itu, ada sebagian udara bertekanan yang tidak

diteruskan masuk ke ruang bakar. Sebagian kecil udara bertekanan tersebut

diekstraksi untuk berbagai kebutuhan seperti pendinginan stator turbin, air

conditioning, dan untuk sistem pencegah terbentuknya es di sisi inlet

turbin.

Selanjutnya, udara terkompresi keluaran kompresor masuk ke ruang

bakar atau combustor. Bahan bakar (avtur contohnya) diinjeksikan ke

dalam ruang bakar ini. Sistem combustor memiliki desain khusus sehingga

15

aliran udara bertekanan akan mengkabutkan bahan bakar. Campuran bahan

bakar dan udara dipicu untuk terbakar di dalam ruang bakar ini. Proses

pembakaran yang terjadi seolah-olah menghasilkan efek ledakan yang

membuat udara bertekanan memuai dengan sangat cepat. Pemuaian udara

yang terjadi membuat udara panas hasil pembakaran berekspansi secara

bebas ke arah turbin.

Potongan Penampang Combustor dan Bagian-bagiannya

Udara panas hasil pembakaran di combustor akan menuju sisi turbin.

Turbin tersusun atas beberapa tingkatan sudu rotor dan stator. Sudu-sudu

turbin berfungsi sebagai nozzle-nozzle kecil yang akan mengkonversikan

energi panas di dalam udara pembakaran menjadi energi kinetik. Sudu

pada sisi rotor turbin yang dapat berputar mengkonversikan energi kinetik

16

ini menjadi energi mekanis putaran poros turbojet. Karena turbin dan

kompresor berada pada satu poros, maka energi putar poros digunakan

untuk memutar kompresor turbojet.

Berbeda dengan mesin turbin gas pada PLTG yang keseluruhan

energi panas udara hasil pembakaran dikonversikan menjadi putaran

poros, pada mesin turbojet sebagian besar energi panas justru tidak

digunakan untuk memutar turbin. Sebagian besar energi panas ini

dikonversikan menjadi daya dorong (thrust) mesin yang dibutuhkan untuk

penggerak pesawat terbang. Untuk mengkonversi energi panas udara

menjadi daya dorong, pada sisi keluaran turbin mesin jet terdapat nozzle

besar dengan penampang selebar mesin jet itu sendiri. Nozzle besar ini

berfungsi untuk merubah energi panas udara menjadi kecepatan tinggi

sebagai komponen daya dorong.

Prinsip Nozzel Konvergen-Divergen Digunakan Pada ExhaustMesin Turbojet

Sebuah pesawat jet yang mampu mencapai kecepatan supersonik

(melebihi kecepatan suara) pasti exhaust mesin jetnya menggunakan

nozzle konvergen-divergen. Nozzle konvergen-divergen adalah sebuah

pipa yang mengalami pencekikan aliran di tengah-tengahnya,

menghasilkan bentuk seperti jam pasir yang tidak simetris antara sisi inlet

dan outlet nozzle. Nozzle ini berfungsi untuk mengakselerasi gas panas

dengan tekanan tinggi sehingga mencapai kecepatan supersonik. Bentuk

nozzle yang sedemikian rupa membuat energi panas yang mendorong

aliran udara terkonversi secara maksimal menjadi energi kinetik.

Penampang cekik dari nozzle pada mesin jet bertujuan untuk

menciptakan restriksi aliran udara panas sehingga tekanan udara

meningkat, yang biasanya bahkan mendekati chocking atau berhentinya

17

aliran udara. Lalu aliran udara panas yang tercekik ini secara tiba-tiba

diekspansikan hingga mencapai atau paling tidak mendekati tekanan

atmosfer. Ekspansi ini diakibatkan oleh bentuk nozzle divergen setelah

bagian cekiknya. Ekspansi cepat hingga mencapai tekanan atmosfer inilah

yang mengkonversikan energi panas udara menjadi daya dorong pesawat.

Exhaust Nozzle Dengan Sistem Vektor Fleksibel

Dapat disimpulkan bahwa energi untuk mendorong pesawat berasal

dari temperatur dan tekanan udara panas hasil pembakaran di dalam

combustor. Udara hasil pembakaran inilah yang mengakselerasi pesawat

jet menjadi kecepatan supersonik. Akselerasi yang diberikan oleh udara

panas tersebut tergantung oleh beberapa kondisi berikut:

18

Tekanan dan temperatur udara panas di titik masuk nozzle.

Tekanan ambien keluaran nozzle.

Efisiensi dari proses ekspansi. Efisiensi ini meliputi kerugian atas

adanya gesekan, atau adanya kemungkinan kebocoran pada nozzle.

Berikut adalah rumus perhitungan gaya dorong netto mesin turbojet:

FN=(mair+mfluel ) ve−mair v

Dimana :

mair = laju massa aliran udara di dalam mesin jet.

mfluel = laju massa aliran bahan bakar di dalam mesin jet.

ve = kecepatan keluaran fluida jet.

v = kecepatan udara masuk ke inlet mesin jet.

19

BAB III

PENUTUP

A. Kesimpulan

Siklus Brayton melibatkan tiga komponen utama yakni kompresor, ruang

bakar (combustion chamber), dan turbin. Media kerja udara atmosfer masuk

melalui sisi inlet kompresor, melewati ruang bakar, dan keluar kembali ke

atmosfer setelah melewati turbin. siklus Brayton, yang terdiri dari empat

proses dalam dapat balik (internally reversible):

1 – 2 Kompresi isentropik (isentropic compression) di kompresor

2 – 3 Penambahan panas tekanan tetap (constant pressure heat addition)

3 – 4 Expansi isentropik (isentropic expansion) di turbin

4 – 1 Pembuangan panas tekanan tetap (constant pressure heat rejection)

Penjabaran dari efisiensi siklus Brayton adalah:

ηbrayton=WQ

=Q¿−Qout

Q¿=1−

Qout

Q¿=1−

T 4−T1

T 3−T 2=1−

T 1(T 4

T 1−1)

T 2(T 3

T 2−1)

Karena proses 1-2 merupakan proses isetropik, maka:

T 1k P1

1−k=T2k P2

1−k

T2

T1=( P1

P2)

1−kk

T2

T1=( P2

P1)

KK−1

Dan proses 3-4 isentropik, maka:

T 3k P3

1−k=T 4k P4

1−k

T 4

T 3=( P3

P4)

1−kk

T 4

T 3=( P4

P3)

KK−1

Dan karena P1 sama dengan P4, maka:

20

P2

P1=

P3

P4maka

T2

T1=

T 3

T 4

Apabila T 4 dipindah ke ruas kiri dam dikurang satu, maka persamaan menjadi:

T 4

T 1−1=

T3

T2−1

Maka persamaan efisiensi brayton di atas dapat diubah menjadi

ηbrayton=1−T1(T 3

T 2−1)

T2(T 3

T 2−1)

=1−T 1

T 2=1−

1T 2

T 1

=1− 1

( P2

P1 )K

K−1

Penerapan Siklus Brayton dalam Teknik adalah sebagai berikut:

1. Pembangkit Listrik Tenaga Gas Uap (PLTGU)

2. Pesawat Turbo Jet

B. Saran

Dalam pembuatan makalah hendaknya mencari sumber yang lebih

banyak dari sumber yang bias dipercaya, agar pemahaman mengenai siklus

Brayton dapat dipahami dengan jelas.

21

DAFTAR PUSTAKA

Rakhman, Alief. 2013.Prinsip Kerja PLTGU. [Online] Tersedia di:

http://rakhman.net/2013/01/prinsip-kerja-pltgu.html [22 April 2015]

Putri, Ananda. 20115. Turbojet. [Online] Tersedia di:

http://anandaputriap.blogspot.com/2015/03/turbojet.html [22 April 2015]

iii